雄安新區(qū)霧迷山組巖溶熱儲成儲機(jī)制及發(fā)育模式*

郭瑞婧 紀(jì)友亮 馬錚濤 萬宏峰 楊棟吉 季漢成鮑志東 周 勇 房 超 魯 鍇 劉金俠

1中國石油大學(xué) （北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

2中國石油大學(xué) （北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

3中國石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083

地?zé)豳Y源作為可循環(huán)利用的清潔、綠色能源，在國內(nèi)外正受到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，在一定程度上被視為能夠減輕化石能源依賴和替代化石能源的重要戰(zhàn)略資源之一 （Fridleifsson，2001；Jianget al.，2019）。雄安新區(qū)因其地理優(yōu)勢及獨(dú)特的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，被作為中國 “千年大計”中清潔地?zé)崮茉撮_發(fā)的重點區(qū)域。雄安新區(qū)地?zé)豳Y源豐富，具有埋藏淺、儲量大、水質(zhì)優(yōu)等特點。據(jù)國家方針，未來雄安新區(qū)將實現(xiàn)零污染、零排放的宏大目標(biāo)，因而地?zé)嶙鳛樵摰厍鍧嵞茉矗渲匾圆谎远?。前人研究認(rèn)為該區(qū)碳酸鹽巖儲集層屬于巖溶風(fēng)化殼，并以喜山期大規(guī)模裂谷作用形成的潛山式巖溶儲集層為主 （陳墨香等，1982；周瑞良，1987；張以明等，2017）。但對于區(qū)域內(nèi)地?zé)醿瘜拥难芯縿t主要為地?zé)豳Y源評價，研究內(nèi)容多限于儲集層分布、溫度和出水量，且研究范圍多局限于雄縣、安新、容城縣城周邊，研究深度局限在淺層的新近系砂巖儲集層和薊縣系巖溶熱儲 （王貴玲等，2017；吳愛民等，2018），對于霧迷山組巖溶熱儲的研究近幾年有所突破，其中包括對裂隙發(fā)育特征、巖溶熱儲特征等的研究 （魯鍇等，2019；戴明剛等，2020；唐博寧等，2020）。成巖作用是影響儲集層的主要因素，對儲集層孔隙的形成、保存和破壞有重要的影響，前人已經(jīng)對該區(qū)霧迷山組油氣儲集層的分布、古巖溶、成巖作用、儲集空間等特征做過一定的研究，但對于該區(qū)霧迷山組地?zé)豳Y源的成儲機(jī)制、特別是3期巖溶等成巖特征尚缺乏系統(tǒng)性的研究。因此，為了滿足雄安新區(qū)清潔能源供應(yīng)的需求，中元古界薊縣系霧迷山組的儲集性能好、出水量大、易于回灌的巖溶熱儲，成為研究區(qū)目前地?zé)豳Y源勘探的重點。但由于霧迷山組地質(zhì)年代老、演化歷史長、后期改造強(qiáng)烈，導(dǎo)致該區(qū)形成熱儲的成巖作用難以識別，各成巖作用對于巖溶熱儲的控制作用也尚不清楚，因此亟需對霧迷山組巖溶熱儲發(fā)育過程中經(jīng)歷的成巖作用進(jìn)行系統(tǒng)研究。

在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合野外、巖心、薄片以及鉆井、測井、錄井等資料，以雄安新區(qū)為重點，對包括其周邊共約3400 km2的區(qū)域進(jìn)行研究，明確了雄安新區(qū)及周邊霧迷山組經(jīng)歷的各類成巖作用，分析了各成巖作用對巖溶熱儲演化的控制作用，進(jìn)而對巖溶熱儲的發(fā)育特征進(jìn)行分析，提出了雄安新區(qū)霧迷山組優(yōu)質(zhì)巖溶熱儲的成儲機(jī)制與模式，最終預(yù)測了雄安新區(qū)及周邊霧迷山組有利勘探靶區(qū)，以期為雄安新區(qū)及周邊地?zé)豳Y源的開發(fā)利用提供支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

雄安新區(qū)地處河北省保定市，規(guī)劃范圍包括了雄縣、容城、安新等3縣和部分周邊地區(qū)，起步區(qū)面積約100 km2。構(gòu)造上雄安新區(qū)位于冀中坳陷的北部，區(qū)內(nèi)分布著從屬于冀中坳陷的9個四級構(gòu)造單元，主要包括3個凸起 （牛駝鎮(zhèn)凸起、容城凸起和高陽低凸起）、2個斜坡 （牛北斜坡和蠡縣斜坡）以及4個凹陷 （霸縣凹陷、徐水凹陷、饒陽凹陷和保定凹陷）。區(qū)內(nèi)分布7條主要斷裂，包括北東向的容城斷裂、牛東斷裂、保定斷裂、高陽斷裂和任西斷裂，北西西向的容南斷裂和牛南斷裂（圖1）。

雄安新區(qū)自太古宙以來，經(jīng)歷了漫長而復(fù)雜的地質(zhì) 演 化 過 程 （Sun and Niu，2000；Zhuet al.，2011），基底形成于太古宙和古元古宙期間，經(jīng)歷了凌源、芹峪、印支、燕山和早喜山5期構(gòu)造抬升作用 （喬秀夫和馬麗芳，1982；楊明慧等，2002）。在多次克拉通化事件和構(gòu)造—熱事件作用下，基底不斷地增生、拼貼、擴(kuò)大，在經(jīng)歷了形成、形變、固化之后，形成了統(tǒng)一的結(jié)晶基底。薊縣系碳酸鹽巖沉積形成于中—新元古代，后期基底抬升至地表后發(fā)生裂陷作用，地層遭受一定程度的剝蝕作用；古生代和早—中三疊世期間，構(gòu)造活動較弱，整體以穩(wěn)定抬升為主，主要沉積寒武系、奧陶系、石炭系等 （Qiet al.，2003）。從燕山運(yùn)動開始，太平洋板塊俯沖使得陸塊活化、破壞，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動，陸塊發(fā)生了大規(guī)模的拉張開裂、裂陷解體，同時伴有強(qiáng)烈的巖漿活動，形成了不同時期、廣泛分布的各種陸相盆地 （Maet al.，1983），冀中坳陷內(nèi)部凸起和凹陷相間發(fā)育的格局至此形成。牛駝鎮(zhèn)凸起和容城凸起在漸新世期間保持抬升，上部地層從古近系至霧迷山組均遭遇嚴(yán)重的風(fēng)化剝蝕；高陽低凸起則受到相對較弱的剝蝕作用，沉積地層較薄。中新世期間，牛駝鎮(zhèn)凸起、容城凸起繼承了前期的構(gòu)造特征，繼續(xù)遭受抬升剝蝕；直至上新世的明化鎮(zhèn)組沉積時期，冀中坳陷全區(qū)進(jìn)入沉降階段，最終形成現(xiàn)今的地質(zhì)面貌（Yanget al.，2014；Liet al.，2016；柳娟，2018）。

