劉慧盈， 汪新偉， 毛 翔， 張海雄， 王 強(qiáng)， 羅 璐， 王 迪， 吳陳冰潔， 王婷灝

(1. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083； 2. 中石化新星(北京) 新能源研究院有限公司，北京 100083； 3. 中石化新星(北京)新能源研究院有限公司 鄭州分公司,河南 鄭州 450000； 4. 中國(guó)石化集團(tuán)審計(jì)部 境外審計(jì)中心，北京 100083 )

0 引言

雄安新區(qū)是渤海灣盆地巖溶熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)地區(qū)，截止2020年底，共完鉆地?zé)嵘a(chǎn)井與回灌井131口，累計(jì)地?zé)峁┡娣e超過(guò)7×106m2，熱儲(chǔ)為薊縣系霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)，單井流量為55～158 m3/h，井口水溫為42～90 ℃。霧迷山組熱儲(chǔ)具有分布廣、埋藏淺、物性好、水量大、水溫高、易回灌的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)前景廣闊[1-2]。地?zé)峋@探過(guò)程經(jīng)常發(fā)生井漏卡鉆、井眼坍塌等工程事故。2017～2019年，完井的5口事故井井史資料顯示，事故的發(fā)生是由地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)所致：熱儲(chǔ)—熱蓋層組合類型不明確，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)中完卡層不準(zhǔn)；熱蓋層特征及分布規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致對(duì)井壁失穩(wěn)坍塌等鉆井風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判不足；儲(chǔ)集層內(nèi)幕發(fā)育規(guī)律缺乏研究，造成鉆井進(jìn)尺浪費(fèi)。因此，對(duì)于目前存在的工程問(wèn)題開(kāi)展地質(zhì)研究，是雄安新區(qū)地?zé)豳Y源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用需要解決的問(wèn)題。

人們?cè)谛郯残聟^(qū)開(kāi)展地?zé)岬刭|(zhì)研究。陳墨香等[3]在牛駝鎮(zhèn)凸起開(kāi)展地溫測(cè)量，明確地下熱水賦存特點(diǎn)；陳墨香等[4]利用地溫、大地?zé)崃鳒y(cè)試和地?zé)釄?chǎng)數(shù)字模擬結(jié)果，分析牛駝鎮(zhèn)凸起地?zé)釄?chǎng)特點(diǎn)及其形成機(jī)制；牛樹(shù)銀等[5]結(jié)合地質(zhì)演化和地球物理特征，明確冀中坳陷地?zé)岱植际苋A北地幔亞熱柱控制；郭世炎等[6]采用熱儲(chǔ)法評(píng)估容城凸起地?zé)崽锘鶐r熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源潛力；根據(jù)鉆井地層測(cè)溫資料和實(shí)測(cè)巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，常健等[7]研究冀中坳陷現(xiàn)今大地?zé)崃?、巖石圈熱結(jié)構(gòu)等地?zé)崽卣鲄?shù)，分析區(qū)域地?zé)崽锓植家?guī)律；王貴玲等[8]總結(jié)冀中坳陷沉積盆地傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源的成藏模式與賦存條件，分析地?zé)豳Y源量和開(kāi)發(fā)利用潛力；蘇永強(qiáng)等[9]采用開(kāi)采系數(shù)法和熱平衡法，評(píng)價(jià)雄安新區(qū)4 km以淺地?zé)崃黧w儲(chǔ)量和可開(kāi)采量；楊吉龍等[10]分析牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锼瘜W(xué)、氫氧同位素分布特征及其反映的地?zé)崴x存環(huán)境；戴明剛等[11]總結(jié)雄安新區(qū)起步區(qū)及周邊地?zé)豳Y源成藏模式與影響因素。這些研究注重分析地?zé)岙惓Ｐ纬蓹C(jī)制、地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)及地?zé)崽锍梢驒C(jī)理，較少分析熱儲(chǔ)—熱蓋層組合、熱蓋層特征、儲(chǔ)集層內(nèi)幕特征，并將地?zé)岬刭|(zhì)研究成果用于優(yōu)化設(shè)計(jì)地?zé)徙@井。

筆者結(jié)合二維地震資料和131口地?zé)峋@、測(cè)、錄井等地質(zhì)與地球物理資料，研究雄安新區(qū)熱儲(chǔ)—熱蓋層組合類型及其分布特征，分析不同區(qū)域熱蓋層特征，表征霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)內(nèi)幕，明確不同區(qū)帶主力產(chǎn)水層段，綜合評(píng)價(jià)有利區(qū)帶，為雄安新區(qū)地?zé)豳Y源規(guī)模開(kāi)發(fā)、科學(xué)利用提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域構(gòu)造位置

