長慶油田區(qū)中深層地?zé)豳Y源儲量評價

郭路，夏巖，段晨陽，高文冰，陳凱，侯亞云，郭鴻

（1.中國石油長慶油田公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安，710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室,陜西 西安 710018；3.陜西省地調(diào)院水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安，710068；4.陜西省城市地質(zhì)與地下空間工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710068）

“雙碳”目標(biāo)加速了中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，低碳清潔能源在中國能源消費比重逐漸增大[1]。地?zé)崮茏鳛橐环N重要的清潔能源，具有穩(wěn)定、持續(xù)的特點，越來越受到重視[2]。地?zé)崤c石油是共存于沉積盆地的2種能源資源[3]。中國油田區(qū)蘊藏著大量的地?zé)豳Y源，具有巨大的開發(fā)潛力[4]。油田在開發(fā)過程由于各種原因存在大量廢棄井和關(guān)停井[5]，不但提供了豐富的地質(zhì)和鉆孔資料，而且直接降低了地?zé)衢_發(fā)的鉆井成本，有助于油田地?zé)豳Y源的研究與開發(fā)[6]。近些年來，除了傳統(tǒng)開采地?zé)崴?，“取熱不取水”的開發(fā)方式，如中深層套管式換熱技術(shù)，也得到廣泛應(yīng)用。2022 年，長慶油田運用中深層套管式換熱技術(shù)建立了首個長停井地?zé)崾痉豆こ獭?/p>

中國油田地?zé)衢_發(fā)研究始于20 世紀(jì)80 年代，對主要產(chǎn)油盆地內(nèi)地?zé)豳Y源賦存特征及開發(fā)利用方式進(jìn)行了不同程度的研究[7-9]。長慶油田所處鄂爾多斯盆地作為穩(wěn)定的含油氣盆地，構(gòu)造簡單，地?zé)豳Y源儲量巨大[10]，但由于缺少必要的地層參數(shù)和地溫場特征資料，不同學(xué)者估算的資源量差異較大[11-14]。以鄂爾多斯盆地長慶油田區(qū)為研究區(qū)，充分收集了區(qū)內(nèi)鉆孔資料，對區(qū)內(nèi)部分鉆孔進(jìn)行了溫度測井和巖心熱物性測試，在此基礎(chǔ)上分析區(qū)內(nèi)熱儲層及地溫場分布特征，采用單元容積法對長慶油田區(qū)地?zé)豳Y源進(jìn)行評估，并劃定區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源潛力區(qū)，提出區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源的開發(fā)建議。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地中南部，為長慶油田開發(fā)區(qū)及周邊區(qū)域，涉及陜北地區(qū)、隴東地區(qū)和鹽池部分地區(qū)，總面積約5×104km2。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于鄂爾多斯地塊中部伊陜斜坡和天環(huán)坳陷上（圖1），盆地內(nèi)部構(gòu)造相對簡單，斷裂較少，地層平緩，相對沉積穩(wěn)定[15-17]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及測溫井位分布（據(jù)文獻(xiàn)[18]修改）Fig.1 Geological structure and temperature measure wells distribution in the study area（modified from reference[18]）

1.2 地層分布

研究區(qū)基底由太古界—古元古界結(jié)晶片巖、中新元古界淺變質(zhì)碎屑巖-碳酸鹽巖及少量火山巖組成。地層由老到新有太古界、元古界、古生界、中生界和新生界。其中，中、新生界沉積層與熱儲關(guān)系密切。

1.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地下水可分為新生界松散層孔隙含水層系統(tǒng)、白堊系碎屑巖孔隙裂隙含水層系統(tǒng)、石炭系—侏羅系碎屑巖裂隙含水層系統(tǒng)和寒武系—奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水層系統(tǒng)。其中與地?zé)衢_發(fā)關(guān)系密切的主要是白堊系碎屑巖孔隙裂隙含水層系統(tǒng)，該含水層系統(tǒng)是以洛河組為主的深層地下水，含水層巖性以中細(xì)砂巖為主，砂巖結(jié)構(gòu)疏松，孔隙發(fā)育。單井涌水量變化較大，介于100～1 000 m3/d。

