唐山北部薊縣系霧迷山組白云巖熱儲(chǔ)資源潛力研究

郝杰，萬維，任路，陳元春，王明汕

(1.中國石油冀東油田公司，唐山 063004;2.寶石花同方能源科技有限公司，北京 100080)

2020年，中國正式宣布二氧化碳排放量力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這標(biāo)志著中國正式加快邁向清潔能源轉(zhuǎn)型之路。地?zé)崮芤蚓哂星鍧崱⒖稍偕?chǔ)量大等特點(diǎn)，在替代傳統(tǒng)化石能源中發(fā)揮著重要作用[1-3]。國家已制定2030年能源接替目標(biāo)，地?zé)崮茉谌珖淮涡阅茉聪闹械恼急葘⑦_(dá)到3%，京津冀地區(qū)達(dá)到10%。唐山市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密、比鄰京津，屬于京津冀周邊大氣污染重點(diǎn)治理城市，加快地?zé)豳Y源有效開發(fā)利用既緊迫又現(xiàn)實(shí)。

唐山市南部地區(qū)(近海平原區(qū))屬于華北平原北部。華北平原區(qū)廣泛發(fā)育新近系砂巖熱儲(chǔ)和碳酸巖鹽基巖熱儲(chǔ)，新近系砂巖熱儲(chǔ)，因其埋深適中，出水溫度高、單井涌水量大，已在包括唐山地區(qū)在內(nèi)的多個(gè)地區(qū)得到有效開發(fā)利用；寒武-奧陶系及薊縣系霧迷山組碳酸鹽巖熱儲(chǔ)成功開發(fā)應(yīng)用的實(shí)例也有很多(如雄安新區(qū)、河北無極-藁城等地)。針對華北平原區(qū)地?zé)豳Y源綜合研究的成果相對較多，鉆探和開發(fā)也取得較好效果[4-9]。

唐山市區(qū)及北部(山前傾斜平原區(qū))構(gòu)造上屬于燕山褶皺帶南緣，區(qū)域地質(zhì)條件十分復(fù)雜，缺失館陶組，上覆的新近系明化鎮(zhèn)組沉積厚度薄、埋深淺難以形成有效熱儲(chǔ)，而針對深層碳酸鹽巖基巖熱儲(chǔ)的綜合性研究與評價(jià)工作尚屬空白，到目前唐山市城區(qū)及周邊尚無有效開發(fā)利用的地?zé)峋?/p>

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，唐山北部在薊縣紀(jì)沉積了厚度非常大的碳酸鹽巖地層且上覆有碳酸鹽巖及砂泥巖地層作為蓋層，并發(fā)育有多期深大斷裂，這為該區(qū)提供了良好的地?zé)岬刭|(zhì)條件。以唐山市及北部為研究范圍，以薊縣系霧迷山組白云巖熱儲(chǔ)為研究對象，利用煤田地質(zhì)、地質(zhì)調(diào)查、水文氣象等資料，對研究區(qū)的區(qū)域地質(zhì)特征、熱儲(chǔ)空間展布、熱儲(chǔ)巖性和物性條件、地溫場特征、涌水量、熱儲(chǔ)成因模式等地?zé)岬刭|(zhì)要素進(jìn)行分析，首次對這套熱儲(chǔ)資源開展了系統(tǒng)性的研究工作。研究成果對唐山市地?zé)豳Y源開發(fā)利用的規(guī)劃制定、目標(biāo)選擇、工程實(shí)施具有指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

河北省唐山市位于燕山南麓，地形地貌大部為傾斜平原，中北部為低山丘陵。研究范圍以唐山市城區(qū)為主，北至豐潤區(qū)，南至豐南區(qū)黃各莊鎮(zhèn)，西至玉田縣窩咯古鎮(zhèn)，東至灤州市、灤南縣，面積約3 100 km2，地勢北高南低，傾斜平原區(qū)海拔多在50 m以下，中北部丘陵區(qū)海拔最高可超過200 m。

