下辽河坳陷深部热状态及热聚敛机制

刘伟朋; 张子纯; 张秋霞; 刘超; 李胜涛; 林中阔; 杨骊; 范显利; 刘振伟; 靳慧杰; 贾小丰

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503991

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (16) :6737-6748 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503991

天文学、地球科学

下辽河坳陷深部热状态及热聚敛机制

刘伟朋 ¹^,² ,
张子纯 ¹^,² ,
张秋霞 ¹^,² ,
刘超 ³ ,
李胜涛 ¹^,²^,⁴^,^* ,
林中阔 ⁵ ,
杨骊 ¹^,² ,
范显利 ⁶ ,
刘振伟 ⁷ ,
靳慧杰 ⁸ ,
贾小丰 ¹^,²

作者信息 +

¹ 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心, 天津 300304

² 天津市地热资源勘查开发工程研究中心, 天津 300304

³ 辽宁省自然资源厅, 沈阳 110032

⁴ 自然资源部地质环境监测工程技术创新中心, 天津 300304

⁵ 辽河油田勘探开发研究院, 盘锦 124000

⁶ 辽河油田环境工程公司, 盘锦 124000

⁷ 辽宁省矿产勘查院有限责任公司, 沈阳 110032

⁸ 辽宁省地质勘探矿业集团有限公司, 沈阳 110032

通信作者:

^* 李胜涛(1982—),男,汉族,山东烟台人,博士,正高级工程师。研究方向:地热地质与热储工程。E-mail:list07@mails.jlu.edu.cn。

作者简介:

刘伟朋(1985—),男,汉族,河北保定人,硕士,高级工程师。研究方向:地热地质与水工环地质。E-mail:370648332@qq.com。

收起

Deep Thermal State and Thermal Convergence Mechanism in Lower Liaohe Depression

LIU Wei-peng ¹^,² ,
ZHANG Zi-chun ¹^,² ,
ZHANG Qiu-xia ¹^,² ,
LIU Chao ³ ,
LI Sheng-tao ¹^,²^,⁴^,^* ,
LIN Zhong-kuo ⁵ ,
YANG Li ¹^,² ,
FAN Xian-li ⁶ ,
LIU Zhen-wei ⁷ ,
JIN Hui-jie ⁸ ,
JIA Xiao-feng ¹^,²

Author information +

文章历史 +

摘要

下辽河坳陷地热资源丰富,但当前以砂岩热储勘查开发为主,存在热储温度低、回灌困难、效益差等问题,基岩热储作为埋藏在砂岩热储下部的第二热储,研究程度较低,其热状态与热聚敛机制尚不明确。基于区域地热地质条件,通过钻孔测温数据统计分析,揭示了基岩热储盖层地温梯度在垂向上古近系地层高于新近系+第四系地层、水平上西部凹陷高于东部凹陷、坳陷南部高于北部的地域空间特征;利用COMSOL Multiphysics软件构建二维地质剖面模型,模拟了12 km以浅热流传导过程,发现区域温度场随基岩起伏呈波状形态,埋深3 200 m以浅和以深地层温度场呈现相反的分布规律。结果表明:区域大地热流以传导为主,局部存在岩溶热储和断裂带对流聚热形成的高温异常区(带),并首次定量计算了西部凹陷(40~70 mW/m²)、中央凸起(52~65 mW/m²)和东部凹陷(36~60 mW/m²)的热流值。创新性提出下辽河坳陷“四元控热”模式,包括深部热传导、凹凸构造分流聚热、断裂带和岩溶对流控热,并指出西部凹陷斜坡带的低凸起区为高效钻探靶区,可显著提升井底高温获取效率;西部凹陷斜坡带的碳酸盐岩地层对流循环强烈,推测可显著提升地热井回灌效率。研究成果为基岩热储勘探开发提供了理论依据和技术支撑。

