牛驼镇地热田地热系统特征及其成因机制研究

2018-06-20

地下水 2018年3期

(河北省地矿局第三水文工程地质大队，河北衡水 053000)

二十一世纪人类将面临资源、环境与灾害的严重挑战。如何开发利用洁净的、对环境不产生或少产生污染的新能源，保护人类赖以生存的自然环境，是我国乃至世界各国经济发展的重要战略目标。地热资源做为一种新能源，因开采条件简单、用途广泛而日益受到人们的青睐。2006年1月1日起施行的《中华人民共和国可再生能源法》也提出把地热等可再生能源的开发利用作为能源发展的优先领域。河北省固安县地热资源丰富，以中、低温地热资源为主，开发利用中、低温地热资源形成了以供暖为主，综合开发温泉洗浴、水疗养生和水上游乐等项目。随着社会各界对地热资源优越性的逐步认识，地热资源开发规模迅速扩大，开发利用地热资源对于缓解能源紧张，调整能源消耗结构，改善城镇环境质量，提高居民生活水平，对于促进地方经济发展，加快城市的发展进程将发挥重要的作用。

1 牛驼镇地热田概况

牛驼镇地热田地处京津保三角地区腹地，地热田展布面积达605.65 km2，地热田地质条件良好，在冀中台陷的控制下，全区地层由新到老分别为新生界第四系，新近系明化镇组，古近系沙河街组，中上元古界青白口系、蓟县系。热储层位主要为新近系明化镇组孔隙热储、新近系馆陶组孔隙热储、奥陶系岩溶裂隙热储、蓟县系铁岭组岩溶裂隙热储和蓟县系雾迷山组岩溶裂隙热储，盖层主要为新近系和第四系，地热区域热储属中、低温地热资源，地热矿水温度范围30℃～100℃，水化学类型以HCO3·Cl-Na、Cl·HCO3-Na、Cl-Na为主。

2 牛驼镇地热田地热系统特征

牛驼镇地热田拥有相对较高的地热水资源，其高温地热水的形成有其相对较好的地热田地质条件，本文从构造、地热储层结构、地梯温度场等多个角度分析了其地热田地热系统特征。

2.1 地热田构造特征

牛驼镇地热田处于中朝准地台(Ⅰ级)，华北断拗(Ⅱ级)，冀中台陷(Ⅲ级)，牛驼镇断凸(Ⅳ级构造单元)的北部斜坡上，紧邻廊固断凹。牛驼镇断凸是冀中台陷北部的一个早第三纪长期隆起形成的正向构造单元，东南为武清-霸县断凹，北及西为廊固断凹、容城断凸[1，2]。

1)牛驼镇断凸。牛驼镇断凸基岩顶最浅埋深为700 m，牛驼镇热田基岩顶面等深线4 000 m所圈定之面积为1 100 km2，闭合度3 300 m；凸起内幕为北北东或北东倾的单斜；基岩地层自东南而东北由老变新，依次为长城系、蓟县系、青白口系、寒武系、奥陶系、石炭—二叠系。牛驼镇断凸主体分南北两段，东南段地层主要为长城系高于庄组和蓟县系雾迷山组，分别厚2 000、3 000m；东北段主体层位为青白口系、下古生界。东南段地层层位老，隆升幅度也高于东北段。

2)廊固断凹走向NE-NNE盖层为第四系、新近系及古近系,基岩为中生界。从基底形态看，断凹北部为凤河营潜山带，东部为河西务断裂潜山带，西部为九州—曹家务潜山带。

3)武清-霸县断凹形态是一个北东向展布的箕状负向构造，西北部陡，东南缓，西陡东缓，凹陷沉积中心在霸州城区东部。凹陷基岩由古生界至元古界组成，因断裂沉陷，基岩之上沉积了巨厚的新生界，最大埋深近7 000 m，沉积盖层主要为新生界第三系、第四系组成，第三系常为断层复杂化，形成大小不等的断块构造。第四系构造单一，其底略有起伏。武清霸县断凹西北的牛驼镇凸起是一个新生代早期的拱升区，基岩由元古界—古生界组成，有其优越的地热地质条件。武清霸县断凹的东部有苏桥潜山带，基岩由古生界组成，亦有较好地热地质环境[3,4]。