雄安新區(qū)位于渤海灣盆地冀中坳陷中部，規(guī)劃范圍涵蓋河北省雄縣、容城、安新3縣及周邊部分區(qū)域。目前，雄安新區(qū)絕大部分地?zé)衢_(kāi)發(fā)井集中分布在雄縣和容城城區(qū)，選擇研究區(qū)東側(cè)以NE向牛東斷裂為界，南側(cè)以近EW向牛南斷裂、安新南斷裂和徐水?dāng)嗔褳榻?，?gòu)造單元包括容城凸起、牛北斜坡和牛駝鎮(zhèn)凸起(見(jiàn)圖1)。

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置及構(gòu)造單元?jiǎng)澐諪ig.1 Structural location and structural units distribution of the study area

1.2 地層特征

基于二維地震資料解釋，研究區(qū)由下至上依次發(fā)育太古界變質(zhì)巖基底、以淺海臺(tái)地相碳酸鹽巖建造為主的中元古界，以及以陸相碎屑巖為主的新生界[12-13](見(jiàn)表1)。

薊縣系霧迷山組是研究區(qū)巖溶熱儲(chǔ)的主要開(kāi)發(fā)層位，根據(jù)地層發(fā)育產(chǎn)狀和熱封蓋作用，上覆的熱蓋層可分為區(qū)域熱蓋層與局部熱蓋層[14-15]，古近系是巖溶熱儲(chǔ)的局部熱蓋層，新近系和第四系是巖溶熱儲(chǔ)的區(qū)域熱蓋層(見(jiàn)表1)。霧迷山組熱儲(chǔ)巖性主要為泥質(zhì)、硅質(zhì)白云巖，熱導(dǎo)率為5.109 W/(m·K)，為良好的導(dǎo)熱層。第四系和新近系區(qū)域熱蓋層巖性主要為砂質(zhì)黏土及砂礫巖，熱導(dǎo)率僅為1.907 W/(m·K)；古近系局部熱蓋層巖性主要由砂泥巖組成，熱導(dǎo)率為2.315 W/(m·K)[16]。二者地層導(dǎo)熱性較差，是良好的阻熱層，覆蓋在霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)之上，起到良好的熱封蓋作用。

表1 研究區(qū)地層發(fā)育特征

2 巖溶熱儲(chǔ)演化

雄安新區(qū)霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)的形成主要受控于渤海灣盆地區(qū)域構(gòu)造—沉積演化過(guò)程，主要包括3個(gè)階段，即海相碳酸鹽巖沉積與凌源期整體抬升型層間巖溶作用階段、印支—燕山期擠壓隆升型潛山巖溶作用階段，以及喜山早期由伸展斷裂控制的潛山巖溶作用與熱儲(chǔ)形成階段。

(1)海相碳酸鹽巖沉積與凌源期整體抬升型層間巖溶作用階段。中元古代—早古生代，在變質(zhì)巖基底上發(fā)育巨厚的地臺(tái)型海相碳酸鹽巖沉積[17]。發(fā)生在中、晚元古代之間的凌源運(yùn)動(dòng)使霧迷山組整體抬升、暴露，主要發(fā)育層間巖溶作用。

(2)印支—燕山期擠壓隆升型潛山巖溶作用階段。印支—燕山運(yùn)動(dòng)控制雄安新區(qū)霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)的形成，強(qiáng)烈的擠壓作用使研究區(qū)深埋的巨厚碳酸鹽巖隆升、褶皺，在區(qū)域形成2 000 m以上的古地貌高差[18-20]。研究區(qū)基巖遭受強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕，霧迷山組暴露于地表，由于間斷時(shí)間長(zhǎng)，霧迷山組內(nèi)部潛山巖溶作用極為發(fā)育。

(3)喜山早期由伸展斷裂控制的潛山巖溶作用與熱儲(chǔ)形成階段。晚中生代—古近紀(jì)，由于古太平洋板塊俯沖后撤作用，構(gòu)造體制發(fā)生顯著改變，華北克拉通東部巖石圈發(fā)生大規(guī)模減薄，研究區(qū)經(jīng)歷強(qiáng)烈的伸展斷陷活動(dòng)[21-22]。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的反轉(zhuǎn)并沒(méi)有改變研究區(qū)的古地貌特征，在牛東伸展斷裂控制下，東部斷凹區(qū)的斷陷使西部斷凸區(qū)表現(xiàn)為古地貌上的相對(duì)隆升，研究區(qū)霧迷山組持續(xù)遭受風(fēng)化剝蝕、淡水淋濾，巖溶熱儲(chǔ)內(nèi)潛山巖溶作用進(jìn)一步增強(qiáng)[23]；斷凹區(qū)充填較厚的碎屑巖沉積，霧迷山組熱儲(chǔ)發(fā)育與烴源巖成熟相關(guān)的有機(jī)酸巖溶，沿伸展斷裂發(fā)育與火山活動(dòng)相關(guān)的熱液巖溶。