2 熱儲及地溫場特征

2.1 地層溫度垂向分布特征

對研究區(qū)內(nèi)12 眼鉆孔（圖1）進(jìn)行溫度測井，井深介于840～2 650 m，主要地層為第四系、洛河組、安定組、直羅組、延安組和延長組。溫度測井結(jié)果如圖2所示，不同地溫梯度區(qū)域內(nèi)地層溫度均隨井深增加近線性升高，符合傳導(dǎo)型熱儲的增溫模式，但隨著井深增加，地層升溫速率逐漸下降。

圖2 長慶油田區(qū)內(nèi)井溫－深度曲線Fig.2 Temperature-depth curve in Changqing oilfield

表1 為部分鉆孔洛河組—延長組各地層平均增溫率。據(jù)測溫資料統(tǒng)計分析，安定組—延安組的地層增溫率普遍比延長組的高。這是由于研究區(qū)內(nèi)采用了注水增效技術(shù)，將溫度較低的（普遍介于25～35 ℃）洛河組地下水注入井內(nèi)，油田在開采延長組石油時采取的地下水回灌對該層地溫場的影響顯著。

表1 部分鉆孔洛河組—延長組各地層平均增溫率Table 1 Average temperature increase rate from the Luohe to Yanchang Formation in partial wells

根據(jù)搜集到的區(qū)內(nèi)測溫資料可知，研究區(qū)內(nèi)地溫梯度一般介于2.2～3.0 ℃/hm，平均地溫梯度2.6 ℃/hm。調(diào)查區(qū)內(nèi)地溫梯度大體呈西高東低特點（圖3）。地溫梯度梯度大于3.0 ℃/hm 的地?zé)岙惓８邊^(qū)范圍較小，僅分布在麻黃山—馮地坑一帶，黃陵地區(qū)、鐵邊城和塔兒灣局部地塊；小于2.6 ℃/hm 的區(qū)域主要分布在定邊—環(huán)縣—鎮(zhèn)原一帶及吳起—志丹—靖邊一帶；其余大部分地區(qū)地溫梯度介于2.6～3.0 ℃/hm。

圖3 長慶油田區(qū)內(nèi)地溫梯度等值線Fig.3 Geothermal gradient contour in Changqing oilfield

2.2 地層溫度水平分布特征

研究區(qū)內(nèi)1 500 m 深處地層溫度介于45～60 ℃（圖4a），其中樊學(xué)鎮(zhèn)—麻黃山—大水坑一帶、吳起鎮(zhèn)鐵邊城附近及黃陵西部地層溫度超過55 ℃，最高可達(dá)58.22 ℃；2 000 m 深處地層溫度一般介于55～70 ℃（圖4b），大水坑—麻黃山—馮地坑一帶、黃陵西部、周灣鎮(zhèn)、安塞西—志丹東一帶、青龍山地區(qū)溫度超過70 ℃；2 500 m 深處地層溫度一般介于65～80 ℃（圖4c），山城—馮地坑以北、黃陵西部、吳起及安塞局部溫度超過80 ℃。對比不同深度處地溫場等值線可以看出，隨著深度的增加，地溫場在平面上的變化特征具有繼承性。

圖4 長慶油田區(qū)內(nèi)不同深度處地層溫度等值線Fig.4 Isoline of formation temperature at different depths in Changqing Oilfield

2.3 熱儲層特征

研究區(qū)內(nèi)熱儲主要為傳導(dǎo)型中生界砂巖熱儲，各熱儲層沉積厚度及埋深差異巨大。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)孔、水文孔及鉆孔測溫資料按照地層的沉積順序，將中生界熱儲系統(tǒng)劃分成6 個層段（表2）。研究區(qū)內(nèi)除洛河組外，其余地層富水性均很差。

表2 長慶油田區(qū)內(nèi)各熱儲層特征Table 2 The characteristics of each geothermal reservoir in Changqing oilfield