研究區(qū)構(gòu)造上位于燕山褶皺帶南緣，印支運(yùn)動(dòng)開始，特別是侏羅紀(jì)的燕山運(yùn)動(dòng)，由于太平洋板塊向華北板塊俯沖，唐山地區(qū)進(jìn)入強(qiáng)烈活動(dòng)階段，形成了以唐山斷裂帶為代表的北東向逆斷層及一系列軸向北東的褶皺構(gòu)造(圖1)。由西向東分布有車軸山向斜、碑子院背斜、開平向斜等，構(gòu)造走向均為北東向。

圖1 研究區(qū)前新生代構(gòu)造綱要圖Fig.1 Tectonic outline map of pre-Cenozoic strata in the study area

研究區(qū)及周邊斷裂發(fā)育(圖2)，區(qū)域性深大斷裂主要有豐臺(tái)-野雞坨斷裂、寧河-昌黎斷裂、薊運(yùn)河斷裂、灤縣-樂亭斷裂等，這組菱形大斷裂控制區(qū)域構(gòu)造格局。在菱形的對角線方向發(fā)育唐山斷裂帶，主要由3條近平行的斷裂組成，分別為陡河斷裂、巍山-豐南斷裂以及唐山-古冶斷裂，這些斷裂控制局部構(gòu)造[10-12]。

圖2 研究區(qū)斷裂分布Fig.2 Fracture distribution of the study region

研究區(qū)缺失古近紀(jì)和中生代地層，新生界下伏基底為古生界、元古界和太古界(圖3)。在向斜的核部下伏地層為石炭-二疊系，向斜的翼部下伏寒武-奧陶系,在背斜的核部，基底多為元古界[13]。

圖3 研究區(qū)基巖分區(qū)Fig.3 Bedrock distribution in the study area

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1 薊縣系霧迷山組地層展布

根據(jù)研究區(qū)發(fā)育地層及巖性，該區(qū)主要發(fā)育層狀熱儲(chǔ)，可分為孔隙型熱儲(chǔ)和裂隙型熱儲(chǔ)，具體包括新近系明化鎮(zhèn)組砂巖孔隙型熱儲(chǔ)、寒武-奧陶系碳酸鹽巖裂隙型熱儲(chǔ)、薊縣系霧迷山組白云巖裂隙型熱儲(chǔ)[14]。新近系明化鎮(zhèn)組厚度薄，埋深淺，且只在南部發(fā)育；寒武-奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)只發(fā)育在向斜內(nèi)，產(chǎn)狀復(fù)雜，厚度變化大。薊縣系霧迷山組白云巖熱儲(chǔ)分布范圍廣，埋深大(圖4)，厚度由西向東逐漸減薄，碑子院背斜核部的ZK1井鉆遇霧迷山組1 696 m未穿，該井出水溫度較高，熱儲(chǔ)巖性有利，物性好，是唐山地區(qū)最具開發(fā)潛力的經(jīng)濟(jì)開發(fā)熱儲(chǔ)[15]。

圖4 研究區(qū)薊縣系霧迷山組頂界埋深預(yù)測圖Fig.4 Prognosis map of burial depth from the top of Wumishan Formation of Jixian system in the study area

2.2 熱儲(chǔ)巖性和物性

唐山北部薊縣系霧迷山組巖性以厚層狀白云巖為主，其中霧迷山組四段(Jxw4)，巖性為白云質(zhì)砂巖、白云巖、疊層石白云巖；霧迷山組三段(Jxw3)，巖性為燧石條帶泥質(zhì)白云巖、疊層石白云巖、偶含鮞粒；霧迷山組二段(Jxw2)巖性為燧石團(tuán)塊瀝青質(zhì)白云巖、含砂白云巖、藻席白云巖；霧迷山組一段(Jxw1)巖性為燧石條帶礫屑藻席白云巖，含瀝青質(zhì)白云巖。