3 關(guān)鍵地質(zhì)要素

3.1 熱儲(chǔ)—熱蓋層組合

研究區(qū)霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)的熱蓋層為新生界碎屑巖，受印支—燕山運(yùn)動(dòng)引起的地層差異剝蝕，以及喜山運(yùn)動(dòng)引起的伸展斷陷期基巖差異升降的影響，研究區(qū)不同構(gòu)造位置霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)的殘存狀況與后期熱蓋層的發(fā)育程度有一定差異，不同構(gòu)造位置發(fā)育的熱儲(chǔ)—熱蓋層組合類型不同。結(jié)合現(xiàn)有地?zé)峋謱訑?shù)據(jù)和二維地震資料，研究區(qū)共識(shí)別2種熱儲(chǔ)—熱蓋層組合(見(jiàn)圖2-3)，分別為新近系—薊縣系霧迷山組(N—Jxw)和古近系—薊縣系霧迷山組(E—Jxw)組合。

圖2 過(guò)容城凸起—牛北斜坡—牛駝鎮(zhèn)凸起NW—SE向構(gòu)造地質(zhì)剖面圖(剖面位置見(jiàn)圖1)Fig.2 NW-SE trending structural geological section crossing the Rongcheng Bulge, the Niubei Slope, and the Niutuozhen Bulge (section location inFig.1)

3.1.1 新近系—薊縣系霧迷山組

研究區(qū)N—Jxw熱儲(chǔ)—熱蓋層組合的地層接觸關(guān)系，表現(xiàn)為新近系區(qū)域熱蓋層直接覆蓋在薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)之上，如2號(hào)和5號(hào)井(見(jiàn)圖2)。根據(jù)牛駝鎮(zhèn)凸起構(gòu)造演化[24]，將N—Jxw熱儲(chǔ)—熱蓋層組合演化模式劃分為3個(gè)階段：古近系沉積早期(Ek—Es4)，容城斷裂強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，孔店組和沙四段呈楔形沉積，斷裂東南方向牛駝鎮(zhèn)凸起孔店組和沙四段地層基本水平，沉積厚度約為2.0 km；古近系沉積中晚期(Es3—Ed)，容城斷裂活動(dòng)加強(qiáng)，牛駝鎮(zhèn)凸起持續(xù)旋轉(zhuǎn)上升，古近系遭受完全剝蝕，中元古界霧迷山組出露于地表、接受淋濾；新近系—第四系沉積時(shí)期，進(jìn)入坳陷成盆階段，斷裂活動(dòng)弱，地層在區(qū)域穩(wěn)定沉積，直接覆蓋在霧迷山組熱儲(chǔ)之上。牛駝鎮(zhèn)和容城凸起熱儲(chǔ)和熱蓋層產(chǎn)狀表現(xiàn)為較平緩。

3.1.2 古近系—薊縣系霧迷山組

研究區(qū)E—Jxw熱儲(chǔ)—熱蓋層組合地層接觸關(guān)系，表現(xiàn)為古近系熱蓋層覆蓋在薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)之上，如7號(hào)井(見(jiàn)圖2)。E—Jxw熱儲(chǔ)—熱蓋層組合經(jīng)歷與N—Jxw組合類似的演化過(guò)程，二者發(fā)育有一定差異。一是古近系蓋層原始沉積厚度上的差異，古近紀(jì)容城斷裂的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)使下降盤(pán)持續(xù)穩(wěn)定沉降，古近系在牛北斜坡(沉降—沉積中心)呈巨厚的楔形沉積，厚度可達(dá)4 000 m以上，遠(yuǎn)大于牛駝鎮(zhèn)凸起原始沉積厚度；二是地層剝蝕程度上的差異，古近系沉積末期，牛北斜坡發(fā)生構(gòu)造抬升，幅度較小，古近系僅遭受一定程度剝蝕，沙二段—孔店組及下伏霧迷山組保存較好，牛北斜坡熱儲(chǔ)和局部熱蓋層產(chǎn)狀表現(xiàn)較陡，坡度為40°～45°。

3.1.3 平面分布

研究區(qū)熱儲(chǔ)—熱蓋層組合類型平面分布和霧迷山組頂面構(gòu)造埋深具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見(jiàn)圖2、圖4)。N—Jxw熱儲(chǔ)—熱蓋層組合主要發(fā)育在霧迷山組頂面埋深小于1 500 m的構(gòu)造凸起區(qū)，即牛駝鎮(zhèn)和容城凸起，包括容城縣容城鎮(zhèn)、賈光鄉(xiāng)、八于鄉(xiāng)、平王鄉(xiāng)，以及雄縣雄州鎮(zhèn)、北沙口鄉(xiāng)、大營(yíng)鎮(zhèn)等區(qū)域；E—Jxw熱儲(chǔ)—熱蓋層組合主要發(fā)育構(gòu)造凸起區(qū)的兩側(cè)、霧迷山組頂面埋深大于1 500 m的構(gòu)造斜坡區(qū)，如牛北斜坡，包括容城縣南張鎮(zhèn)、小里鎮(zhèn)、三臺(tái)鎮(zhèn)、大河鎮(zhèn)、晾馬臺(tái)鎮(zhèn)，以及安新縣大王鎮(zhèn)等區(qū)域。