雄安新區(qū)位于華北平原，是中—新生代沉積盆地?；诪樘沤绾拖略沤鐝?fù)雜變質(zhì)巖系，蓋層為中上元古界、下古生界海相碳酸鹽巖和新生界陸相碎屑巖2套沉積層組成。本次目的層位為中上元古界霧迷山組，下伏楊莊組，上覆洪水莊組。霧迷山組在研究區(qū)內(nèi)共發(fā)育四段，自下而上分別為霧一段、霧二段、霧三段和霧四段，各段界面識別特征及巖性描述如圖1所示。由于遭受強(qiáng)烈剝蝕，霧四段在容城凸起和牛駝鎮(zhèn)凸起等局部地區(qū)有所缺失，霧迷山組厚度整體向南西方向減薄。

圖1 雄安新區(qū)霧迷山組構(gòu)造單元分布圖及地層格架Fig.1 Tectonic units and stratigraphic columns of the Wumishan Formation in Xiong'an New Area

2 巖溶熱儲基本特征

2.1 巖石學(xué)特征

對雄安新區(qū)霧迷山組20個樣品進(jìn)行全巖XRD分析，結(jié)果表明：白云石含量占65.5%，方解石含量占5.5%，石英含量占20.2%，黏土礦物占8.7%，分析得出主要巖性為白云巖。并結(jié)合15口取心井中的256張薄片的巖性分析結(jié)果，最終根據(jù)是否保留原始結(jié)構(gòu)，將雄安新區(qū)霧迷山組白云巖分為兩大類：一類是保留 （殘余）原始結(jié)構(gòu)的白云巖，包括顆粒白云巖和藻白云巖；另一類是次生交代成因白云巖，包括晶粒白云巖和次生角礫白云巖。

2.1.1 保留 （殘余）原始結(jié)構(gòu)的白云巖

顆粒白云巖：主要包括砂礫屑白云巖和鮞粒白云巖。其中砂礫屑白云巖的砂礫屑圓度中等，分選較好，砂礫屑之間不接觸，呈漂浮狀且雜亂分布（圖2－a）；鮞粒白云巖的鮞粒顆粒較大，圓度較好，鮞粒之間的孔隙充填物為亮晶膠結(jié)物，反映沉積過程中的水動力條件較強(qiáng)（圖2－b）。

圖2 雄安新區(qū)霧迷山組巖性及物性特征Fig.2 Physical properties and lithology characteristics of the Wumishan Formation in Xiong'an New Area

藻白云巖：主要包括疊層石白云巖和藻粘結(jié)白云巖。研究區(qū)發(fā)育有層狀、波狀、球狀等疊層石，以波狀疊層石發(fā)育最為廣泛（圖2－c，2－d），其連續(xù)性和波高波長各有不同，霧迷山組各段均可見；藻粘結(jié)白云巖是由藻類粘結(jié)云泥和顆粒而成，主要發(fā)育于霧一段，粘結(jié)云泥多發(fā)生重結(jié)晶作用。

2.1.2 次生交代成因白云巖

晶粒白云巖：主要包括泥粉晶白云巖和細(xì)晶白云巖。泥粉晶白云巖包括由泥晶白云石組成的泥晶白云巖、由粉晶白云石組成的粉晶白云巖和由泥晶白云石與粉晶白云石組成的粉—泥晶白云巖（圖2－e）；細(xì)晶白云巖中晶粒有大有小，晶體自形程度高，以線接觸為主，可見鑲嵌式接觸，未見晶間孔發(fā)育（圖2－f）。

次生角礫白云巖：角礫呈高度棱角狀（圖2－g），毫無分選，成分單一，與稀鹽酸作用不起泡，質(zhì)純，為白云巖角礫。

2.2 儲集空間特征

儲集空間分為孔隙和裂縫。根據(jù)成因?qū)⒖紫秳澐譃樵紫逗痛紊紫?；裂縫包括構(gòu)造縫—構(gòu)造溶蝕縫和縫合線，其中最有利的儲集空間類型為次生孔隙和構(gòu)造縫—構(gòu)造溶蝕縫。通過對全區(qū)共15口典型井、4條野外剖面、256張薄片進(jìn)行統(tǒng)計，次生孔隙體積約占總孔隙體積的57.5%，構(gòu)造縫—構(gòu)造溶蝕縫約占23.4%，其他類型孔隙約占19.1%。

孔隙：原生孔隙主要為藻格架孔，多發(fā)育在藻白云巖和疊層石白云巖中（圖2－c），此外還發(fā)育有少量晶間孔（圖2－d）；次生孔隙包括粒間孔、粒內(nèi)孔和巖溶孔隙（圖2－a，2－h(huán)），因該區(qū)粒間孔和粒內(nèi)孔多為后期溶蝕作用形成，顆粒邊緣具港灣狀，因而歸入次生孔隙類型。

