高楠安，汪新偉*，梁海軍，杜 利，毛 翔，羅 璐，王婷灝

1. 中國石化集團 新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083；2. 中國石化地?zé)豳Y源開發(fā)利用重點實驗室，北京 100083

地?zé)崮芤云滟Y源的豐富性、可再生性和環(huán)保性，近年來成為國內(nèi)外研究的熱點，越來越受到人們的關(guān)注（Muffler et al，1978；陳墨香等，1994；陳墨香，1998；汪集暘等，1993；Moeck，2014；周總瑛，2015；王貴玲等，2017）。對地?zé)嵯到y(tǒng)概念的理解隨著地?zé)嵫芯康纳钊攵粩喟l(fā)展，早期地?zé)嵯到y(tǒng)被定義為地?zé)岬母患潭茸阋詷?gòu)成能量資源的系統(tǒng)（Rybach et al., 1985），其后汪集暘（2015）強調(diào)“地?zé)嵯到y(tǒng)是一個地?zé)崮芫奂娇衫玫某潭?，在熱量和流體循環(huán)上相對獨立的地質(zhì)單元”。近年來，許多學(xué)者為了突出地?zé)嵯到y(tǒng)各個地質(zhì)要素在地?zé)崽锍梢蚍矫娴膬?nèi)在聯(lián)系及之間的有效匹配，把含油氣盆地分析的研究思路引入地?zé)崽镅芯浚ê沃瘟恋龋?017；張英等，2017），將地?zé)嵯到y(tǒng)定義為一個相對獨立的地質(zhì)單元，包含“源、儲、通、蓋”等地質(zhì)要素和熱的傳輸、儲集、保存、散失等一系列地質(zhì)作用。一套地?zé)嵯到y(tǒng)在平面上可以跨越多個構(gòu)造單元（地?zé)崽铮?，而一個構(gòu)造單元（地?zé)崽铮┰诖瓜蛏峡梢院鄠€地?zé)嵯到y(tǒng)。前人多傾向于對一個地?zé)崽飪?nèi)一套熱儲的地?zé)嵯到y(tǒng)成因模式的研究（王迪等，2020；隋少強，2020），而對于同一構(gòu)造單元內(nèi)兩套地?zé)嵯到y(tǒng)成因聯(lián)系的研究較少，需通過解剖典型地?zé)崽飦韺Ρ确治鲋g的異同點。

束鹿凹陷位于渤海灣盆地冀中坳陷南端，是典型的東斷西超的箕狀斷陷（圖1）包含淺層館陶組砂巖熱儲與深層奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲兩套地?zé)嵯到y(tǒng)。位于束鹿凹陷北部的辛集市，是地?zé)豳Y源勘探開發(fā)較早的地區(qū)，對于兩套熱儲均有開發(fā)利用（表1）。近年來隨著中石化對該區(qū)域集中勘探開發(fā)，已完鉆地?zé)峋?0余口，實現(xiàn)供暖面積約2.5×106m2。束鹿凹陷的地質(zhì)研究目前多集中于油氣勘探開發(fā)方向，包括潛山油氣儲層類型和地下水化學(xué)分析（黃遠鑫等，2018；吳東勝和陳林，2018；朱潔瓊等，2019；蔡川等，2020），而在地?zé)岬刭|(zhì)方面研究較少（李卓等，2017；劉現(xiàn)川，2017），尤其是其地?zé)嵯到y(tǒng)的成因機制方面更是尚未開展綜合分析。本次研究在前人成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新地?zé)徙@井資料與水化學(xué)分析數(shù)據(jù)，通過剖析“源”、“儲”、“通”、“蓋”四大地質(zhì)要素，查明其傳熱、聚熱機制，建立并對比分析束鹿凹陷上下兩套地?zé)嵯到y(tǒng)的成因模式，在此基礎(chǔ)上進一步評價其地?zé)豳Y源量，從而為后期該區(qū)域地?zé)峥碧介_發(fā)提供一定理論依據(jù)。

表1 辛集地?zé)崽锏湫偷責(zé)徙@孔數(shù)據(jù)Table 1 Typical geothermal borehole data in the Shulu Sag

