天津地區(qū)奧陶系熱儲(chǔ)賦水規(guī)律研究

江國(guó)勝，黃賢龍，李曉暉

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250)

為了治理霧霾、建設(shè)美麗天津，清潔能源的需求與日俱增。地?zé)豳Y源作為一種可再生清潔能源，可直接用于冬季供熱，減少因傳統(tǒng)燃料供熱而產(chǎn)生的大氣污染，改善生態(tài)環(huán)境。奧陶系是天津地區(qū)揭露基巖后鉆遇的第一個(gè)基巖熱儲(chǔ)層，出水量大且具有較好的回灌能力，因其埋藏淺、鉆探成本低而受到投資方的青睞，但由于該熱儲(chǔ)層的賦水性極不均勻，導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)極高，鑿井成功率偏低。對(duì)于天津地區(qū)奧陶系儲(chǔ)層發(fā)育特征方面的研究，天津地質(zhì)工作者曾通過巖溶機(jī)理、鉆井巖石特征和區(qū)域構(gòu)造條件，結(jié)合室內(nèi)鏡下鑒定，分析研究了市區(qū)及其附近奧陶系成儲(chǔ)的控制條件[1]，大港油田也對(duì)奧陶系巖溶儲(chǔ)層發(fā)育的控制因素進(jìn)行了研究[2]。但是天津地區(qū)奧陶系熱儲(chǔ)層的賦水性究竟如何分布，尚沒有做過系統(tǒng)研究。本文綜合分析了大量地?zé)徙@孔、物探測(cè)井、巖屑測(cè)試、降壓試驗(yàn)等資料，對(duì)天津地區(qū)奧陶系熱儲(chǔ)賦水規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，為本區(qū)奧陶系井位的確定及其資源評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造特征

天津地區(qū)地處Ⅰ級(jí)構(gòu)造單元華北地臺(tái)北緣，以寧河-寶坻斷裂為界分為北區(qū)和南區(qū)。北區(qū)屬II級(jí)構(gòu)造單元燕山臺(tái)褶帶，南區(qū)屬II級(jí)構(gòu)造單元華北斷坳區(qū)。天津地區(qū)的南區(qū)和北區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征具有明顯的差異。北區(qū)為山區(qū)，主要發(fā)育古生界及中新元古界地層。構(gòu)造線主體呈東西(EW)向，斷裂以東西向?yàn)橹鲗?dǎo)；南區(qū)為平原區(qū)，地層發(fā)育齊全，是中、新生代斷陷、坳陷盆地。區(qū)內(nèi)Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元由西向東依次為冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊坳陷。隆起和坳陷的延伸方向和較大斷裂的走向均呈北北東(NNE)向，形成雁行式相間排列的構(gòu)造格局(見圖1)。區(qū)內(nèi)影響較大的斷裂主要有北北東向的天津斷裂、滄東斷裂和北西西向的寧河寶坻斷裂、漢沽斷裂、海河斷裂等。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征

1.2 地層特征

除缺失上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)及古近系古新統(tǒng)以外，本區(qū)地層從太古界至新生界均有分布。北部山區(qū)除有部分第四系覆蓋外，主要出露中、新元古界長(zhǎng)城系、薊縣系、待建系和青白口系地層。在南部廣大平原區(qū)，根據(jù)鉆孔揭露，主要發(fā)育新生界第四系、新近系和古近系，中生界白堊系、侏羅系和三疊系，古生界二疊系、石炭系、奧陶系和寒武系，中新元古界青白口系和薊縣系[3]。

奧陶系在冀中坳陷和黃驊坳陷埋藏深度大，一般大于4 000 m，目前尚無地?zé)徙@孔揭露。奧陶系在滄縣隆起區(qū)平面上呈帶狀或塊狀分布，在背斜核部和凸起高部位缺失，地層總體從東南往西北方向逐漸加厚。本區(qū)奧陶系自下而上由冶里組、亮甲山組、北庵莊組、馬家溝組和峰峰組組成，各組巖性特征[4][5]如下：

冶里組：巖性由灰色厚層、中厚層狀灰?guī)r夾少量礫屑灰?guī)r，有時(shí)夾有很薄的(經(jīng)常是十幾厘米)黃綠色頁巖。

亮甲山組：巖性為灰色含燧石結(jié)核灰?guī)r、白云巖夾少量礫屑灰?guī)r，頂界與北庵莊組底部薄板狀白云巖或角礫狀灰?guī)r呈平行不整合接觸。

北庵莊組：巖性為灰色中厚層-巨厚層(夾薄層)的泥晶云質(zhì)灰?guī)r、泥晶泥質(zhì)灰?guī)r夾灰色中厚層泥晶鈣質(zhì)白云巖及角礫狀灰?guī)r、角礫狀白云巖。

