隋少強(qiáng)

(中國(guó)石化新星石油公司 新能源研究院，北京100083)

河北省地?zé)豳Y源豐富，一方面是由于華北盆地相對(duì)于其他地區(qū)來說地殼相對(duì)較薄，斷裂比較發(fā)育，大地?zé)崃髦递^高，熱源充足；另一方面河北省內(nèi)發(fā)育有多套熱儲(chǔ)，基巖熱儲(chǔ)主要有薊縣系、奧陶系等碳酸鹽巖熱儲(chǔ)，砂巖熱儲(chǔ)有新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組等熱儲(chǔ)。其中，薊縣系基巖熱儲(chǔ)分布最廣、開發(fā)利用率最高，比如雄安新區(qū)的牛駝鎮(zhèn)、容城地?zé)崽锖臀挥跍婵h隆起上的獻(xiàn)縣地?zé)崽锏龋_發(fā)的都是薊縣系霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)。相對(duì)于砂巖熱儲(chǔ)來說，基巖熱儲(chǔ)的溫度更高、水量更大[1-4]。這些地?zé)崽锏拈_發(fā)利用，為環(huán)北京經(jīng)濟(jì)圈提供了大量的熱能，減少了燃煤等污染排放。

高陽地?zé)崽镂挥诟哧柕屯蛊鹕?，頂部埋? km左右(前面提到已開發(fā)的地?zé)崽铮癫剌^淺，為1 km左右)，是下一步大規(guī)模地?zé)衢_發(fā)利用的資源接替區(qū)，開發(fā)價(jià)值較高，意義重大。早些年有若干石油鉆井鉆遇薊縣系熱儲(chǔ)，發(fā)現(xiàn)熱儲(chǔ)物性比較好，儲(chǔ)集空間比較大[2,4]。近年來，在同一個(gè)構(gòu)造帶上的博野縣鉆鑿了一口地?zé)峋?，水?10℃，水量>70 m3/h，熱焓值很高，證明產(chǎn)能有保障。

本文從地質(zhì)研究成果入手，分析地層、構(gòu)造和地溫場(chǎng)等區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)特征，明確熱儲(chǔ)形成的基本條件；分析熱儲(chǔ)的分布、厚度、物性，以及運(yùn)移通道、水化學(xué)等方面因素，歸納熱儲(chǔ)的成因模式，明確熱儲(chǔ)的成因機(jī)理，為更好地開發(fā)利用高陽地?zé)崽锏責(zé)豳Y源提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)特征

高陽低凸起屬于中朝準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ級(jí))華北盆地(Ⅱ級(jí))冀中拗陷(Ⅲ級(jí))中的一個(gè)Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元，位于冀中拗陷的中南部。高陽地?zé)崽镏黧w位于高陽低凸起和蠡縣斜坡，西部是保定凹陷，東部是饒陽凹陷，北側(cè)和東北側(cè)分別為牛駝鎮(zhèn)凸起和霸縣凹陷，西南為無極-藁城凸起、晉縣凹陷(圖1)。潛山頂板埋藏較深，主體介于2.8～4 km，面積大約70 km2，以元古界霧迷山組海相碳酸鹽巖為主的巖溶熱儲(chǔ)厚度大，分布廣[5]。

燕山運(yùn)動(dòng)是本區(qū)最為重要的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，發(fā)育了一系列NE、NWW、EW向的繼承性的張性大斷裂。西部的太行和西北部燕山等山地升起，冀中拗陷整體沉降；但冀中拗陷內(nèi)部凸凹不平，總體上呈北東-南西向展布，并伴生了大量次級(jí)斷裂和褶皺。白堊紀(jì)末期全區(qū)擠壓隆升，僅部分區(qū)域接受沉積[1,5]。

1.1 地層

高陽地?zé)崽飬^(qū)域地層從老到新包括太古界，中下元古界長(zhǎng)城系(Ch)、薊縣系(Jx)，下古生界寒武系、奧陶系，上古生界石炭系-二疊系，中生界侏羅系-白堊系，以及新生界的古近系、新近系和第四系。受薊縣運(yùn)動(dòng)影響，上元古界整體缺失；受加里東運(yùn)動(dòng)影響，志留系、泥盆系缺失；受海西運(yùn)動(dòng)影響，三疊系缺失。