1 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)概況

束鹿凹陷在區(qū)域構(gòu)造上屬于渤海灣盆地冀中坳陷內(nèi)的三級構(gòu)造單元（圖1），為一新生代斷陷凹陷，經(jīng)歷了印支、燕山、以及喜馬拉雅運動的強烈改造，受控于東側(cè)新河斷裂和北側(cè)衡水?dāng)嗔?。其西部向上過渡為寧晉凸起，東部為新河凸起，北部為深縣凹陷，南部為小劉村凸起（孔冬艷，2005；郭增虎等，2018）。平面上具有東西分帶的特點，可以劃分為斜坡帶、洼槽帶（張丁寧等，2018；陳杰，2019）。

圖1 束鹿凹陷及鄰區(qū)構(gòu)造單元與巖性分布圖（據(jù)吳東勝，2018修改）Fig. 1 Regional map showing the structual units and lithological distribution in the Shulu Sag and its adjacent area

束鹿凹陷的地層層序表現(xiàn)為在太古界結(jié)晶基底之上發(fā)育了4套構(gòu)造層（圖1），由老到新依次為（1）中—上元古界，主要發(fā)育長城系、薊縣系，巖性由碳酸鹽巖和少量碎屑巖組成；（2）下古生界寒武系—奧陶系以灰?guī)r、白云巖夾泥頁巖為主；（3）上古生界石炭系—二疊系主要發(fā)育泥巖、碳質(zhì)泥巖及煤層，由于區(qū)域性抬升剝蝕，分布范圍局限；（4）新生界主要為古近紀(jì)斷陷期和新近紀(jì)拗陷期的碎屑巖沉積。

束鹿凹陷及鄰區(qū)主要發(fā)育兩種類型熱儲（圖1），分別是陸相碎屑沉積為主的新生界孔隙型熱儲和海相沉積為主的古生界、中新元古界的碳酸鹽巖類巖溶型熱儲，熱儲受沉積物性與構(gòu)造演化的制約。其中，孔隙型熱儲主要為新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組熱儲層，分布于整個研究區(qū)；巖溶熱儲主要為古生界奧陶系和薊縣系霧迷山組熱儲層，分布于束鹿凹陷洼陷帶和西斜坡帶，在寧晉凸起和新河凸起上抬升剝蝕。本次研究的主要對象為新近系館陶組和古生界奧陶系熱儲，分別構(gòu)成了淺層砂巖與深層碳酸鹽巖兩套地?zé)嵯到y(tǒng)。

2 地?zé)嵯到y(tǒng)成因要素

地?zé)嵯到y(tǒng)的成因要素主要包括熱源機制、熱儲特征、地下水運移、蓋層條件等，明確各地質(zhì)因素的特征和他們之間的傳熱、聚熱機制，是建立地?zé)嵯到y(tǒng)成因模式的基礎(chǔ)，也是后期地?zé)豳Y源精細評價的依據(jù)（朱煥來，2011；郎旭娟，2016；汪新偉等，2019）。

2.1 熱源機制

2.1.1 深部地殼結(jié)構(gòu)

束鹿凹陷莫霍面埋深大約為34~36 km，根據(jù)大地電磁資料深部電性結(jié)構(gòu)可以看出（詹艷等，2011），在深度10 km以上的晉縣斷裂（F4）和新河斷裂（F5）呈現(xiàn)明顯的電性差異帶，表現(xiàn)為斷裂上盤的低阻和斷裂下盤的高阻，與地表地質(zhì)劃分的位置一致（圖2）。其中晉縣斷裂（F4）向西延伸約10 km，深度約7 km，平緩的歸并于太行山山前斷裂（F1）之上；新河斷裂向西延伸到深度5 km左右。在深度10 km深度之下，束鹿凹陷及其鄰區(qū)的電性結(jié)構(gòu)存在一個較大的深部隱伏電性差異帶，其向下延伸深度約30 km，向上與新河斷裂交會，推測該隱伏差異帶與新河、晉縣斷裂構(gòu)成了深部熱流向上運輸?shù)挠欣ǖ溃▓D2）。

大地?zé)崃魇堑貧せ驇r石圈深部熱狀態(tài)在地表的直觀表現(xiàn)，從冀中坳陷南部電磁剖面深部電性結(jié)構(gòu)與大地?zé)崃髦祵Ρ葓D（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，電磁剖面對應(yīng)的大地?zé)崃髦底兓c其深部結(jié)構(gòu)具有一定的對應(yīng)關(guān)系，表現(xiàn)為莫霍面埋深由西向東逐步變淺，相應(yīng)的大地?zé)崃髦涤晌飨驏|表現(xiàn)為逐步變大，同時殼內(nèi)高阻體對應(yīng)于相對低的大地?zé)崃髦?，殼?nèi)低阻體對應(yīng)相對高的大地?zé)崃髦怠Ｔ谑仪f-晉縣凹陷、寧晉凸起和束鹿凹陷之下的殼內(nèi)低阻高導(dǎo)層，埋深約為10 km，厚約為20 km，可能是由于長英質(zhì)礦物的部分熔融，與上地幔的熱物質(zhì)的上升有關(guān)（楊曉平等，2016）。束鹿凹陷及其鄰區(qū)大地?zé)崃髦悼筛哌_68 mW/m2，推測該低阻體為研究區(qū)提供了一定熱能。