馬家溝組：巖性為灰色厚層-巨厚層泥晶灰?guī)r、泥晶云質(zhì)灰?guī)r夾白云巖、角礫狀灰?guī)r、角礫狀白云巖。

峰峰組：巖性以灰?guī)r為主，夾薄層泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r，下部見白云質(zhì)灰?guī)r。該地層在本區(qū)分布范圍較小，僅在白塘口凹陷、大城凸起等相對(duì)低洼處有部分殘存，殘存厚度約100 m左右。

2 奧陶系巖溶發(fā)育的主要影響因素

通過相關(guān)理論研究[6][7]和眾多鉆井實(shí)踐表明，深部奧陶系碳酸鹽巖巖溶發(fā)育主要受巖性、地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化淋濾時(shí)間和地下水動(dòng)力條件等因素的影響。從深部巖溶的發(fā)育過程分析，巖性因素是基礎(chǔ)，構(gòu)造和水動(dòng)力條件是關(guān)鍵。

2.1 巖性因素

巖溶發(fā)育的過程主要是水對(duì)可溶性巖石的溶蝕過程。研究表明，可溶性巖石的化學(xué)成分、礦物成分等對(duì)巖溶發(fā)育速度、發(fā)育程度和發(fā)育特征有明顯的影響[8]。天津地區(qū)奧陶系為大套碳酸鹽巖，以厚層灰?guī)r為主，夾薄層白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，為巖溶的發(fā)育提供了良好的基礎(chǔ)條件。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，本區(qū)奧陶系巖性垂向上存在一定的差異。以往研究成果表明：亮甲山組白云質(zhì)含量最高，巖性以白云巖為主；向上至馬家溝組白云質(zhì)含量明顯降低，巖性以厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主[3]。而從奧陶系巖溶裂隙垂向分布圖(圖2)可以看出，無論凹陷區(qū)還是凸起區(qū)，都是馬家溝組、北庵莊組巖溶裂隙最為發(fā)育，亮甲山組和冶里組巖溶裂隙相對(duì)較差。

圖2 天津市奧陶系巖溶裂隙垂向分布圖

綜上結(jié)果表明：就天津地區(qū)的奧陶系碳酸鹽巖而言，馬家溝組和北庵莊組的純灰?guī)r比冶里-亮甲山組的白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，巖溶主要沿著厚層純灰?guī)r發(fā)育。分析認(rèn)為純灰?guī)r的CaO含量高，其溶蝕速率大于白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。此外，泥質(zhì)含量的增加會(huì)增強(qiáng)碳酸鹽巖的韌性和降低其溶蝕速度，影響巖溶裂隙發(fā)育。

2.2 構(gòu)造因素

2.2.1 斷裂

斷裂附近有利于巖溶發(fā)育，這主要是由于斷裂附近往往有裂隙相伴生，斷裂和裂隙都是地下水進(jìn)入可溶巖的重要通道。一般來說，張性斷裂對(duì)裂隙影響較弱，但斷裂帶裂隙通常比較發(fā)育，其次是扭性斷裂和壓性斷裂，壓扭性斷裂對(duì)裂隙的影響最大[9]；天津地區(qū)在中生代末燕山運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的許多壓性逆斷裂，經(jīng)過新生代喜山運(yùn)動(dòng)的改造都變?yōu)閺埿哉龜嗔裑10]。位于海河斷裂帶的七眼奧陶系地?zé)峋?DL-66、HD-29、HD-29B、HD-39、HD-39B、SR23D、SR24D)中大部分具有泥漿大漏甚至大漏不返的現(xiàn)象，反映了斷裂帶巖溶發(fā)育的特征。位于天津斷裂附近的西青區(qū)社會(huì)山1、2號(hào)井分別從2 350 m、2 638 m開始漏失，漏速達(dá)20 m3/h，巖溶比較發(fā)育且發(fā)育深度大，而遠(yuǎn)離天津斷裂的西青際華地?zé)峋畩W陶系無漏失，抽水干眼，不出水，反映了離斷裂越遠(yuǎn)、巖溶發(fā)育越弱的特征。