2.2 地热储层结构特征

区域热储属中、低温地热资源按其赋存条件可分二种，一种是赋存于新生界砂岩中的孔隙水；一种是赋存于碳酸盐岩中的岩溶裂隙水。

1)新近系明化镇组孔隙热储。新近系明化镇热储是本区广泛分布的热储层。该热储层埋藏浅，颗粒较粗，胶结疏松，富水性强，水质较好。热储层含水岩性为细砂岩、中砂岩，热储砂岩厚度在牛驼镇断凸的中部较薄，向四周逐渐加厚，中部一般<150 m，边缘最厚可达400 m，平均厚度为225 m。平均砂厚比约31%。热储层中部温度中南部较高，一般大于50℃ ，北部热储温度较低，一般为40℃～50℃。区域加权平均渗透率814.77×10-3μm2，孔隙度18%～34%，区域单井涌水量一般60～80 m3/h，最大90 m3/h；井口水温在51℃～63℃；矿化度0.5～1.5 g/L，水化学类型为HCO3—Na和HCO3·Cl—Na型水，pH值7.2～9.0。

2)新近系馆陶组孔隙热储。新近系馆陶组热储层主要分布于牛东断裂后缘线以东凹陷区域内，平均热储厚度较薄，富水性较好。热储层一般厚度在200～400，在武清-霸县断凹内沉积最后可达500 m, 热储层含水岩性为细砂岩、粉砂岩、中砂岩及含砾砂岩，平均砂厚比39.4%。热储中部温度45℃～65℃，平均热储温度为53℃。热储平均孔隙度22%～30%，区域加权平均渗透率329.83×10-3μm2，区域单井涌水量为40～87 m3/h，井口水温在50℃～73℃，矿化度 1.6～2.4 g/L，水化学类型为Cl·HCO3—Na或Cl—Na型水，pH值7.7～8.4。

3)奥陶系岩溶裂隙热储。主要分布在牛驼镇地热田东北部，热储岩性为灰岩、白云岩及灰质白云岩。储厚比32.0%，平均热储厚度82.8 m，平均空隙率1.81%；区域单井涌水量为2～60 m3/h左右，出水能力差别较大，井口水温50℃～60℃。矿化度1.08～2.3 g/L，水化学类型为HCO3—Na和Cl·HCO3—Na型水。

4)蓟县系铁岭组岩溶裂隙热储。热储岩性为灰质白云岩、白云岩，热储层平均温度80.5℃，平均空隙度1.65%，平均热储厚度51.8 m,裂隙岩溶发育段约占地层厚度的30%。地热井单位涌水量5.119 m3/h·m，矿化度约2.955 g/L，pH值约7.46，水化学类型为Cl—Na型水，井口水温最高86.0℃。

5)蓟县系雾迷山组岩溶裂隙热储。蓟县系雾迷山组岩溶裂隙热储为区域性热储层，热储岩性为灰白、灰褐色白云岩、燧石条带白云岩，性硬脆，岩溶裂隙发育，富水性好，平均储厚比30%，热储空隙率2.0%～9.3%。本区主要分布在牛驼镇地热田的东南部，平均埋深987.6 m，热储平均温度83℃，井口水温最高可达104℃，单井涌水量25～150 m3/h，水化学类型为Cl—Na型水或 Cl·HCO3—Na型水，矿化度为2.5～3.298 g/L，pH值6.5～8.3。

图1 牛驼镇地热储层结构特征

2.3 地热温度场特征

2.3.1 地温场平面分布特征

依据牛驼镇石油孔和地热井资料，区域上地热异常带受本区凹凸相间的地质构造所控制，高温区与基岩隆起区相一致，新生界地温梯度高值沿牛驼镇地热田凸起轴部呈NE—NEE向展布[5，6]，向两侧和两端梯度值变小；并在大营和龙虎庄附近形成两个岛状的梯度值中心，见图2及图3(a)，梯度值分别为12.61℃/100m和6.51℃/100m；区内最低梯度值为2.33℃/100m，梯度值总体趋势是：东南部高、东北部低；轴部高，一般5.0～12.61℃/100m，两侧低，5.0～2.33℃/100m。在廊固断凹内新生界地温梯度小于3.0℃/100m。