圖2 冀中坳陷南部電磁剖面深部電性結(jié)構(gòu)（據(jù)詹艷等，2011）與大地?zé)崃髦担〒?jù)Wang et. al., 2019修改）對比圖Fig. 2 2-D geo-electrical structure model obtained by the NLCG along the profile of southern Jizhong Depression and variations in heat flows in southern Jizhong Depression (modified from Wang et. al., 2019)

2.1.2 熱傳遞方式

通過分析單井上蓋層與儲層的溫深關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)（圖3），束鹿凹陷中地?zé)峋疁厣钋€表現(xiàn)為溫度隨深度的增加而升高，總體上呈分段式，即第四紀(jì)沉積物地溫梯度為明顯高值（最高可達8.13℃/100 m），下部儲層為相對低值（多介于1~2℃/100 m），反映了由于熱導(dǎo)率不同，熱傳導(dǎo)速度在儲層與蓋層間存在著較大差異。

館陶組砂巖孔隙型熱儲溫深曲線呈兩段式（圖3），儲層地溫梯度在1~1.5℃/100 m。在GL7井上可以看到（圖3b），明化鎮(zhèn)組上部存在一段溫深關(guān)系，表現(xiàn)為地層溫度大于其儲層地溫梯度擬合溫度，反映了側(cè)方可能存在著高溫流體的注入（圖3b），表明砂巖熱儲中熱量傳遞以熱傳導(dǎo)為主，局部存在熱對流。

圖3 束鹿凹陷地?zé)峋疁厣钭兓€Fig. 3 Relationship between formation temperatures and depths of geothermal wells in the Shulu Sag

奧陶系巖溶型熱儲溫深曲線呈四段式（圖3c）和三段式（圖3d），儲層地溫梯度在1.5~2.5℃/100 m之間，略高于砂巖熱儲，以熱傳導(dǎo)為主傳遞熱量。其中ZY2井上東營—沙河街組地層的地溫梯度（2.88℃ /100 m）略高于下部奧陶系—寒武系（2.31℃/100 m），明顯高于上部明化鎮(zhèn)—館陶組（1.08℃/100 m），說明東營—沙河街組地層對于下伏奧陶系巖溶熱儲為一套良好的隔水阻熱層。

2.1.3 淺部地?zé)釄鎏卣?/p>

一般來說，對于基底隆起區(qū)，有較高的地溫梯度，而在基底凹陷區(qū)有較低的地溫梯度（毛小平，2018；Wang et al., 2019）。本次研究基于實測地溫梯度和熱物性參數(shù)等資料，結(jié)合前人研究成果繪制了束鹿凹陷及鄰區(qū)新生代平均地溫梯度平面分布圖（圖4a），由此分析淺部地?zé)釄鎏卣?。地溫梯度在平面分布上表現(xiàn)出顯著的橫向變化特征，表現(xiàn)為凹陷區(qū)地溫梯度低，凸起區(qū)地溫梯度高。束鹿凹陷內(nèi)部地溫梯度多介于2~3℃/100 m之間，在凹陷西南部地溫梯度較高，可達3.75℃/100m；在西側(cè)寧晉凸起上，地溫梯度多在3~3.75℃/100 m之間；在東側(cè)新河凸起上，地溫梯度多在3~4℃/100 m之間；而在南側(cè)小劉村凸起上，地溫梯度最高可達4.5℃/100 m。結(jié)合研究區(qū)的基巖地質(zhì)圖（圖1），分析可知凸起區(qū)剝露的地層愈古老，對應(yīng)的地溫梯度愈高，凹陷區(qū)沉積地層厚度越大，對應(yīng)的地溫梯度越低。

