夏國朝，樓 達,*，趙艷婷，王 輝，段忠豐，孫曉林，張飛鵬，雒 蓉，葛家成

(1.中國石油大港油田公司，天津 300280；2.天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津 300250；3.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580)

地熱資源作為清潔的可再生能源，在生態(tài)城市建設中具有顯著優(yōu)勢，是助力“碳達峰碳中和”目標實現的重要措施[1-2]。歧口凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷中北部，是華北盆地內的中新生代斷陷盆地，地熱資源豐富[3]。凹陷區(qū)自1982年開始利用地熱資源，至今地熱井已超120孔，集中在凹陷區(qū)的北部和中部，開發(fā)利用規(guī)模達到6.8×106m3/a。歧口凹陷行政區(qū)劃主要位于天津市濱海新區(qū)、津南區(qū)以及河北省黃驊市，區(qū)內經濟發(fā)展勢頭強勁，能源需求旺盛[4-5]，客觀評價地熱資源潛力具有重要的經濟價值和現實意義。

凹陷區(qū)內熱儲層包括新近系館陶組(Ng)、古近系東營組(Ed)以及古生界奧陶系(O)等地層[6-7]。其中，館陶組熱儲埋藏淺、厚度大、分布廣，是典型的沉積盆地砂巖孔隙型熱儲，是區(qū)內開發(fā)利用規(guī)模最大、最具經濟價值的熱儲層，除西北部和中部有小范圍缺失外，其余地區(qū)皆有分布。

前人主要圍繞渤海灣盆地局部的地溫場[8]、水化學場[9]、地熱資源分布[10]等開展研究工作，部分學者對歧口凹陷北部部分地區(qū)奧陶系以及元古界進行了地熱資源評價[11-12]。總體上歧口凹陷館陶組熱儲研究程度低，對熱儲地溫場、水化學場以及地熱水富集規(guī)律缺乏認識，制約了歧口凹陷區(qū)館陶組地熱資源的高效開發(fā)和規(guī)模利用。

歧口凹陷作為重要的油氣勘探地區(qū)，經過近60 a的勘探開發(fā)，保存有大量的鉆井、物探以及地質資料，為館陶組地熱資源的系統(tǒng)評價提供了重要基礎資料。筆者以歧口凹陷新近系館陶組熱儲為研究對象，通過分析區(qū)內大量鉆井以及地質、物探資料，系統(tǒng)刻畫館陶組熱儲特征及分布規(guī)律，繪制熱儲厚度、物性及地溫場、水化學場等圖件，研究地熱資源成因機理、建立熱田成因模式，以期為凹陷區(qū)科學化、規(guī)?；约翱沙掷m(xù)性開發(fā)地熱資源提供重要支撐，為其他地區(qū)科學勘查開發(fā)砂巖型熱儲提供參考借鑒。

1 區(qū)域地質背景

歧口凹陷為黃驊坳陷的次級單元，位于黃驊坳陷中北部，是典型的箕狀斷陷，為古近紀以來長期繼承性發(fā)育的凹陷(圖1)。區(qū)內斷裂走向以NNE、NE、NEE?近EW和NWW向為主，具有明顯的地區(qū)差異，包括1條Ⅰ級斷裂(滄東斷裂)和多條Ⅱ級斷裂，對盆地形成和發(fā)育起著重要作用[13-16]。地層具有雙層結構特點，底部基底之上覆蓋沉積蓋層，地層自下而上為薊縣系(Jx)、青白口系(Qb)、寒武系(∈)、奧陶系(O)、石炭–二疊系(C-P)、侏羅系(J)、白堊系(K)、古近系(E)、新近系(N)和第四系(Q)[17-18]。凹陷內發(fā)育多層熱儲，其中新近系館陶組(Ng)砂巖熱儲普遍分布，巖性以陸相碎屑巖為主，是區(qū)內主要的孔隙型熱儲層[19]。