Abstract

The Lower Liaohe Depression is rich in geothermal resources, though current development focuses primarily on sandstone reservoirs, which face challenges such as low thermal temperatures, reinjection difficulties and poor economic returns. As a secondary thermal resource beneath the sandstone reservoirs, bedrock reservoirs have been less studied, and their thermal state and heat convergence mechanisms remain unclear. Based on regional geothermal-geological conditions and statistical analysis of borehole temperature data, the spatial characteristics of geothermal gradients in the bedrock thermal reservoir caprock were revealed. These characteristics include the geothermal gradient of the bedrock caprock is higher in Paleogene strata than in Neogene-Quaternary strata vertically, higher in the western depression than in the eastern depression horizontally, and higher in the southern part than in the northern part of the depression spatially. A 2D geological profile model was constructed with COMSOL Multiphysics to simulate heat transfer at depths of up to 12 km. Results show a wavy temperature field that corresponds to bedrock relief, with opposite distribution patterns above and below the depth of 3 200 m. The results demonstrate that regional terrestrial heat flow is mainly conductive, with local high-temperature anomalies formed by convective heat accumulation in karst reservoirs and fault zones. For the first time, heat flow values are quantitatively determined as 40~70 mW/m² in the western depression, 52~65 mW/m² in the central uplift, and 36~60 mW/m² in the eastern depression. An innovative “four-element heat control” model was proposed, including deep heat conduction, structural diversion and accumulation of heat in uplifts and depressions, convective heat control by fault zones, as well as convective heat control by karst systems. Low-uplift areas in the western depression’s slope zone are identified as high-efficiency drilling targets for obtaining higher bottom-hole temperatures. In addition, strong convective circulation in carbonate formations in this area is inferred to significantly enhance reinjection efficiency. These results offer theoretical and technical support for the exploration and development of bedrock geothermal reservoirs.

Graphical abstract

关键词

下辽河坳陷 / 数值模拟 / 温度场 / 大地热流 / 聚热模式

Key words

Lower Liaohe Depression / numerical simulation / temperature field / terrestrial heat flow / heat focusing mechanism

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刘伟朋, 张子纯, 张秋霞, 刘超, 李胜涛, 林中阔, 杨骊, 范显利, 刘振伟, 靳慧杰, 贾小丰. 下辽河坳陷深部热状态及热聚敛机制[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(16): 6737-6748 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503991

LIU Wei-peng, ZHANG Zi-chun, ZHANG Qiu-xia, LIU Chao, LI Sheng-tao, LIN Zhong-kuo, YANG Li, FAN Xian-li, LIU Zhen-wei, JIN Hui-jie, JIA Xiao-feng. Deep Thermal State and Thermal Convergence Mechanism in Lower Liaohe Depression[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(16): 6737-6748 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503991

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近年来,随着化石能源的短缺和“双碳”目标的提出,可再生清洁能源已成为一个重要的研究课题^[1]。地热资源是一种清洁低碳、可循环利用的可再生能源^[2],具有分布广、储量大、开发成本低及稳定可靠等特点^[3],越来越受到人们的重视。地热资源在中国具有明显的区域性和地带性^[4],从深部区域构造和潜在地热田分布趋势来看,环渤海地区是中国东部地区最有希望的高温地热田分布区之一^[5-6]。下辽河盆地是环渤海盆地最北段的一个坳陷盆地,早在20世纪80年代就引起了一些专家的重视。研究表明,下辽河坳陷具有较高的大地热流和地温梯度,许多地区具备地热田形成条件^[7-8]。

然而,长期以来盆地以油气勘探为核心,地热资源的勘探研究进展相对较慢^[9],直至21世纪初,利用油田积累的大量翔实地质资料,为新生界尤其是古近系砂岩热储研究提供了重要的基础数据^[10]。文献[6,9,11 -14]分析了下辽河坳陷古近系热储沉积、物性特征和砂体发育状况,开展了地热资源定量评价及开发利用研究。结果表明:下辽河坳陷具有丰富的砂岩热储地热资源,4 000 m以浅地热资源量约8 800×10⁸ m³,折合标煤340×10⁸ t^[15],但对标相似地热区块,属于低品位砂岩热储中低温地热资源^[16],高效开发利用存在一定的局限性。相较于中低温地热资源,高温地热资源具有储量大、利用方式多样等优势^[17]。相对于砂岩热储,埋藏其下部的基岩热储具有温度高、较易回灌、可规模化开发利用等优点,但分布不均,针对其分布规律和赋存机理需要进一步开展研究。