2.2 熱儲特征

2.2.1 孔隙型砂巖熱儲

目前開發(fā)利用的孔隙型砂巖熱儲主要為館陶組，其平面展布與縱向分層特征如下：

（1）頂、底板埋深：束鹿凹陷及鄰區(qū)館陶組孔隙性砂巖熱儲主要受凹凸格局限制，其頂板埋深介于300~1600 m，底板埋深介于1100~2000 m，整體而言，由南向北，由西向東，熱儲底板埋深增大（圖4b）。

圖4 束鹿凹陷及鄰區(qū)新生代地層地溫梯度平面等值線圖(a)；束鹿凹陷及鄰區(qū)館陶組底界面溫度和埋深平面等值線圖(b)Fig. 4 Cenozoic strata geothermal gradients in the Shulu Sag and its adjacent area (a); Distribution of temperatures and depths of the base of the Guantao Formation (b)

（2）底板溫度：館陶組底界面溫度受熱傳導(dǎo)差異影響，其平面分布特征與凹凸格局有一定對應(yīng)關(guān)系。表現(xiàn)為凹陷中溫度較低，周圍凸起上相對較高。束鹿凹陷館陶組底界面溫度多介于57~67℃，在其西南部最高可達75℃；西部寧晉凸起和南部小劉村凸起上，溫度相對較高，分別為65~78℃和65~75℃；東部新河凸起上，溫度為57~70℃。

（3）儲集層物性特征：館陶組熱儲主要以灰白色含礫細砂巖為主，最底部為灰色中砂巖，整體砂泥比高，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)已有井資料，其儲厚比可達55~70%，儲層厚度約為200~320 m?？傮w上呈現(xiàn)孔隙度大，約15%~35%，滲透率高，最高可達1200 mD的特征，垂向上為多套含礫砂巖與泥巖互層，表現(xiàn)為多套含水層與隔水層疊置的特征。

（4）縱向分層：以研究區(qū)內(nèi)GL7井為例（圖5a），在1487~1971 m深度范圍內(nèi)解釋出21層含水層，累計有效厚度為291 m，折算砂厚比為60.1%，單層最大厚度可達42 m，最小為2.6 m。泥質(zhì)含量普遍較低，平均值為13.7%?？紫抖容^為均一，介于17.9%~33.8%，平均值25.2%；滲透率變化大，介于14.4~1180.1 mD。

圖5 束鹿凹陷不同類型熱儲典型單井特征：館陶組孔隙性砂巖熱儲（a）；奧陶系巖溶熱儲（b）Fig. 5 Typical single well characteristics of different types of thermal reservoirs in the Shulu Sag: porous sandstone geothermal reservoir in the Guantao Formation (a); Ordovician karst geothermal reservoir (b)

2.2.2 碳酸鹽巖巖溶熱儲

奧陶系是碳酸鹽巖巖溶熱儲開發(fā)利用的主力層系，其空間展布主要受單斜狀構(gòu)造格局控制，頂板埋深變化較大，總體介于1800~6000 m，在束鹿凹陷西斜坡帶向上尖滅。據(jù)已有地?zé)徙@井資料顯示，奧陶系巖溶熱儲在井深2100~3500 m時，地?zé)崴跍囟燃性?8~91℃。鉆井巖屑揭示奧陶系地層上段巖性主要為灰?guī)r、下段巖性以白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖為主，地層厚度約為550~1100 m（黎苗，2013），總體儲厚比為20%~50%，儲層厚度約為100~550 m。巖溶熱儲非均質(zhì)性強，孔隙度在2%~18%（李東昊，2018）；滲透率在0.5~50 mD。

奧陶系熱儲在縱向上亦具有分層特征。以KD3井為例（圖5b），奧陶系地層在2165~2628 m深度范圍內(nèi)共識別出I、II、III類熱儲層共34層，儲層有效厚度共267.9 m。其中發(fā)育I類熱儲層13層，總厚度121.8 m，平均孔隙度4.1%，平均滲透率0.7~3.0 mD；II類熱儲層12層，總厚度101.2 m，平均孔隙度2.9%，平均滲透率0.2~3 mD；III類熱儲層9層，總厚度44.9 m，平均孔隙度2.5%，平均滲透率0.1~1.1 mD。該井在研究區(qū)內(nèi)孔滲物性參數(shù)整體低于研究區(qū)平均值。

2.3 地下水運移分析

2.3.1 水化學(xué)特征

研究區(qū)地下熱水有著水化學(xué)類型比較集中，礦化度較高的特征，其中陽離子以Na+占絕對優(yōu)勢，Ca2+次之，Mg+含量最低；陰離子中以Cl-占絕對優(yōu)勢，HCO3-次之，SO42-含量較低。水化學(xué)類型按C.A舒卡列夫分類為Cl-Na和Cl·HCO3-Na型兩類（圖6）。