3 地?zé)豳Y源儲量估算

目前，評價地?zé)豳Y源的方法主要包括地表熱流量法、最大允許降深法、類比法、單元容積法和數(shù)值模型法等[19-24]。單元容積法在熱儲法基礎(chǔ)上的改進(jìn)方法，將區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化處理，利用插值法對每個網(wǎng)格進(jìn)行參數(shù)賦值后再采用熱儲法進(jìn)行計算，最后累加得到整個區(qū)域的地?zé)豳Y源量[25-26]。采用單元容積法對研究區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源進(jìn)行評價。根據(jù)規(guī)范要求，并考慮研究區(qū)內(nèi)已有鉆井深度，主要計算中生界沉積型熱儲中地?zé)豳Y源量。將研究區(qū)剖分為100×100的網(wǎng)格（每個網(wǎng)格代表5 km2）。

3.1 主要參數(shù)

1）熱儲面積

成井資料顯示，研究區(qū)內(nèi)地層埋深小于500 m時，地層溫度均小于25℃，地?zé)豳Y源價值可忽略，因此主要計算500 m以深的地?zé)豳Y源量，各熱儲層分布面積見表3。

表3 各熱儲層地?zé)豳Y源量及地?zé)崃黧w儲量計算結(jié)果Table 3 Calculation results of geothermal resources and geothermal fluid in each geothermal reservoir

2）熱儲層厚度及熱儲溫度

將各井中地層厚度和熱儲平均溫度（以地溫梯度表示）賦值在各節(jié)點上，采用3 次埃爾米特插值法進(jìn)行插值計算，即可得到各網(wǎng)格的熱儲層的厚度和平均溫度值。

3）地層參數(shù)

根據(jù)巖石物性測試結(jié)果，結(jié)合已有資料，得到區(qū)內(nèi)各儲層主要物性參數(shù)（表4）。

表4 各熱儲層巖石主要物性參數(shù)Table 4 The main physical parameters of rocks in each geothermal reservoir

3.2 地?zé)豳Y源量計算

各熱儲地層總熱量計算公式為：

式中：Q為熱儲中儲存的熱量,單位J；A為研究區(qū)面積，單位m2；M為熱儲層厚度，單位m；Cv為熱儲層體積比熱容，單位kJ/（m3·℃）；Tr為熱儲平均溫度，單位℃；T0為恒溫層溫度，單位℃，研究區(qū)內(nèi)恒溫層溫度為11 ℃。

各熱儲地層可采熱量計算公式為：

式中：Qk為地?zé)豳Y源可開采量，單位kJ；RE為回收率。RE的取值根據(jù)《地?zé)豳Y源評價方法及估算規(guī)程》中B.2.3條中推薦參數(shù)，鄂爾多斯盆地區(qū)內(nèi)RE取8%。

由于研究區(qū)內(nèi)除洛河組外，其余熱儲層富水性很差，本次只計算洛河組地?zé)崴畠α浚嬎愎饺缦拢?/p>

式（3）—式（5）中：QL為熱儲中儲存的水量，單位m3；Q1為截止到計算時刻，熱儲孔隙中熱水的靜儲量，單位m3；Q2為水位降低至目前取水能力極限深度時熱儲所釋放的水量，單位m3；A為調(diào)查區(qū)面積，單位m2；d為砂層厚度，單位m；φ為熱儲巖石的孔隙率；S為彈性釋水系數(shù)；H為計算熱儲起始點以上水頭高度，單位m。

根據(jù)表2、表3 中參數(shù)，利用式（1）—式（5）得到研究區(qū)內(nèi)各熱儲層地?zé)豳Y源量、可采資源量及地?zé)崃黧w儲量，結(jié)果見表4。由結(jié)果可知，研究區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源總量為79.91×1017kJ，可采量為6.39×1017kJ，延長組為主要熱儲層，地?zé)豳Y源總量達(dá)到45.85×1017kJ。洛河組地?zé)崃黧w儲量為2.47×1012m3。

3.3 地?zé)豳Y源潛力（P值）分區(qū)

