魯 輝

(1.江蘇長(zhǎng)江地質(zhì)勘查院，南京 210046； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

干熱巖是指一般溫度大于150℃，埋深數(shù)千米，內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體[1]，是一種清潔可再生特殊地?zé)豳Y源。我國(guó)對(duì)這種資源的勘查與開(kāi)發(fā)尚在起步階段[2]。本文主要根據(jù)江蘇某干熱巖井現(xiàn)場(chǎng)取心、沖冼液消耗量、錄井氣顯、測(cè)井曲線和井溫特征等對(duì)蘇北盆地?zé)醿?chǔ)層地質(zhì)特點(diǎn)如蓋層、熱儲(chǔ)層、地溫梯度、熱儲(chǔ)孔隙度、滲物性的分析研究，得出蘇北盆地東臺(tái)坳陷寒武-奧陶系溫度高，儲(chǔ)層裂隙為低孔、低滲透率類型，屬于較好的干熱巖儲(chǔ)層。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)干熱巖井位于蘇北盆地東臺(tái)坳陷中段柘垛低凸起北東部(圖1)。蘇北盆地是下?lián)P子區(qū)前中生代基底之上經(jīng)歷了印支、燕山和喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而發(fā)展起來(lái)的中、新生代坳陷。朱光等認(rèn)為，印支-早燕山期華北與華南板塊的拼合，郯廬斷裂以轉(zhuǎn)換斷層的形式開(kāi)始活動(dòng)，控制區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)以左旋擠壓為主[3]。作為重要的轉(zhuǎn)折階段，強(qiáng)烈的前陸變形使得逆沖和褶皺系統(tǒng)奠定了海相殘留盆地的構(gòu)造基礎(chǔ)，伴隨著廣泛的剝蝕夷平，主體形成北東向帶狀山地地貌。大致以長(zhǎng)江為界，下?lián)P子區(qū)形成南北對(duì)沖的構(gòu)造格局。晚燕山-喜馬拉雅期太平洋-庫(kù)拉板塊向NW俯沖消減于歐亞板塊之下，在發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)情況下，使郯廬斷裂兩側(cè)表現(xiàn)為右行拉張走滑，即區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚瓘垶橹鳌９派貙酉冉?jīng)歷了逆沖推覆運(yùn)動(dòng)，后又發(fā)生拉張，部分早期逆斷層的反轉(zhuǎn)[4]，構(gòu)造較為復(fù)雜。干熱巖井地處興化市北，存在中古生界大型推覆體，推覆體地層為下古生界，疊置于正常的下古生界之上。距研究區(qū)干熱巖井北偏西方向約4km的興參1井鉆遇的寒武-奧陶系表明存在逆沖推覆構(gòu)造。

2 某干熱巖井寒武-奧陶系碳酸鹽巖地質(zhì)特征

某干熱巖井寒武-奧陶系巖石類型以碳酸鹽巖為主，巖性主要為石灰?guī)r、含云質(zhì)灰?guī)r，微晶白云巖、含灰微晶白云巖、泥晶白云巖、粉晶白云巖。主要巖石分類及巖性特征如表1所示。

圖1 蘇北盆地區(qū)域構(gòu)造略圖Figure 1 Regional tectonics sketch of North Jiangsu Basin

表1 寒武-奧陶系地質(zhì)特征

3 熱儲(chǔ)層綜合研究與評(píng)價(jià)

3.1 蓋層條件分析

區(qū)內(nèi)干熱巖井揭露三套蓋層，分別為東臺(tái)組-鹽城組、三垛組-泰州組和浦口組蓋層。東臺(tái)組-鹽城組蓋層厚度為1 000.8m，三垛組-泰州組蓋層厚度為1 451.3m，浦口組蓋層厚度為1 367.0m，上部蓋層累計(jì)厚度大于3 819.1m，蓋層厚度較大，蓋層條件較好[5]，具有較好的隔熱性和隔水性。