裂縫：構(gòu)造縫—構(gòu)造溶蝕縫特點為平直、光滑、寬窄均一，構(gòu)造溶蝕縫縫面不規(guī)則、凹凸不平、縫寬變化大，具明顯溶蝕特征（圖2－i）；縫合線多順層分布，呈折線型，充填物為泥質(zhì)或暗色物質(zhì)（圖2－j）。

2.3 物性特征

對研究區(qū)典型鉆井巖心共15口井76件柱塞樣品進(jìn)行物性分析，測試單位為中國石油大學(xué) （北京）油氣資源與探測國家重點實驗室。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)霧迷山組區(qū)域孔隙度整體在5.5%以內(nèi)，平均孔隙度為2.8%；滲透率整體在 （0.01～50）×10－3μm2之間，平均值為10×10－3μm2；由孔滲交匯圖可知研究區(qū)孔滲相關(guān)性較好，隨孔隙度增加，滲透率呈增加趨勢，表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，局部地區(qū)存在裂縫，滲透率表現(xiàn)為異常高值（圖3）。此外研究區(qū)孔滲數(shù)據(jù)變化較大，具有分區(qū)特點，研究區(qū)熱儲物性包括3個高值分布區(qū)：一個高值區(qū)分布在雄縣附近，孔隙度數(shù)值多為3.5%～6%，滲透率數(shù)值多為（15～35）×10－3μm2；其次物性較好的區(qū)域在高陽一帶，孔隙度分布在4%～5%之間，滲透率主體分布在 （20～25）×10－3μm2之間；第3個高值區(qū)分布在容城附近一帶，孔隙度分布在4%～4.5%之間，滲透率分布在 （20～25）×10－3μm2之間。其余地區(qū)孔隙度主要分布在3.5%以下，滲透率則主要分布于15×10－3μm2以下。

圖3 雄安新區(qū)霧迷山組孔隙度 （左）、滲透率 （中）分布直方圖和孔滲關(guān)系圖 （右）Fig.3 Distribution histogram of porosity（left）and permeability（middle），relationship between porosity and permeability（right）of the Wumishan Formation in Xiong'an New Area

2.4 成巖作用類型及其特征

雄安新區(qū)霧迷山組熱儲成巖作用種類多，主要有膠結(jié)、白云化、硅化、溶蝕與充填、重結(jié)晶、壓實與壓溶和構(gòu)造破裂作用。

膠結(jié)作用：膠結(jié)作用具世代現(xiàn)象（圖2－b；圖4－a），發(fā)生于準(zhǔn)同生期的第1期次膠結(jié)呈纖維狀，屬于早期膠結(jié)，形成環(huán)境為海底環(huán)境；第2期次膠結(jié)呈櫛殼狀，指示淺埋藏成巖環(huán)境；第3期次膠結(jié)為鑲嵌膠結(jié)，發(fā)育于粒間孔。由于膠結(jié)物充填粒間孔，導(dǎo)致巖石原生孔減少。

圖4 雄安新區(qū)霧迷山組成巖作用特征Fig.4 Diagensis characteristics of the Wumishan Formation in Xiong'an New Area

白云化作用：白云化作用主要為準(zhǔn)同生白云化（圖2－e）和微生物白云化作用（圖2－c）。研究區(qū)霧迷山組發(fā)育的白云巖中，方解石含量很少或幾乎沒有，主要為等體積或過白云化作用形成。

硅化作用：硅化作用主要包括硅質(zhì)交代及硅化充填作用。硅質(zhì)交代作用多發(fā)生在疊層石和藻類等微生物顆粒發(fā)育層段（圖2－d），發(fā)育時間較早，主要原因是有機(jī)質(zhì)分解過程中產(chǎn)生有機(jī)酸，在其周圍形成弱酸性環(huán)境，有利于SiO2的沉淀與交代。此類硅化作用發(fā)生時間早，多為沉積物處于埋藏較淺的環(huán)境下，由其中呈分散狀的SiO2再聚集、交代而成；而硅質(zhì)充填作用多為巖漿熱液的侵入造成，可見粒間孔和構(gòu)造縫中充填石英（圖4－b，4－c），且主要分布于大型斷裂與侵入巖體附近，多與粗晶白云石、鞍狀白云石、石膏等熱液礦物組合充填于構(gòu)造裂縫和孔隙空間中。

溶蝕作用：主要發(fā)育準(zhǔn)同生溶蝕、表生溶蝕和埋藏溶蝕作用，是研究區(qū)最主要的成巖作用。準(zhǔn)同生溶蝕作用常形成選擇性溶蝕孔洞，粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和鑄?？椎劝l(fā)育（圖2－a，2－h(huán)）；與表生巖溶作用不同，準(zhǔn)同生巖溶發(fā)育早，多具選擇性且規(guī)模較小。而表生巖溶作用規(guī)模較大，由于伴隨強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動，多形成大型溶洞和垮塌角礫巖（圖2－g）。埋藏巖溶作用主要有熱液溶蝕和有機(jī)酸溶蝕，多發(fā)育于斷裂附近。

重結(jié)晶作用：重結(jié)晶作用在研究區(qū)整體不發(fā)育，且主要為減孔作用。晶間孔多被晶體占據(jù)而不發(fā)育（圖2－f），對熱儲孔隙的影響較小。

壓實—壓溶作用：壓實作用在研究區(qū)一直較為發(fā)育，具顆粒破碎現(xiàn)象（圖4－d），后期由于埋藏逐漸變深，壓溶作用進(jìn)一步增強(qiáng)，出現(xiàn)縫合線（圖2－j）等現(xiàn)象。

構(gòu)造破裂作用：雄安新區(qū)主要存在2期破裂作用，第1期裂縫產(chǎn)生于印支構(gòu)造運(yùn)動期間，裂縫寬度較大，延伸較遠(yuǎn)，未充填—半充填（圖2－i；圖4－e）；第2期裂縫形成于燕山—喜山期，裂縫寬度較大，延伸較遠(yuǎn)，但多為熱液礦物充填，亦可見少量未充填裂縫（圖4－f）。

