河北平原区指太行山以东、燕山以南,东至渤海湾,南接河南、东南至山东界的广大区域,包括河北省、北京市及天津市大部。该区赋存丰富的中低温沉积盆地型地热资源,表现为热储类型多、储层厚度大、可利用程度高等特点
[1-2]。作为可供开发热水层之一,碳酸盐岩含水层以裂隙发育、渗透性好、单井产水量高为特点,其中蓟县系雾迷山组白云岩是目前地热资源勘探开发的重点,而在下古生界发育区,如天津一带,寒武系-奥陶系热储也展现出了较好的地热开发利用条件。目前平原区已发现和规划地热田集中开发区14个,现有地热井500余口,其中规模大,开发程度较高的有容城、牛驼镇、献县等地热田
[3-5],而在西南部石家庄周边地区尚未发现规模地热田
[6-7]。
聚热机制方面,华北平原区碳酸盐岩地热田受岩石圈减薄、凸起区高热导率、深大断裂热传导等多重因素影响,为多元控热模式
[8]。热储方面,对于雾迷山组在岩性、空间结构、裂缝发育特征方面已有诸多报道
[9-10],对于奥陶系也有学者基于地层接触关系,探讨了上覆地层不同时,下伏碳酸盐岩热储发育特征的差异性
[11]。通过地热流体样品采集与测试,文献[
2,
12]对不同地区的流体化学特征及其所指示的地热流体来源、运移路径、循环更新速度、纵向连通性等进行了分析。现基于对河北平原区碳酸盐岩构造、岩性、物性、地温场等要素的认识,进一步总结地热资源成因机制,划分有利区,并将该成果应用于该区域的勘探实践,以期为华北平原区碳酸盐岩地热资源的高效开发利用提供理论与实践支撑。
1 地质背景
河北平原区大地构造上处于渤海湾盆地中西部,跨越了冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷、临清坳陷、埕宁隆起、内黄隆起6个盆地二级构造单元,包含58个三级构造单元(
图1)。研究区属于华北地台一部分,经历了复杂的演化阶段。太古宙-古元古代,经过多次克拉通化与构造-热事件,华北克拉通结晶基底形成
[13]。中-新元古代,研究区接受地台型碎屑岩与碳酸盐岩沉积,随后蓟县运动使得研究区整体抬升,地层遭受一定程度剥蚀夷平
[14]。寒武-奥陶纪,研究区发育陆表海沉积,沉积了巨厚的碳酸盐岩,受加里东运动影响缺失志留、泥盆系,下古生界遭受长达120 Ma剥蚀
[15],至晚古生代转变为海陆过渡相煤系地层沉积
[10]。燕山期,受太平洋板块俯冲影响,陆块发生大规模拉张裂陷,形成了广泛分布的陆相盆地
[13-14]。新生代古近纪为断陷强烈活动期,基底岩层掀斜翘倾,形成北东向凹陷与凸起相互分隔的构造格局,凹陷内古近系沉积厚度巨大,而隆起与凸起区基本缺失古近系沉积(
图2)。新近纪,平原区以整体沉降为主,与渤海湾盆地其他地区连为一体,形成了统一的坳陷盆地。
2 地热资源主控因素
2.1 热储特征
2.1.1 岩性特征
(1)寒武系-奥陶系。奥陶系碳酸盐岩热储主要发育层段自上而下为峰峰组、马家沟组、亮甲山组及冶里组。峰峰组上部为厚层生物碎屑灰岩及白云质灰岩,下部为薄层泥晶白云岩夹石膏。马家沟组由一套白云质灰岩、灰岩及薄层泥质灰岩、泥岩组成。亮甲山组为薄-厚层白云岩夹灰岩,含燧石。冶里组为中层状微-细晶含泥白云岩。寒武系碳酸盐岩热储主要发育层段为崮山组、张夏组。崮山组岩性为白云岩、燧石条带白云岩夹页岩。张夏组上部为鲕状灰岩,下部为页岩与鲕状灰岩互层(
图3)。
(2)蓟县系雾迷山组。河北平原区蓟县系雾迷山组沉积厚度大,最大厚度可达约3 300 m,该组沉积分为四段,各段平均厚度约800 m。下部雾一段岩性主要为深灰色硅质岩、燧石条带细晶岩、粉砂质泥岩等。雾二段主要为丘状、波状叠层石。雾三段上部主要为柱状、锥状叠层石,硅质条带和核形石白云岩,中部主要为波状叠层石、硅质叠层石,下部主要发育细晶白云岩,块状颗粒白云岩等。雾四段上部主要为细晶白云岩、泥晶白云岩,中部为厚层锥状叠层石、状叠层石,下部主要为硅质条带云岩、砂质云岩等