3.1.4 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雄安新區(qū)霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)，采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)可以滿足安全鉆井要求，一開(kāi)鉆至井深400～450 m，以滿足封隔表層松散地層和下入水泵的要求；卡準(zhǔn)風(fēng)化殼和霧迷山組頂板埋深，二開(kāi)鉆穿風(fēng)化殼，進(jìn)入霧迷山組不超過(guò)2 m中完，封固霧迷山組上覆熱蓋層，為三開(kāi)安全鉆進(jìn)創(chuàng)造條件；三開(kāi)鉆至設(shè)計(jì)井深，多采用篩管完井的方式，對(duì)整套霧迷山組取水層段進(jìn)行地?zé)豳Y源開(kāi)采。目前，雄安新區(qū)霧迷山組取水層段厚度在550～1 400m之間。

根據(jù)研究區(qū)霧迷山組頂板埋深(見(jiàn)圖4)，明確不同構(gòu)造位置地?zé)徙@井二開(kāi)中完深度的變化特征，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高鉆井效率。整體上，牛駝鎮(zhèn)凸起地?zé)徙@井二開(kāi)中完深度為600～1 500 m，容城凸起地?zé)徙@井二開(kāi)中完深度為700～1 500 m，牛北斜坡地?zé)徙@井二開(kāi)中完深度為1 500～3 000 m。

3.2 熱蓋層特征

3.2.1 新近系

研究區(qū)新近系發(fā)育明化鎮(zhèn)組和館陶組兩套地層(見(jiàn)表1)。明化鎮(zhèn)組頂部多發(fā)育一套穩(wěn)定的棕色泥巖，上段發(fā)育淺灰棕色、灰綠色含礫中、粗砂巖與雜色粉砂質(zhì)泥巖互層，砂巖顆粒較粗、成巖作用弱、膠結(jié)程度極低、膠結(jié)物少，呈散砂狀，礫石主要成分為長(zhǎng)石，石英次之；下段主要發(fā)育棕紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖與淺灰色粗砂巖、含礫砂巖呈不等厚互層，泥巖質(zhì)純，砂巖分選差，泥質(zhì)充填，膠結(jié)程度極低，呈散砂狀(見(jiàn)圖5(a))。根據(jù)區(qū)域地?zé)峋裆皩觿澐峙c對(duì)比結(jié)果，研究區(qū)明化鎮(zhèn)組發(fā)育6個(gè)穩(wěn)定分布的厚砂層，由下至上主體砂體厚度分別為30～40、10～15、20～28、10～15、40～55、12～20 m，主要分布于450～700 和800～1 000 m埋深(現(xiàn)有地?zé)峋@遇明化鎮(zhèn)組底板埋深多為800～1 000 m)。

館陶組主要發(fā)育紫紅色泥巖夾淺灰色粗砂巖、含礫砂巖、砂礫巖，底部發(fā)育一套較穩(wěn)定的雜色砂礫巖(見(jiàn)圖5(b))。砂巖、含礫砂巖、砂礫巖分選性較差，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度低。礫巖成分以石英、燧石為主，礫巖堅(jiān)硬，分選差，膠結(jié)疏松。

3.2.2 古近系

古近系發(fā)育東營(yíng)組、沙河街組和孔店組(見(jiàn)表1)。東營(yíng)組發(fā)育紫紅色泥巖夾灰色砂巖、粉砂巖沉積，具有一定膠結(jié)作用(見(jiàn)圖5(c))。沙河街組分4個(gè)段，沙一段上部為暗紅色泥巖夾砂巖層，中部為泥巖夾油頁(yè)巖、灰?guī)r等，底部為砂礫巖；沙二段上部發(fā)育灰紅色泥巖與含膏泥巖，下部多為砂礫巖；沙三段以一套富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥巖沉積為特點(diǎn)；沙四段底部以一套分布穩(wěn)定的含礫砂巖為特點(diǎn)(見(jiàn)圖5(d))?？椎杲M巖性以紫紅色泥巖、紅色砂巖為主，夾火成巖，中上部夾少量暗色泥巖，砂巖膠結(jié)作用強(qiáng)烈，膠結(jié)較為致密(見(jiàn)圖5(e))。

3.2.3 鉆井地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

霧迷山組上覆熱蓋層巖性變化特征的研究，不僅可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)中完卡層，還可以提前預(yù)判不同區(qū)域鉆井過(guò)程存在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)可能發(fā)生的緊急情況做好預(yù)防和應(yīng)對(duì)技術(shù)措施。