为获得深部找热突破,以前中生界基岩热储为研究对象,以井底温度、热物性数据为基础,利用有限元数值模拟方法,开展深部温度场分布特征和热聚敛机制研究,预测深部高温(>150 ℃)地热能聚集靶区,为下辽河坳陷深部高温地热资源勘查开发有利区优选、靶区圈定,提升井底高温获取效率提供理论支持。

1 区域地质条件

1.1 区域构造

从区域上看,下辽河坳陷位于华北板块渤海湾裂谷系的东北端,是渤海湾盆地的重要组成部分,东临辽东隆起,西接燕山台褶带,北抵内蒙古地轴东段,与松辽盆地相望,郯庐断裂带从坳陷内部穿过[图1(a),据文献[18]修改]。板块构造和深大断裂的多期次活动,对断陷内基底的改造和盖层的发育演化有着重大影响,是中-新生代华北地台活化背景下形成的大陆裂谷盆地。

下辽河坳陷呈北东向狭长状展布,长约200 km,宽约44 km,整体呈“三凸三凹”的构造格局,北端为大民屯坳陷,中南部东西向表现为“三凸两凹”的特点,由西向东依次为西部凸起、西部凹陷、中央凸起、东部凹陷、东部凸起5个构造单元[图1(b),据文献[18]修改],总面积约11 200 km²。各凹陷具有东陡西缓、东深西浅的箕状断陷特点(图2,据文献[19]修改)。

下辽河坳陷整体发育北东向和近东西向两组断裂,其中,北东向断裂是郯庐断裂带的主干断裂^[20],郯庐断裂中生代时期在研究区形成两条主干断裂,分别为位于西部凹陷和东部凹陷东部斜坡分界带的台安-大洼断裂带和营口-佟二堡断裂带。大量研究表明,郯庐断裂带中生代以来的复杂活动对下辽河盆地的形成与构造演化有强烈的控制^[21],特别是郯庐断裂带新生代的再次活动(相对于中生代左旋活动),使得东部、西部凹陷构造变形的差异性进一步増强。东部凹陷走滑改造作用强烈,西部凹陷以斜向伸展变形为主,局部发育走滑构造,具有走滑-斜向伸展叠加变形的特点,这为西部凹陷良好的地热地质条件奠定了基础。在三维地震剖面上,郯庐断裂附近地层存在强烈破碎带,宽达数米至数百米不等^[20],钻遇钻井常发生严重泥浆漏失。

1.2 地层岩组

下辽河坳陷整体北高南低,沉积中心自北向南迁移,是一个多旋回叠加盆地,自新生界以来处于持续下降阶段,沉积了巨厚的古近系、新近系和第四系地层。下辽河坳陷地层结构复杂,横剖面上可分为前古近系盆地基底及其块断系统、卷入基底受块断系统控制的古近系沉积盖层和全区较平稳分布的新近系和第四系沉积盖层^[22-23],如图2(据文献[19]修改)所示。前古近系基岩基底由太古界、中上元古界、古生界和中生界地层构成,其中,太古界地层分布广泛,岩性多为混合花岗岩、片麻岩等变质岩系;中上元古界覆盖于太古界之上,在西部凹陷曙光潜山地区零星分布,岩性以碳酸盐岩、石英岩为主;古生界地层在东部凹陷东北部零星分布,岩性以碳酸盐岩为主;中生界地层分布广泛,以火山岩、碎屑岩为主。古近系沉积盖层分布在凹陷区,受基底起伏影响,沉积厚度几十米至几千米。新近系和第四系沉积盖层全区分布,厚度一般小于1 500 m。

2 地热地质条件

2.1 大地热流

大地热流是地温场的综合性热参数,是地球内热在地表直接测得的唯一物理量,能够准确地反映区域内的地温场特征^[24],下辽河坳陷是一个在前中生代基地上发育起来的中、新生代断陷盆地,中生代-新生代期间,库拉一太平洋板块向亚洲大陆的斜向俯冲,软流圈上拱引,引起局部地幔热异常,下辽河地区热幔上拱,地壳拉张变薄,莫霍面埋深31~34 km,较两侧辽东台隆与燕山台褶带高4~5 km,软流圈埋深约86 km,较两侧高20~34 km^[25]。受深部构造影响,下辽河坳陷具有较高的热流值,根据第四版大地热流数据,研究区地表大地热流43.5~93.8 mW/m²,平均66.5 mW/m²,且大部分流量来源于地幔热流,据以往研究,辽河坳陷古近纪时期地幔古热流值可达50~60 mW/m²,占地表热流量的80%^[26]。现今地幔热流量平均41 mW/m²,占地表热流总量的63%^[27-29],分布格局具有古潜山带和斜坡带高于洼陷区的特点。