[16]。
2.1.2 热储物性
河北平原区深层碳酸盐岩热储物性取决于风化剥蚀及淋滤作用的强弱,溶孔、溶洞、裂缝发育段多位于风化壳350 m以内。在岩溶发育区,溶孔、溶洞、裂缝发育,物性较好,单井涌水量较高,构造高部位及断裂附近通常为岩溶热储有利区。
(1)寒武系-奥陶系碳酸盐岩热储物性。寒武系-奥陶系碳酸盐岩储集空间主要为溶孔、溶洞、裂缝等。储层多发育在风化壳或深大断裂附近,储层非均质性强,平均有效孔隙度在3%~10%,渗透率为0.8×10-3~48.5×10-3 μm。
(2)蓟县系雾迷山组碳酸盐岩热储物性。蓟县系雾迷山组碳酸盐岩储集空间主要为微裂隙。在河北平原区该热储裂隙通常都比较发育、储层物性条件好,多以二、三类裂缝为主(
图3),在深大断裂附近,常发育一类裂缝。根据已有钻井资料,雾迷山组有效热储主要处于雾二段-雾四段内,热储垂向上分布比较均匀,平均有效孔隙度为3%~6%,渗透率为0.3×10
-3~34×10
-3 μm,热储连通性好,是河北平原区地热开发最重要的一套热储层。
2.2 热源及地温场特征
华北平原区热流主要来源于地幔热传导及地壳上部花岗岩放射性生热
[17-18]。中-新生代以来,华北克拉通的破坏减薄造成了莫霍面的不均衡抬升,研究区属于地幔隆起区
[19],而形成的部分深大断裂可延伸至上地幔,为深部热能进入浅部创造了有利条件
[8,20]。同时华北地区酸性花岗岩体反射性生热率较高,是研究区附加热源。研究区大地热流平均值可达62 mW/m
2,接近全球陆区平均值,而在雄安、固安、河间、献县等地大地热流值可达70 mW/m
2以上
[1]。
据气象、地温监测资料,河北平原区恒温带深度约为30 m,温度约为15 ℃,纵向上平均地温梯度随着盖层厚度的增大而递增,平均地温梯度多在3 ℃/100 m以上。平面上地温梯度具有北高南低、东高西低特点,其带状分布特点与构造格局具有较好的一致性,地热异常区多位于隆起区和坳陷区中的凸起区,周边多伴有切穿基底的深大断裂,平均地温梯度约3.5 ℃/100 m,最高可达5 ℃/100 m(
图4)。
2.3 水源特征
根据氢氧同位素实测结果,华北平原区寒武系-奥陶系与蓟县系地热流体氢氧同位素数据点位于大气降水线附近,部分数据点位于大气降水线之下,地下水补给主要来源于大气降水,同时δ
18O正漂移现象显著,说明地下水经过了较为强烈的水岩反应,导致δ
18O含量增加
[21]。结合地形地貌及流体化学特征变化趋势,补给源主要位于西部太行山区与北部燕山山脉
[22-23]。
14C测年结果显示地热流体年龄1万年~2.7万年,远小于围岩年龄,说明地下水循环较快,由古降水与现代大气降水混合而成
[19,23]。
2.4 地热资源成因机制
河北平原区深层碳酸盐岩地热系统热能主要来自上地幔的热量传导,深大断裂的发育为其提供了有利条件。古生界和中-新元古界碳酸盐岩中发育的溶蚀孔洞、裂缝提供地热流体的储存空间与运移通道。上覆新生界、中生界地层及古生界石炭-二叠系砂泥岩作为盖层,起到了隔水隔热作用。地热水补给源为西部太行山及北部燕山山脉的大气降水,地热水沿山前大断裂运移,经深循环后在碳酸盐岩热储构造高部位汇聚,形成地热水排泄区(
图5)。
2.5 开发有利区
综合构造、热储岩性物性、分布、埋深、地温场特征等地热地质要素研究,河北平原区碳酸盐岩热储有利区为隆起及坳陷中的次级凸起(低凸起)和斜坡区。其中寒武-奥陶系碳酸盐岩热储有利区包括沧县隆起区(白塘口凹陷、里坦凹陷、阜城凹陷除外);埕宁隆起区;黄骅坳陷宁河凸起;冀中坳陷文安斜坡、无极-藁城低凸起、束鹿凹陷西斜坡;临清坳陷凸起及斜坡区(隆尧凸起除外)。有利区总面积近2.6×10
4 km
2(
图6)。