基底地層從下至上主要發(fā)育太古界變質(zhì)巖、元古界薊縣系霧迷山組(Jxw)白云巖、寒武系和奧陶系灰?guī)r，以及石炭系-二疊系海陸交互地層。碳酸鹽巖潛山地層主要是霧迷山組，以及部分寒武系和奧陶系。其中，霧迷山組白云巖發(fā)育在地?zé)崽镎麄€(gè)區(qū)域，寒武系、奧陶系灰?guī)r發(fā)育在地?zé)崽锲喜康貐^(qū)，石炭系-二疊系僅在南部有殘留，中生界基本上分布在凹陷中[5](圖2、圖3)。

基巖熱儲(chǔ)蓋層總體上是古近系、新近系的砂泥巖互層和第四系。處于盆地凹陷期的新近系館陶組及其以上新生界在全區(qū)都有分布，厚度2 km左右，與古近系呈不整合接觸。古近紀(jì)時(shí)期盆地處于斷陷期，地層包括東營(yíng)組(Ed)、沙河街組(Es)和孔店組(Ek)等，處于填平補(bǔ)齊階段，沉積范圍涵蓋整個(gè)研究區(qū)，厚度2 km左右，最厚的地方可達(dá)3 km。古近系與薊縣系、寒武系、奧陶系等地層呈角度不整合接觸。

1.2 構(gòu)造

高陽地?zé)崽飪?nèi)主體部位主要發(fā)育近NE向的高陽斷裂、安國(guó)斷裂以及其他一些小斷裂。高陽斷裂是一組走向近似于北東向的反坡向正斷層，是高陽低凸起與蠡縣斜坡的分界。高陽斷裂和安國(guó)斷裂近于平行，傾向北西，前者規(guī)模較大。高陽斷裂下面斷至長(zhǎng)城系、上面斷至新近系；而安國(guó)斷裂比較淺，下面只斷至古近系[6](圖4)。

區(qū)域上，處于NE向展布的高陽地?zé)崽?，發(fā)育的主要斷裂有南部近NWW向的衡水?dāng)嗔眩辈拷麼WW向的出岸斷裂以及百尺斷裂。衡水?dāng)嗔褍A向北東，與安國(guó)斷裂相交，止于西北方的徐水-保定-石家莊斷裂；百尺斷裂、出岸斷裂傾向南西，百尺斷裂斷至霧迷山組[7]。古近系與薊縣系等地層呈角度不整合接觸形成不整合面(圖2、圖4)。上述深大斷裂和不整合面構(gòu)成了流體運(yùn)移通道。

由圖1、圖2、圖3和圖4中地層的平面和剖面展布特征可知，高陽地?zé)崽镏饕獰醿?chǔ)是霧迷山組白云巖巖溶熱儲(chǔ)，蓋層是古近系、新近系的砂泥巖和第四系。由圖1中霧迷山組頂面埋深等值線展布特征可知，在目前的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下(一般埋深<3.5 km)，該熱儲(chǔ)的有效開采部位總體位于高陽低凸起和蠡縣斜坡的高部位。

1.3 地溫場(chǎng)

高陽地?zé)崽镄律缟w層比較厚，基巖頂面埋深達(dá)到3 km左右。然而，蓋層地溫梯度均為>35℃/km，這充分說明高陽地?zé)崽锘鶐r熱儲(chǔ)溫度比較高[8]。

從高陽地?zé)崽餄撋綗醿?chǔ)溫度等值線圖上(圖5)可見，地?zé)釡囟雀邊^(qū)塊有2個(gè)，分別位于高陽低凸起北部和饒陽凹陷南部的深澤低凸起，最高溫度均>120℃，溫度等值線疏密程度相近。溫度等值線在北東-南西向較北西-南東向疏，說明北西-南東向溫度變化較快，由此可以推測(cè)水源補(bǔ)給來自于西北部太行山脈。

北部區(qū)塊地溫梯度等值線延伸較均勻，但在南部區(qū)塊，北東方向地溫梯度等值線明顯較其他方向稀疏，推測(cè)東北方為熱水?dāng)U散區(qū)，這一特點(diǎn)同溫度等值線分布一致。