2.2.2 褶皺

巖層傾角陡緩程度不同，其受力機(jī)制不同，會(huì)對(duì)巖溶發(fā)育產(chǎn)生影響。研究區(qū)主要發(fā)育背斜構(gòu)造，而且奧陶系均處于背斜的翼部。例如，山嶺子背斜為一北東向的背斜，兩翼陡緩不一，東南翼傾角稍陡(15°左右)，除風(fēng)化殼巖溶之外，其巖溶發(fā)育部位主要為距奧陶系頂100 m以下巖層，而西南翼傾角稍緩(10°左右)，其巖溶發(fā)育部位主要為奧陶系頂部的風(fēng)化殼(見圖3)。以上數(shù)據(jù)表明陡傾巖層巖溶發(fā)育深度大于緩傾巖層，分析認(rèn)為深部巖溶發(fā)育主要受褶皺的影響，陡傾巖層變形較強(qiáng)，有利于巖溶發(fā)育。

圖3 山嶺子背斜兩翼奧陶系巖溶發(fā)育特征對(duì)比示意圖

2.3 風(fēng)化淋濾時(shí)間

奧陶系上覆地層不同，其經(jīng)歷風(fēng)化淋濾的時(shí)間也不相同。據(jù)以往研究成果及鉆孔揭露，本區(qū)奧陶系上覆地層主要有：新近系、中生界或石炭-二疊系。上覆地層為石炭-二疊系的地區(qū)，其間缺失了晚奧陶至早石炭紀(jì)地層，經(jīng)歷風(fēng)化淋濾的時(shí)間大約是1.2億年；上覆地層為中生界的地區(qū)，其間缺失了晚奧陶至三疊紀(jì)地層，經(jīng)歷了兩次以上的巖溶，風(fēng)化淋濾時(shí)間大約是2.5億年；上覆地層為新近系的地區(qū)，其間缺失了晚奧陶至古近紀(jì)地層，經(jīng)歷了三次以上巖溶，風(fēng)化淋濾時(shí)間大約是4.2億年[11]。

實(shí)際資料表明，奧陶系裸露時(shí)間越長(zhǎng)，經(jīng)受風(fēng)化淋濾的時(shí)間也就越長(zhǎng)，對(duì)奧陶系巖溶儲(chǔ)層的發(fā)育越有利。

例如，鉆探數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，上覆地層為新近系的奧陶系，在所鉆的26眼井中，奧陶系出現(xiàn)放空、漏失的地?zé)峋?4眼，占總井?dāng)?shù)的92.3%，漏失段主要位于距奧陶系頂板2～100 m深度范圍內(nèi)，單位產(chǎn)量達(dá)2.8～15.47 m3/h·m，表明裂隙、溶洞發(fā)育，地下水活躍；上覆地層為中生界的奧陶系，在所鉆的8眼井中，奧陶系出現(xiàn)放空、漏失的地?zé)峋?，占總井?dāng)?shù)的87.5%，漏失段主要位于距奧陶系頂板3～100 m深度范圍內(nèi)，初始產(chǎn)量在30～135.1 m3/h之間，表明巖溶裂隙較為發(fā)育，地下水比較活躍；而上覆地層為石炭-二疊系的奧陶系，在所鉆的29眼井中，奧陶系出現(xiàn)放空、漏失的地?zé)峋?9眼，占總井?dāng)?shù)的65.5%，漏失段主要位于距奧陶系頂板100m深度以下，大部分地?zé)峋枰峄霎a(chǎn)，表明巖溶發(fā)育和裂隙連通程度較差，地下水活動(dòng)比較緩慢。

2.4 水動(dòng)力條件

巖溶垂向上，通常自上而下分為垂向滲濾帶、水平徑流帶和深部潛流帶。垂向滲濾帶是水動(dòng)力最活躍的地帶，地表水通過節(jié)理、裂隙等垂直向下滲流，垂向溶蝕發(fā)育而水平方向縫洞連通性差是該帶的最主要特征。水平徑流帶在潛水面之下，水流集中，水循環(huán)快，水平向水動(dòng)力條件優(yōu)越，主要發(fā)育大型巖溶管道系統(tǒng)。深部潛流帶雖然也長(zhǎng)期充滿水，但流動(dòng)極其緩慢，巖溶基本不發(fā)育[12][13]。

本區(qū)奧陶系巖溶裂隙在縱向上的分布與巖溶垂向分帶密切相關(guān)，巖溶發(fā)育段主要分布在距離風(fēng)化殼0～400 m的垂向滲濾帶和水平徑流帶。

鉆井資料顯示，研究區(qū)鉆遇奧陶系鉆具放空和泥漿漏失主要發(fā)生在距不整合面400 m范圍內(nèi)(圖4)，放空幅度主要在0.3～2.5 m之間。反映地下存在未充填死的溶洞，其直徑至少為0.3～2.5 m。泥漿漏失量為幾十方到數(shù)百方，個(gè)別井達(dá)上千方，只進(jìn)不出。以上資料表明，距離不整合面400 m范圍內(nèi)奧陶系巖溶儲(chǔ)層發(fā)育，而且距不整合面越近，巖溶發(fā)育越強(qiáng)，50 m范圍內(nèi)主要發(fā)育風(fēng)化殼巖溶，受垂直淋濾的影響，裂隙水平向連通性差。