古近系砂巖成巖作用強(qiáng)，膠結(jié)較為致密，熱儲(chǔ)和熱蓋層接觸穩(wěn)定；新近系砂巖成巖作用較弱，膠結(jié)物少且多為泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)疏松，熱儲(chǔ)和熱蓋層接觸不穩(wěn)定。研究區(qū)80%的井壁坍塌鉆井事故發(fā)生在構(gòu)造凸起區(qū)的新近系疏松熱蓋層，其余20%的井壁坍塌鉆井事故發(fā)生在巖溶裂縫發(fā)育的霧迷山組熱儲(chǔ)中，發(fā)育古近系熱蓋層的構(gòu)造斜坡尚未發(fā)生類似鉆井事故。相比于牛北斜坡，牛駝鎮(zhèn)和容城凸起更容易發(fā)生鉆井工程事故，其中，450～700 和800～1 000 m埋深主要發(fā)育厚層疏松砂巖沉積，易發(fā)生井壁失穩(wěn)坍塌；其余埋深發(fā)育大套泥巖沉積，易發(fā)生縮徑卡鉆事故。

此外，在基于霧迷山組頂面埋深特征初步確定二開(kāi)中完深度后，地?zé)峋@井過(guò)程中需要關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)巖屑錄井狀況，根據(jù)新近系熱蓋層標(biāo)志層特征，卡準(zhǔn)目的層，避免二開(kāi)鉆進(jìn)霧迷山組，降低由失返性漏失、井筒壓力驟降引起的熱蓋層失穩(wěn)坍塌、卡鉆等事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 巖溶熱儲(chǔ)內(nèi)幕

開(kāi)展巖溶熱儲(chǔ)發(fā)育特征研究，明確主要含水層段的發(fā)育位置，可以指導(dǎo)區(qū)域地?zé)峋F迷山組取水層段厚度優(yōu)化、完井深度優(yōu)化及鉆井工藝技術(shù)優(yōu)選，不僅能有效開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源，還可以提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.3.1 縱向分層

利用7號(hào)井電成像測(cè)井資料，結(jié)合常規(guī)測(cè)井曲線、錄井特征和實(shí)驗(yàn)分析資料，建立研究區(qū)薊縣系霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)解釋評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。以GR=10 API為有效儲(chǔ)層和非儲(chǔ)層的界限，有效儲(chǔ)層GR小于10 API。根據(jù)聲波時(shí)差和孔隙度，將有效儲(chǔ)層分為3類，Ⅰ類儲(chǔ)層聲波時(shí)差大于185 μs/m，孔隙度大于9.5%；Ⅱ類儲(chǔ)層聲波時(shí)差大于185 μs/m，孔隙度在5.0%～9.5%之間；Ⅲ類儲(chǔ)層聲波時(shí)差小于185 μs/m，孔隙度小于5%。利用測(cè)井解釋標(biāo)準(zhǔn)對(duì)全區(qū)131口地?zé)峋M(jìn)行單井熱儲(chǔ)劃分與評(píng)價(jià)。以標(biāo)準(zhǔn)井7號(hào)井的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果為例(見(jiàn)圖6)，識(shí)別有效儲(chǔ)層40個(gè)，其中，Ⅰ類儲(chǔ)層13個(gè)，平均孔隙度為11.84%，主要分布于目的層頂部埋深約為270 m層段；Ⅱ類儲(chǔ)層15個(gè)，平均孔隙度為6.21%，目的層段上、下部Ⅱ類熱儲(chǔ)單層厚度平均分別為11.8、2.8 m，上部Ⅱ類熱儲(chǔ)厚度占Ⅱ類熱儲(chǔ)總厚度的89.4%，目的層段上部Ⅱ類熱儲(chǔ)更為發(fā)育；Ⅲ類儲(chǔ)層12個(gè)，平均孔隙度為3.9%，目的層頂部不發(fā)育，其余位置有發(fā)育。Ⅰ類、Ⅱ類優(yōu)質(zhì)巖溶熱儲(chǔ)主要分布于目的層段頂部和上部。

為探明測(cè)井解釋儲(chǔ)層段和實(shí)際產(chǎn)水層段之間的關(guān)系，對(duì)比7號(hào)井的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果和產(chǎn)液剖面解釋結(jié)果(見(jiàn)圖6)。7號(hào)井取水層段深度為2 120.0～3 500.0 m，產(chǎn)液剖面顯示，在絕對(duì)產(chǎn)液量為103.75 m3/h的條件下，共有4個(gè)產(chǎn)水層，其中，深度為2 210.5～2 223.4 m井段為主產(chǎn)水層，產(chǎn)液量為55.52 m3/h，深度為2 133.3～2 136.4、2 141.6～2 144.4 和2 158.8～2 160.6 m井段為次產(chǎn)水層，產(chǎn)液量分別為20.91、3.52和23.80 m3/h。與儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，4個(gè)產(chǎn)水層段分別與目的層段頂部的4個(gè)Ⅰ類儲(chǔ)層相對(duì)應(yīng)(見(jiàn)圖6)，全井產(chǎn)液量是由目的層頂部的Ⅰ類儲(chǔ)層貢獻(xiàn)的。