圖1 歧口凹陷構造及地質剖面圖Fig.1 Structural sketch of the Qikou Sag

2 地溫場特征

依據區(qū)內地熱井測溫資料及石油勘探井試油溫度資料計算地溫梯度，總共采用了72個數據點，能夠反映區(qū)內地溫梯度分布規(guī)律。歧口凹陷內大部分區(qū)域蓋層地溫梯度變化范圍2.5～3.5℃/hm；靠近滄東斷裂地區(qū)異常明顯，地溫梯度為3.5℃/hm以上，局部可達5.0℃/hm以上；在濱海斷裂附近，受斷裂和火成巖影響，出現局部地溫異常，地溫梯度為3.5℃/hm以上?；鶐r起伏與地溫梯度呈正相關關系(圖2)。

圖2 蓋層平均地溫梯度等值線Fig.2 Isoline map showing the average geothermal gradient of cap rocks

分析區(qū)內多年穩(wěn)態(tài)測溫及地溫梯度曲線，地層溫度雖局部受巖性、孔隙率和滲透率變化等因素影響出現波動，但總體上地溫隨深度增加而增加，具有較好的線性關系。第四系地層結構疏松，熱導率小，起隔熱作用，地溫梯度高；進入新近系明化鎮(zhèn)組后，受地下水活動的影響，地溫梯度降低；進入新近系館陶組后，巖層孔隙率大、滲透性好，地下水活動強烈，地溫梯度較明化鎮(zhèn)組低，在1 670～1 700 m深度，地溫梯度陡然增加，因為巖性由細砂巖變?yōu)槟鄮r；進入館陶組Ⅲ段后，巖性由大段泥巖變?yōu)樯皫r，地溫梯度恢復到低值(圖3)。

圖3 地溫曲線及地溫梯度曲線Fig.3 Curves of geotemperature and geothermal gradient

根據區(qū)域大地熱流數據，包括油井、地熱井等測試結果[20-21]，滄縣隆起區(qū)大地熱流平均67.3 mW/m2，黃驊坳陷內部大地熱流普遍較低，平均48.1 mW/m2(表1)。同地溫梯度分布規(guī)律類似，黃驊坳陷內部的凸起區(qū)大地熱流高于凹陷區(qū)[22]。

表1 區(qū)域大地熱流數據Table 1 Regional terrestrial heat flow

3 熱儲特征分析

3.1 分布特征

歧口凹陷內館陶組熱儲是在準平原化的基礎上形成的曲流河和辮狀河砂體，巖性以陸相碎屑巖為主，是區(qū)內主要的孔隙型熱儲層，總體上受河流沉積相控制，靠近滄東斷裂附近局部缺失，其他地區(qū)廣泛分布，垂向上沉積旋回明顯，自下而上呈現粗?細?粗的沉積特征，分為館I段、館Ⅱ段和館Ⅲ段。砂體分布受沉積特征影響，砂層主要發(fā)育在館I段與館Ⅲ段，是較理想的含水層。

根據油井、地熱井鉆探資料，歧口凹陷區(qū)內頂板埋深為1 050～2 650 m(圖4)，整體呈SW?NEE向埋深增加的特征，鄰近沙壘田凸起和沙南凹陷地區(qū)埋深最大，頂板埋深超過2 000 m，底板埋深超過2 600 m；孔店?齊家務潛山構造帶和鄰近滄縣隆起和埕寧隆起地區(qū)埋深最淺，基本未超過1 500 m。

圖4 館陶組熱儲頂板埋深等值線Fig.4 Isoline map showing the hanging wall burial depth of geothermal reservoirs in the Guantao Formation

館陶組在區(qū)內廣泛分布，厚度250～550 m，僅在鄰近滄縣隆起地區(qū)有部分缺失，館陶組熱儲呈現如下特征。

(1) 垂向上呈現粗?細?粗的沉積特征，分為館Ⅰ砂巖段、館Ⅱ泥巖段和館Ⅲ砂礫巖段。館Ⅰ段巖性為灰綠、灰白色厚層粉?細砂巖，夾灰綠、棕紅色泥巖，以及泥巖與砂巖互層，局部具波狀微細交錯層理。館Ⅲ段也稱砂礫巖段，巖性以厚層狀砂礫巖夾泥巖為主，底部為砂礫巖、礫巖，偶爾夾薄層泥巖[23-24]，局部地區(qū)砂層厚度較薄。