2.2 地温梯度

地温梯度一般由钻井测温资料计算获得,主要受到地层结构特征、岩石热物性差异以及地层水活动等因素的影响^[30]。共收集60口测温数据,绘制孔底深度与温度散点图,如图3所示,可以看出,深度与测点温度近似呈线性关系,表明下辽河坳陷地温场特征整体为传导型,但仍存在部分区域温度值偏离。东部凹陷和西部凹陷数据对比显示,3 000 m 以浅同深度西部凹陷温度高于东部凹陷,随着地层深度增加,东西部凹陷区温度差异有减小趋势。利用部分系统测温数据计算了研究区盖层地温梯度,如图4所示,研究区沙河街组地温梯度整体高于第四系和新近系地温梯度, 西部凹陷地温梯度高于东部凹陷。以西部凹陷盘山县至东部凹陷沙岭镇为界,凹陷南段地温梯度高于北段,其中西部凹陷南段地温梯度最高,沙河街组地层段为3.23~5.73 ℃/hm,平均值4.17 ℃/hm,第四系和新近系(Q+N)地层段为1.87~3.89 ℃/hm,平均值 2.83 ℃/hm,盖层地温梯度平均值3.50 ℃/hm,东部凹陷南段盖层平均地温梯度为3.06 ℃/hm。

2.3 储盖组合

根据热储地层岩组划分,研究区盖层主要为第四系和新近系明化镇组地层,它们覆盖在馆陶组地层之上,导热性差,盖层总厚度500~1 400 m;地热资源储层可分为上部孔隙型砂岩热储和下部基岩型热储。其中,孔隙型砂岩热储岩组主要为新近系馆陶组、古近系东营组和沙河街组,以往研究表明,该热储层孔隙率较好,但是渗透率较低,属于中低渗热储^[16],在本次地热系统中作为盖层研究;下部前中生界基岩储层作为本次热储研究的主要对象,包括全区分布的太古界基岩热储、局部分布的古生界-中上元古界碳酸盐岩热储和深大断裂破碎带基岩裂隙型热储。

3 模型方法

3.1 概念与数学模型

根据上文分析下辽河坳陷南段具有较好的高温热储条件,以坳陷南段地质条件为基础,重点研究天然状态下深部热流向浅部运移过程和基底(断裂)构造的控热机制。建立下辽河坳陷地质剖面传热概念模型(图5),并利用COMSOL Multiphysics软件实现模型的流体流动和传热的双向耦合。在研究过程中,把岩石地层视作为饱和多孔介质,流体流动满足达西定律,传热方式采用多孔介质传热表示,包括热传导和热对流^[31-32];将两条深大断裂作为单层裂隙流起到沟通深部热源作用,传热方式为热对流传热,裂隙中的流动比周围多孔介质中的流动快得多,使用立方定律来描述裂隙流的关联性。多孔介质传热控制方程^[33]如式(1)~式(4),裂隙渗透率采用修正的立方定律公式^[34],如式(5)所示。

(1)$ (\rho C)_{\mathrm{eff}} \frac{\partial T}{\partial t}+\rho_{\mathrm{w}} C_{\mathrm{w}} u \nabla T+\nabla q=Q$

(2)$ q=-k_{\mathrm{eff}} \nabla T$

(3)$ (\rho C)_{\mathrm{eff}}=(1-\theta) \rho_{\mathrm{p}} C_{\mathrm{p}}+\theta \rho_{\mathrm{w}} C_{\mathrm{w}}$