圖6 束鹿凹陷地?zé)崃黧wPiper圖Fig. 6 Piper triangular diagram of the major ions in underground water from the Shulu Sag

取水層段為館陶組砂巖熱儲的水化學(xué)類型全部為Cl·HCO3-Na型?？傮w上，館陶組地下熱水中Cl-含量多集中在450~700 mg/L，TDS含量相對較低，大部分在2000 mg/L以下。館陶組地?zé)崴淖冑|(zhì)系數(shù)γNa/γCl為0.93~1.31，均大于0.85，說明水動力環(huán)境開放。

取水層段為奧陶系巖溶熱儲的地?zé)崴疄镃l-Na型和Cl·HCO3-Na型。TDS含量相比館陶組含量更高，普遍在2500 mg/L以上，Ca2+濃度在奧陶系巖溶地?zé)崴邪l(fā)生明顯富集，最高可達121.1 mg/L，Cl-濃度基本超過了1000 mg/L，顯著高于館陶組地?zé)崴ū?）。奧陶系地?zé)崴淖冑|(zhì)系數(shù)γNa/γCl為0.75~0.86，幾乎都小于0.85，說明水動力環(huán)境封閉。相比于館陶組砂巖熱水，奧陶系巖溶熱水中水巖相互作用中陽離子是以含Ca2+的礦物溶解為主，水巖相互作用程度更高，運移時間長，存儲存環(huán)境相對封閉，水的成熟度更高。

表2 束鹿凹陷水化學(xué)分析數(shù)據(jù)Table 2 Chemical composition and information of groundwater samples in the Shulu Sag

2.3.2 補給高程計算

大氣降水中的氫氧同位素具有高程效應(yīng)。在水文地球化學(xué)中，如果已經(jīng)確定大氣降水為地下水補給來源，可以利用氫氧同位素的高程效應(yīng)確定補給區(qū)和補給高程（Sanchez et al.，2004）。沉積盆地型地?zé)豳Y源的地下水補給來源通常為大氣降水，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地?zé)崴笑?8O的數(shù)值可以計算得到地下熱水補給高程，計算公式如下：

式中，H為補給區(qū)海拔，m；h為取樣點海拔，m；δG為地下熱水中的δ18O值，‰；δP為取樣點降水中δ18O的值，取-7.6‰；K為δ18O同位素高度梯度，取-0.11‰/100 m。其計算結(jié)果見表3。

表3 束鹿凹陷地?zé)峋a給高程計算表Table 3 Parameters and supply elevation calculated

計算結(jié)果表明，束鹿凹陷地下熱水補給區(qū)海拔在1300~2300 m之間，結(jié)合當(dāng)?shù)氐孛睬闆r，認為地下水補給主要來自西邊太行山南段裸露山區(qū)的大氣降水，在研究區(qū)內(nèi)自西向東運移。

2.4 蓋層條件

對于傳導(dǎo)型地?zé)?，熱?dǎo)率相對較低的蓋層對地溫場分布的影響尤為重要（龔育齡，2011），熱導(dǎo)率與地溫梯度呈負相關(guān)關(guān)系，蓋層的地溫梯度越高，其封蓋性能越好。研究區(qū)內(nèi)第四系平原組和新近系明化鎮(zhèn)組地層厚度約300~1400 m，其中，平原組主要沉積松散的泥質(zhì)粉砂及細砂巖，是一套良好的隔水層。同時對于下伏兩套熱儲層也是優(yōu)質(zhì)的隔熱保溫蓋層，其導(dǎo)熱率約為0.9~1.8 W/(m·K)，地溫梯度可達到6.5~8.5℃/100 m，源自地下深處的熱流途經(jīng)該層段傳導(dǎo)時，因傳遞速度變慢而產(chǎn)生富集作用。古近系和石炭系—二疊系厚度約為300~800 m，主要巖性為泥巖夾粉砂巖及細砂巖，局部發(fā)育黑色泥頁巖，對地?zé)崃黧w在垂向運移上有很好的封堵作用。該層段導(dǎo)熱率多在1.7 W/(m·K)左右，地溫梯度為1.2~3.5℃/100 m，略高于下伏熱儲層，與第四系平原組、新近系明化鎮(zhèn)組共同構(gòu)成了下部奧陶系碳酸鹽巖熱儲的優(yōu)質(zhì)蓋層。

