肯尼亚奥卡瑞地热田主要控制因素分析

张志敏，张军勇，李赫，闫振华，李强，安福利

中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司研究院 地质研究中心,河北 涿州 072750

0 引言

肯尼亚裂谷地处东非裂谷东部，是东非著名的地热带[1-3]。裂谷北起Tukana湖，向南延伸至坦桑尼亚北部Natron湖，总长约750 km。裂谷总体呈NW-SE走向，在奥卡瑞区逐渐转变为NE走向[3-4]。裂谷形成于东非大裂谷拉张背景之下，裂谷构造活动最早发生在约30 Ma前的Turkana湖区域，随后裂谷活动向南迁移并在14 Ma±变得更加剧烈，地堑结构的形成始于大约5 Ma之前。裂谷谷肩最宽处约70 km。肯尼亚裂谷的形成伴随了众多的火山活动，根据最新资料研究表明，2 Ma年内火山活动剧烈，火山广泛分布在裂谷轴线上(图1)。岩浆喷发形成了大约300 m的穹状隆起，其顶部形成喷发的响岩。著名的火山口有Mengengai火山、Longonot火山、奥卡瑞火山和Suswa火山等。

图1 肯尼亚裂谷地质简图Fig.1 Geological map of Kenya Valley

频繁的火山活动和水热活动与裂谷区异常高的热流值有密切的联系。Wheildon et al. 汇编的肯尼亚裂谷区大地热流值[5]，其中包括69处水井钻孔热流测量值、6处油气勘探井中热流测量值及地热井中地下水SiO2含量估算的热流值。总体上看，裂谷翼部热流值相对较低，谷底热流值相对较高且变化范围较大。高热流值与裂谷谷底的第四纪火山活动、断层及水热活动有关。在裂谷外或缺少火山活动的区域热流值急剧降低。而在谷底靠近大断裂、火山活动剧烈的地方热流值普遍较高，说明地热受火山和构造活动所控制。裂谷区的高热流值是受深部加热及浅部岩浆和水热活动共同作用的结果。

奥卡瑞地热田经过多年的勘探与开发，对地热田有了较深入的认识。由于地质条件的复杂性及地球物理资料的局限性，导致在相距不足200 m的井生产情况有较大的差别。同时，控制地温场的因素也不明确。因此，笔者结合前人研究成果，从地热系统角度出发，分析控制影响奥卡瑞地热地温场的主要因素，为研究大陆裂谷型地热田的勘探与开发提供参考。

1 奥卡瑞区构造及地层特征

1.1 奥卡瑞区断裂带特征

奥卡瑞地热田位于东非裂谷带，裂谷内构造活动频繁，断裂构造十分发育，按走向不同分为NW、NNW、ENE、NS和WE向共5组。通过航空照片及重力资料分析认为[6-7]：NW向断裂带延伸远、规模大，张性断裂是主要断裂，其走向与裂谷方向一致。Suswa断层从地热田西南区穿过，在地图上清晰可见。该断层是研究区东部一条重要断层，穿过奥卡瑞山向西北延伸，但大部分被第四纪火山喷发物所掩埋。Olbulot断层是工区内另一条重要断层，其西侧热储岩性以Mau凝灰岩为主，东侧则以Plateau粗面岩为主。Olbulot断层为最近一次地质运动产生，断层垂向渗透率较高，断层附近发育众多强烈的排气孔。

1.2 研究区地层特征

奥卡瑞地热田表层地质根据年代，岩性和沉积地层划分为4个不同的岩相组，分别是：Mau凝灰岩、Plateau粗面岩、奥卡瑞玄武岩和上奥卡瑞火山喷发岩[8]。

Mau凝灰岩层Mau凝灰岩为第四系沉积，在研究区内是相对较老的地层。其岩性主要为凝灰岩，含少量流纹岩和玄武岩。奥卡瑞区西部有出露地层，且部分被火山碎屑喷发沉积物所覆盖。在西部钻遇的典型凝灰岩为红棕色，无杂质，沿裂缝面时常被蚀变为绿色黏土。凝灰岩是重要的对比层，西区所有钻井都钻遇此层，而东区无井钻遇。

