河北沧县抬拱带地热能蕴藏机制研究

2021-09-16张财华

中国煤炭地质 2021年7期

张财华

(河北省煤田地质局水文地质队，河北邯郸 056000)

河北省中部平原地区沧县台拱带是省内重要的地热富集带，通过对献县地区的勘查工作，获得了优质地热资源，具有很高的地热能利用前景。本次研究以沧县台拱带为研究区域，初步了解该地区地质情况、热储层特征、深部地温状态等，为该区域地热能开发和利用工作提供了重要依据。

1 区域地质背景

研究区位于中朝准地台(Ⅰ级)、华北断坳(Ⅱ级)、沧县台拱(Ⅲ)内，其西部为冀中坳陷，东部为黄骅坳陷，南部为临清台陷(图1)[1]。区内构造发育，以北东及北北东向断裂构造为主，东部边界构造为沧州-大名深断裂，南部为无极-衡水大断裂，西部为次一级断裂构成了与冀中台陷的分界线。研究区内地层由老至新分布有古—中太古界迁西群；新太古界的阜平群、五台群；古元古界甘陶河群、东焦群；中元古界的长城系、蓟县系；新元古界的青白口系；古生界的寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新生界古近系、新近系、第四系[2]。

区内新生代岩浆活动强烈，大致可划分为古近纪、新近纪和第四纪三个主活动期。河北省平原东部以中更新世的规模最大，平原西部以早更新世的规模最大。古近纪火山岩其岩性主要为渐新世的玄武岩、安山质玄武岩、局部夹火山碎屑岩、辉绿岩和辉长岩，大多数沿基底断裂分布，反映活动方式以裂隙式宁静溢流为特征，新近纪火山岩主要为碱性玄武岩及火山碎屑岩类，其分布多数沿断裂延伸，表明其活动方式以裂隙式喷发为主。第四纪火山岩主要为强碱性玄武岩及火山碎屑岩类，在地下多沿断裂延伸，反映沿断裂以中心式喷发为主。

2 研究区地热分布特征

据研究区内钻孔揭露资料，主要划分为岩溶裂隙含水层、新近系馆陶组和明化镇组孔隙含水层。勘查区热储分布见图1[3]。

图1 工作区构造及热储分布

GRY1号孔位于献县地热田，2017年5月20日完成钻探工作，累计完成钻探进尺4 025.82m。4 004.93m温度达107.56℃,出口水温103.50℃，水量为70m3/h。根据《理疗热矿水水质标准》GB11615—2010，锶、氟、偏硼酸等达到了矿水浓度标准，因此本井地热水适宜于供暖、医疗、农田灌溉、养殖等项目开发利用[4]。该孔揭露主要热储为蓟县系杨庄组-长城系高于庄组热储、蓟县系雾迷山组热储、新近系明化镇组热储。

2.1 蓟县系杨庄组-长城系高于庄组热储

高于庄组揭露厚度252.82m(3 767.46～4 025.82m)，根据钻井液消耗量观测，结合测井资料，综合确定3 800.00～3 843.00m、3 874.00～3 887.00m、3 935.00～3 952.00m为含水层段。热储岩性为白云岩，与上覆地层不整合接触，裂隙发育，连通性好，形成良好的储层。据钻孔揭露，该热储顶板埋深3 767.46m，出口最高水温达103.50℃。该热储埋藏较深，目前还未开采利用。

杨庄组总厚744.39m(3 023.07～3 767.46m)，主要为泥质白云岩，泥质成分较高，钻井液消耗量为0.60～108.00m3/h，结合测井资料，综合确定3 746.00～3 761m层段为含水层。

本次对该层段进行两次抽水试验，最大涌水量69.38m3/h。据压裂前抽水试验中采样结果，水质类型为Cl—Na型，矿化度6 437.06mg/L，富含锶、偏硼酸，不能作为生活饮用水、渔业用水和农业灌溉用水，为一优质医疗热矿水[5]。

2.2 蓟县系雾迷山组热储层

与上覆地层不整合接触，曾长期裸露地表遭受风化剥蚀和溶蚀，孔洞十分发育，连通性好，形成良好的储层。该热储在献县县城一带顶板埋深1 300.00～1 500.00m，具有埋藏浅、温度高、水量大的特点。目前区内的地热井，成井时均自流，水头高于地表25.00～50.00m，自流量57.88～90.00m3/h,井口水温91.8～96℃。经过多年的开采，水位、水温均有不同程度的下降。

主要岩性为白云岩、燧石条带白云岩，具有可溶性，经过多次构造运动，其表层风化壳为该层热储的主要储水空间，在强烈的岩溶作用下形成孔、洞、缝相当发育的溶蚀型碳酸盐热储体，也成为地下热水储存的良好空间。根据目前周边地热井开采资料，水质类型为Cl—Na型，水量70.00～120.00m3/h，矿化度6.00g/L左右，不能作为生活饮用水、渔业用水和农业灌溉用水，可直接用于供暖、医疗和洗浴[6]。