蓟县系雾迷山组碳酸盐岩热储有利区包括冀中坳陷大兴凸起、宝坻凸起、王草庄凸起、牛驼镇凸起、容城凸起、牛北斜坡、文安斜坡、高阳低凸起、蠡县斜坡、深泽低凸起、无极-藁城低凸起、束鹿凹陷西斜坡;沧县隆起区(除白塘口凹陷、里坦凹陷、阜城凹陷外);黄骅坳陷宁河凸起;埕宁隆起。有利区总面积约1.4×10
4 km
2(
图6)。
3 无极-藁城低凸起勘探实践
3.1 地热地质认识
无极-藁城低凸起位于冀中坳陷西南部,西为石家庄凹陷,东为晋县凹陷,北接高阳低凸起,是在白垩纪末期西倾斜坡背景上发育起来的NE向长轴构造,该带处于北东与北北西向构造的叠合部,断裂发育。
该区自上而下分别发育第四系、新近系、古近系、白垩系、石炭系-二叠系、寒武系-奥陶系及中-新元古界沉积,其中古生界与中-新元古界整体具有向北逐渐抬升、遭受剥蚀特点。钻井显示新元古界仅残余较薄的青白口系,之下即为蓟县系热储。古生界石炭系-二叠系仅发育于凸起南部,至J16井一带剥蚀殆尽,奥陶系展布范围有所扩大,可延伸至郭庄一带(
图7)。向北至J12井一带,寒武系仅残留崮山组及以下地层。
多期的构造抬升与溶蚀淋滤使得该区碳酸盐岩溶蚀孔洞较为发育,多口石油探井曾在寒武系崮山组、张夏组、雾迷山组发生不同程度井漏、钻具放空情况。而其上发育的中-新生界砂泥岩地层则构成了热储的良好盖层。
该区域地温梯度较高,可达3.0 ℃/100 m以上,甚至可达3.5 ℃/100 m。此外凸起上深大断裂发育(
图8),具有典型的导热断裂特点,为热流的传导提供了有利条件。根据石油探井与物探资料,寒武系-奥陶系顶面埋深1 600~3 100 m,蓟县系顶面埋深2 800~3 500 m,埋深适中,有望获得高温高产地热资源。
3.2 实钻结果
综合上述分析,无极-藁城低凸起具有华北平原区典型的地热系统成因机制,具备地热资源赋所需的“源、储、通、盖”4大要素。因此,结合地面需求,在低凸起北部部署了本区第一口碳酸盐岩地热井DR-1井(
图8)。
DR-1井以蓟县系雾迷山组为目标层位,兼探寒武系,完钻井深3 701 m,揭穿雾迷山组一段70 m。该井为四开井身结构,四开井段(2 997~3 701 m,对应中-新元古界)采用Φ152.4 mm钻头,无固相钻井液钻进,裸眼完井。雾迷山组共解释裂缝层85.8 m/31层,井底温度125 ℃,出水温度108°,涌水量110 m3/h。
在DR-1井的钻井过程中,发现寒武系顶部风化非常严重,并存在大量泥浆漏失,电测解释裂缝层16.4 m/5层,热储发育,据此在同一井场又部署了以寒武系热储为目标的DR-2井。
DR-2井完钻井深2 830 m,在2 718 m进入寒武系,钻进至井深2 726 m时钻遇大型溶洞,发生井漏,井口失返,经多次堵漏无果,至井深2 830 m时完钻,最终该井出水温度97 ℃,涌水量180 m3/h。
3.3 地热地质意义
DR-1井的钻探成功,证实了无极-藁城低凸起一带雾迷山组碳酸盐岩热储的良好富水性,也进一步丰富了对华北平原区地热资源成因机制的认识。DR-2井的钻探成功表明在寒武系碳酸盐岩地层中也可获得高温高产的地热水资源,标志着古生界碳酸盐岩同样具备地热能开发利用的巨大潜力。
4 结论
(1)河北平原区主要发育寒武系-奥陶系、蓟县系雾迷山组两套碳酸盐岩热储,其分布受隆起(凸起)和深大断裂控制,有利区主要分布在隆起区和坳陷区的次级凸起(低凸起)和斜坡区。
(2)寒武系-奥陶系热储岩性主要为白云岩、灰岩,储集空间主要为溶孔、溶洞、裂缝,储层非均质性强;蓟县系雾迷山组岩性主要为白云岩,储集空间为微裂隙。温度场受隆起和切穿基底的深大断裂控制,补给源为西部太行山和北部燕山山脉的大气降水,为深循环地热水。
(3)无极-藁城低凸起碳酸盐岩热储的勘探实践,表明了河北平原区碳酸盐岩地热资源成因机制认识的有效性,也证实了两套热储地热资源开发的巨大潜力。
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