唐山北部薊縣系霧迷山組白云巖熱儲資源潛力研究

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年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，這標志著中國正式加快邁向清潔能源轉(zhuǎn)型之路。地熱能因具有清潔、可再生、儲量大等特點，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，地熱能在全國一次性能源消耗中的占比將達到3%，京津冀地區(qū)達到10%。唐山市經(jīng)濟發(fā)達、人口稠密、比鄰京津，屬于京津冀周邊大氣污染重點治理城市，加快地熱資源有效開發(fā)利用既緊迫又現(xiàn)實。

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)育新近系砂巖熱儲和碳酸巖鹽基巖熱儲，新近系砂巖熱儲，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成功開發(fā)應用的實例也有很多(如雄安新區(qū)、河北無極-藁城等地)。針對華北平原區(qū)地熱資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))構造上屬于燕山褶皺帶南緣，區(qū)域地質(zhì)條件十分復雜，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，而針對深層碳酸鹽巖基巖熱儲的綜合性研究與評價工作尚屬空白，到目前唐山市城區(qū)及周邊尚無有效開發(fā)利用的地熱井。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，唐山北部在薊縣紀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)提供了良好的地熱地質(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、熱儲空間展布、熱儲巖性和物性條件、地溫場特征、涌水量、熱儲成因模式等地熱地質(zhì)要素進行分析，首次對這套熱儲資源開展了系統(tǒng)性的研究工作。研究成果對唐山市地熱資源開發(fā)利用的規(guī)劃制定、目標選擇、工程實施具有指導意義。

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)構造上位于燕山褶皺帶南緣，印支運動開始，特別是侏羅紀的燕山運動，由于太平洋板塊向華北板塊俯沖，唐山地區(qū)進入強烈活動階段，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，構造走向均為北東向。

圖1 研究區(qū)前新生代構造綱要圖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-野雞坨斷裂、寧河-昌黎斷裂、薊運河斷裂、灤縣-樂亭斷裂等，這組菱形大斷裂控制區(qū)域構造格局。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 地熱地質(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，可分為孔隙型熱儲和裂隙型熱儲，具體包括新近系明化鎮(zhèn)組砂巖孔隙型熱儲、寒武-奧陶系碳酸鹽巖裂隙型熱儲、薊縣系霧迷山組白云巖裂隙型熱儲[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只發(fā)育在向斜內(nèi)，產(chǎn)狀復雜，厚度變化大。薊縣系霧迷山組白云巖熱儲分布范圍廣，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，熱儲巖性有利，物性好，是唐山地區(qū)最具開發(fā)潛力的經(jīng)濟開發(fā)熱儲[15]。

圖4 研究區(qū)薊縣系霧迷山組頂界埋深預測圖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集空間為微裂隙[16-18]。裂隙發(fā)育，連通性好，儲地比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)已有地熱井該套熱儲參數(shù)，研究區(qū)發(fā)育的這套熱儲巖性有利，物性條件較好。

2.3 地溫場特征

根據(jù)唐山地區(qū)大地熱流及已有井溫資料[15,19-23]，結合霧迷山組的埋深，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 涌水量預測和水質(zhì)分析

根據(jù)區(qū)內(nèi)及周邊地熱井水量資料[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 地熱成因模式

研究區(qū)霧迷山組地熱系統(tǒng)由蓋層、熱儲、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，連通性好的裂隙構成流體通道，熱能主要來自于上地幔的熱傳導[4,9]。唐山北部薊縣系霧迷山組白云巖裂隙水的補給區(qū)在北部的基巖出露區(qū)或熱儲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)薊縣系霧迷山組地熱系統(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 地熱資源量估算

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

Q=CAd(tr-to)

(1)

C=ρrCr(1-φ)+ρwCwφ

(2)

式中：Q為地熱資源量，J；C為熱儲巖石與水的平均熱容量，J/(m3·℃)；A為熱儲面積，取值2 820 km2；d為熱儲層厚度，取值180 m；φ為熱儲層孔隙度，綜合考慮鉆井的實測數(shù)據(jù)及巖芯實驗室的測試數(shù)據(jù),取6.4%；tr為熱儲平均溫度，取值66 ℃；to為基準溫度，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靜態(tài)資源量為67.4×1015kJ，折合標準煤229 979萬t。

4 區(qū)帶優(yōu)選與評價

根據(jù)唐山北部薊縣系霧迷山組白云巖熱儲發(fā)育的特點，以出水溫度和熱儲埋深作為主要指標，同時參考地層厚度、物性條件、蓋層條件、補給條件、斷裂發(fā)育、涌水量等因素，制定了評價標準(表1)，并對唐山地區(qū)薊縣系霧迷山組白云巖熱儲(以進入霧迷山組800 m計)進行分類評價(圖7)。

圖7 研究區(qū)薊縣系霧迷山組熱儲綜合評價圖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綜合評價分類標準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綜合評價分類標準，該區(qū)熱儲可劃分為三類(以進入霧迷山組800 m計)。

(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，熱儲平均厚度>180 m，斷裂比較發(fā)育，儲層物性條件好，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 結論

唐山北部地區(qū)基巖熱儲的開發(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)地熱資源評價工作難度較大，尚無先例。充分利用前人在煤田地質(zhì)、地質(zhì)調(diào)查、地震預測及水文地質(zhì)等方面的研究資料，對主要地熱地質(zhì)要素開展分析和研究，得出如下結論。

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

(2)根據(jù)評價結果，圈定地熱資源一類區(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開發(fā)目標區(qū)。

(3)受限于資料及缺少必要的地熱鉆探工作，建議以唐山城區(qū)東北部為重點區(qū)，開展適量的鉆探或物探工作，進一步落實薊縣系霧迷山組基巖熱儲的分布，盡快打開唐山市城區(qū)地熱勘探開發(fā)新局面。