黃鐵礦化作用：黃鐵礦多與泥粉晶灰?guī)r共生，粉晶大小，自形程度高，呈分散狀或集合體分布（圖4－g），對熱儲孔隙的影響較小。

3 巖溶作用類型及主控因素

溶蝕作用是雄安新區(qū)霧迷山組巖溶熱儲增孔的最關(guān)鍵成巖作用，經(jīng)實驗觀測和計算，溶蝕作用增孔率為86%，是巖溶熱儲增孔的主要原因，因此將巖溶作用單獨(dú)敘述。雄安新區(qū)共識別出3種巖溶作用，分別是同生—準(zhǔn)同生溶蝕、表生溶蝕和埋藏溶蝕作用。

3.1 3種巖溶作用特征

1）同生—準(zhǔn)同生溶蝕。發(fā)生于準(zhǔn)同生期大氣淡水成巖環(huán)境，在潮坪帶中以選擇性溶蝕早期顆粒間不穩(wěn)定礦物為特征 （倪新鋒等，2010）。雄安新區(qū)同生—準(zhǔn)同生溶蝕形成的孔洞常具有選擇性，如粒內(nèi)孔、粒間孔和鑄模孔等；膠結(jié)物溶蝕具有選擇性，可見鳥眼構(gòu)造（圖2－e）、粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔（圖2－a），多是選擇性溶蝕的結(jié)果?？梢?，該時期的溶蝕作用具有選擇性，導(dǎo)致富碳酸鹽巖紋層被溶蝕，而富藻紋層得以保留。

2）表生溶蝕。表生溶蝕受控于古地貌形態(tài)，而古地貌又控制著地表和地下巖溶水流的特征，進(jìn)而控制了表生巖溶發(fā)育的深度、范圍及強(qiáng)度 （劉宏等，2015）。結(jié)合構(gòu)造演化史分析及巖心、測井標(biāo)志，共識別出3期表生巖溶作用，形成時間分別為芹峪運(yùn)動期間、印支運(yùn)動期間和燕山—喜山運(yùn)動期間，其中以燕山—喜山期構(gòu)造運(yùn)動最為強(qiáng)烈。表生巖溶作用的特征為發(fā)育不整合、巖溶角礫巖和古土壤等。巖心上可見非常明顯的巖溶角礫巖（圖2－g）；此外高角度溶溝和溶蝕擴(kuò)大縫較為常見，多充填泥質(zhì)或方解石（圖4－e）。

3）埋藏溶蝕。多發(fā)生于中—晚成巖期的深埋藏階段，以裂縫擴(kuò)溶為主。研究區(qū)埋藏溶蝕多沿裂縫發(fā)育，熱液或酸性流體對深埋藏沉積物進(jìn)行了非選擇性溶蝕，對前期巖溶具有改造作用。根據(jù)野外、巖心和薄片觀察顯示，雄安新區(qū)熱液溶蝕孔洞中充填的熱液礦物多樣，可見熱液溶蝕孔洞中充填有自形石英（圖4－h(huán)），鏡下除石英外亦可見鞍狀白云石充填物（圖4－i）。井下巖心也可見到角礫巖間大量的硅質(zhì)膠結(jié)物，而通過薄片則可觀察到除石英礦物外，還可見鞍狀白云石和無水石膏充填物（圖4－j）。對57個流體包裹體樣品測點進(jìn)行分析，樣品均選自雄安新區(qū)保定凹陷且地層深度相似的熱液充填硅質(zhì)礦物、碳酸鹽和膏鹽膠結(jié)物。結(jié)果顯示（圖5），均一溫度峰值有2個，第1個分布區(qū)間為60～80℃的正常地層溫度，第2個分布區(qū)間為110～130℃的熱液，高于正常地層溫度30℃以上，表明雄安新區(qū)與巖漿活動相關(guān)的熱液溶蝕發(fā)育。

圖5 雄安新區(qū)霧迷山組硅質(zhì)、碳酸鹽與膏鹽膠結(jié)物鹽水包裹體均一溫度分布直方圖Fig.5 Distribution histogram of cementation temperatures of the Wumishan Formation in Xiong'an New Area

3.2 巖溶作用期次及主控因素

雄安新區(qū)巖溶作用受多種因素控制，最主要的控制因素是構(gòu)造運(yùn)動，影響較大的構(gòu)造運(yùn)動主要有芹峪運(yùn)動、印支運(yùn)動和燕山—喜山運(yùn)動。本次研究以構(gòu)造運(yùn)動為綱，對雄安新區(qū)巖溶期次進(jìn)行劃分，研究成果顯示，霧迷山組在沉積后存在3套不整合面，分別對應(yīng)了4期古巖溶作用（圖6）。第Ⅰ期古巖溶發(fā)生于霧迷山組同沉積時期，主要包括準(zhǔn)同生巖溶作用。第Ⅱ期古巖溶對應(yīng)于芹峪運(yùn)動時期，該運(yùn)動使得研究區(qū)霧迷山組局部出露地表遭受剝蝕，主要發(fā)生表生巖溶作用，溶孔經(jīng)后期改造不易識別；加之流體順著芹峪運(yùn)動造成的裂縫進(jìn)行溶蝕，因而壓溶作用和埋藏溶蝕作用相對發(fā)育。僅在工區(qū)外圍南部約30 km處的衡6井發(fā)現(xiàn)霧一段和上覆寒武系分界線處，自然伽馬值突然增大（圖7）。第Ⅲ期古巖溶對應(yīng)于印支期運(yùn)動晚期，主要是表生巖溶作用；印支運(yùn)動期間構(gòu)造活動活躍，由于受華北板塊與揚(yáng)子板塊擠壓作用和太平洋板塊運(yùn)動影響，雄安新區(qū)大部分區(qū)域抬升并遭受表生淋濾作用 （楊明慧等，2001），印支期后進(jìn)入短暫的淺埋藏階段，沉積部分三疊系；該時期形成了大型溶蝕孔洞縫，形成高孔滲儲集層。第Ⅳ期古巖溶對應(yīng)于燕山—喜山期運(yùn)動，主要是表生巖溶作用和埋藏溶蝕作用；燕山—喜山期受華北板塊和太平洋板塊運(yùn)動影響，該區(qū)新老斷裂再次活動，三疊系整體遭受剝蝕，剝蝕作用強(qiáng)烈的地區(qū)可剝蝕至霧二段，直至古近紀(jì)才開始接受沉積；此階段構(gòu)造作用強(qiáng)烈，地層缺失嚴(yán)重，霧迷山組處于大氣淡水環(huán)境，接受大氣淡水淋濾作用，發(fā)生表生巖溶作用；在燕山期－早喜山期階段，巖漿活動發(fā)育，巖漿沿斷裂運(yùn)移形成溶蝕孔洞和熱液充填。印支期和燕山—喜山期是對雄安新區(qū)影響最大的構(gòu)造運(yùn)動，地層經(jīng)歷了幅度較大的抬升剝蝕，兩期構(gòu)造運(yùn)動相互疊加，形成了最為發(fā)育的表生巖溶作用。

