河北任县地区热储地层划分对比及地热有利区

陈庆龙，黄 锐，蒲仁海，王 彬，孙 龙，王妍心

(1.大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300456)

0 引 言

地热资源的开发利用，从环保和国家清洁能源发展来看迫在眉睫(陈墨香，1991；陈墨香等，1996；张素娥等，2010；汤国毅等，2011)。为缓解任县县城的采暖供暖问题，需要进一步开发该地区的地热资源(胥博文等，2019)。已完钻热水井虽部分解决了供暖问题，但热水温度较低，井口水温平均在43 ℃左右；井底间距小，冷水同层回灌会降低临井水温，水量小。此外，是否需要加大奥陶系顶面古风化壳灰岩岩溶水层勘探力度等问题也亟需解决。因此，查明任县地区热水层发育规律，包括热水层发育层位、储层特征、发育厚度、温度、展布及有利热水层深度十分必要。

以河北任县地区为研究区，利用钻井、测井、大地电磁、二维地震资料，对该地区进行地层划分对比及有利热储层砂体厚度与分布特征、断裂发育特征研究，为进一步开发利用该地区的地热资源提供依据。

1 区域地质背景

任县地区位于临清坳陷内次级构造单元任县凹陷(王明健等，2012)，临清坳陷内各构造单元东西方向为凹凸相间的构造格局，通常在凸起一侧有北东向断裂控制凹陷的沉积，南北向断裂或构造带将各构造单元分割(孙耀庭等，2015)。例如，邯郸凹陷、任县凹陷与鸡泽凸起由永年断裂分开；邯郸凹陷与成安低凸起以邯郸东断裂为界，为断裂接触；馆陶凸起与任县凹陷之间由馆陶西断裂分隔。各单元之间均为断裂接触关系，且这些断裂多从新生界一直延续到结晶基底，断距大，断开层位多(图1)。

图1 研究区区域构造单元图(据天津地热勘查研究院，2017修改)Fig. 1 Regional structural map of the study area(modified from Tianjin Institute of Geothermal Exploration,2017)

研究区地层属于华北地层区(彭兆蒙等，2006；刘海坤等，2009；张静等，2009；汪洋，2015)，古生界—第四系地层发育较全(表1)。地热储层主要发育在上新统明化镇组(N2m)(徐中波等，2015；段雅君等，2019)、中新统馆陶组(N1g)(倪春华等，2008；李新琦等，2019)及古近系(E)，其中明化镇组与馆陶组在平原区广泛分布，沉积厚度较大，一般在200～700 m之间。① 明化镇组主要沉积浅棕色砂岩、含砾砂岩，以及棕黄、浅棕黄、浅棕、棕红色泥岩与砂质泥岩，具有上粗下细的反旋回特征，与下伏馆陶组整合接触。② 馆陶组以浅棕、绿灰、灰白色块层状砂岩、含砾砂岩夹棕色泥岩、粉砂质泥岩为主，为不整合面上的底砾岩或底砂岩沉积，与下伏古近系呈角度不整合接触。③ 古近系主要分布在邢台东部平原凹陷区内，在山区仅太行山前有少量分布，任县残留较薄。

表1 任县区域地层Table 1 Regional stratigraphy of Renxian area

2 古近系地层厘定

古近系地层主要分布在邢台东部平原凹陷区内，任县县城残留较薄。任县地区的地层识别主要依据下列2点。

(1)地震剖面上的断陷层特征(颜照坤等，2011；范兴燕等，2015；苗巧银等，2015)。地层往正断层附近明显加厚，古近系呈楔状分布，厚度变化较大，顶底界均呈角度不整合，下伏中生界和上覆新近系均为坳陷层，厚度较稳定。从已有地震剖面看，任县地区有楔状断陷层分布，该断陷层只能是古近系(图2)。

图2 任县凹陷北东向地震剖面(据天津地热勘察研究院，2017修改)Fig. 2 NE trending seismic profile of Renxian Sag(modified from Tianjin Institute of Geothermal Exploration,2017)