圖6 研究區(qū)7號(hào)井測(cè)井解釋與產(chǎn)能測(cè)試Fig.6 Well log interpretation and productivity test of well 7 in the study area

巖溶熱儲(chǔ)縱向分層符合研究區(qū)霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)的發(fā)育背景。霧迷山組經(jīng)歷印支期、燕山期與喜馬拉雅早期等多期構(gòu)造抬升作用，長(zhǎng)期遭受風(fēng)化剝蝕，潛山巖溶作用充分，在其頂部形成一套發(fā)育穩(wěn)定、儲(chǔ)集性良好的風(fēng)化殼儲(chǔ)集層，其中，垂直滲流帶發(fā)育連通性較差的垂向溶孔和高角度溶蝕縫，水平潛流帶發(fā)育連通性較強(qiáng)的水平溶洞、溶縫[25-27]，因此目的層段頂部巖溶熱儲(chǔ)儲(chǔ)集性能更好。

3.3.2 平面分帶性

雄安新區(qū)不同構(gòu)造部位的巖溶熱儲(chǔ)具有不同的成因模式，形成明顯的平面分帶特征(見(jiàn)圖7)。以容城凸起2號(hào)和3號(hào)井為例(見(jiàn)圖7)，Ⅰ類巖溶裂隙層段有潛山和斷裂巖溶成因模式，其中，潛山巖溶成因的Ⅰ類熱儲(chǔ)主要分布于目的層上部300 m深度范圍，斷裂巖溶成因的Ⅰ類熱儲(chǔ)發(fā)育較為局限，主要分布于2號(hào)井1 100～1 400 m深度。Ⅱ類熱儲(chǔ)表現(xiàn)為順層分布，成層性明顯，為層間巖溶作用成因，其中，霧二段和霧一段層間巖溶熱儲(chǔ)橫向連通性中等，霧三段的連通性相對(duì)較差。以牛駝鎮(zhèn)凸起4號(hào)和6號(hào)井為例(見(jiàn)圖7)，Ⅰ類和Ⅱ類熱儲(chǔ)主要分布于目的層上部350 m深度范圍，為潛山巖溶成因，其他巖溶作用相對(duì)不發(fā)育。

圖7 研究區(qū)NW—SE向連井儲(chǔ)層對(duì)比剖面Fig.7 NW-SE oriented geothermal reservoir correlation profile in the study area

結(jié)合儲(chǔ)集層橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果，潛山巖溶作用控制雄安新區(qū)霧迷山組優(yōu)質(zhì)熱儲(chǔ)的形成，研究區(qū)發(fā)育潛山巖溶熱儲(chǔ)，主要發(fā)育于距霧迷山組不整合面350 m深度范圍，由研究區(qū)在中、新生代的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)一直處于巖溶高地的古地貌特征決定，熱儲(chǔ)發(fā)育具有穿層性，橫向連通性極好，是地下水良好的水平運(yùn)移通道[28]；斷裂巖溶作用多形成Ⅰ類和Ⅱ類熱儲(chǔ)，熱儲(chǔ)分布受斷裂控制，研究區(qū)發(fā)育斷裂巖溶熱儲(chǔ)，橫向連通性較差，但斷裂帶附近熱儲(chǔ)儲(chǔ)集性較好，是地下水良好的垂向運(yùn)移通道；層間巖溶作用多形成Ⅱ類和Ⅲ類熱儲(chǔ)，熱儲(chǔ)發(fā)育受沉積微相和成巖相控制[29]，表現(xiàn)為順層分布，橫向連通性中等，主要分布于牛北斜坡和容城凸起。

3.3.3 取水層段厚度優(yōu)化

3.3.3.1 熱儲(chǔ)發(fā)育規(guī)律

根據(jù)熱儲(chǔ)發(fā)育規(guī)律，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮，建立取水層段厚度優(yōu)化原則，包括目的層的所有Ⅰ類儲(chǔ)層；取水層段優(yōu)化厚度大于350 m；地?zé)峋傔M(jìn)尺小于3 000 m。根據(jù)優(yōu)化原則，對(duì)研究區(qū)所有地?zé)峋M(jìn)行取水層段厚度優(yōu)化(見(jiàn)圖8)。

圖8 研究區(qū)NW—SE向連井取水層段優(yōu)化對(duì)比剖面Fig.8 NW-SE oriented correlation profile of the optimized production zone in the study area