3.2 熱儲(chǔ)層條件

區(qū)內(nèi)干熱巖熱儲(chǔ)層為寒武-奧陶系碳酸鹽巖，興參1井揭露該套儲(chǔ)層585.7m，反映本區(qū)熱儲(chǔ)層厚度較大。干熱巖儲(chǔ)層882.58m，該套碳酸鹽巖熱導(dǎo)率為3.62～4.57Wm-1K-1，具有非常好的儲(chǔ)熱條件。前人對(duì)蘇北地區(qū)的碳酸鹽巖地層研究認(rèn)為古生代碳酸鹽巖地層為較好的干熱巖資源儲(chǔ)層[6]。

3.3 熱儲(chǔ)層厚度、中部溫度特征研究與評(píng)價(jià)

利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和地溫梯度計(jì)算，獲取熱儲(chǔ)中部溫度，評(píng)價(jià)中部溫度類型[7](表2)。

表2 熱儲(chǔ)中部溫度類型劃分依據(jù)表

ΔT=100(T-t0)/(H-h0)

(1)

中部地溫梯度Tz可用下式：

ΔT=100(TZ-t0)/(Hz-h0)

(2)

推導(dǎo)出

Tz=t0+[(Hz-h0)/100]×ΔT

(3)

式中：ΔT為地溫梯度，℃/100m；t0為恒溫帶溫度，℃，取15℃；H為井底深度，m,本井為4 701.68m；Hz為為熱儲(chǔ)中部深度，m。

Hz=(H1+H2)/2

(4)

式中：H0為恒溫帶深度，m，本區(qū)取80m；TZ為熱儲(chǔ)中部溫度，℃；H1為熱儲(chǔ)頂板埋深，m；H2為熱儲(chǔ)底板埋深，m。

某干熱巖井熱儲(chǔ)頂板為白堊系浦口組二段(K2p2)3 819.1m，底板為寒武系炮臺(tái)山組(2p)4 701.68m，熱儲(chǔ)層厚度882.58m，厚度大于100m，屬于厚層熱儲(chǔ)。通過(guò)測(cè)井獲得井底4 701.68m溫度為155.5℃，通過(guò)計(jì)算，全井段平均地溫梯度為3.04℃/100m,熱儲(chǔ)中部為4 260.39m。采用熱儲(chǔ)層段井溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算得到：奧陶系地溫梯度平均2.67℃/100m，其中，紅花園組地溫梯度平均2.59℃/100m，侖山組地溫梯度平均2.74℃/100m。寒武系地溫梯度平均2.31℃/100m，其中，觀音山組地溫梯度平均2.13℃/100m，炮臺(tái)山組地溫梯度平均2.79℃/100m(表3)。

表3 某井熱儲(chǔ)層地溫計(jì)算

可以看出，以灰?guī)r為主奧陶系地溫梯度明顯高于以白云巖為主寒武系，而炮臺(tái)山組由于泥質(zhì)含量增加，地溫梯度有所增加。熱儲(chǔ)中部4 260.39m溫度為142.1℃，根據(jù)劃分依據(jù)，某干熱巖井熱儲(chǔ)中部溫度類型屬于厚層中溫?zé)醿?chǔ)層。

3.4 熱儲(chǔ)孔隙度特征研究與評(píng)價(jià)

1)利用測(cè)井資料對(duì)裂隙發(fā)育程度評(píng)價(jià)。

利用測(cè)井資料對(duì)裂縫進(jìn)行評(píng)價(jià)，依據(jù)石油測(cè)井行業(yè)規(guī)范的要求，根據(jù)裂縫及溶洞的發(fā)育程度，將碳酸鹽巖儲(chǔ)層物性的評(píng)價(jià)級(jí)別分為Ⅰ類層(發(fā)育)、Ⅱ類層(較發(fā)育)、Ⅲ類層(欠發(fā)育)[7]。