2.3.2 地温场纵向变化特征

地温场的纵向变化与其地层岩性关系密切，随着深度的增加，新生界地层的地温梯度变化不大，地温呈逐渐增长的趋势。地层热导率是影响地温梯度变化的主要原因，在一定热流量下，热导率越高地温梯度变化就越小，反之变化则随之增大[7，8]。随着深度的增加及地层时代的改变，地层密实度将增大，热传导率相应随之增加，因此地温梯度随深度的增加而降低。不同时代的基岩地温梯度是有差异的，区域钻井统计资料，其平均地温梯度为：石炭至二叠系3.30℃/100m，奥陶系2.60℃/100m，寒武系1.98℃/100m，青白口系至蓟县系2.0～3.30℃/100m，基岩地温梯度的差别除了受所处构造位置影响外，主要是基岩自身导热性能的差别引起的。

3 牛驼镇地热田地热系统成因机制

牛驼镇地热田具有水量大、温度高、埋藏浅的开发利用优势，其地热田的热源形成、对流循环、盖层保温在区域上有一定的代表性和典型性，由此通过分析其地热田储层、盖层特征和通道特征来阐明牛驼镇地热田独特的地热系统成因机制。

3.1 储层特征

牛驼镇地热田在“三升两降”地质历史时期，经历海侵、海退、地壳隆起、下沉等多次重大构造活动，沉积有海相、海陆交互相、陆相地层。新生代喜山运动前，发生多次长期海侵、海退活动，沉积有厚层的海相碳酸盐地层，且在凹陷抬升为陆后，在大气降水、冲刷、奉化溶滤作用下，经历多次岩溶化时期，形成多层的岩溶-裂隙地热储集空间，这也为形成良好的基岩热储层提供了热源储集条件；喜山运动后，牛驼镇地热区下沉，广泛沉积了明化镇组和第四系松散孔隙层，这不仅为地热储集形成了良好的盖层也同时形成了孔隙类型的热储层。

图2 牛驼镇地热田地热地质特征图图3 牛驼镇地热田剖面图

3.2 盖层特征

始新世末喜山运动II幕，在牛东、大兴等断裂的控制下，牛驼镇凸起发育成熟，且凸起暴露地表，沉积了新近系明化镇组和第四系地层，构成基岩热储的良好盖层。牛驼镇地热储层以基岩为最优，基岩热储热量通过裂隙通道上涌，在新近系及第四系厚层的盖层保温条件下，不仅使得基岩热储热量得以保存，而且在裂隙通道的作用下，基岩热储创造了良好的热循环系统，并且厚层的热储盖层为下覆基岩储层保存热量，形成良好的热储保证。

3.3 通道特征

牛驼镇地热田高温地热水的分布形态与基岩的构造形态是一致的，即随牛驼镇凸起而展布，温度高值区均在凸起部位，凸起两翼温度较低[2,9]。构造凸起区基岩埋深浅，其上部具有较大的地温梯度和热流值，两侧凹陷区较低。牛驼镇地热田高温热水分布形态特征受地质构造特征控制，在“三升两降”的五次地史发展时期中，侏罗至白垩系构造活动强烈，牛东、牛南、容城、大兴断裂形成，且在始新世末期喜山运动I幕，牛驼镇凸起形成，凸起的形成为高温地热水的裂隙储集空间。在古近系早期活动加剧，长期发育的生长性断层，断开了结晶基底，有利于热流向凸起区聚集，也为深部地热水对流循环提供了有利通道。

总而言之，牛驼镇地热田良好的热循环系统得益于多层的岩溶-裂隙热储空间、断凸形成的对流通道和上覆明化镇组、第四系热储盖层，这些使得牛驼镇地热田具备充足的高温地热水源储备资源、良好的深部热源对流循环和盖层保温条件。