2 巖溶熱儲(chǔ)成因分析

2.1 熱儲(chǔ)展布特征

高陽地?zé)崽飶V泛發(fā)育了海相碳酸鹽巖潛山熱儲(chǔ)。其中，最主要熱儲(chǔ)層位是薊縣系霧迷山組，局部發(fā)育了寒武系、奧陶系灰?guī)r熱儲(chǔ)。主力熱儲(chǔ)層霧迷山組，巖性以白云巖為主，亦發(fā)育少許云質(zhì)灰?guī)r，熱儲(chǔ)巖相主要是潮下帶上部至潮間帶亞相，該巖相主要發(fā)育了藻礁灘、藻席等。寒武系、奧陶系巖性以灰?guī)r為主，熱儲(chǔ)主要發(fā)育于潮坪亞相，其中尤以灰坪最為發(fā)育，其次為云坪，再次為云灰坪[5]。

中部的高陽低凸起埋藏較淺，最高點(diǎn)的深度<3 km，潛山地層由北向南依次為霧迷山組白云巖和寒武系、奧陶系等的灰?guī)r。西部及東部地區(qū)的兩個(gè)凹陷內(nèi)地勢(shì)較低，埋深>5 km(圖3、圖4)。

高陽地?zé)崽餄撋綗醿?chǔ)厚度(d)在中部達(dá)到最大，最大可達(dá)700 m以上；向北、向南熱儲(chǔ)厚度減小，薄至200 m以下(圖6)。

2.2 熱儲(chǔ)物性特征

霧迷山組白云巖地層，在漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷了構(gòu)造演化以及剝蝕、風(fēng)化和淋濾等改造作用，產(chǎn)生了構(gòu)造縫、構(gòu)造溶蝕縫、粒間溶孔、晶間溶孔、藻架孔、溶孔及溶洞等儲(chǔ)集空間。巖石孔隙度(q)主要分布于<6.0%；滲透率(K)分布范圍較大，87.8%分布于(0.01～100)×10-3μm2，平均滲透率為(35～40)×10-3μm2。霧迷山組潛山熱儲(chǔ)孔滲性較好，為高孔高滲熱儲(chǔ)。這與霧迷山組潛山熱儲(chǔ)處于滲流帶和潛流帶利于發(fā)育大型溶洞的特征有關(guān)。

寒武系、奧陶系巖性以灰?guī)r為主，亦發(fā)育少許云質(zhì)灰?guī)r。經(jīng)歷漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期剝蝕、風(fēng)化和淋濾，構(gòu)造縫、構(gòu)造溶蝕縫、粒間溶孔、晶間溶孔、藻架孔、溶孔及溶洞相當(dāng)發(fā)育。巖石孔隙度較低，少量的達(dá)到5%；滲透率變化范圍較大，為(0.01～1 000)×10-3μm2，主要分布于(0.01～100)×10-3μm2，平均滲透率為(35～45)×10-3μm2。因此，寒武系、奧陶系巖溶裂隙型熱儲(chǔ)孔滲性較好，為高孔高滲熱儲(chǔ)。這與滲流帶和潛流帶發(fā)育大型溶洞和溶孔密不可分，緩流帶熱儲(chǔ)通常不發(fā)育。

高陽地?zé)崽餄撋綆r溶熱儲(chǔ)的孔隙度、滲透率等物性在中部博野地區(qū)最大，孔隙度達(dá)5%以上，滲透率達(dá)30×10-3μm2以上；向西北、西南、東北方向依次減小，在保定、定州地區(qū)，孔隙度<2%，滲透率<5×10-3μm2；在饒陽地區(qū)，孔隙度<3%，滲透率<10×10-3μm2(圖7、圖8)。

2.3 運(yùn)移通道

高陽地?zé)崽镏苓叞l(fā)育衡水?dāng)嗔?、出岸斷裂、百尺斷裂，地?zé)崽飪?nèi)發(fā)育安國(guó)斷裂、高陽斷裂，這些都是地?zé)崴\(yùn)移的重要通道。于此同時(shí)，太行山山麓的徐水-保定-石家莊斷裂也發(fā)揮著重要的作用，因?yàn)榈責(zé)崽锏乃畞碓从谔猩矫}。高陽地?zé)崽镄律缰苯痈采w在霧迷山組等基巖之上，形成廣泛分布的不整合面，也為地?zé)崴牧鲃?dòng)提供了有效通道。

