天津地区奥陶系热储赋水规律研究

2021-03-29江国胜黄贤龙李晓晖

地下水 2021年1期

江国胜，黄贤龙，李晓晖

(天津地热勘查开发设计院，天津 300250)

为了治理雾霾、建设美丽天津，清洁能源的需求与日俱增。地热资源作为一种可再生清洁能源，可直接用于冬季供热，减少因传统燃料供热而产生的大气污染，改善生态环境。奥陶系是天津地区揭露基岩后钻遇的第一个基岩热储层，出水量大且具有较好的回灌能力，因其埋藏浅、钻探成本低而受到投资方的青睐，但由于该热储层的赋水性极不均匀，导致施工风险极高，凿井成功率偏低。对于天津地区奥陶系储层发育特征方面的研究，天津地质工作者曾通过岩溶机理、钻井岩石特征和区域构造条件，结合室内镜下鉴定，分析研究了市区及其附近奥陶系成储的控制条件[1]，大港油田也对奥陶系岩溶储层发育的控制因素进行了研究[2]。但是天津地区奥陶系热储层的赋水性究竟如何分布，尚没有做过系统研究。本文综合分析了大量地热钻孔、物探测井、岩屑测试、降压试验等资料，对天津地区奥陶系热储赋水规律进行系统研究，为本区奥陶系井位的确定及其资源评价提供科学依据。

1 区域地质背景

1.1 构造特征

天津地区地处Ⅰ级构造单元华北地台北缘，以宁河-宝坻断裂为界分为北区和南区。北区属II级构造单元燕山台褶带，南区属II级构造单元华北断坳区。天津地区的南区和北区地质构造特征具有明显的差异。北区为山区，主要发育古生界及中新元古界地层。构造线主体呈东西(EW)向，断裂以东西向为主导；南区为平原区，地层发育齐全，是中、新生代断陷、坳陷盆地。区内Ⅲ级构造单元由西向东依次为冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷。隆起和坳陷的延伸方向和较大断裂的走向均呈北北东(NNE)向，形成雁行式相间排列的构造格局(见图1)。区内影响较大的断裂主要有北北东向的天津断裂、沧东断裂和北西西向的宁河宝坻断裂、汉沽断裂、海河断裂等。

图1 区域地质构造特征

1.2 地层特征

除缺失上奥陶统至下石炭统及古近系古新统以外，本区地层从太古界至新生界均有分布。北部山区除有部分第四系覆盖外，主要出露中、新元古界长城系、蓟县系、待建系和青白口系地层。在南部广大平原区，根据钻孔揭露，主要发育新生界第四系、新近系和古近系，中生界白垩系、侏罗系和三叠系，古生界二叠系、石炭系、奥陶系和寒武系，中新元古界青白口系和蓟县系[3]。

奥陶系在冀中坳陷和黄骅坳陷埋藏深度大，一般大于4 000 m，目前尚无地热钻孔揭露。奥陶系在沧县隆起区平面上呈带状或块状分布，在背斜核部和凸起高部位缺失，地层总体从东南往西北方向逐渐加厚。本区奥陶系自下而上由冶里组、亮甲山组、北庵庄组、马家沟组和峰峰组组成，各组岩性特征[4][5]如下：

冶里组：岩性由灰色厚层、中厚层状灰岩夹少量砾屑灰岩，有时夹有很薄的(经常是十几厘米)黄绿色页岩。

亮甲山组：岩性为灰色含燧石结核灰岩、白云岩夹少量砾屑灰岩，顶界与北庵庄组底部薄板状白云岩或角砾状灰岩呈平行不整合接触。

北庵庄组：岩性为灰色中厚层-巨厚层(夹薄层)的泥晶云质灰岩、泥晶泥质灰岩夹灰色中厚层泥晶钙质白云岩及角砾状灰岩、角砾状白云岩。

马家沟组：岩性为灰色厚层-巨厚层泥晶灰岩、泥晶云质灰岩夹白云岩、角砾状灰岩、角砾状白云岩。

峰峰组：岩性以灰岩为主，夹薄层泥岩、泥质灰岩，下部见白云质灰岩。该地层在本区分布范围较小，仅在白塘口凹陷、大城凸起等相对低洼处有部分残存，残存厚度约100 m左右。

2 奥陶系岩溶发育的主要影响因素

通过相关理论研究[6][7]和众多钻井实践表明，深部奥陶系碳酸盐岩岩溶发育主要受岩性、地质构造、风化淋滤时间和地下水动力条件等因素的影响。从深部岩溶的发育过程分析，岩性因素是基础，构造和水动力条件是关键。