Plateau粗面岩Plateau粗面岩属于第四系沉积，主要分布在东区。钻井揭示的岩层中，以粗面岩为主，少量玄武岩,偶见凝灰岩。粗面岩主要特征：①含有大量无斑隐晶质长石；②结晶发育较好，大量长石微晶呈线状排列。作为东区和东北区的主要热储层，热流体主要受断裂和裂缝控制。

奥卡瑞玄武岩在奥卡瑞东区玄武岩上覆于Plateau粗面岩之上，海拔1 000～1 500 m。地层包含多套薄玄武岩熔岩流，夹薄层凝灰岩，少量流纹岩。在奥卡瑞东区和东北区所有井钻遇此层，地层在西区缺失。玄武岩体为多孔斑岩，副矿物有辉石、斜长石和不透明矿物。基质晶体排列较好，有微晶结构。

上奥卡瑞火山喷发岩上奥卡瑞火山喷发岩为海拔>1 500 m的岩层：沉积岩、火山碎屑岩、流纹岩和少量流纹岩及未固结的火山碎屑岩。

2 地温场分析

2.1 单井测温曲线分析

测井温度曲线是分析和认识地下地热田的重要资料[9-10]，通过分析稳态测温曲线形态可以判断地下热交换类型。根据地热井位置不同及热交换类型不同将测温曲线分为4种(图2)。①下凹型(图2a)，特征是随深度增加温度先缓慢上升后快速上升，原因是：补给区由于大气降水和断层影响，地表水逐步渗入地下，影响地温场；②线型(图2b)，特征为井温曲线与地温曲线重合，对应地热田中径流区；③上凸型(图2c)，特征是井温曲线高于地温曲线，原因是地下热水上涌使得浅层地层水温度高于地层温度，对应地热田中排泄区；④直线型(图2d)，特点为从某一深度开始井温不变。通过分析认为：钻井过程中钻遇断裂带，高温地下水直接流入井筒内，导致井的温度恒定不变。

经过研究区测温曲线分析后，选取4口具有代表性的井进行分析(图3)。A井位于研究区中部，靠近Ololbutot断层。从曲线上看，0至600 m段增温明显，后增温变缓，从1 400 m至井底出现轻微温度倒转，表明Ololbutot断层作为下渗通道影响了地热井温度。B井和C井都位于工区东南部，曲线明显分为两段，特征为：井口至600～800 m段增温明显，地温梯度约40℃/100 m，1 000 m±达到最大值，1 000 m以下为直线段，温度保持基本不变。这表明上部热储以热传导为主要特征，反映了地层的低渗透性；下部热储受断层影响，表现为直线型。D井位于工区西部，靠近热田边界。曲线总体分为两段，上部曲线有明显下凹型特征，反映了工区西部断层作为补给区，下部曲线为线性，反映了热储低渗透性，这与地质认识中西区凝灰岩热蚀变后孔渗性大幅减小的认识相同。

图2 测温曲线形态分类图(1)胡圣标.肯尼亚地热资源与产能评价[R]. 涿州：中石油东方公司研究院,2017．Fig.2 Classification diagrams of temperature shape

图3 奥卡瑞地区典型测温曲线图Fig.3 Typical temperature curves in Olkaria area

2.2 地温场分布规律

以单井测温曲线为基础，结合地质认识，编制了温度剖面图(图4)。从东西向温度剖面上可以看出，总体上地温随着深度增加而温度升高，在11井附近温度出现反常，是Olbutot断层作为下降流通道所致。同样的3井附近出现温度倒转，是Gorge Farm断层作为下降流通道。东区地温总体高于西区。15井附近有明显的低温区，对应地热田补给区。7井和8井区温度较高，地温梯度>35℃/100 m，是目前地热田的主力生产区。

3 地温场主要控制因素分析

地温场的分布受各种复杂的地质条件控制，通过对奥卡瑞区地温场研究，笔者认为地热场的控制因素主要为热源、断裂和裂缝分布、地层岩性。

图4 奥卡瑞区东—西向温度剖面图Fig.4 E--W temperature profile in Olkaria area

3.1 热源

热源是地热田形成的基础，热源的分布影响了地温场的分布。美国地质调查局早在上世纪50年代开始了对肯尼亚的地热研究。W.D.Mooney在研究过程中对奥卡瑞周边的地热田进行了大地电磁观测，获得了岩石圈电性结构的认识[8,11-13]。从过奥卡瑞地热田的电阻率剖面(图5)上可以看出，西区和Longonot区存在电阻率较低区，电阻率值为 5～10 Ω·m，深度约4 000～6 000 m。东区岩浆囊的深度略高于西区，穹顶区岩浆囊深度最大，这与温度场中东区温度略高于西区的特征吻合。