總之，高陽地?zé)崽锏責(zé)崴饕ㄟ^斷層、不整合面等通道運(yùn)移[1-4]。

2.4 水化學(xué)特征

據(jù)前人氫氧同位素和14C年齡研究，高陽地?zé)崽锏責(zé)崴畞碓从诒辈垦嗌缴矫}和西部太行山脈[2,4]。高陽地?zé)崽餄撋綆r溶裂隙水富含Cl-和Na+。根據(jù)高陽地?zé)崽餄撋降V化度等值線圖(圖9)，霧迷山組總體礦化度5～6 g/L；西北部低，為3 g/L以下；東南部高，最高可達(dá)12 g/L。礦化度的分布特征與地?zé)崴倪\(yùn)移方向特點(diǎn)一致。

近年來在該區(qū)域鉆鑿的某地?zé)峋瘜W(xué)分析結(jié)果顯示，pH值：7.85；總硬度：236.35 mg/L；總堿度：549.91 mg/L；總酸度：155.00 mg/L；熱水中Na+的質(zhì)量濃度為1 565.00 mg/L，Cl-的質(zhì)量濃度為2 251.57 mg/L，屬于Cl-Na型水。地?zé)崴袖?、偏硼酸、偏硅酸的含量達(dá)到了醫(yī)療價(jià)值的指標(biāo)。

2.5 巖溶熱儲(chǔ)成因模式

高陽地?zé)崽锾妓猁}巖潛山熱儲(chǔ)主體位于高陽低凸起和蠡縣斜坡。在這些區(qū)域內(nèi)，潛山埋藏相對(duì)較淺，屬于構(gòu)造高地。燕山期，霧迷山組潛山處于巖溶高地、巖溶斜坡等，較少出露巖溶盆地，易于風(fēng)化和淋濾而形成優(yōu)質(zhì)熱儲(chǔ)。

根據(jù)前人研究，地?zé)崴畞碓从诖髿饨邓甗2,4]。太行山山前的徐水-保定-石家莊深斷裂溝通了地表水與熱儲(chǔ)，大氣降水通過該斷裂經(jīng)衡水?dāng)嗔?、安?guó)斷裂、百尺斷裂、出岸斷裂及不整合面等運(yùn)移至高陽低凸起、蠡縣斜坡、深澤低凸起等，在該圈閉聚集成藏。流體在運(yùn)移的過程中不斷地吸收周圍巖石的熱量，使冷水變成熱水。并且在深大斷裂處形成冷熱對(duì)流，在密度差的作用下，熱水不斷地沿著斷裂、不整合面等通道向上運(yùn)移。

通過源-通-儲(chǔ)-蓋等因素分析，建立了高陽地?zé)崽飵r溶熱儲(chǔ)的概念模式(圖10)。

3 結(jié) 論

高陽地?zé)崽飵r溶熱儲(chǔ)主要為霧迷山組白云巖，局部為寒武和奧陶系灰?guī)r，沉積相帶主要屬于潮間-潮下帶上部藻礁灘復(fù)合體，比較有利，具有形成巖溶熱儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)物質(zhì)基礎(chǔ)。霧迷山組等巖溶熱儲(chǔ)曾經(jīng)長(zhǎng)期處于巖溶高地、巖溶斜坡等有利部位，易于風(fēng)化和淋濾而形成優(yōu)質(zhì)熱儲(chǔ)。潛山頂板溫度為90～130℃，大地?zé)崃髦蹈撸瑹嵩礂l件好。上覆蓋層主要為第三系泥質(zhì)巖石，厚度大，隔熱好，為熱能的富集和保存奠定了良好基礎(chǔ)。

地?zé)崴员蔽飨蚰蠔|方向流動(dòng)，由太行山山脈水源補(bǔ)給，地?zé)崴V化度由北西向南東方向有遞增趨勢(shì)，主要通過山前深大斷層、不整合面、高陽斷裂和衡水?dāng)嗔训冗\(yùn)移至高陽低凸起和蠡縣斜坡，經(jīng)過大地?zé)崃骷訜嵝纬蓽囟容^高的地?zé)崴?/p>