圖6 雄安新區(qū)各期次巖溶作用及時空分布 （剖面位置見圖1－c）Fig.6 Characteristics and distribution of Karst in each period in Xiong'an New Area（location seen Fig.1－c）

圖7 雄安新區(qū)衡6井單井柱狀圖Fig.7 Logging characteristics of the Wumishan Formation in well Heng 6 in Xiong'an New Area

4 巖溶熱儲成儲機(jī)制

巖溶熱儲成儲機(jī)制主要包括外部因素和內(nèi)部因素2個方面，其中外部因素包括構(gòu)造運(yùn)動、海平面升降、氣候等，內(nèi)部因素主要包括巖性巖相、巖石內(nèi)部構(gòu)造等。通過對雄安新區(qū)霧迷山組巖溶熱儲特征進(jìn)行研究，總結(jié)得出研究區(qū)巖溶熱儲的控制因素主要包括巖性巖相形成的基礎(chǔ)、構(gòu)造和古地貌的推動以及成巖作用的改造。

4.1 巖性與巖相是控制成儲的基礎(chǔ)

巖性與巖相是控制成巖作用的基礎(chǔ)。碳酸鹽巖的礦物成分是影響各類成巖作用強(qiáng)度的本質(zhì)因素，不同的巖性、巖相會形成不同的巖石學(xué)特征，進(jìn)而孔隙特征和成巖作用有差異，影響其孔滲特征。

雄安新區(qū)泥粉晶白云巖發(fā)育廣泛，但原始孔隙欠發(fā)育，后期由白云化作用形成的晶間孔可以改善其物性，使得流體滲入發(fā)生進(jìn)一步溶蝕；此外白云巖脆性大，易破裂，與灰質(zhì)構(gòu)成差異溶蝕，形成大型溶蝕孔洞。顆粒白云巖基質(zhì)較顆粒易溶 （聶躍平，1994），原生粒間孔發(fā)育，流體滲入使溶蝕作用加強(qiáng)，易形成良好的儲集空間，是研究區(qū)最有利儲集層發(fā)育的巖性，但因其分布少，難以形成以顆粒灘為主的有效儲集層。次生角礫白云巖角礫多為白云石，難以通過溶蝕作用形成有效儲集層。而藻白云巖分布廣，原始藻格架和疊層石骨架原生孔隙較為發(fā)育，且后期構(gòu)造作用下形成有效的次生孔隙，因而藻白云巖是最有利的儲集層巖性（圖8左）。

雄安新區(qū)霧迷山組發(fā)育的巖相主要有云坪、藻云坪、顆粒灘和泥云坪，其中云坪和藻云坪分布廣泛，而顆粒灘和泥云坪分布較少，潮間帶藻云坪相為儲集層最優(yōu)勢相（圖8右）。從高深1井巖心及薄片特征可以看出，潮間帶藻云坪相多發(fā)育溶孔、藻格架孔等有利儲集空間；而淀5井深埋藏區(qū)的潮下帶云坪相泥粉晶白云巖和細(xì)晶白云巖則相對較為致密，孔隙不發(fā)育。沉積相帶不同導(dǎo)致原生孔隙具有差異，進(jìn)而控制著次生孔隙的發(fā)育 （圖9）。潮間帶水動力作用強(qiáng)，加之藻白云巖巖性特征利于次生孔隙發(fā)育，因此潮間帶藻云坪為研究區(qū)最有利巖溶儲集層的沉積基礎(chǔ)。

圖8 雄安新區(qū)霧迷山組巖性 （左）、巖相 （右）和孔滲關(guān)系對比圖Fig.8 Relationship among lithology（left），facies（right），porosity and permeability in Xiong'an New Area