(4)$ k_{\mathrm{eff}}=(1-\theta) k_{\mathrm{p}}+\theta k_{\mathrm{w}}$

(5)$ k_{\mathrm{f}}=\frac{d_{\mathrm{f}}^{2}}{12 F_{\mathrm{f}}}$

式中:(ρC)_eff为有效体积热容,是多孔介质(岩石)和水的热容求和;T为温度,K;t为时间,s;ρ_w、ρ_p分别为水的密度和岩石的密度,kg/m³;C_w、C_p分别为水恒压比热容和岩石恒压比热容,J/(kg·K);Q为热量源汇项;q为热流密度,J/(m²·s),负号表示热流从高温向低温流动;u为液体流速,m/s,流速场来自达西定律求解;k_p、k_w分别为岩石骨架的热导率和水的热导率,W/(m·K);k_eff为有效热导率,采用体积平均方法求得;${d}_{f}^{2}$断层破碎带宽度,m;k_f为断层裂隙中的渗透率,m²;F_f为裂隙粗糙度系数,取值1.6,无量纲;下角标p为岩石骨架;w为水;θ为孔隙度,无量纲。

3.2 初始条件和关键参数

根据上文分析,模型底部热流值设为66.5 mW/m²,分布均匀且稳定;顶部恒温带温度10.5 ℃;两侧边界的热通量和水流通量均为零边界。数值模型的初始孔压场和温度场均采用梯度赋值^[35]。初始压力设为静水压力,整个模型通过基底热流逐渐增温,基底热导率为2.3 W/(m·K),主要热储热导率为2.26~3.90 W/(m·K),盖层热导率1.19~1.66 W/(m·K),元古代碳酸盐岩热储孔隙度和渗透率较高,为20%和1.0×10^-13 m²。具体详细参数如表1^[36-40]所示。

3.3 离散化

COMSOL Multiphysics数值模拟软件具有自动剖分网格的功能,采用细化三角网格剖分,软件自动在断裂处进行了网格加密处理,网格化结果共计17 576个单元和9 308个边界元,如图6所示。

4 结果分析

4.1 模型校准

通过模型模拟0.1 Ma、1 Ma和2 Ma地温场分布情况,如图7所示,可以看出,整个区域的热量全部来自深部热源的热传导,随着时间的推移,地层由深至浅,温度逐步升高,直至基本平衡。

采用已有钻孔温度数据进行模型校准,共收集模型剖面线附近不同深度的钻孔井底温度数据4个(图1),将钻孔位置和孔深与模拟地温场剖面进行叠加(图8),可知收集钻孔分别位于西部斜坡带、潜山区、西部凹陷和东部凹陷,深度为860~3 350 m,具有一定的代表意义。

模拟地层温度与实测温度结果如表2所示,可以看出,在西部凹陷斜坡带内差值较大,且模拟结果较测温结果大,推测为模型在模拟过程中,未考虑模型边界区地下水的侧向补给,S14孔位于西部斜坡边缘,距西部燕辽隆起带较近,孔深较浅,受侧向浅层地下水补给影响,造成实际温度较模拟温度低,且较正常地温梯度低。其余3眼钻孔测温数据与模拟结果基本一致,最大差值小于2.0 ℃。因此,本文模型能够较真实反映下辽河坳陷深部温度场特征,结果相对可靠。

4.2 深部热状态与聚敛分析

4.2.1 凹凸构造分流聚热

将模拟地温场与地质剖面进行叠加(图9),可以看出,水平上,等值线随基底起伏,呈波浪状变化,说明深部地层的热状况主要受凹凸相间的地质构造格局控制,这与前人总结规律^[41]一致,热流由深部在向上传导过程中更易于向热导率高的基岩凸起部位汇聚,造成凸起区温度升高。同时,在凸起区呈上凸下凹形态,在凹陷区呈上凹下凸形态。地层浅部凸起区的地层温度整体高于凹陷区地层温度,但是随着深度的增加,凸起区与凹陷区的温度差值逐渐减小,直至中间约3 300 m埋深处存在一条近似等温的“热流平衡线”^[42],平衡线以下,凹陷区等温线逐渐呈上凸形态,凸起区逐渐呈下凹形态,凹陷区地层温度高于同深度的凸起区,深部热流由凹陷区向凸起区汇流。