研究區(qū)不同構(gòu)造單元霧迷山組經(jīng)歷的構(gòu)造演化過(guò)程和巖溶作用背景有一定差異，對(duì)不同構(gòu)造單元地?zé)峋康膶佣蔚膬?chǔ)地比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，容城凸起目的層段的儲(chǔ)地比平均為0.36(35口地?zé)峋?，牛駝鎮(zhèn)凸起目的層段儲(chǔ)地比平均為0.45(93口地?zé)峋?，相比于容城凸起，牛駝鎮(zhèn)凸起巖溶作用更為發(fā)育。研究區(qū)構(gòu)造單元優(yōu)化取水層段厚度統(tǒng)計(jì)顯示，各構(gòu)造單元的取水層段優(yōu)化厚度數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，牛駝鎮(zhèn)凸起90.0%地?zé)峋康膶尤∷畬佣蝺?yōu)化厚度小于500 m，容城凸起91.7%地?zé)峋康膶尤∷畬佣蝺?yōu)化厚度小于1 000 m，牛北斜坡目前僅有7號(hào)井，優(yōu)化厚度為880 m。

3.3.3.2 典型井測(cè)溫曲線

研究區(qū)傳熱機(jī)制表現(xiàn)為“整體熱傳導(dǎo)為主，局部層內(nèi)熱對(duì)流為輔”的特征。研究區(qū)霧迷山組碳酸鹽巖熱儲(chǔ)內(nèi)部巖溶裂隙較為發(fā)育，巖溶熱儲(chǔ)內(nèi)部存在明顯的熱對(duì)流機(jī)制，反映在部分典型地?zé)峋臏y(cè)溫曲線上。根據(jù)測(cè)溫曲線變化特征，可以推斷目的層段優(yōu)質(zhì)巖溶熱儲(chǔ)發(fā)育的位置。

以牛駝鎮(zhèn)凸起8號(hào)井為例，霧迷山組頂板埋深為735 m，測(cè)溫曲線深度為735～1 200 m井段存在兩次溫度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象(見(jiàn)圖9(a))，無(wú)論井內(nèi)溫度是否達(dá)到穩(wěn)定，溫度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象可以說(shuō)明8號(hào)井熱儲(chǔ)層段有側(cè)方低溫地?zé)崴虻蜏劂@井液流入而引起的熱對(duì)流作用，推測(cè)735～1 200 m井段熱儲(chǔ)物性極好，連通性好，是該井優(yōu)勢(shì)熱儲(chǔ)的發(fā)育位置。與牛駝鎮(zhèn)凸起500 m的取水層段厚度優(yōu)化結(jié)果基本一致。

圖9 研究區(qū)典型井測(cè)溫曲線Fig.9 Temperature measurement curves of typical wells in the study area

以牛北斜坡7號(hào)井為例，霧迷山組頂板埋深為2 020 m，測(cè)溫曲線深度為2 020～3 000 m井段仍存在溫度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象(見(jiàn)圖9(b))，與牛駝鎮(zhèn)凸起8號(hào)井類似，說(shuō)明該井段熱儲(chǔ)物性極好，連通性好，是優(yōu)勢(shì)熱儲(chǔ)發(fā)育的位置。與牛北斜坡880 m的取水層段厚度優(yōu)化結(jié)果一致。

以容城凸起1號(hào)井為例，霧迷山組頂板埋深為640 m，進(jìn)入目的層后，熱儲(chǔ)內(nèi)部溫度穩(wěn)定緩慢增加(見(jiàn)圖9(c))，640～1 600 m井段地溫梯度為0.49 ℃/hm，當(dāng)深度達(dá)到1 600 m后，熱儲(chǔ)溫度開(kāi)始快速增加，1 600～1 755 m井段地溫梯度為1.75 ℃/hm。增溫較慢的上部熱儲(chǔ)物性更好，內(nèi)部存在一定的熱對(duì)流機(jī)制，由于其內(nèi)部增溫比較穩(wěn)定，推測(cè)優(yōu)質(zhì)的熱儲(chǔ)具有一定的厚度。與容城凸起1 000 m的取水層段厚度優(yōu)化結(jié)果基本一致。

研究區(qū)巖溶熱儲(chǔ)地?zé)峋诒ＷC產(chǎn)水能力基本不變時(shí)，牛駝鎮(zhèn)、容城凸起和牛北斜坡的取水層段優(yōu)化厚度分別為500、1 000 和880 m，3個(gè)構(gòu)造單元優(yōu)化前的原取水層段厚度分別為550～650、1 000～1 200和1 400 m，優(yōu)化率分別為9.1%～23.1%、12.0%～26.7%和28.6%。