根據(jù)鉆井及測井資料，唐山地區(qū)薊縣系霧迷山組白云巖儲(chǔ)集空間為微裂隙[16-18]。裂隙發(fā)育，連通性好，儲(chǔ)地比20%～25%，孔隙度6%～7%，滲透率130～2 347 mD。

綜合分析唐山地區(qū)薊縣系霧迷山組巖性發(fā)育情況和物性參數(shù)，對比華北平原區(qū)已有地?zé)峋撎谉醿?chǔ)參數(shù)，研究區(qū)發(fā)育的這套熱儲(chǔ)巖性有利，物性條件較好。

2.3 地溫場特征

根據(jù)唐山地區(qū)大地?zé)崃骷耙延芯疁刭Y料[15,19-23]，結(jié)合霧迷山組的埋深，推測唐山北部薊縣系霧迷山組頂界地溫在25～95 ℃(圖5)，溫度隨埋深的增大而增加，本區(qū)霧迷山組地溫梯度<2.0 ℃/100 m。

圖5 研究區(qū)薊縣系霧迷山組頂界面溫度等值線圖Fig.5 Temperature contour map at the top of Wumishan Formation of Jixian system in the study area

2.4 涌水量預(yù)測和水質(zhì)分析

根據(jù)區(qū)內(nèi)及周邊地?zé)峋抠Y料[15,24]，本區(qū)霧迷山組單井涌水量100～3 000 m3/d。通常情況下，若開采層段有足夠的厚度，薊縣系霧迷山組的涌水量都比較大。霧迷山組水質(zhì)類型以Cl-Na、Cl·HCO3-Na、HCO3-Na·Ca·Mg為主，礦化度0.29～35.4 g/L，pH為6.0～9.0。

2.5 地?zé)岢梢蚰Ｊ?/h3>

研究區(qū)霧迷山組地?zé)嵯到y(tǒng)由蓋層、熱儲(chǔ)、熱源及流體通道等組成(圖6)。蓋層為上覆的砂泥巖及碳酸鹽巖地層，熱儲(chǔ)為霧迷山組內(nèi)部裂隙發(fā)育的白云巖，連通性好的裂隙構(gòu)成流體通道，熱能主要來自于上地幔的熱傳導(dǎo)[4,9]。唐山北部薊縣系霧迷山組白云巖裂隙水的補(bǔ)給區(qū)在北部的基巖出露區(qū)或熱儲(chǔ)頂面上覆較薄的第四系覆蓋區(qū)，唐山北部主要處于徑流區(qū)及排泄區(qū)。

圖6 研究區(qū)薊縣系霧迷山組地?zé)嵯到y(tǒng)成因模式圖 Fig.6 Genetic model diagram of geothermal system of Wumishan formation of Jixian system in the study area

3 地?zé)豳Y源量估算

采用熱儲(chǔ)法來計(jì)算唐山市研究區(qū)范圍內(nèi)霧迷山組白云巖熱儲(chǔ)的靜態(tài)資源量，計(jì)算公式為

Q=CAd(tr-to)

(1)

C=ρrCr(1-φ)+ρwCwφ

(2)

式中：Q為地?zé)豳Y源量，J；C為熱儲(chǔ)巖石與水的平均熱容量，J/(m3·℃)；A為熱儲(chǔ)面積，取值2 820 km2；d為熱儲(chǔ)層厚度，取值180 m；φ為熱儲(chǔ)層孔隙度，綜合考慮鉆井的實(shí)測數(shù)據(jù)及巖芯實(shí)驗(yàn)室的測試數(shù)據(jù),取6.4%；tr為熱儲(chǔ)平均溫度，取值66 ℃；to為基準(zhǔn)溫度，取值13 ℃；ρr、Cr分別為巖石的密度和比熱，分別取2.749 g/cm3、0.87 kJ/(kg·℃)；ρw、Cw分別為水的密度和比熱，分別取1.0 g/cm3、4.19 kJ/(kg·℃)。