(2) 水平分布上，砂體呈透鏡狀及帶狀。館陶組沉積時期主要物源區(qū)是太行山及燕山，次要物源區(qū)是滄縣隆起及埕寧隆起，以NE向為軸向兩側逐漸減少，沉積中心地層分布厚度大，砂巖層多而厚，砂地比高，向兩側地層厚度減薄。以歧口主凹、歧北次凹和扣村?羊三木潛山構造帶最厚，達250～398 m；鄰近滄縣隆起和埕寧隆起厚度最小，為0～150 m(圖5)。

圖5 館陶組熱儲砂層厚度等值線Fig.5 Isoline map showing the sand body thickness of geothermal reservoirs in the Guantao Formation

3.2 孔滲特征

良好的孔滲條件，有利于地熱水資源的富集，同時孔滲條件較好的區(qū)域，有利于深部熱能以地下水為介質通過熱傳導的方式上傳至上部砂巖熱儲。利用石油勘探井的補償中子測井、補償密度測井曲線進行解譯，并采用典型井的巖心實測孔滲數據進行了驗證，共得到孔隙率數據點72個、滲透率數據點72個，分散分布于研究區(qū)，能夠控制數據精度(圖6)。

圖6 館陶組熱儲孔隙率分布等值線Fig.6 Isoline map showing the porosity distribution of geothermal reservoirs in the Guantao Formation

館陶組熱儲孔隙率發(fā)育南北較好，中部較差，整體在26%以上(圖6)。南北孔隙率可達30%以上，凹陷中部孔隙率26%左右。垂向上主要受壓實作用影響，隨埋深增大，孔隙率逐漸減小。2 000 m以淺孔隙率為20%～40%，2 000～2 550 m孔隙率一般為10%～30%(圖7)。

圖7 孔隙率隨深度變化曲線Fig.7 Depth-varying porosity

滲透率與孔隙率的分布規(guī)律基本一致，南北較大，中部較小(圖8)，整體在390×10?3μm2以上。凹陷北部儲層滲透率發(fā)育較好，2 000 m以淺滲透率為(600～1 050)×10?3μm2；凹陷中部滲透率稍差，2 000 m以淺滲透率為(350～550)×10?3μm2；凹陷南部滲透率相對中部稍好，2 000 m以淺滲透率為(550～900)×10?3μm2(圖9)。

圖8 館陶組熱儲滲透率等值線Fig.8 Isoline map showing the permeability of geothermal reservoirs in the Guantao Formation

圖9 滲透率隨深度變化曲線Fig.9 Depth-varying permeability

3.3 熱儲儲水特征

根據館陶組地熱井成井時降壓試驗資料，歧口凹陷 內館陶組單井涌水量為40～134 m3/h，平均60 m3/h。富水區(qū)主要分布在北部的歧口主凹內，單井涌水量大于100 m3/h。涌水量較小地區(qū)主要分布在凹陷南部，單井涌水量普遍小于60 m3/h，其他地區(qū)涌水量一般60～100 m3/h(圖10)[25-26]。區(qū)內館陶組地熱水富水規(guī)律呈南北分帶特征，即越往北，富水性越好，這與地熱流體的補給源來自北方山區(qū)的觀點基本一致。

圖10 館陶組熱儲涌水量等值線Fig.10 Isoline map showing the water yield of geothermal reservoirs in the Guantao Formation

4 地熱資源潛力

4.1 資源量

依據GB/T 11615?2010《地熱資源地質勘查規(guī)范》，采用熱儲法對研究區(qū)館陶組熱儲地熱資源量進行計算。計算公式如下：

地熱可開采量采用回收率法[12]計算，區(qū)內孔隙率大于20%，回收率取25%。

計算結果見表2。從表可知，館陶組熱儲地熱資源總量為41.81×1018J，其中天津市濱海新區(qū)和河北省黃驊市熱儲分布面積廣，占地熱資源總量的95%。

表2 館陶組資源量計算結果(基準溫度13.5℃)Table 2 Calculation results of geothermal resources in the Guantao Formation (temperature baseline: 13.5℃)

