江國勝,黃賢龍,李曉暉
(天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院,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。地熱資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基巖熱儲層,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,但由于該熱儲層的賦水性極不均勻,導致施工風險極高,鑿井成功率偏低。對于天津地區(qū)奧陶系儲層發(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的控制條件[1],大港油田也對奧陶系巖溶儲層發(fā)育的控制因素進行了研究[2]。但是天津地區(qū)奧陶系熱儲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熱鉆孔、物探測井、巖屑測試、降壓試驗等資料,對天津地區(qū)奧陶系熱儲賦水規(guī)律進行系統(tǒng)研究,為本區(qū)奧陶系井位的確定及其資源評價提供科學依據(jù)。
天津地區(qū)地處Ⅰ級構(gòu)造單元華北地臺北緣,以寧河-寶坻斷裂為界分為北區(qū)和南區(qū)。北區(qū)屬II級構(gòu)造單元燕山臺褶帶,南區(qū)屬II級構(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,斷裂以東西向為主導;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
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,目前尚無地熱鉆孔揭露。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、大城凸起等相對低洼處有部分殘存,殘存厚度約100 m左右。
通過相關(guān)理論研究[6][7]和眾多鉆井實踐表明,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、風化淋濾時間和地下水動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)造和水動力條件是關(guān)鍵。
巖溶發(fā)育的過程主要是水對可溶性巖石的溶蝕過程。研究表明,可溶性巖石的化學成分、礦物成分等對巖溶發(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)造運動的影響,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)含量的增加會增強碳酸鹽巖的韌性和降低其溶蝕速度,影響巖溶裂隙發(fā)育。
2.2.1 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入可溶巖的重要通道。一般來說,張性斷裂對裂隙影響較弱,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,壓扭性斷裂對裂隙的影響最大[9];天津地區(qū)在中生代末燕山運動產(chǎn)生的許多壓性逆斷裂,經(jīng)過新生代喜山運動的改造都變?yōu)閺埿哉龜嗔裑10]。位于海河斷裂帶的七眼奧陶系地熱井(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)社會山1、2號井分別從2 350 m、2 638 m開始漏失,漏速達20 m3/h,巖溶比較發(fā)育且發(fā)育深度大,而遠離天津斷裂的西青際華地熱井奧陶系無漏失,抽水干眼,不出水,反映了離斷裂越遠、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,其受力機制不同,會對巖溶發(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,分析認為深部巖溶發(fā)育主要受褶皺的影響,陡傾巖層變形較強,有利于巖溶發(fā)育。
圖3 山嶺子背斜兩翼奧陶系巖溶發(fā)育特征對比示意圖
奧陶系上覆地層不同,其經(jīng)歷風化淋濾的時間也不相同。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地層,經(jīng)歷風化淋濾的時間大約是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地層,經(jīng)歷了兩次以上的巖溶,風化淋濾時間大約是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地層,經(jīng)歷了三次以上巖溶,風化淋濾時間大約是4.2億年[11]。
實際資料表明,奧陶系裸露時間越長,經(jīng)受風化淋濾的時間也就越長,對奧陶系巖溶儲層的發(fā)育越有利。
例如,鉆探數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(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、漏失的地熱井24眼,占總井數(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、漏失的地熱井眼7,占總井數(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、漏失的地熱井19眼,占總井數(shù)的65.5%,漏失段主要位于距奧陶系頂板100m深度以下,大部分地熱井需要酸化增產(chǎn),表明巖溶發(fā)育和裂隙連通程度較差,地下水活動比較緩慢。
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期充滿水,但流動極其緩慢,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,個別井達上千方,只進不出。以上資料表明,距離不整合面400 m范圍內(nèi)奧陶系巖溶儲層發(fā)育,而且距不整合面越近,巖溶發(fā)育越強,50 m范圍內(nèi)主要發(fā)育風化殼巖溶,受垂直淋濾的影響,裂隙水平向連通性差。
圖4 放空、漏失井數(shù)與距不整合面距離關(guān)系圖
奧陶系巖溶的發(fā)育過程極其復雜,上述四個控制因素通常不是單獨起作用,而是相互影響,相互疊加。通過綜合分析,對重點研究區(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,暫不進行分區(qū))奧陶系的賦水性進行分區(qū)(見圖5)。按單位涌水量的大小,本次奧陶系賦水性分區(qū)共分三個等級,分為賦水性較好(q>2 m3/h·m)、賦水性中等(1 圖5 天津市重點地區(qū)奧陶系熱儲賦水性分區(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,水動力條件較弱,除斷裂附近有巖溶發(fā)育外,預測該區(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)育風化殼巖溶,預測其賦水性中等。 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。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,暫不進行分區(qū)。 (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)風化淋濾時間越長,越有利于巖溶儲層發(fā)育。 (4)巖溶儲層平面上主要沿大型斷裂帶和風化殼發(fā)育;巖溶儲層垂向上主要發(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,50 m范圍內(nèi)主要發(fā)育風化殼巖溶。 (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。通過大量鉆探實踐的綜合分析表明,本區(qū)奧陶系熱儲賦水規(guī)律主要沿斷裂和基巖凸起(上覆地層為新近系)分布。4 結(jié)語