垂向上,温度场等值线自下而上由疏变密,说明温度场垂向上同样受地层热导率影响,上部盖层热导率低,地温梯度大,等值线密;下部基岩储层热导率相对高,地温梯度小,等值线相对稀疏。例如在中央高凸起区,下部受高热导率影响,热流传递较快,温度场呈下凹形态,上部受盖层保温隔热作用影响,盖层下部热流汇聚,温度场呈上凸形态。温度场的凹凸形态分界线推测为盖层效应的影响界限。

对比东、西部凹陷温度场等值线,西部凹陷温度场整体高于东部凹陷,这与已有钻孔测温数据统计结果一致(图3),推测是由于凹陷内部的潜山带(低凸起)造成的。在不考虑地下水侧向补给的情况下,等温线沿着斜坡带呈上凸形态,尤其是西部凹陷平缓阶梯状的斜坡带,上凸形态明显。说明斜坡面阶梯状的凸起,利于热流的汇流聚集。

4.2.2 深大断裂带对流聚热

区域性的深大断裂不仅控制构造格局及沉积演化,也是主要的控热断裂^[43]。多数学者认为断裂起到热对流通道作用^[44-47],通过断裂可从深部获得高温流体。研究表明,渤海湾盆地的郯庐断裂带切穿莫霍面乃至岩石圈,成为地面热物质上涌或基性岩浆上涌的通道^[48]。为分析断裂性质对温度场的影响,将台安-大洼断裂和营口-佟二堡深大断裂作为研究对象,断裂破碎带宽度分别设为1、3、5 m进行模拟,模拟结果如图10所示。可以看出,随着断层破碎带宽度的增大,在破碎带附近,地温等值线明显凸起,表明具有一定宽度的深大断裂作为良好的传输通道,对地壳深部热流向上传播中,起到了重要的沟通和传递作用。当地下水沿深大断裂深循环加热后,形成高温热水,密度降低,相对上部冷水密度大,在重力势能驱动下,深部高温热水沿高渗透性主断裂上涌,在断裂破碎带发生水-热对流传热,在地壳浅部形成明显的高地温聚热异常。这与Yao等^[49]的研究结果基本一致,说明断裂带自然对流可以引起局部高地温场,这些影响高于基底起伏引起的热折射的次生影响。

4.2.3 岩溶热储内部对流传热

研究区存在局部元古界碳酸盐岩地层,上部覆盖有一定厚度的新生界地层,在本次模拟中,将其作为岩溶热储层,与其他地层一起,在以上模型校准的基础上,开展了全区传热与渗流耦合模拟,获得研究区耦合模拟自然对流图,如图11(a)所示,可以看出,研究区东部凹陷及中央凸起流线稀疏、杂乱,表明受地层低渗透率影响,自然对流微弱;在西部凹陷元古界碳酸盐岩地层内,流线出现有规律的环形流场,如图11(b)所示,表明具有较高渗透性的碳酸盐岩地层内部存在明显的自然对流,受地层横剖面空间结构影响,在其中部凸起位置对流强烈。

4.3 大地热流值

基于数值模拟,计算研究区剖面线近地表大地热流值,如图12所示。可以看出,凸起区热流值明显高于凹陷区,西部凹陷区热流值高于东部凹陷区。西部凸起热流值最高为75 mW/m²,中央凸起热流值52~65 mW/m²;西部凹陷热流值40~70 mW/m²,东部凹陷热流值36~60 mW/m²。姜光政等^[50]研究结果显示,剖面线附近西部凹陷斜坡带热流值43.5~74.5 mW/m²;东部凹陷斜坡带热流值49.0~67 mW/m²。本次模拟热流值较前人测量结果偏小,推测为实际测量结果主要来自石油勘探井,可能存在局部热对流的影响。本文模型虽然结果偏小,大部分局部断裂未能在模型中体现,相对弱化了局部热对流的影响,但整体模拟结果仍在合理范围之内,能够较真实反映大地热流值及其空间分布规律,具有一定的参考意义。

4.4 井温预测

下辽河坳陷地热资源丰富,但是目前主要开采层为馆陶组和沙河街组砂岩型层状热储,深度一般小于3 500 m,温度低于90 ℃,目前以温泉洗浴开发利用为主。勘查深层、高温地热资源,建立高效梯级开发利用地热能,是进一步提高清洁能源利用水平的重要途径^[33]。