通過式(1)、式(2)計(jì)算，唐山北部研究區(qū)范圍內(nèi)薊縣系霧迷山組白云巖熱儲(chǔ)靜態(tài)資源量為67.4×1015kJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤229 979萬t。

4 區(qū)帶優(yōu)選與評價(jià)

根據(jù)唐山北部薊縣系霧迷山組白云巖熱儲(chǔ)發(fā)育的特點(diǎn)，以出水溫度和熱儲(chǔ)埋深作為主要指標(biāo)，同時(shí)參考地層厚度、物性條件、蓋層條件、補(bǔ)給條件、斷裂發(fā)育、涌水量等因素，制定了評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，并對唐山地區(qū)薊縣系霧迷山組白云巖熱儲(chǔ)(以進(jìn)入霧迷山組800 m計(jì))進(jìn)行分類評價(jià)(圖7)。

圖7 研究區(qū)薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)綜合評價(jià)圖Fig.7 Comprehensive evaluation map of geothermal reservoir of Wumishan Formation of Jixian system in the study region

表1 唐山北部薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)綜合評價(jià)分類標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Overall evaluation standard on geothermal reservoir of Wumishan Formation of Jixian system in northern Tangshan

根據(jù)研究區(qū)薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)綜合評價(jià)分類標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)熱儲(chǔ)可劃分為三類(以進(jìn)入霧迷山組800 m計(jì))。

(1)一類區(qū)面積約1 270 km2(在唐山市城區(qū)面積約140 km2)，分布在開平向斜及西南部，頂界埋深1 800～3 800 m，熱儲(chǔ)平均厚度>180 m，斷裂比較發(fā)育，儲(chǔ)層物性條件好，出水溫度>60 ℃，涌水量≥70 m3/h。

(2)二類區(qū)面積約1 050 km2，分布在研究區(qū)中部，頂界埋深600～1 800 m，熱儲(chǔ)平均厚度>180 m，斷裂比較發(fā)育，出水溫度30～60 ℃，涌水量≥70 m3/h。

(3)三類區(qū)面積約500 km2，分布在東部和北部，頂界埋深<600 m，熱儲(chǔ)平均厚度<180 m，斷裂比較發(fā)育，出水溫度<30 ℃，涌水量≥40 m3/h。

5 結(jié)論

唐山北部地區(qū)基巖熱儲(chǔ)的開發(fā)利用意義重大，因深層地震地質(zhì)及鉆井等資料匱乏，該區(qū)地?zé)豳Y源評價(jià)工作難度較大，尚無先例。充分利用前人在煤田地質(zhì)、地質(zhì)調(diào)查、地震預(yù)測及水文地質(zhì)等方面的研究資料，對主要地?zé)岬刭|(zhì)要素開展分析和研究，得出如下結(jié)論。

(1)唐山北部地區(qū)發(fā)育薊縣系霧迷山組白云巖熱儲(chǔ)，該套熱儲(chǔ)具有分布范圍廣、出水溫度高、涌水量大等特點(diǎn)，是唐山市最具開發(fā)潛力的熱儲(chǔ)層。

(2)根據(jù)評價(jià)結(jié)果，圈定地?zé)豳Y源一類區(qū)面積約1 270 km2，其中在唐山市城區(qū)內(nèi)面積約140 km2，該區(qū)域是唐山市最有利的熱儲(chǔ)開發(fā)目標(biāo)區(qū)。

(3)受限于資料及缺少必要的地?zé)徙@探工作，建議以唐山城區(qū)東北部為重點(diǎn)區(qū)，開展適量的鉆探或物探工作，進(jìn)一步落實(shí)薊縣系霧迷山組基巖熱儲(chǔ)的分布，盡快打開唐山市城區(qū)地?zé)峥碧介_發(fā)新局面。