4.2 多期構(gòu)造運(yùn)動和古地貌是成儲的推動力

構(gòu)造運(yùn)動是控制巖溶作用的核心。構(gòu)造運(yùn)動對于巖溶儲集層的控制作用主要表現(xiàn)在3個方面：既控制了成巖作用的發(fā)育背景和類型；又形成多類型多期次的裂縫，為流體滲流提供場所和條件；此外還決定了古地貌格局和水動力分布單元，進(jìn)而影響古巖溶的發(fā)育和有利區(qū)的分布。古地貌是控制成巖作用的推動力，主要通過影響古水文特征對儲集層進(jìn)行改造。古地貌的分布對水動力條件和表生巖溶的發(fā)育具有明顯的影響作用，不同古地貌單元是巖溶水循環(huán)的重要通道和制約因素。結(jié)合沉積學(xué)分析法、殘厚法和印模法，并在構(gòu)造演化和地層剝蝕的約束下恢復(fù)了霧迷山組頂部風(fēng)化殼巖溶古地貌圖（圖10左）。在燕山—喜山期，雄安新區(qū)北東高、南西低，古水流流向為北東至南西向。在此方向上顯示為巖溶高地、斜坡和盆地的逐漸變化。不同的巖溶發(fā)育帶與不同的地貌單元具有良好的對應(yīng)關(guān)系，且具有不同的溶蝕作用特征（圖10右）。巖溶高地主要位于東北部容城凸起和牛駝鎮(zhèn)凸起，風(fēng)化淋濾作用十分強(qiáng)烈，大氣淡水垂直滲流向下淋濾，運(yùn)移通道是垂向發(fā)育的裂隙、節(jié)理和落水洞，水動力非常活躍；巖溶高地垂向的水動力條件控制了垂向縫洞系統(tǒng)的發(fā)育，但剝蝕作用強(qiáng)烈多充填角礫，導(dǎo)致孔隙度或滲透率有所降低。巖溶次高地位于南部高陽低凸起、同口—雁翎潛山帶和任丘潛山帶，地貌較巖溶高地低，剝蝕程度較巖溶高地弱，以垂直滲流作用為主，水動力較強(qiáng)，主要發(fā)育垂向溶孔和高角度縫；巖溶斜坡呈環(huán)狀分布于高地周緣，主要以水平潛流作用為主，由于地貌高差較大，且位于潛水面以下，因此地下水流量大且流速快，水動力較強(qiáng)，從而對地層的化學(xué)和機(jī)械侵蝕強(qiáng)烈，溶蝕的物質(zhì)被水流迅速帶走，溶蝕作用穩(wěn)定；同時水平方向的水流作用易增加孔隙間連通性，進(jìn)而提升有效孔隙度。巖溶盆地地勢最低，位于雄安新區(qū)兩側(cè)，地下水以深部緩流和停滯水體為主，水動力弱，溶蝕作用最弱；且泥質(zhì)充填和膠結(jié)作用強(qiáng)烈，破壞孔隙。綜上，在構(gòu)造運(yùn)動、古地貌和古水文動力的綜合作用下，巖溶斜坡為最有利儲集層發(fā)育區(qū)，巖溶次高地為較有利發(fā)育區(qū)。

圖10 雄安新區(qū)霧迷山組巖溶古地貌 （左）及其與孔滲關(guān)系特征 （右）圖Fig.10 Landform （left）and relationship with porosity and permeability（right）of the Wumishan Formation in Xiong'an New Area

表1 雄安新區(qū)霧迷山組不同期次巖溶特征及證據(jù)Table 1 Karst characteristics and evidence of different stages in Xiong'an New Area

4.3 成巖作用是成儲的關(guān)鍵改造作用

4.3.1 壓實壓溶作用對巖溶熱儲產(chǎn)生了雙重作用

雄安新區(qū)霧迷山組由于埋藏深度大，地質(zhì)歷史時期最大埋深可接近3000 m，因而整體上看霧迷山組巖溶儲集層壓實作用普遍發(fā)育。鏡下主要表現(xiàn)為：（1）壓實程度較大時，部分剛性顆粒發(fā)生彎曲變形，當(dāng)壓力超過其承受能力時發(fā)生破裂（圖4－d）；（2）當(dāng)后期埋藏深度逐漸增加時，壓溶作用進(jìn)一步增強(qiáng)，出現(xiàn)縫合線等現(xiàn)象（圖 2－j）；（3）整體上看，顆粒接觸關(guān)系主要表現(xiàn)為線接觸和凹凸接觸（圖4－d）。每張薄片選取4張顯微鏡下照片，分別計算分選系數(shù)SO和原始孔隙度，取平均值作為最后結(jié)果；再測出膠結(jié)物體積和壓實后孔隙體積，進(jìn)而計算出壓實減孔率。計算可得，研究區(qū)儲集層經(jīng)壓實作用孔隙度由25.3%降低到了22.1%，壓實減孔率為12.6%。

雄安新區(qū)內(nèi)壓實作用和壓溶作用持續(xù)時間長，幾乎貫穿了同生—準(zhǔn)同生成巖階段到中—晚成巖階段的全部過程，而在埋藏環(huán)境中影響更大。較強(qiáng)的壓實作用使得原生孔隙消失殆盡，顆粒接觸更加緊密，孔隙度和滲透率大幅度降低，儲集層物性急劇變差，對于儲集層的儲集功能起到強(qiáng)烈的破壞作用。但后期的壓溶作用造成顆粒接觸點局部溶解，對巖溶儲集層具有一定的改善作用，因此壓實壓溶作用對巖溶熱儲產(chǎn)生了雙重作用。

4.3.2 膠結(jié)、白云化和硅質(zhì)作用對巖溶熱儲產(chǎn)生了減孔作用

雄安新區(qū)膠結(jié)作用具有世代膠結(jié)現(xiàn)象（圖4－a），膠結(jié)物多充填于原生孔隙和次生孔隙中，使得儲集層內(nèi)的有效孔隙度降低，膠結(jié)作用是發(fā)生在粒間孔隙水中的沉淀作用，在粒間孔中發(fā)生晶體沉淀生長，各類膠結(jié)物不僅占據(jù)了殘余粒間孔，使得殘余粒間孔發(fā)育極少，同時也占據(jù)了大量溶蝕作用所形成的次生孔隙，因而膠結(jié)作用對巖溶熱儲的孔隙度具有強(qiáng)烈的破壞作用。膠結(jié)作用從同生—準(zhǔn)同生成巖階段一直持續(xù)到了中—晚成巖階段，持續(xù)時間長，且在早—中成巖階段的埋藏環(huán)境中作用明顯，導(dǎo)致該時期孔隙度明顯降低。

雄安新區(qū)白云石化作用主要為等體積或過白云石化作用形成，因而白云石化作用對巖溶熱儲的孔隙多起破壞作用，而白云石化作用主要發(fā)生于同生—準(zhǔn)同生時期，持續(xù)時間較短，但由于發(fā)生白云石化的巖石較堅硬，不利于準(zhǔn)同生溶蝕作用的進(jìn)行，因此起到了降低孔隙度的破壞作用。