3 地?zé)嵯到y(tǒng)概念模型

通過上述對束鹿凹陷地?zé)嵯到y(tǒng)“源、儲、通、蓋”四大地質(zhì)因素的分析可以建立起研究區(qū)兩套地?zé)嵯到y(tǒng)的成因模式。束鹿凹陷地?zé)嵯到y(tǒng)熱源可能為其下部埋深20 km處的低阻體，該低阻體東部的隱伏差異帶與上部的新河、晉縣斷裂構(gòu)成了深部熱流向上運輸?shù)挠欣ǖ?。館陶組砂巖和奧陶系碳酸鹽巖為研究區(qū)內(nèi)的兩套層狀熱儲，均接受來自西部太行山隆起大氣降水的補給，由古近系沉積的厚層砂泥巖和石炭系—二疊煤質(zhì)沉積相隔，構(gòu)成了上下兩套相互獨立的地?zé)嵯到y(tǒng)。大氣降水以地層不整合面和斷裂為運移通道，經(jīng)深部循環(huán)、圍巖加熱，并與圍巖發(fā)生水巖反應(yīng)、礦物質(zhì)和微量元素溶解形成地?zé)崴?，富集填充于熱儲中。上部第四系和明化?zhèn)組較細的沉積地層構(gòu)成了良好的蓋層，熱流在該地層傳導(dǎo)時，地溫快速降低。兩套地?zé)嵯到y(tǒng)都以熱傳導(dǎo)傳為主，局部存在熱對流共同作用傳遞熱流（圖7）。

圖7 束鹿凹陷地?zé)嵯到y(tǒng)成因模式圖Fig. 7 Conceptual model of the geothermal system in the Shulu Sag

館陶組孔隙性砂巖地?zé)嵯到y(tǒng)的熱儲底面埋深介于1100~2000 m，儲層厚度約200~320 m，熱儲底板溫度多在57~78℃，地?zé)崴瘜W(xué)類型為Cl·HCO3-Na型，水動力環(huán)境開放，上覆平原組和明化鎮(zhèn)組地層構(gòu)成其封堵蓋層；奧陶系裂隙性巖溶地?zé)嵯到y(tǒng)的熱儲頂面埋深介于1800~6000 m，儲層厚度約100~550 m，井口溫度在75~92℃，地?zé)崴瘜W(xué)類型以Cl-Na型為主，水動力環(huán)境較為封閉，由平原組和明化鎮(zhèn)組和上覆古近系、石炭系—二疊系共同構(gòu)成其封堵蓋層。

4 地?zé)崽锏責(zé)豳Y源量評價

4.1 計算方法及參數(shù)的確定

束鹿凹陷兩套地?zé)嵯到y(tǒng)均為沉積盆地型層狀熱儲，根據(jù)上述地?zé)崽锍梢驒C制分析，結(jié)合目前已有的鉆探資料可以使用熱儲體積法對館陶組砂巖熱儲和奧陶系巖溶熱儲進行資源量評價。其基本原理為計算某一給定體積的巖石和水中所含有的全部熱含量之和，其計算公式如下：

式中，Q為地?zé)豳Y源量，J；A為評價區(qū)面積，m2；d為熱儲有效厚度，m；φ為巖石的孔隙度，%；tr為熱儲溫度，℃；t0為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁兀?4.9℃；Pc為巖石密度，取2700 kg/m3；Cc為巖石比熱容，其中砂巖比熱取878 J/(kg·℃)，灰?guī)r比熱取920 J/(kg·℃)；Pw為水的密度，取1000 kg/m3；Cw為水的比熱容。取4180 J/(kg·℃)。

公式中各個參數(shù)確定如下（表4）：

表4 束鹿凹陷地?zé)豳Y源評價參數(shù)取值與計算結(jié)果Table 4 Evaluation parameters and calculated data of geothermal resources in the Shulu Sag

（1）評價區(qū)面積（A）：館陶組熱儲評價面積為束鹿凹陷洼槽帶和斜坡帶區(qū)域，奧陶系為凹陷內(nèi)基巖地質(zhì)圖中石炭系—二疊系和奧陶系出露區(qū)域，由GeoMap軟件計算面積分別為674.66 km2和562.44 km2。