(2)研究区古近系具有弱压实和较高孔隙度特征，明显区别于上覆馆陶组的半固结成岩与下伏中生界的强压实致密胶结特征。钻井测得的古近系声波时差曲线具有向上逐渐变大的过渡性，这与上覆明化镇组—馆陶组相似，但其下伏中生界和上古生界声波时差曲线背景值几乎是无变化的固定值段。从砂岩孔隙度(表2)来看：① 由测井曲线获取的砂岩骨架时差参数(最小值)计算的古近系砂岩孔隙度均较大，最大值近25%，明显大于中生界和上古生界砂岩的最大孔隙度(15%)；平均孔隙度也较下伏地层偏大，一般在10%～15%之间，较为符合古近系砂岩的物性特征；② 下伏中生界和上古生界砂岩平均孔隙度一般为10%，较致密；③ 上覆馆陶组半固结砂岩平均孔隙度也很高，在20%左右。孔隙度计算公式：

表2 任县地区CNOOCRX-1、CNOOCRX-3、CNOOCRX-5至CNOOCRX-8井地层厚度及不同孔隙度砂岩累加厚度统计结果Table 2 Formation thickness and cumulative thickness of sandstone with different porosity in composite wells CNOOCRX-1,CNOOCRX-3,CNOOCRX-5 to CNOOCRX-8 in Renxian area

Δt=φΔtf+(1-φ)Δtma

(1)

式(1)中，Δt为由声波时差曲线上读出的地层声波时差；Δtf为孔隙中流体的声波时差；Δtma为岩石骨架的声波时差，根据不同井段的测井曲线取值：地层水取620 μs/m，馆陶组砂岩取182 μs/m，古近系砂岩取156 μs/m，刘家沟组和石千峰组砂岩取142 μs/m。

对泥质含量进行校正，求取砂岩的孔隙度。计算公式：

φ校=φ(1-Vsh)

(2)

式(2)中，Vsh用下式计算：

(3)

式(3)中：GCUR为希尔奇(Hilchie)指数，古近系、新近系地层一般取3.7，老地层取2.0；IGR=(GR-GRmin)/(GRmax-GRmin),其中GR、GRmax、GRmin分别表示目的层、纯砂岩层和纯泥岩层的自然伽马读数。

3 地层划分对比

通过岩性、旋回和沉积相识别与联井对比，自上而下划分出明化镇组、馆陶组、古近系、刘家沟组、石千峰组和石盒子组等地层。测井分析结果表明，任县城区的地层存在2套对比标志层：① 明化镇组—

馆陶组的大套块层状砂岩(图3、图4)；② 石千峰组，在粉砂质泥岩中夹密集高幅自然伽马尖刺的泥页岩(图3)。区内地层特征表现为明化镇组—馆陶组地层由大套块层状砂岩、含砾砂岩组成，典型特征是自然伽马曲线为低值箱型组合。从区域地层展布特征可知，该套地层为古近系与新近系之间不整合面上的一大套辫状河道成因的底砂岩或底砾岩，厚数百米，在整个华北地区分布稳定，其底界一般在880～930 m之间。区域上，明化镇组比馆陶组沉积偏细，以曲流河为主。在任县附近的钻井中，与馆陶组一起为向上变细的正旋回的上半部分，自然伽马值偏低，一般介于60～80 API之间，井深约610～660 m，与馆陶组之间夹一层厚5～10 m的泥页岩。总体上，由于该区明化镇组仍以砂岩为主，偏细不明显，故暂与馆陶组合并为一套地层。

图3 CNOOCRX-1、CNPPCRX-8、CNOOCRX-3、CNOOCRX-5联井剖面对比图Fig.3 Profile comparison of composite wells CNOOCRX-1,CNPPCRX-8,CNOOCRX-3 and CNOOCRX-5

图4 CNOOCRX-4、CNPPCRX-6、CNOOCRX-7、CNOOCRX-9联井剖面对比图Fig.4 Profile comparison of composite wells CNOOCRX-4，CNPPCRX-6，CNOOCRX-7 and CNOOCRX-9