4.2 開發(fā)目標區(qū)

考慮熱儲溫度、單井涌水量和熱儲頂板埋深3個參數，對研究區(qū)館陶組地熱資源進行潛力分區(qū)，圈定地熱資源開發(fā)目標區(qū)，分級標準見表3。

表3 地熱資源評價分級標準Table 3 Grading criteria for geothermal resource assessment

單井涌水量大于40 m3/h且熱儲溫度大于等于60℃的區(qū)域均為潛力區(qū)；在此基礎上，選取單井涌水量大于等于80 m3/h，熱儲溫度大于等于70℃，且頂板埋深小于2 000 m的區(qū)域作為Ⅰ類潛力區(qū)；選取單井涌水量在40～60 m3/h的區(qū)域作為Ⅲ類潛力區(qū)；其余為Ⅱ類潛力區(qū)。具體分布如圖11所示。Ⅰ類潛力區(qū)面積約608.7 km2，Ⅱ類約3 018.6 km2，Ⅲ類約1 742.5 km2，合計5 369.8 km2。

圖11 歧口凹陷館陶組地熱資源潛力分區(qū)Fig.11 Geothermal resource potential zones of the Guantao Formation in the Qikou Sag

5 熱儲成因機制

5.1 熱源與傳遞方式

熱源主要包括地幔傳導熱流和地殼中放射性元素衰變產生的熱[27]。

區(qū)內莫霍面埋深較周邊山區(qū)淺，約33 km，有利于深部熱量向淺部傳導。燕山期酸性花崗巖侵入體主要位于8～16 km深處，放射性元素生熱率高，是附加熱源。利用剝層法[28]計算殼幔熱流貢獻，結果顯示地幔熱流占地表熱流的48.5%，放射性元素衰變熱占51.5%[29-30]。

42個鉆孔揭露顯示，歧口凹陷內分布有少量的新生代火山巖，巖性包括安山巖、玄武巖、凝灰?guī)r和輝綠巖，安山巖、玄武巖和凝灰?guī)r屬噴出巖，熱影響時期較短，對地熱形成意義不大。輝綠巖為侵入巖，深度在3 000～3 150 m，僅在歧南2井附近發(fā)現，對地熱影響有限。華北平原地殼上部巖漿余熱產生的熱流很少，不作為熱源考慮[31-32]。

研究區(qū)屬中低溫沉積盆地型地熱異常區(qū)，熱流傳遞以熱傳導為主。地溫梯度的垂向變化主要受巖石熱導率及地下水活動的綜合影響，一般來說，熱導率低，地溫梯度高；反之則低。地下水活動強烈，地溫梯度低。

5.2 地熱流體來源

從區(qū)內86組熱儲地熱流體的氫氧同位素測試結果(圖12)可以看出，均落在大氣降水線下方，新近系明化鎮(zhèn)組及館陶組熱水點距降水線較近，基巖地熱流體產生了氧漂移現象，表明區(qū)內新近系熱水是現代降水與早期大氣降水混合形成，且隨著熱儲溫度的升高，水與巖石的18O交換作用強，產生了氧漂移。

圖12 熱儲地熱水δD-δ18O同位素關系Fig.12 δD versus δ18O of geothermal water in geothermal reservoirs

根據區(qū)內16個鉆孔中地熱水的14C測年結果(表4)，地熱水年齡自西北向東南逐漸變老，說明地下熱水自北西向南東方向緩慢運移，補給來源可能是北部燕山山區(qū)和西部太行山區(qū)的古大氣降水。明化鎮(zhèn)組地熱水14C年齡總體大于館陶組，說明館陶組地下水交換較強烈，有年齡較新的現代水源補給[28]。大氣降水和地表水入滲后，沿斷裂、節(jié)理裂隙及地層孔隙等通道運移，在運移過程中，不斷與熱儲介質進行水熱交換，經深部循環(huán)成為地熱流體。