地?zé)豳Y源潛力（P值）為每平方千米的地?zé)豳Y源量，全區(qū)地?zé)豳Y源潛力P值介于（0.7～2.7）×108kJ/km2（圖5）。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，將地?zé)豳Y源潛力分為4 級，P≥2.0×108kJ/km2的區(qū)塊為潛力高區(qū)，作為地?zé)豳Y源開發(fā)有利區(qū)（I）；1.5×108kJ/km2≤P<2.0×108kJ/km2的區(qū)塊為潛力中等區(qū)，作為次開發(fā)有利區(qū)（Ⅱ）；1.0×108kJ/km2≤P<1.5×108kJ/km2的區(qū)塊為潛力低區(qū)，作為一般開發(fā)區(qū)（Ⅲ）；P＜1.0×108kJ/km2的區(qū)塊為潛力極低區(qū)，作為遠(yuǎn)景開發(fā)區(qū)（Ⅳ）。如圖5所示地?zé)豳Y源開發(fā)有利區(qū)3 個區(qū)域，總面積7 329.7 km2，占研究區(qū)面積的14.7%，具體如下：

圖5 長慶油田區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源開發(fā)潛力分區(qū)Fig.5 Geothermal resource development potential zoning in Changqing Oilfield

1）紅柳溝鎮(zhèn)—大水坑—姬村—山城區(qū)塊（I1）

地?zé)豳Y源潛力介于（2.0～2.7）×108kJ/km2，地溫梯度2.8～3.0 ℃/hm，2 500 m 深度地層溫度介于80～90 ℃，面積3 764.60 km2，占研究區(qū)的7.5%。

2）張溝門-流曲鎮(zhèn)-三岔鎮(zhèn)區(qū)塊（I2）

地?zé)豳Y源潛力介于（2.0～2.7）×108kJ/km2，地溫梯度介于2.4～2.6 ℃/hm，2 500 m 深度地層溫度介于65～75 ℃，面積2 880.73 km2，占研究區(qū)的5.8%。

3）慶陽市附近區(qū)塊（I3）

地?zé)豳Y源潛力介于2.0～2.2×108kJ/km2，地溫梯度介于2.6～2.8 ℃/hm，2 500 m 深度地層溫度介于70～80 ℃，面積684.28 km2，占研究區(qū)的1.4%。

3.4 地?zé)豳Y源開發(fā)建議

長慶油田區(qū)地?zé)豳Y源量較為豐富，然而地?zé)崃黧w僅賦存于埋深較淺、溫度較低的洛河組熱儲中，熱儲量較少，地?zé)豳Y源主要儲存于儲層巖石中。區(qū)內(nèi)已有數(shù)十年的開采歷史，存在大量長停井。若對這些長停井進(jìn)行技術(shù)改造成為中深層套管式換熱系統(tǒng)，可有效、經(jīng)濟(jì)的開發(fā)區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源。因此，可優(yōu)先考慮在研究區(qū)西部地?zé)豳Y源潛力高區(qū)將長停井改造成中深層套管式換熱系統(tǒng)開發(fā)地?zé)豳Y源。

4 結(jié)論

1）長慶油田區(qū)內(nèi)構(gòu)造相對簡單，地溫梯度一般介于2.2～3.0 ℃/hm，整體上呈西高東低的特點，區(qū)內(nèi)主要經(jīng)濟(jì)性熱儲層為中生界砂巖熱儲，除洛河組外，其余熱儲層富水性較差。

2）研究區(qū)地?zé)豳Y源豐富，資源總量達(dá)到79.91×1017kJ，可采地?zé)豳Y源量6.39×1017kJ，地?zé)崃黧w資源量為2.47×1012m3。

3）全區(qū)地?zé)豳Y源潛力介于（0.7～2.7）×108kJ/km2，區(qū)內(nèi)西部紅柳溝鎮(zhèn)—大水坑—姬村—山城、張溝門—流曲鎮(zhèn)—三岔鎮(zhèn)和慶陽市附近區(qū)域地?zé)豳Y源潛力較高?？蓛?yōu)先考慮將研究區(qū)西部地?zé)釢摿Ω邊^(qū)將廢棄油氣井改造成中深層套管式換熱系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)利用。