区域上，古近系与新近系之间的不整合面上广泛分布的大套块状砂(砾)岩是识别馆陶组的主要依据，它属于低位体系域的冲积扇-辫状河河道沉积，也是正旋回的下半部分。明化镇组一般属于正旋回的上部分，岩性较细，以粉砂岩、泥岩夹砂岩沉积为主。显然，钻井揭示的井深500～900 m之间的岩性符合馆陶组的基本特征。古近系地层为一套泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，局部夹细砂岩和粉细砂岩，底部含20～30 m砂岩，总体呈退积式旋回，自然伽马平均值约为100 API，在上覆馆陶组测井曲线上存在一个台阶式突变，二者之间为角度不整合。任县附近的古近系厚度一般为220～240 m，底界井深一般为1 120～1 180 m。

刘家沟组是一套略向上变粗的泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，局部夹细砂岩和纯泥岩地层，自然伽马平均值由下部的120 API向上逐渐变为80 API左右，呈进积序列特征。石千峰组上段厚度一般为240～260 m，底界井深度约为1 380～1 400 m，该段是一套自然伽马测井容易识别的标志层，为研究区上古生界以上地层中最细的一段地层，从层序地层角度看为基准面最高的密集段，自然伽马介于100～200 API之间,背景平均值约为130 API,呈高低幅剧烈变化的齿状、尖刺状，岩性为粉砂质泥岩夹泥页岩，基本不含砂岩，为纵向上较致密的隔水层段，厚度约为200 m，底界在垂深1 600 m附近。

4 地热有利区预测

4.1 沉积相分析

分析CNOOCRX-1、CNPPCRX-8、CNOOCRX-3、CNOOCRX-5联井剖面(图3)以及CNOOCRX-4、CNPPCRX-6、CNOOCRX-7、CNOOCRX-9井的地层沉积相对比剖面(图4)发现：①馆陶组主要为辫状河沉积，砂体微相主要为辫状河道，河道砂岩纵向叠置、横向切割，合并而呈大面积连片分布，砂岩中夹很少的漫滩泥和粉砂，馆陶组为区内砂体厚度最大、分布最广、孔渗性和含水率最高的层位，与明化镇组下部合并，砂体累计厚度>300 m，砂地比>80%；②古近系—刘家沟组主要为曲流河或富泥低弯度河流沉积，以漫滩粉砂岩、泥岩为主，局部夹河道与决口河道微相薄层砂岩，剖面及平面上砂体呈零星透镜体展布，含水砂体总体较少；③石千峰组为泛滥平原-滨浅湖沉积，岩性为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹纯泥岩，几乎不含砂层，是区内沉积最细、最致密的隔水层段；④石盒子组为滨浅湖三角洲-曲流河沉积，岩性主要为泥质粉砂岩和泥岩，夹河口坝、分流河道、点坝及决口河道等中细砂岩，该组中部砂体稍发育，累计厚度达20～30 m，砂地比为10%～20%，砂体发育程度总体上远次于馆陶组，但优于石千峰组和刘家沟组。

4.2 热储层构造特征

结合大地电磁及二维地震资料，得到断点分布和断层平面展布(图5)。前人研究认为DF2断层北倾与晏家屯断层相交，研究区主体断裂呈雁列式平行分布(图6)，区域内断堑与断垒组合，大致有4条平行发育的正断层，自西向东分别为晏家屯断层、DF2断层、河郭镇断层和DF1断层。断层两两相向倾斜，构成3个地垒与2个地堑左旋雁列式平面组合，已钻井区主要位于中西部的断凸中。

图5 任县地区钻井、大地电磁测深线和二维地震测线资料点及断点分布图Fig.5 Distribution map of data points and breakpoints on drilling,magnetotelluric sounding line and 2D seismic survey line in Renxian area

图6 任县地区断裂组合样式示意图Fig.6 Diagram of regional fault combination pattern in Renxian area

根据古近系顶面构造图(图7)，DF2断层是距县城中心最近的断层，晏家屯断层断距最大，其顶面断距在100 m左右。从地震剖面和电阻率剖面来看，DF1、DF2和河郭镇断层的断距北段较大，南段小，即在城区内断距小，城区以北断距增大。因晏家屯断层断距较大，钻井开发水量较大；DF2断层在县城附近，其周围可作为下一步开发甜点区。