雄安新區(qū)硅質(zhì)交代作用形成的硅化巖體與原巖產(chǎn)狀一致，原巖發(fā)生硅質(zhì)交代作用后，仍保留原有的疊層石等結(jié)構(gòu)。硅化作用形成的含硅質(zhì)巖類致密堅硬，孔隙稀少，硅質(zhì)交代及充填作用使得巖溶熱儲的孔隙有所降低；另一方面，硅質(zhì)熱液礦物充填作用對巖溶熱儲也產(chǎn)生了強(qiáng)烈的減孔作用，熱液礦物充填作用主要發(fā)生于中—晚成巖階段，沿斷裂對孔縫進(jìn)行充填，導(dǎo)致孔隙急劇降低。經(jīng)實驗觀測和計算可得，研究區(qū)經(jīng)過壓實、膠結(jié)作用、白云化和硅質(zhì)作用減孔后，剩余孔隙度為0.7%，其中膠結(jié)、白云化和硅質(zhì)交代作用減孔率為32.8%。

4.3.3 多期構(gòu)造破裂作用促進(jìn)溶蝕作用發(fā)生

雄安新區(qū)霧迷山組在印支運(yùn)動以及燕山—早喜山期出露地表遭受淋濾剝蝕，形成的高角度縫成為了大氣淡水向下滲濾的通道，促進(jìn)了溶蝕作用的進(jìn)一步發(fā)生；而低角度縫的存在，增加了水和碳酸鹽巖地層的接觸，小孔洞之間出現(xiàn)了連通，從而改善地層的儲滲性能；縫合線也較為發(fā)育，縫合線是一種特殊的裂縫形式，但是在碳酸鹽巖地層中發(fā)育普遍，可以有效地改善儲集層的儲滲能力，尤其是與構(gòu)造縫的相互連通，為地下水和地表水的垂向運(yùn)移提供了有利條件。

雄安新區(qū)多期構(gòu)造運(yùn)動形成的斷裂、裂縫等，為流體的垂向運(yùn)移提供了通道，為后期的表生溶蝕作用的發(fā)生提供了有利條件；此外裂縫的存在也為地下流體提供了運(yùn)移通道，流體沿斷層或裂縫優(yōu)先對其充填物進(jìn)行溶蝕，從而改善儲集層的儲集性。構(gòu)造破裂作用在早—中成巖階段和中—晚成巖階段較為強(qiáng)烈，對該時期的儲集空間有一定的改善作用，為溶蝕作用的產(chǎn)生奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4.3.4 溶蝕作用是巖溶熱儲增孔的關(guān)鍵作用

溶蝕作用是雄安新區(qū)發(fā)育最廣泛的成巖作用，擴(kuò)大了儲集空間、改善了儲集性能，是對儲集層增孔貢獻(xiàn)最大的成巖作用。通過計算溶蝕面孔率，并分別對各類溶蝕作用進(jìn)行增孔率計算，結(jié)果顯示，儲集層溶蝕增孔率為40.5%，其中同生—準(zhǔn)同生巖溶作用增孔率為3.8%，表生溶蝕作用增孔率為32.3%，埋藏溶蝕作用增孔率為4.4%。

同生—準(zhǔn)同生巖溶作用發(fā)生在同生—準(zhǔn)同生成巖階段，通常發(fā)育于大套厚層泥晶白云巖中夾薄層顆粒白云巖層，代表著海平面下降時間較短，允許準(zhǔn)同生溶蝕作用發(fā)生的時間較短，導(dǎo)致早期溶蝕作用對儲集層改造作用有限。埋藏巖溶的主要流體運(yùn)移通道是前期未完全充填的斷層、裂縫 （趙國祥等，2016），大規(guī)模的對碳酸鹽礦物欠飽和的、有腐蝕性的流體沿斷層、裂縫輸入儲集層，并優(yōu)先對各種孔縫及其充填物進(jìn)行溶蝕，隨后被溶解進(jìn)入溶液的Ca2+及Mg2+等離子沿斷層、裂縫被流體不斷的傳送出去，形成溶蝕孔洞。表生溶蝕作用是雄安新區(qū)分布最廣泛、增孔作用最大的建設(shè)性成巖作用，地層經(jīng)歷構(gòu)造運(yùn)動抬升地表，處于大氣淡水環(huán)境遭受淋濾，且由于構(gòu)造作用形成了斷裂，大氣淡水順斷裂向下侵蝕。燕山—喜山期是霧迷山組重要的成儲時期，表生成巖環(huán)境中大氣淡水的淋濾作用，使得霧迷山組形成大量溶蝕孔縫。這不僅增加了儲集層中的儲集空間，還溝通了碳酸鹽巖中原本不連通的孔隙，改善了孔隙結(jié)構(gòu)，提高了儲集性能。

4.3.5 成巖作用對巖溶熱儲的形成和改造

綜合分析各成巖作用形成時間及成巖環(huán)境，以雄安新區(qū)大型構(gòu)造演化為背景，建立了霧迷山組成巖作用對巖溶熱儲的形成和改造模式（圖11）。在同生期發(fā)生沉降并沉積了霧迷山組碳酸鹽巖，主要為海水成巖環(huán)境，經(jīng)歷的成巖作用包括準(zhǔn)同生溶蝕、準(zhǔn)同生白云石化作用，后期逐漸出現(xiàn)相對較弱的壓實、膠結(jié)和交代作用等。

早—中成巖階段即芹峪運(yùn)動階段以前，霧迷山組構(gòu)造活動較弱，幾乎不受表生巖溶作用的影響。此階段以壓實—壓溶作用和早期膠結(jié)作用為主，根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研和鏡下薄片觀察，巖石原始孔隙度通常大于30%以上，細(xì)粒類碳酸鹽巖原始孔隙度可高達(dá)50%以上，但經(jīng)過準(zhǔn)同生階段膠結(jié)和壓實作用的影響，孔隙度迅速減小到3%以下 （Philip and Lloyd，1970；魯鍇等，2019；楊飛，2017）。芹峪運(yùn)動時期，將霧迷山組抬升至地表，接受大氣淡水淋濾，發(fā)生表生巖溶作用。但由于此時期暴露持續(xù)時間較短，溶蝕作用較弱，熱儲物性改造較小。