根据模型的温度分布,结合地热地质条件实际,在西部凹陷斜坡带的碳酸盐岩潜山区(孔1、孔2)、基底凹陷区(孔3)、基底变质岩潜山区(孔4)、断裂控制斜坡带区(孔5)和中央凸起区,共设计6个钻孔,钻孔位置如图13所示。考虑到当前的钻井成本和效率,钻孔设计深度为5 km。

利用模型计算,绘制了设计钻孔的预测温度和地温梯度分布图,如图14所示。从钻孔垂向温度分布情况来看,随着深度的增加,各钻孔的地温均升高,增温速率受地温梯度和储盖组合影响差异较大。

对于拥有较薄盖层的中央凸起孔6和斜坡带潜山区孔1地温,在3 km以浅整体较凹陷区内钻孔温度高,尤其是孔6在1.5 km以浅受高地温梯度影响,地温快速升高,随着深度的增加,孔6、孔1优先穿过盖层,进入基岩储层,地温梯度减小,地温升温减缓,至3 km以深,拥有较厚盖层的孔2、孔3和孔4,地温梯度相对较高,地温增速快,逐渐超过孔1和孔6的温度。

对于拥有相同盖层厚度的孔5和孔4相比,孔5位于高角度斜坡带区,且钻穿深大断层,和孔4进入基岩的深度基本相同,但是孔4温度明显高于孔5,分析其影响因素,一是热流整体是从下向上传导,基底构造对于热流的分配起到了关键作用,孔4钻入基岩为潜山区,便于热流的分流汇集;二是孔4钻入潜山基岩上部覆盖有厚层盖层,起到一定的保温效果,孔5为高凸起区,盖层薄,热流散失较快导致地温较低;三是基岩区尤其是变质岩区断层,无法像碳酸盐岩地层一样,形成层内对流,因此模型设计为层状裂隙,其影响范围有限。因此,在下辽河坳陷深部高温钻孔设计中,保障一定的覆盖层是其前提条件,位于斜坡带或凹陷内部的低潜山区将是获得高温的最高效方法之一,至于断裂带的对流影响范围和深度还有待进一步的研究。

5 结论

基于下辽河坳陷区域地质与地热地质条件,通过构建地温场-渗流场耦合二维剖面模型,系统揭示了地温场分布特征与热聚敛机制,并总结了高温地热井分布规律,得出如下结论。

(1)下辽河坳陷作为中-新生代大陆裂谷盆地,地幔上涌与地壳拉伸减薄,为其提供了良好的深部热源,地幔热流平均41 mW/m²,占地表热流总量的63%。东部凹陷以走滑变形为主,地表大地热流值36~60 mW/m²;西部凹陷以斜向伸展变形为主,地表大地热流值40~70 mW/m²,较东部凹陷地热地质条件更优。

(2)下辽河坳陷盖层地温梯度表现为垂向上古近系地层大于新近系+第四系地层,水平上西部凹陷大于东部凹陷,坳陷南部大于北部区域的特征。受地层热导率和地温梯度影响,地温场与深度整体呈线性关系,地温场等值线随基岩起伏呈波状形态。埋深3 200 m以浅凸起区地层温度高于凹陷区,3 200 m以深凹陷区温度高于凸起区。

(3)下辽河坳陷具有“四元聚热”模式:一元为深部热背景导致的高大地热流传导聚热;二元为凸起区高热导率分流聚热;三元为深大断裂带对流聚热;四元为局部岩溶热储内部对流聚热。

(4)研究区存在岩溶热储和断裂带的对流聚热局部高温异常区(带),在深部钻孔优选中,西部凹陷斜坡带的低凸起区,尤其是岩溶热储低凸起区是获取井底高温的最佳钻探位置,为后续勘探开发提供了直接指导。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

自然资源部中国地质调查项目(DD20230500902)

自然资源部中国地质调查项目(DD20230500903)

地球深部探测与矿产资源勘查国家科技重大专项(2024ZD1003601)

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Received	Published	Revised
2025-05-29	2026-06-08	2025-11-26
Online Date
2026-08-07

摘要