圖4 放空、漏失井?dāng)?shù)與距不整合面距離關(guān)系圖

3 奧陶系熱儲(chǔ)賦水規(guī)律

奧陶系巖溶的發(fā)育過程極其復(fù)雜，上述四個(gè)控制因素通常不是單獨(dú)起作用，而是相互影響，相互疊加。通過綜合分析，對(duì)重點(diǎn)研究區(qū)(滄縣隆起)不同構(gòu)造單元(王草莊凸起因缺乏相關(guān)資料，暫不進(jìn)行分區(qū))奧陶系的賦水性進(jìn)行分區(qū)(見圖5)。按單位涌水量的大小，本次奧陶系賦水性分區(qū)共分三個(gè)等級(jí)，分為賦水性較好(q>2 m3/h·m)、賦水性中等(1

圖5 天津市重點(diǎn)地區(qū)奧陶系熱儲(chǔ)賦水性分區(qū)圖

潘莊凸起：該區(qū)奧陶系上覆地層為新近系，埋深1 100～1 400 m。從成井資料和地質(zhì)條件分析，該區(qū)奧陶系巖溶主要受埋藏條件控制，風(fēng)化殼巖溶普遍發(fā)育，分析該區(qū)賦水性總體較好，但由于不同部位巖性和水動(dòng)力條件不盡相同，因此其賦水性也存在一些差異。

白塘口凹陷：該區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，且不同部位差異較大。小韓莊次凸起巖溶條件與潘莊凸起類似，奧陶系巖溶主要受埋藏條件控制，分析其賦水性總體較好；海河斷裂帶附近奧陶系雖然上覆地層為石炭-二疊系，不利于巖溶發(fā)育，但受斷裂影響，水動(dòng)力條件良好，巖溶裂隙發(fā)育，分析其賦水性總體較好；而白塘口凹陷奧陶系上覆地層為石炭-二疊系，埋深大都超過2 500 m，水動(dòng)力條件較弱，除斷裂附近有巖溶發(fā)育外，預(yù)測(cè)該區(qū)賦水性總體較差。

雙窯凸起：該區(qū)奧陶系巖溶主要受埋藏條件和構(gòu)造控制。北部區(qū)域由東向西上覆地層依次為新近系、石炭-二疊系，受海河斷裂和天津斷裂的疊加影響，巖石破碎，巖溶較發(fā)育，賦水性較好；南部區(qū)域尚無鉆孔控制，因其上覆地層為新近系，發(fā)育風(fēng)化殼巖溶，預(yù)測(cè)其賦水性中等。

大城凸起：該區(qū)奧陶系上覆地層大部分為石炭-二疊系，普遍具有石炭-二疊系厚度大、奧陶系埋深大的特點(diǎn)。海河斷裂以南，XQ-05井附近緊鄰天津斷裂，而且石炭-二疊系厚度薄，奧陶系埋藏淺，巖溶相對(duì)發(fā)育，賦水性中等，其它區(qū)域賦水性較差；海河斷裂以北因缺乏相關(guān)資料，暫不進(jìn)行分區(qū)。

4 結(jié)語

(1)馬家溝組、北庵莊組灰?guī)r比冶里-亮甲山組白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r巖溶發(fā)育，且泥質(zhì)含量的增加不利于巖溶裂隙發(fā)育。

(2)對(duì)同一巖性而言，離斷裂越近，巖溶裂隙越發(fā)育；巖層傾角越陡，越有利于深部巖溶發(fā)育。

(3)風(fēng)化淋濾時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于巖溶儲(chǔ)層發(fā)育。

(4)巖溶儲(chǔ)層平面上主要沿大型斷裂帶和風(fēng)化殼發(fā)育；巖溶儲(chǔ)層垂向上主要發(fā)育在距不整合面400 m范圍內(nèi)，而且距不整合面越近，巖溶發(fā)育越強(qiáng)，50 m范圍內(nèi)主要發(fā)育風(fēng)化殼巖溶。

(5)奧陶系賦水性很大程度上取決于其間發(fā)育的裂隙和巖溶。通過大量鉆探實(shí)踐的綜合分析表明，本區(qū)奧陶系熱儲(chǔ)賦水規(guī)律主要沿?cái)嗔押突鶐r凸起(上覆地層為新近系)分布。