成巖中—晚期，由于受到印支運(yùn)動的影響，構(gòu)造活動強(qiáng)烈，斷裂體系發(fā)育，霧迷山組及上部地層遭受嚴(yán)重暴露剝蝕，期間經(jīng)歷的成巖作用包括表生溶蝕、埋藏溶蝕、破裂作用以及膠結(jié)、重結(jié)晶作用；形成了大量孔、縫等儲集空間，使孔隙度增加大到10%左右。

在燕山—喜山初期，由于構(gòu)造運(yùn)動整體沉降，研究區(qū)霧迷山組再次進(jìn)入埋藏階段，發(fā)育破裂、膠結(jié)、埋藏溶蝕和壓溶作用。此階段巖漿活動發(fā)育，伴隨有熱液溶蝕作用及熱液礦物充填。新生界烴源巖在古近紀(jì)大規(guī)模生烴，生成的有機(jī)酸對熱儲發(fā)生溶蝕，改善了熱儲儲集性能。熱液礦物對熱儲的影響具有雙面性，礦物充填使得孔隙度降低，而埋藏溶蝕又使得孔隙度增加，整體孔隙度變化為先減小后增大再減小，最終孔隙度達(dá)5%左右 （圖11）。

圖11 雄安新區(qū)霧迷山組巖溶熱儲改造模式Fig.11 Transformation model of karst thermal reservoir of the Wumishan Formation in Xiong'an New Area

5 巖溶熱儲發(fā)育模式

雄安新區(qū)霧迷山組巖溶熱儲主要的成儲機(jī)制包括巖性巖相基礎(chǔ)、構(gòu)造作用和古地貌的推動，以及各類型成巖作用的改造（圖12）。在巖性巖相上疊層石白云巖、藻白云巖易發(fā)生溶蝕作用，形成有效溶孔，而泥晶白云巖中溶孔多為準(zhǔn)同生溶蝕作用形成，且后期深埋藏時經(jīng)歷壓溶作用，形成了縫合線。受構(gòu)造作用影響，雄安新區(qū)主要的3期表生巖溶作用，為芹峪期巖溶、印支期巖溶和燕山—喜山期巖溶，其中芹峪期巖溶僅在局部發(fā)育，印支期巖溶和喜山期巖溶相互疊加，形成了大量的溶蝕孔縫；此外在斷層發(fā)育的地區(qū)后期有熱液充填現(xiàn)象。雄安新區(qū)主要的喀斯特溶蝕發(fā)生在巖溶高地、巖溶次高地和巖溶斜坡區(qū)，其中巖溶高地只接受垂直淋濾，膠結(jié)物和充填物不易被流水帶走，形成的溶孔多為充填溶孔；而巖溶斜坡和巖溶次高地接受垂直淋濾和水平潛流的作用，形成的溶孔多被保存形成儲集層。在各類成巖作用中，溶蝕作用是巖溶熱儲增孔的關(guān)鍵作用，膠結(jié)、白云化和硅質(zhì)作用對巖溶熱儲產(chǎn)生了破壞作用，而壓實壓溶作用對巖溶熱儲產(chǎn)生了雙重作用。

圖12 雄安新區(qū)霧迷山組巖溶熱儲成儲模式Fig.12 Reservoir model of karst thermal reservoir of the Wumishan Formation in Xiong'an New Area

6 結(jié)論

1）雄安新區(qū)霧迷山組主要巖石類型包括顆粒白云巖、藻白云巖、晶粒白云巖和角礫白云巖等4類。雄安新區(qū)霧迷山組主要的儲集空間類型為次生孔隙和構(gòu)造縫—構(gòu)造溶蝕縫，熱儲孔滲數(shù)據(jù)變化較大，孔隙度整體在5.5%以內(nèi)，平均孔隙度為2.8%；滲透率整體在 （0.01～50）×10－3μm2之間，平均值為10×10－3μm2。

2）雄安新區(qū)霧迷山組經(jīng)歷的主要成巖作用包括壓實壓溶作用、膠結(jié)作用、硅質(zhì)交代作用、構(gòu)造破裂作用和溶蝕作用，其中膠結(jié)作用是主要的破壞性成巖作用，導(dǎo)致巖溶熱儲孔隙度急劇降低；而溶蝕作用是最主要的建設(shè)性成巖作用。

3）雄安新區(qū)發(fā)育了3種巖溶作用，分別是同生—準(zhǔn)同生溶蝕、表生溶蝕和埋藏溶蝕作用，以表生溶蝕作用發(fā)育最廣泛、增孔作用最大。表生巖溶作用進(jìn)一步劃分為3期，分別是芹峪期、印支期和燕山—喜山期表生巖溶作用。芹峪運(yùn)動期霧迷山組局部出露遭受淋濾；印支運(yùn)動期研究區(qū)大部分區(qū)域抬升并遭受淋濾，形成高孔滲儲集層，后期遭受進(jìn)一步改造；燕山—喜山期是研究區(qū)規(guī)模最大、影響最廣泛的表生巖溶作用，對先期儲集層進(jìn)一步淋濾、改造，形成大范圍優(yōu)質(zhì)儲集層。

4）雄安新區(qū)巖溶熱儲成儲的控制因素主要包括巖性巖相特征、構(gòu)造作用、古地貌以及各類成巖作用。優(yōu)質(zhì)巖溶熱儲的成儲機(jī)制是：藻云坪的優(yōu)勢相帶是基礎(chǔ)；構(gòu)造運(yùn)動形成了芹峪期、印支期和喜山期巖溶，促成大量溶蝕孔縫的發(fā)育；巖溶斜坡為最有利儲集層發(fā)育區(qū)，巖溶次高地為較有利發(fā)育區(qū)。