图5 过奥卡瑞区大地电阻率剖面图Fig.5 Resistivity profile across Olkaria area

地震横波突然消失或减弱通常是由于熔融的岩浆引起，研究表明：Olkaria区块生产区之下有3个明显的横波消失带(图6)，推测对应3个主要的热源，Ⅰ号热源供应西区，Ⅱ号热源主要供应东北区及东区北部，Ⅲ号热源供应东区南部及穹顶区。同时，岩浆囊的范围基本与地热田范围一致。因此，热源对地热田范围及热储温度产生决定性控制作用。

3.2 断裂和裂缝

断裂和裂缝是热流体储集和运移的主要通道，而地热流体活动对地温场的影响十分明显[14-18]。尤其是在研究区中部，从地温剖面上可以看到3井附近有明显的地温“洼地”(图4)，究其原因是：

图6 奥卡瑞区地震横波衰减深度图Fig.6 Shear seismic wave attenuation depth map in Olkaria area

断层作为下降流通道，地表水沿着断层下渗至地热田深度，导致了地温场局部的低温。与此相反，东区4井以西附近，地温场温度略高于其他区，同时周边井产能较大。这与东区作为排泄区有关，深层高温水蒸气沿断层上升到浅层，从而引起地温场局部升高。从平面上分析，地温场分布受断层和裂缝发育影响较大[18]，温度较高区域通常与上升流区断裂较发育区域重合。而地温场中温度较低区域通常是由于断层作为下降流通道而引起的(图7)。同时结合2000年后新钻井资料(表1)，发电潜力较大的井全部分布在上升流区域内断裂和裂缝发育较多的区域。

表1 奥卡瑞西区新钻井单井发电潜力表

Table 1 Single well power generating potential in Olkaria west block

井名完钻日期深度/m最高温度/℃单井发电潜力/MWe37A2001-05-252 8602806.036A2009-05-252 8602803.0562008-06-272 8002602.0362011-04-242 0712502.635A2008-09-162 7523002.6

3.3 地层岩性

热田热储层以凝灰岩和粗面岩为主。西区热储以凝灰岩为主，原生孔隙性较好。但由于凝灰岩对水热蚀变较敏感，大多数原生孔隙被次生矿物所充填。在西部钻井钻遇的典型凝灰岩颜色为红棕色,通常无杂质，沿裂缝面时常被蚀变为绿色黏土。37A井位于奥卡瑞西区，从2007年以后新钻井生产情况来看单井平均发电能力3.24 MWe，37A井单井发电能力6 MWe，远高于周边井(表1)。研究发现，920～977 m段为凝灰岩与玄武岩的接触面，经生产压力分析，判断该段是主要生产段。这是由于热水蒸汽沿着岩性接触面上涌作为热田的重要补给通道。

图7 奥卡瑞区地温场分布与断裂叠合图Fig.7 Temperature distribution and faults map in Olkaria area

东区热储以粗面岩为主，受水热蚀变的影响较小，而粗面岩原生孔隙性较差，热储储存流体的能力主要取决于次生裂隙和裂缝的发育程度。同时，部分区域由于粗面岩原生冷缩节理发育，也影响了地热流体分布。

4 结论

(1)在东非大裂谷地质背景下，奥卡瑞地区发育大量拉张断裂，为地表水不断下渗及深部热流体上涌提供了通道。

(2)深部未冷却的岩浆囊为热流体的持续循环提供了源源不断的热量，地下岩浆囊的范围和深度直接影响了奥卡瑞区地温场分布。

(3)东区发电高于西区主要受地层岩性影响。西区凝灰岩原生孔隙十分发育，但受后期水热蚀变改造，孔隙多被次生矿物充填。东区粗面岩原生孔隙不发育，主要以断裂和裂缝为储集空间，但未受后期改造影响。

致谢本项目研究得到长城钻探肯尼亚项目部、东方公司国际部、东方公司科技处的支持，在此一并表示感谢。