（2）熱儲有效厚度（d）：通過已有鉆井進行儲厚比（有效儲層厚度/地層厚度）統(tǒng)計計算，再結(jié)合平均地層厚度計算出儲層厚度（平均地層厚度×儲厚比）。其中，館陶組地層儲層厚度200~320 m，平均儲層厚度取286.2 m；奧陶系地層儲層厚度100~550 m，平均儲層厚度取130.7 m。

（3）熱儲平均溫度（tr）：為熱儲頂?shù)装鍦囟鹊钠骄?，其中，館陶組砂巖熱儲溫度為57~67℃，平均溫度取59.6℃；奧陶系巖溶熱儲溫度為78~91℃，平均溫度取75.9℃。

（4）熱儲孔隙度（φ）：根據(jù)測井解釋數(shù)據(jù)統(tǒng)計，束鹿凹陷館陶組孔隙度15%~35%，平均孔隙度取25.5%；奧陶系孔隙度2%~18%，平均孔隙度取7.8%。

4.2 評價結(jié)果分析

束鹿凹陷兩套地?zé)嵯到y(tǒng)計算出的地?zé)豳Y源量如表2所示。根據(jù)公式計算出館陶組砂巖熱儲平均資源量值為244.430×108GJ，奧陶系巖溶熱儲平均資源量值 203.752×108GJ，合計為 448.182×108GJ，折合標(biāo)煤 15.296×108t（1t標(biāo)煤可產(chǎn)出 29.3 GJ熱量）。根據(jù)《地?zé)豳Y源評價方法》（DZ40-85）規(guī)定，砂巖熱儲回收率為25%，巖溶熱儲回收率為15%，所以束鹿凹陷可采資源量為91.671×108GJ，折合標(biāo)煤3.129×108t。若按100年開采計，每年可開采地?zé)豳Y源量折合標(biāo)煤3.129×106t。根據(jù)每平方米每年供暖所需熱量為0.0283 t標(biāo)煤，束鹿凹陷地?zé)豳Y源量滿足的供暖面積可達1.106×108m2，資源開發(fā)潛力巨大

5 討論

5.1 兩套地?zé)嵯到y(tǒng)的成因差異

如前所述，束鹿凹陷的兩套地?zé)嵯到y(tǒng)具有相同的水源，均為來自太行山南段裸露山區(qū)的大氣降水，但運移的路徑、時間、與形成的水化學(xué)特征等方面有所差異：（1） 運移路徑：淺層館陶組砂巖熱儲地層整體均一平緩，埋藏深度為1600~2000 m，地?zé)崴谏皫r熱儲中較平穩(wěn)地至西向東運移；而深層的奧陶系碳酸鹽巖熱儲受古近紀(jì)斷塊旋轉(zhuǎn)、差異升降的影響，地層呈多個并列的不規(guī)則單斜或褶皺狀特征，頂板埋藏深度變化較大，約1800~6000 m，運移路徑復(fù)雜，地?zé)崴h(huán)深度大；（2） 運移時間：根據(jù)本次測試得到的奧陶系熱水14C年齡大于4萬年，收集到的館陶組熱水14C年齡為3.29 ± 0.16萬年（方連育等，2015），說明源于同一地區(qū)大氣降水，在研究區(qū)奧陶系儲層內(nèi)運移時間相對更長；（3） 水化學(xué)特征：兩套地?zé)嵯到y(tǒng)中的地?zé)崴瘜W(xué)特征有明顯區(qū)別，砂巖熱儲中地?zé)崴V化度為900~2300 mg/L，水化學(xué)類型主要為Cl·HCO3-Na；奧陶系碳酸鹽巖熱儲中地?zé)崴V化度為2500~3300 mg/L，水化學(xué)類型主要為Cl-Na。水化學(xué)特征與運移路徑、時間的差異密切相關(guān)。但對比兩套地?zé)嵯到y(tǒng)與其之間古近系和石炭系—二疊系地?zé)崴牡V化度可知（圖8），沙河街組流體系統(tǒng)礦化度最高，在0~150000 mg/L，以鹽水和鹵水為主，儲存環(huán)境封閉，對上下兩套地?zé)嵯到y(tǒng)在垂向上起到分隔作用，使兩套熱儲形成相互獨立的地?zé)嵯到y(tǒng)。而新近系館陶組和奧陶系地?zé)崴偷V化度的特征，表明了地?zé)崴鎯Νh(huán)境相對開放，適于后期的開采利用。

圖8 束鹿凹陷地層水礦化度隨深度變化分布圖（據(jù)蔡川等，2020修改）Fig. 8 Changes in TDS with depth in wells from the Shulu Sag（modified from Cai et al., 2020）