该热储是目前献县地热田主要开采热储层，具有水量大、水温高的特点。根据钻孔水文地质观测：1 344.35～1 613.96m钻井液消耗量为19.30～108.00m3/h。抽水后测温曲线成果显示：1 326.60～1 956.88m出现地温梯度负增长(地温梯度为-0.06℃/100m)，因此，综合确含水层层段为1 326.60～1 956.88m，厚度为630.28m。

距GRY1号钻孔南部约50m的XXZK1钻孔终孔深度为2 500.18m，终孔层位为蓟县系雾迷山组，于2017年4月对雾迷山含水层(1 337.88～2 500.18m)进行了抽水试验，最大涌水量为109.29m3/h，井口水温为83℃；距本孔北部约80m的XXZK2钻孔终孔深度为2 004m，终孔层位为蓟县系雾迷山组，于2017年4月对雾迷山含水层(1 337.88～2 500.18m)进行了抽水试验，最大涌水量为104.02m3/h，井口水温为83℃，水质类型均为Cl—Na型，富含锶、偏硼酸，为优质医疗热矿水。

XXZK1和XXZK2地热井的实施，为了解蓟县系雾迷山组热储的水文地质特征提供了地质依据，为献县地热田经过多年开采的数据对比及地热资源的综合利用规划奠定了基础。

2.3 新近系明化镇组热储

全区均有分布，顶板埋深450m左右，底板埋深1 200～1 500m，分为明化组上段、明化组下段。目前，周边地热井仅有两眼地热井开采利用新生界热储，献热1井(GRY1号井西南方向4.90km)、河北省献县诺信机械工程材料有限公司地热井(GRY1号井西北方向10.95km)

明化镇组上段底界平均埋深770.00～890.00m，平均厚度为103m。本孔埋深719.04m，厚度为215.08m。砂层单层最大厚度25m，砂厚比30%～40%，孔隙度约30%，具有良好的富水性及透水性，本次揭露厚度为272.4m，砂厚比76%。本段水量大于50m3/h，井口水温可达40℃～50℃；水质为Cl—Na型。

明化镇组下段以半成岩状的粉砂为主，具有良好的富水性和透水性，底界埋深平均1 000～1 350m，本孔埋深1 326.60m，厚度603.56m，砂层单层厚度3～5m，最大为14m，砂厚比约20%，孔隙度23%～27%，本次揭露含水层厚度为133.20m，砂厚比27%。发育具有不均一性，单独成井水量较小，但水温较高，所以在明化镇组成井时应取明化镇组上段底部及明化镇组下段上部热储综合成井。水量大于60.00m3/h。井口水温可达60℃以上，水位为31.00～35.00m，水质为HCO3—Na型，矿化度1.009～1.925g/L。如献热1井，成井段931.00～1 090.00m，涌水量64.00m3/h,水温62℃，目前区内对该热储利用程度较低。

3 研究区深部温度估算

本次研究采用地温梯度法来推测岩石的温度。主要采用按照孔底地温梯度进行估算并采用居里面温度向浅部推算进行验证[7]。

3.1 根据GRY1号钻孔孔底温度估算

GRY1号钻孔终孔深度为4 025.82m，终孔层位为长城系高于庄组，孔底温度为107.56℃。按测温曲线趋势将基岩段分为四段(图2)：①段1 597.72～2 161.96m，为雾迷山组上部，地温梯度为0.30℃/100m；②段2 161.96～3 649.78m，为雾迷山组下部-杨庄组中下部，地温梯度为1.44℃/100m；③段3 649.78～3827.84m，为杨庄组底部-长城系高于庄组上部，地温梯度为-1.69℃/100m；④段为GRY1号钻孔孔底，高于庄组中上部，地温梯度为2.45℃/100m[8]。

图2 GRY1号钻孔测温曲线

GRY1号钻孔预计高于庄组底界深度为4 500m，长城系底界深度为5 400m，5 400m以深为太古界。本次研究按照高于庄组白云岩段、高于庄组以深石英砂岩段进行计算。

1)高于庄组白云岩组段(4 003.98～4 500m)。本段以灰白色、灰色厚层泥晶白云岩、粉砂质白云岩为主，含硅质。岩性特征与3 827.84～4 003.98m段岩性基本一致，因此利用④段地温梯度进行估算是合理的(图3)。

图3 GRY1号钻孔3 600～4 003.98m测温曲线

根据图3曲线特征看出，③段4点→④段1点，出现地温骤降的现象，105.15℃降至102.32℃，根据孔内水文观测情况发现该段地层裂隙发育，为Ⅰ类～Ⅱ类裂缝层，引起温度骤降的原因应该为此层段裂隙发育，富水性强，横向的水力联系密切，使该点的岩温降低。因此，该点的在测温曲线的实测点并不能真正反映岩温，仅仅反映了该点水的温度。2点处也出现了温度突变，3点～4点曲线反映良好，地温梯度为1.80℃/100m，可以作为推算长城系高于庄组底界温度的依据，据前所述，4 500m(高于庄组底界)温度为115.59℃[9]。