Ⅰ類裂縫層：有效孔隙度(Φ)≥10%，裂縫、溶洞發(fā)育，滲透性好。

Ⅱ類裂縫層：有效孔隙度：5%≤Φ<10%，裂縫、溶洞較發(fā)育，滲透性較好。

Ⅲ類裂縫層：有效孔隙度：2%≤Φ<5%，裂縫、溶洞欠發(fā)育，滲透性一般。

井深4 015.2～4 067.2m，為灰?guī)r，測(cè)井曲線響應(yīng)特征：低密度、高中子、高聲波時(shí)差和高背景下高電阻率特征，三孔隙度曲線呈齒狀變化，測(cè)井曲線綜合反映為裂縫層，計(jì)算孔隙度3.8%～4.9%，綜合解釋為Ⅲ類裂縫層。

井深4 199.6～4 205.2m，為白云巖質(zhì)灰?guī)r，測(cè)井曲線響應(yīng)特征為：低密度、高中子、高聲波時(shí)差和高背景下低電阻率特征，三孔隙度曲線呈齒狀變化，測(cè)井曲線綜合反映為裂縫層，計(jì)算孔隙4.9%，綜合解釋為Ⅲ類裂縫層。

井深4 234.6～4 492.5m，為白云巖，測(cè)井曲線響應(yīng)特征：低密度、高中子、高聲波時(shí)差和高背景下中等幅值電阻率特征，三孔隙度曲線呈齒狀變化，測(cè)井曲線綜合反映為裂縫層，計(jì)算孔隙3.3%～4.9%，綜合解釋為Ⅲ類裂縫層。

井深4 498.3～4 499.7m，為粉晶白云巖，測(cè)井曲線響應(yīng)特征：低密度、高中子、高聲波時(shí)差和高背景下低電阻率特征，三孔隙度曲線呈齒狀變化，測(cè)井曲線綜合反映為裂縫層，計(jì)算孔隙度3.1%，綜合解釋為Ⅲ類裂縫層(表4)。

表4 測(cè)井解釋儲(chǔ)層裂縫成果

通過(guò)對(duì)組合井段測(cè)井資料的處理與分析[8]，認(rèn)為某干熱巖井3 819.1～4 701.68m段，層厚882.58m皆為寒武-奧陶碳酸鹽巖儲(chǔ)集，在微球電阻率、深側(cè)向、淺側(cè)向電阻率曲線值變化劇烈[9]，劃分Ⅲ類裂縫，裂縫、溶洞欠發(fā)育，滲透性一般，屬低滲透率類型。

2)利用地質(zhì)取心評(píng)價(jià)熱儲(chǔ)儲(chǔ)集空間類型。

從取心資料看，深度4 003.52～4 012.17m， 為泥晶灰?guī)r(圖2)。巖性特征：淺灰黃-灰色泥晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石主要由泥晶灰質(zhì)組成，滴鹽酸起泡強(qiáng)烈。巖石中微裂隙發(fā)育[10]，裂隙寬0.5～3mm，充填方解石為主，局部充填深灰色泥質(zhì)物。巖石致密堅(jiān)硬、性脆，貝殼狀斷口，破碎強(qiáng)烈[11]；巖石局部見(jiàn)油跡顯示。

圖2 奧陶系紅花園組(4 003.52～4 012.17m)巖心照片F(xiàn)igure 2 Ordovician Honghuayuan Formation core photos(from depth 4,003.52～4,012.17m)