图7 任县地区古近系顶面构造图Fig.7 Tectonic map of the top surface of the Paleogene in Renxian area

4.3 含水有利区分布

馆陶—石盒子组已钻地层中，馆陶组砂岩沉积厚度最大，且孔隙度>8%的砂岩分布较多，据砂岩孔隙度统计结果(表3)，研究区内至少存在3套厚度在200 m左右的厚砂岩，最厚可达250 m以上。CNOOCRX-7、CNOOCRX-8井均处于断裂附近，两口井所在的2套厚砂岩为地热开发甜点区，且CNOOCRX-8井位于DF2断裂上升盘，构造位置相对高于CNOOCRX-7井，开发难度相对较小(图8)。

图8 馆陶组孔隙度>8%的砂岩厚度图Fig.8 Sandstone thickness contours with porosity larger than 8% in Guantao Formation

表3 任县地区海油钻井地温梯度和试水结果参数Table 3 Offshore oil drilling geothermal gradient and water test result parameters of Renxian area

研究区地热资源图(图9)显示：①明化镇组—馆陶组砂岩厚度大、孔隙度高且水量大，可作为较好的地下热水开发地层，但缺点是地热温度较低，平均低于50 ℃；②古近系—刘家沟组砂体发育情况不如明化镇组—馆陶组，砂体分布较为分散且厚度较低，相对温度稍高于明化镇组—馆陶组；③奥陶系灰岩所在地层深度较大，但溶孔含水量大且地热温度较高，平均达70 ℃以上，可作为研究区最佳地热资源开发甜点，虽然深度较大，但若完钻于断裂上升盘部位，将相对减小施工难度，可作为下阶段目标。

图9 研究区地热资源分布示意图Fig.9 Geothermal resource distribution map of the study area

5 奥陶系灰岩水层开发

明化镇组—馆陶组已钻出地下热水，其辫状河道砂体多且厚，具备良好的地下热水储集层条件，但地下水温度较低，仅为40 ℃左右。水层温度较为理想的储层为奥陶系灰岩储层，其顶面埋深最浅在2 500 m左右，奥陶系灰岩水层厚度约为260 m。古近系、刘家沟组及石盒子组砂岩水层总体不够发育，孔隙度也相对较低，水层温度介于50～70 ℃之间。CNOOCRX-1钻入石盒子组，井口水温较高，达74 ℃，井筒静水液面为14 m，明显高于其他井的平均静水面(30～40 m)(表3)。

根据奥陶系顶面构造图(图10)，晏家屯断层断距最大，达1 600 m；DF2断层断距约为400 m，且离任县县城最近。参照金热1井，钻深3 105 m，井底水温为95 ℃，最大出水量为331 m3/h，若该区断凸上垂深能钻至2 500～3 000 m深度，即可钻遇奥陶系灰岩主力热深层。因此建议下一步将DF2断层上盘奥陶系灰岩热水层作为主要钻探目的层。

图10 任县地区奥陶系顶面构造图(据河北省煤田地质局水文地质队修改)Fig. 10 Tectonic map of the Ordovician top surface in Renxian area(modified from Hydrogeology Team of Hebei Coalfield Geology Bureau)

6 结 论

(1)根据地震剖面的断陷层特征和区域上相较于馆陶组和下伏中生界测井曲线及孔隙度变化特征，认为任县地区存在古近系地层。

(2)钻井和联井地层沉积相对比剖面分析表明，明化镇组—馆陶组辫状河砂体厚度大、分布广、物性好。馆陶组孔隙度>8%的砂岩质量分数为77%～97%；古近系、刘家沟组、石千峰组和石盒子组中的曲流河、富泥低弯度、分支河道砂体总体夹于大套泥岩中，厚度薄、含量低、物性较差。其中，古近系砂体展布受北东向河道延伸控制，孔隙度最大为25%，平均值为10%～15%；石千峰组为泥质含量最高、最致密的隔水层。

(3)任县地区断层呈雁列式平行发育，地堑与地垒交替，DF2断层断距较大，奥陶系灰岩顶面断距在400 m左右，水温达95 ℃，该断层附近可作为地热勘探开发甜点区。