表4 地熱流體14C分析數據Table 4 Data from 14C analysis of geothermal fluids

5.3 地熱水循環(huán)過程

14C表觀年齡分析能夠體現天津地區(qū)館陶組熱儲中地熱水運移規(guī)律。可以看出，同一構造單元內上下熱儲層之間地熱水年齡顯著不同，熱儲層之間的黏土和泥巖層透水性差，阻止了垂向上的水力聯系，熱儲內以水平方向徑流為主。

研究區(qū)范圍內發(fā)育的滄東斷裂、海河斷裂，是良好的導水導熱斷裂，濱海斷裂作為導熱斷裂，導致北大港地區(qū)出現局部熱量富集和地熱異常區(qū)。

5.4 地熱系統(tǒng)成因機制

根據已有地熱井和石油井測溫資料，館陶組熱儲溫度多低于90℃，屬低溫地熱資源。按水熱系統(tǒng)成因機制分類，區(qū)內新近系館陶組熱儲屬沉積盆地深坳陷層控型水熱系統(tǒng)[33-34]。

深部地幔熱流和地殼中放射性元素衰變產生的熱向淺部傳導，是區(qū)內館陶組熱儲的熱源保障；而區(qū)內高熱導的基巖隆起區(qū)有利于深部熱量向淺部傳導，形成地熱異常區(qū)。上部的新近系明化鎮(zhèn)組和第四系熱導率較低，作為蓋層，起到了很好的保溫隔熱效果。

來自北部燕山山區(qū)和西部太行山區(qū)的古大氣降水自北西向南東方向沿地層水平徑流，吸收熱量，溫度升高，形成地熱水。

研究區(qū)新近系館陶組孔隙型熱儲具有高孔、高滲的特點，為地熱流體的賦存提供了空間。

此外，研究區(qū)內導水導熱的深大斷裂，溝通了淺部孔隙型熱儲和深部基巖熱儲，以熱對流的方式實現熱能局部富集。

綜上，新近系館陶組熱儲具備了地熱資源形成和賦存所需的“熱源、水源、儲層、蓋層和循環(huán)通道”等要素，資源條件好，是研究區(qū)內的主力熱儲層。

6 結論

a.歧口凹陷區(qū)新近系館陶組砂巖孔隙型熱儲普遍分布，是目前的主力開發(fā)熱儲層。

b.區(qū)內地溫場屬傳導型地溫場，地溫梯度分布總體上受基巖起伏控制，在基巖凸起部位形成地熱異常區(qū)。受導水導熱的滄東斷裂影響，局部呈現地溫異常，地溫梯度局部達5.0℃/hm以上。

c.歧口凹陷區(qū)館陶組熱儲的孔隙率、滲透率變化規(guī)律基本一致，南北兩側較高，中部較低。熱儲孔隙率整體在26%以上，滲透率在390×10?3μm2以上，孔滲性較好，單井涌水量平均60 m3/h，最高可達134 m3/h，是優(yōu)質熱儲。

d.歧口凹陷區(qū)館陶組熱儲為沉積盆地傳導型地熱系統(tǒng)。古大氣降水自北部燕山山區(qū)補給，經緩慢的深循環(huán)交替、水熱對流后，形成地熱水，地下水系統(tǒng)相對封閉。

e.歧口凹陷區(qū)館陶組熱儲地熱資源量為41.81×1018J，其中天津市濱海新區(qū)和河北省黃驊市熱儲分布面積廣，占地熱資源總量的95%，資源與需求匹配度較高，具有良好的開發(fā)利用前景。

符號注釋：

A為研究區(qū)面積，m2；C為熱儲巖石和地熱流體的平均體積熱容，J/(m3·℃)；Cr為熱儲巖石比熱容，取910 J/(kg·℃)；CW為地熱流體比熱容，取4 180 J/(kg·℃)；H為熱儲層厚度，m；Qr為熱儲中儲存的熱量，J；tr為熱儲層溫度，℃；t0為基準溫度，取13.5℃；ρr為熱儲巖石密度，取2 103 kg/m3；ρW為地熱流體密度，取984.544 kg/m3；φ為熱儲巖石的孔隙率，取34.5%。