2.1 岩性因素

岩溶发育的过程主要是水对可溶性岩石的溶蚀过程。研究表明，可溶性岩石的化学成分、矿物成分等对岩溶发育速度、发育程度和发育特征有明显的影响[8]。天津地区奥陶系为大套碳酸盐岩，以厚层灰岩为主，夹薄层白云岩、白云质灰岩，为岩溶的发育提供了良好的基础条件。受构造运动的影响，本区奥陶系岩性垂向上存在一定的差异。以往研究成果表明：亮甲山组白云质含量最高，岩性以白云岩为主；向上至马家沟组白云质含量明显降低，岩性以厚层灰岩、白云质灰岩为主[3]。而从奥陶系岩溶裂隙垂向分布图(图2)可以看出，无论凹陷区还是凸起区，都是马家沟组、北庵庄组岩溶裂隙最为发育，亮甲山组和冶里组岩溶裂隙相对较差。

图2 天津市奥陶系岩溶裂隙垂向分布图

综上结果表明：就天津地区的奥陶系碳酸盐岩而言，马家沟组和北庵庄组的纯灰岩比冶里-亮甲山组的白云岩、白云质灰岩岩溶裂隙发育，岩溶主要沿着厚层纯灰岩发育。分析认为纯灰岩的CaO含量高，其溶蚀速率大于白云岩、白云质灰岩。此外，泥质含量的增加会增强碳酸盐岩的韧性和降低其溶蚀速度，影响岩溶裂隙发育。

2.2 构造因素

2.2.1 断裂

断裂附近有利于岩溶发育，这主要是由于断裂附近往往有裂隙相伴生，断裂和裂隙都是地下水进入可溶岩的重要通道。一般来说，张性断裂对裂隙影响较弱，但断裂带裂隙通常比较发育，其次是扭性断裂和压性断裂，压扭性断裂对裂隙的影响最大[9]；天津地区在中生代末燕山运动产生的许多压性逆断裂，经过新生代喜山运动的改造都变为张性正断裂[10]。位于海河断裂带的七眼奥陶系地热井(DL-66、HD-29、HD-29B、HD-39、HD-39B、SR23D、SR24D)中大部分具有泥浆大漏甚至大漏不返的现象，反映了断裂带岩溶发育的特征。位于天津断裂附近的西青区社会山1、2号井分别从2 350 m、2 638 m开始漏失，漏速达20 m3/h，岩溶比较发育且发育深度大，而远离天津断裂的西青际华地热井奥陶系无漏失，抽水干眼，不出水，反映了离断裂越远、岩溶发育越弱的特征。

2.2.2 褶皱

岩层倾角陡缓程度不同，其受力机制不同，会对岩溶发育产生影响。研究区主要发育背斜构造，而且奥陶系均处于背斜的翼部。例如，山岭子背斜为一北东向的背斜，两翼陡缓不一，东南翼倾角稍陡(15°左右)，除风化壳岩溶之外，其岩溶发育部位主要为距奥陶系顶100 m以下岩层，而西南翼倾角稍缓(10°左右)，其岩溶发育部位主要为奥陶系顶部的风化壳(见图3)。以上数据表明陡倾岩层岩溶发育深度大于缓倾岩层，分析认为深部岩溶发育主要受褶皱的影响，陡倾岩层变形较强，有利于岩溶发育。

图3 山岭子背斜两翼奥陶系岩溶发育特征对比示意图

2.3 风化淋滤时间

奥陶系上覆地层不同，其经历风化淋滤的时间也不相同。据以往研究成果及钻孔揭露，本区奥陶系上覆地层主要有：新近系、中生界或石炭-二叠系。上覆地层为石炭-二叠系的地区，其间缺失了晚奥陶至早石炭纪地层，经历风化淋滤的时间大约是1.2亿年；上覆地层为中生界的地区，其间缺失了晚奥陶至三叠纪地层，经历了两次以上的岩溶，风化淋滤时间大约是2.5亿年；上覆地层为新近系的地区，其间缺失了晚奥陶至古近纪地层，经历了三次以上岩溶，风化淋滤时间大约是4.2亿年[11]。