此外，從區(qū)域上看，上下兩套地?zé)嵯到y(tǒng)分布的特征在冀中坳陷南端普遍存在，如其西部的石家莊凹陷同樣包含新近系館陶組砂巖地?zé)嵯到y(tǒng)和基巖巖溶裂隙地?zé)嵯到y(tǒng)，接受大氣降水補給（胡君春和郭純青，2008）。其中館陶組砂巖地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲底板埋深943~1825.5 m，厚度200~656 m，水化學(xué)類型為Cl·HCO3-Na型，礦化度為1000~3000 mg/L，井口溫度50~59℃；基巖巖溶地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲頂面埋深1300~2000 m，厚度為25~350 m，水化學(xué)類型為Cl·HCO3-Na和HCO3-Na型，礦化度在2080~3130 mg/L，井口溫度50~83℃，展示了與束鹿凹陷地?zé)嵯到y(tǒng)基本類似的特征。

5.2 資源量評價的可靠性

對比兩套熱儲地?zé)豳Y源量，館陶組砂巖熱儲資源量可能區(qū)間為 149.727×108~337.227×108GJ，奧陶系巖溶熱儲的資源量可能區(qū)間89.219×108~655.760×108GJ，大于館陶組地?zé)豳Y源量區(qū)間。相較于奧陶系巖溶熱儲，館陶組砂巖在全區(qū)厚度均一，儲層物性參數(shù)變化較小。奧陶系巖溶熱儲僅在研究區(qū)洼陷帶和西斜坡帶上有分布，且在洼陷帶埋深普遍超過3000 m，非均質(zhì)性強。綜合鉆遇深度等經(jīng)濟條件，認為淺層館陶組地?zé)嵯到y(tǒng)相較于奧陶系地?zé)嵯到y(tǒng)更具開發(fā)利用價值。

劉現(xiàn)川（2017）用熱儲體積法對辛集-寧晉地?zé)崽锕派鐘W陶系巖溶熱儲資源量進行計算，得到其地?zé)豳Y源量為191.993×108GJ，折合標(biāo)煤6.551×108t，該結(jié)果在本次研究得到的奧陶系熱儲地?zé)豳Y源量區(qū)間內(nèi)，與計算得到的平均資源量值203.752×108GJ相當(dāng)。

6 結(jié)論

（1）束鹿凹陷可能接受其下20 km處深部地殼結(jié)構(gòu)中的低速高導(dǎo)體提供熱源，其右側(cè)的隱伏電性差異帶連通上部新河斷裂和晉縣斷裂構(gòu)成了深部熱流向上運輸?shù)挠欣ǖ馈Ｊ拱枷菁班弲^(qū)的淺部地溫場在平面上表現(xiàn)為凹陷區(qū)地溫梯度的相對低值，多介于2~3℃/100 m，凸起區(qū)地溫梯度的相對高值，多介于3~4℃/100 m。熱傳遞方式以熱傳導(dǎo)為主，局部存在熱對流傳導(dǎo)。

（2）束鹿凹陷及鄰區(qū)館陶組砂巖熱儲底板埋深介于1100~2000 m，儲層厚度約為200~320 m，孔隙度約15%~35%，滲透率高達1200 mD，熱儲底板溫度多在57~78℃；奧陶系巖溶熱儲頂板埋深變化較大，介于1800~6000 m，儲層厚度約為100~550 m，孔隙度多在2%~18%，滲透率多在0.5~50 mD，地?zé)崴跍囟仍?5~92℃。

（3）束鹿凹陷館陶組地?zé)崴瘜W(xué)類型以Cl·HCO3-Na型為主，奧陶系灰?guī)r熱儲地?zé)崴疄镃l·HCO3-Na和Cl-Na型，均接受來自西部太行山隆起大氣降水的補給，以不整合面和斷裂為水運移通道，經(jīng)深部循環(huán)加熱后，富集于熱儲中。

（4）束鹿凹陷兩套層狀熱儲構(gòu)成了上下兩套地?zé)嵯到y(tǒng)，其中館陶組砂巖熱儲資源量為244.430×108GJ，奧陶系巖溶熱儲 203.752×108GJ，兩套地?zé)嵯到y(tǒng)的資源量合計為448.182×108GJ，折合標(biāo)煤15.296×108t。年開采地?zé)豳Y源量可滿足1.106×108m2的供暖面積，開發(fā)潛能巨大。