深度4 117.27～4 132.13m、4 548.34～4 556.84m，為含灰微晶白云巖、泥晶白云巖(圖3)。巖性特征：灰-深灰色，微晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石主要由微晶白云巖組成[12]，粉末滴鹽酸起泡。巖石中裂隙發(fā)育，裂隙寬0.2～2mm，充填物以黃鐵礦為主，其次為方解石。巖石局部見(jiàn)灰白色白云巖礫石，大小5～15mm。巖石致密、堅(jiān)硬、性脆、破碎，與下層接觸面中軸角40°～45°。泥晶白云巖巖性特征：灰白色，泥晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石主要由泥晶白云巖組成，粉末滴鹽酸起泡。巖石中裂隙發(fā)育，局部見(jiàn)網(wǎng)脈狀裂隙[13]，裂隙寬0.1～1mm，充填物以黃鐵礦為主，其次為方解石。巖石致密、堅(jiān)硬、性脆、破碎，與下層接觸面中軸角20°～30°。

圖3 寒武系(4 117.27～4 132.13m、4 548.34～4 556.84m)巖心照片F(xiàn)igure 3 Cambrian System core photos(from depth 4,117.27～4,132.13m and 4,548.34～4,556.84)

3)利用錄井評(píng)價(jià)裂縫。

從氣測(cè)錄井顯示4 166～4 349m、4 463～4 529m兩段存在多個(gè)“尖峰狀”氣顯。其中4 166～4 297m段“尖峰狀”氣顯尤其明顯(圖4)。說(shuō)明該熱儲(chǔ)層段巖石裂縫局部發(fā)育，4 166～4 529m可作為后期儲(chǔ)層壓裂試驗(yàn)的首選層段。

圖4 氣測(cè)錄井段(4 166～4 349m)氣顯特征Figure 4 Gas logging gas indication features(segment 4,166～4,349m)

綜上所述，從現(xiàn)場(chǎng)取心、錄井氣顯、測(cè)井曲線特征皆反映出寒武-奧陶系裂隙欠發(fā)育，孔隙度φ<15，熱儲(chǔ)孔隙度為低孔類型，屬較好的干熱巖儲(chǔ)層。

3.5 熱儲(chǔ)層滲物性特征研究與評(píng)價(jià)

水文觀測(cè)漏失量評(píng)價(jià)裂縫：鉆進(jìn)進(jìn)入碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層3 840m寒武-奧陶系井底地層消耗明顯,按照坐崗要求對(duì)3 840～4 701.68m井段消耗量情況進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，共發(fā)現(xiàn)明顯的消耗段共有22段，共消耗119.32m3，漏失速度最大達(dá)29.42m3/h。在經(jīng)鉆井洗井完成后，有少量來(lái)自井底裸井段(4 685.77～4 701.68m)涌水現(xiàn)象，約124.8L/d。消耗量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。結(jié)合測(cè)井解釋和地溫曲線，形成關(guān)系圖如圖5。

表5 寒武-奧陶系層段消耗量統(tǒng)計(jì)

圖5 干熱巖儲(chǔ)層地溫曲線、消耗量與測(cè)井解釋裂縫段關(guān)系圖Figure 5 Relationship between hot dry rock reservoir geotemperature curve, flush fluid consumption andlogging interpreted fissure segments

由表5可知，奧陶系灰?guī)r層段泥漿消耗量相對(duì)較小，觀音山組上部消耗量稍大。由于泥漿漏失存在一定的延遲現(xiàn)象，同一地層漏失段也一定的延續(xù)現(xiàn)象。因此，干熱巖儲(chǔ)層段泥漿消耗量與測(cè)井解釋裂縫發(fā)育段是一種弱對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.6 熱儲(chǔ)層各向異性特征

通過(guò)偶極聲波測(cè)井獲得了縱、橫波時(shí)差和彈性模量等參數(shù)，結(jié)合其它巖石物理信息，進(jìn)行了地層各向異性分析。

本井碳酸鹽層儲(chǔ)層段巖性主要為灰?guī)r、白云巖，橫波各向異性處理結(jié)果分析如下。

紅花園組3 819.1～4 019.0m，地層各向異性明顯，以北東—南西為主(圖6)。

圖6 紅花園組各向異性圖(3 819.1～4 019.0m)Figure 6 Honghuayuan Formation anisotropy result(depth 3,819.1～4,019.0m)