实际资料表明，奥陶系裸露时间越长，经受风化淋滤的时间也就越长，对奥陶系岩溶储层的发育越有利。

例如，钻探数据统计发现，上覆地层为新近系的奥陶系，在所钻的26眼井中，奥陶系出现放空、漏失的地热井24眼，占总井数的92.3%，漏失段主要位于距奥陶系顶板2～100 m深度范围内，单位产量达2.8～15.47 m3/h·m，表明裂隙、溶洞发育，地下水活跃；上覆地层为中生界的奥陶系，在所钻的8眼井中，奥陶系出现放空、漏失的地热井眼7，占总井数的87.5%，漏失段主要位于距奥陶系顶板3～100 m深度范围内，初始产量在30～135.1 m3/h之间，表明岩溶裂隙较为发育，地下水比较活跃；而上覆地层为石炭-二叠系的奥陶系，在所钻的29眼井中，奥陶系出现放空、漏失的地热井19眼，占总井数的65.5%，漏失段主要位于距奥陶系顶板100m深度以下，大部分地热井需要酸化增产，表明岩溶发育和裂隙连通程度较差，地下水活动比较缓慢。

2.4 水动力条件

岩溶垂向上，通常自上而下分为垂向渗滤带、水平径流带和深部潜流带。垂向渗滤带是水动力最活跃的地带，地表水通过节理、裂隙等垂直向下渗流，垂向溶蚀发育而水平方向缝洞连通性差是该带的最主要特征。水平径流带在潜水面之下，水流集中，水循环快，水平向水动力条件优越，主要发育大型岩溶管道系统。深部潜流带虽然也长期充满水，但流动极其缓慢，岩溶基本不发育[12][13]。

本区奥陶系岩溶裂隙在纵向上的分布与岩溶垂向分带密切相关，岩溶发育段主要分布在距离风化壳0～400 m的垂向渗滤带和水平径流带。

钻井资料显示，研究区钻遇奥陶系钻具放空和泥浆漏失主要发生在距不整合面400 m范围内(图4)，放空幅度主要在0.3～2.5 m之间。反映地下存在未充填死的溶洞，其直径至少为0.3～2.5 m。泥浆漏失量为几十方到数百方，个别井达上千方，只进不出。以上资料表明，距离不整合面400 m范围内奥陶系岩溶储层发育，而且距不整合面越近，岩溶发育越强，50 m范围内主要发育风化壳岩溶，受垂直淋滤的影响，裂隙水平向连通性差。

图4 放空、漏失井数与距不整合面距离关系图

3 奥陶系热储赋水规律

奥陶系岩溶的发育过程极其复杂，上述四个控制因素通常不是单独起作用，而是相互影响，相互叠加。通过综合分析，对重点研究区(沧县隆起)不同构造单元(王草庄凸起因缺乏相关资料，暂不进行分区)奥陶系的赋水性进行分区(见图5)。按单位涌水量的大小，本次奥陶系赋水性分区共分三个等级，分为赋水性较好(q>2 m3/h·m)、赋水性中等(1

图5 天津市重点地区奥陶系热储赋水性分区图

潘庄凸起：该区奥陶系上覆地层为新近系，埋深1 100～1 400 m。从成井资料和地质条件分析，该区奥陶系岩溶主要受埋藏条件控制，风化壳岩溶普遍发育，分析该区赋水性总体较好，但由于不同部位岩性和水动力条件不尽相同，因此其赋水性也存在一些差异。

白塘口凹陷：该区地质条件复杂，且不同部位差异较大。小韩庄次凸起岩溶条件与潘庄凸起类似，奥陶系岩溶主要受埋藏条件控制，分析其赋水性总体较好；海河断裂带附近奥陶系虽然上覆地层为石炭-二叠系，不利于岩溶发育，但受断裂影响，水动力条件良好，岩溶裂隙发育，分析其赋水性总体较好；而白塘口凹陷奥陶系上覆地层为石炭-二叠系，埋深大都超过2 500 m，水动力条件较弱，除断裂附近有岩溶发育外，预测该区赋水性总体较差。

双窑凸起：该区奥陶系岩溶主要受埋藏条件和构造控制。北部区域由东向西上覆地层依次为新近系、石炭-二叠系，受海河断裂和天津断裂的叠加影响，岩石破碎，岩溶较发育，赋水性较好；南部区域尚无钻孔控制，因其上覆地层为新近系，发育风化壳岩溶，预测其赋水性中等。

大城凸起：该区奥陶系上覆地层大部分为石炭-二叠系，普遍具有石炭-二叠系厚度大、奥陶系埋深大的特点。海河断裂以南，XQ-05井附近紧邻天津断裂，而且石炭-二叠系厚度薄，奥陶系埋藏浅，岩溶相对发育，赋水性中等，其它区域赋水性较差；海河断裂以北因缺乏相关资料，暂不进行分区。