2)长城系大红峪组-常州沟组石英砂岩段(底界深度5 400m)。该段上部由灰白色长石石英砂岩和石英砂岩组成，夹硅质层；下部由灰黄色—紫红色砂岩组成，岩性致密，裂隙不发育。据图3中②段测温曲线特征，在2点处地温梯度出现增大的趋势，1→2地温梯度为0.96℃/100m，2→3地温梯度为2.09℃/100m，增幅为118%。②段岩性1→2裂隙略微发育过渡为2→3致密，与高于庄组过渡到本段地层变化相似，因此以增幅为118%来计算，本段地温梯度为3.92℃/100m，推测至5 400m温度为150.87℃。

3.2 由居里面向浅部反算验证

根据中国陆域航磁计算居里面等值线平面图进行深部温度估算。本次研究区居里面埋深约22 000m，温度为580℃。GRY1号钻孔4 025.82m温度为107.56℃，推算4 025.82～22 000m综合地温梯度为2.62/100m，推算至150℃，深度约5 600m，与按照孔底地温梯度进行的估算结果接近，说明本次的温度估计是正确的，GRY1号钻孔150℃的深度约为5 400m。

4 热储藏模式

地热田的成藏机制包括地热热源、导热通道、热储层、热储盖层、地热流体补径排条件5个方面。根据研究区内的热储层特征、温度状态、水文状况等地质特征对热储成藏进模式进行分析。

4.1 热源条件

热源条件是热储成藏的基本条件，一般包括放射性元素衰变、深部热传导、幔源的岩浆热、变形热等。研究区内第四纪发育大规模的玄武质岩浆活动，说明本区在新生代深部地幔处于活跃期。活跃的地幔会产生大规模的热流并通过热传导作用于上覆地层。当深层热流进入地壳上部以后，由于上覆基岩凸起与凹陷的构造格局会使得热流重新分配，在正向构造与负向构造的交接转换部位，热流方向发生偏转，不再保持垂向转移而是由凹陷区向凸起区转移，导致凸起区热量的积累(图4)。

图4 热传导示意

研究区位于沧县台拱带内，其形态为北东向凹凸相间分布，基岩凸起部位均有地热异常显示，暗示高地幔大地热流是地热区高温地温场以及深部地热资源丰富的主要原因之一[10]。

此外，由变质岩构成的结晶基底，其放射性元素储量一般高于上覆沉积盖层，放射性元素衰变生热可为基底隆起部位提供更多的额外的热源，另外，古老的结晶基底致密岩石的导热性能高于低密度的沉积岩盖层，这就促使更多的热流集中于基底抬高部位，直接传导至地面则形成地热异常区域。研究区深部具有厚层的变质基底，因此放射性元素衰变生热也是可能的热源[11-12]。

4.2 盖层条件

研究区内热储盖层是由新生界第四系构成的，厚503.96m，为一套以河流相、湖相为主，兼有湖沼相和海相成因的松散沉积物，其岩性由黏土、亚黏土、亚沙土与粉砂、细砂组成，不等厚交互沉积，地层结构松散-疏松，孔隙大，底部沉积厚层黏土，导热性差，具有良好的保温隔热作用，是理想的热储覆盖层。

4.3 热储条件

通过上述分析可知研究区内主要热储层为蓟县系杨庄组-长城系高于庄组热储、蓟县系雾迷山组热储、新近系明化镇组热储，包括孔隙型热储层及基岩裂隙型热储层。这些热储层埋深大，上覆厚层盖层，具有良好的热隔挡效应。热储层主要岩性为空隙发育的碳酸盐岩以及联通性好的碎屑沉积岩，利于传热和封闭地水的流动和热交换[13]。

4.4 通道条件

研究区内构造发育，以北东及北北东向断裂构造为主，包括沧东断裂、献县断裂、无极-衡水大断裂等，深大断裂控制着区内的构造格局并连通着地壳地幔处深部热源与上部各热储层，为深部热能向上运移提供了良好的传递通道[14]。

4.5 地热流体补径排条件

根据GRY1号钻孔水样氘(D)、氧(18O)同位素检测结果，研究区内地热水为古大气降水经溶滤作用形成的古埋藏水，基岩热储层补给水来源甚微，为封闭消耗性地下水。地下热水的径流与排泄受基地构造和古地形地貌及各隔水层的控制，径流非常缓慢。封闭的深部地下水能够保持温度的稳定，利于地热田的成藏。

4.6 成藏机制

研究区内第四纪发育了大规模的幔源岩浆作用。大量的深部地幔活动使得热源源源不断传导至浅部地壳。受上部构造格架的控制，导致热流由深部的稳定传导至浅部重新分配，并向凸起区集中。杨庄组、高于庄组、雾迷山组、明化镇组由于空隙发育，加上受古降水影响积累了大量地下水。在深部热源持续加热的作用下导致温度逐渐升高成为热储层。随着内动力地质作用的减弱，研究区在第四纪进入长期稳定的阶段，并沉积了厚度大、隔热效果好的沉积物，巨厚盖层的影响会减缓深部热能的散失使得热能得以保存，对于深部热储层的保持起到了重要的隔热作用(图5)[15]。