侖山組4 019.0～4 109.0m，地層各向異性明顯，以北東東—南西西為主。觀音山組4 019.0～4 506.0m，地層各向異性明顯，以北西—南東為主(圖7)。

圖7 侖山組、觀音山組各向異性成果(4 000.0～4 506.0m)Figure 7 Lunshan Formation, Guanyinshan Formationanisotropy result (depth 4,000.0～4,506.0m)

炮臺(tái)山組4 506.0～4 693.0m，地層各向異性明顯，以北西西—南東東為主(圖8)。

圖8 炮臺(tái)山組各向異性成果圖(4 506.0～4 693.0m)Figure 8 Paotaishan Formation anisotropy result(depth 4.506.0～4,693.0m)

3.7 熱儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)特征

利用實(shí)測(cè)的聲波曲線、密度、自然伽馬和其它測(cè)井資料，建立巖石力學(xué)模型，該模型包括巖石的彈性參數(shù)、地層的應(yīng)力、破裂壓力梯度等數(shù)據(jù)。對(duì)碳酸鹽巖層段進(jìn)行巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算，獲得的巖石力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)儲(chǔ)層改造壓裂試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)，主要處理參數(shù)如下。

紅花園組和侖山組(3 819.1～4 109.0m)，楊氏模量平均值為73.0GPa，體積模量平均值為66.9GPa，剪切模量平均值為27.8GPa，泊松比平均值為0.32。

寒武系觀音山組(4 109.0～4 506.0m)，楊氏模量平均值為91.4GPa，體積模量平均值為76.4GPa，剪切模量平均值為35.2GPa，泊松比平均值為0.30。

寒武系炮臺(tái)山組4 506.0～4 693.0m，楊氏模量平均值為88.8GPa，體積模量平均值為73.3GPa，剪切模量平均值為34.2GPa，泊松比平均值為0.30。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)蘇北盆地?zé)醿?chǔ)層地質(zhì)特征，如蓋層、熱儲(chǔ)層、地溫梯度、熱儲(chǔ)孔隙度、滲物性、各向異性、巖石力學(xué)參數(shù)等的分析，得出以下結(jié)論。

1)初步查明了本地區(qū)井干熱巖資源蓋層和儲(chǔ)層的巖性、埋深及規(guī)模等。揭露干熱巖目標(biāo)層段奧陶系、寒武系碳酸鹽巖蓋層超過(guò)3 800m，碳酸鹽巖儲(chǔ)層厚達(dá)882.58m。熱儲(chǔ)層段地層裂縫、溶洞欠發(fā)育，滲透性一般，為Ⅲ類裂縫，是良好的干熱巖儲(chǔ)層。

2)蘇北盆地碳酸鹽巖擁有高的熱導(dǎo)率和地溫梯度，干熱巖儲(chǔ)層厚度大，顯示出良好的地?zé)豳Y源潛力，具備深層干熱巖賦存的地質(zhì)條件。

3)評(píng)價(jià)了熱儲(chǔ)層各向異性特征、巖石力學(xué)參數(shù)特征，為后續(xù)儲(chǔ)層改造壓裂試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了可靠數(shù)據(jù)[14]，為蘇北盆地東臺(tái)坳陷后期開(kāi)發(fā)利用干熱巖資源提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

4)驗(yàn)證了蘇北盆地干熱巖預(yù)查區(qū)干熱巖資源狀況，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)研究蘇北盆地干熱巖賦存特征和成因機(jī)制，評(píng)價(jià)干熱巖資源潛力[15-16]。

5)建議選取巖石裂縫局部發(fā)育的4 166～4 529m段可作為后期儲(chǔ)層壓裂試驗(yàn)的首選層段，以減少非裂隙發(fā)育段段壓裂的不經(jīng)濟(jì)和施工難度。