取水層段優(yōu)化可指導(dǎo)研究區(qū)地?zé)峋你@井進(jìn)尺優(yōu)化。以容城凸起1號(hào)井、牛北斜坡7號(hào)井和牛駝鎮(zhèn)凸起4號(hào)井為例，3口地?zé)峋M(jìn)尺分別為1 803、3 500和1 880 m，優(yōu)化取水層段后的進(jìn)尺分別為1 572、3 000和1 744 m。3個(gè)構(gòu)造單元的3口地?zé)峋矁?yōu)化鉆井進(jìn)尺867 m。

4 有利區(qū)帶優(yōu)選

綜合3個(gè)地質(zhì)關(guān)鍵要素研究結(jié)果，開(kāi)展研究區(qū)有利區(qū)帶優(yōu)選。熱儲(chǔ)—熱蓋層組合類型方面，優(yōu)選N—Jxw組合。相比E—Jxw組合，N—Jxw組合的熱蓋層與熱儲(chǔ)之間沉積間斷更長(zhǎng)，霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)經(jīng)歷的風(fēng)化剝蝕作用更強(qiáng)，熱儲(chǔ)內(nèi)部潛山巖溶作用極為發(fā)育，儲(chǔ)層物性好。蓋層方面，優(yōu)選底板埋深1 250～1 500 m的新近系蓋層，埋藏深度適中，成巖作用較強(qiáng)，膠結(jié)較為致密，不易發(fā)生鉆井工程事故，因此新近系下部為研究區(qū)的優(yōu)質(zhì)蓋層。

研究區(qū)劃分3類有利區(qū)帶(見(jiàn)圖4)。Ⅰ類有利區(qū)帶分布于熱儲(chǔ)頂面1 250～1 500 m埋深的凸起區(qū)，發(fā)育新近系—薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)—熱蓋層組合。Ⅰ類有利區(qū)帶熱蓋層成巖作用較強(qiáng)、鉆井風(fēng)險(xiǎn)較小，熱儲(chǔ)埋藏相對(duì)較淺、物性較好，整體開(kāi)發(fā)潛力好，是最有利的勘探開(kāi)發(fā)區(qū)。Ⅱ類有利區(qū)帶分布于熱儲(chǔ)頂面小于1 250 m埋深的凸起區(qū)，發(fā)育新近系—薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)—熱蓋層組合。Ⅱ類有利區(qū)的熱蓋層成巖作用一般、有一定的鉆井風(fēng)險(xiǎn)，但熱儲(chǔ)埋藏淺、物性好，分布面積大、地?zé)豳Y源豐富，是地?zé)峁┡玫膬?yōu)質(zhì)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)區(qū)。Ⅲ類有利區(qū)帶分布于熱儲(chǔ)頂面埋深大于1 500 m、取水層段優(yōu)化后總進(jìn)尺小于3 000 m的斜坡區(qū)，發(fā)育古近系—薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)—熱蓋層組合。Ⅲ類有利區(qū)帶熱蓋層成巖作用強(qiáng)、鉆井風(fēng)險(xiǎn)小，熱儲(chǔ)埋藏相對(duì)較深、物性中等，不作為近期勘探開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)雄安新區(qū)發(fā)育2種熱儲(chǔ)—熱蓋層組合模式，新近系—薊縣系霧迷山組組合，發(fā)育于霧迷山組頂面埋深小于1 500 m的牛駝鎮(zhèn)和容城凸起，地?zé)徙@井二開(kāi)中完深度分別為600～1 500 和700～1 500 m；古近系—薊縣系霧迷山組組合，發(fā)育于霧迷山組頂面埋深大于1 500 m的牛北斜坡，地?zé)徙@井二開(kāi)中完深度為1 500～3 000 m。

(2)雄安新區(qū)容城、牛駝鎮(zhèn)凸起熱儲(chǔ)和熱蓋層接觸不穩(wěn)定，相比于牛北斜坡更容易發(fā)生鉆井工程事故，其中，450～700和800～1 000 m深度段主要發(fā)育厚層疏松砂巖，易發(fā)生井壁失穩(wěn)坍塌，其余深度段發(fā)育大套泥巖，易發(fā)生縮徑卡鉆。

(3)雄安新區(qū)霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)具有明顯的縱向分層與平面分帶性，潛山巖溶作用控制雄安新區(qū)優(yōu)質(zhì)熱儲(chǔ)的形成，主要發(fā)育于距霧迷山組不整合面350 m埋深范圍，取水層段優(yōu)化厚度由西向東逐漸變小，容城凸起為1 000 m，牛北斜坡為880 m，牛駝鎮(zhèn)凸起為500 m。

(4)容城和牛駝鎮(zhèn)凸起周緣熱儲(chǔ)頂面1 250～1 500 m埋深的區(qū)帶熱儲(chǔ)埋藏適中、儲(chǔ)層物性好，熱蓋層成巖作用強(qiáng)、鉆井風(fēng)險(xiǎn)小，是雄安新區(qū)最有利的勘探開(kāi)發(fā)區(qū)。