唐山北部蓟县系雾迷山组白云岩热储资源潜力研究

2022-09-29郝杰万维任路陈元春王明汕

科学技术与工程 2022年24期

郝杰，万维，任路，陈元春，王明汕

(1.中国石油冀东油田公司，唐山 063004;2.宝石花同方能源科技有限公司，北京 100080)

2020年，中国正式宣布二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，这标志着中国正式加快迈向清洁能源转型之路。地热能因具有清洁、可再生、储量大等特点，在替代传统化石能源中发挥着重要作用[1-3]。国家已制定2030年能源接替目标，地热能在全国一次性能源消耗中的占比将达到3%，京津冀地区达到10%。唐山市经济发达、人口稠密、比邻京津，属于京津冀周边大气污染重点治理城市，加快地热资源有效开发利用既紧迫又现实。

唐山市南部地区(近海平原区)属于华北平原北部。华北平原区广泛发育新近系砂岩热储和碳酸岩盐基岩热储，新近系砂岩热储，因其埋深适中，出水温度高、单井涌水量大，已在包括唐山地区在内的多个地区得到有效开发利用；寒武-奥陶系及蓟县系雾迷山组碳酸盐岩热储成功开发应用的实例也有很多(如雄安新区、河北无极-藁城等地)。针对华北平原区地热资源综合研究的成果相对较多，钻探和开发也取得较好效果[4-9]。

唐山市区及北部(山前倾斜平原区)构造上属于燕山褶皱带南缘，区域地质条件十分复杂，缺失馆陶组，上覆的新近系明化镇组沉积厚度薄、埋深浅难以形成有效热储，而针对深层碳酸盐岩基岩热储的综合性研究与评价工作尚属空白，到目前唐山市城区及周边尚无有效开发利用的地热井。

根据区域地质资料，唐山北部在蓟县纪沉积了厚度非常大的碳酸盐岩地层且上覆有碳酸盐岩及砂泥岩地层作为盖层，并发育有多期深大断裂，这为该区提供了良好的地热地质条件。以唐山市及北部为研究范围，以蓟县系雾迷山组白云岩热储为研究对象，利用煤田地质、地质调查、水文气象等资料，对研究区的区域地质特征、热储空间展布、热储岩性和物性条件、地温场特征、涌水量、热储成因模式等地热地质要素进行分析，首次对这套热储资源开展了系统性的研究工作。研究成果对唐山市地热资源开发利用的规划制定、目标选择、工程实施具有指导意义。

1 区域地质特征

河北省唐山市位于燕山南麓，地形地貌大部为倾斜平原，中北部为低山丘陵。研究范围以唐山市城区为主，北至丰润区，南至丰南区黄各庄镇，西至玉田县窝咯古镇，东至滦州市、滦南县，面积约3 100 km2，地势北高南低，倾斜平原区海拔多在50 m以下，中北部丘陵区海拔最高可超过200 m。

研究区构造上位于燕山褶皱带南缘，印支运动开始，特别是侏罗纪的燕山运动，由于太平洋板块向华北板块俯冲，唐山地区进入强烈活动阶段，形成了以唐山断裂带为代表的北东向逆断层及一系列轴向北东的褶皱构造(图1)。由西向东分布有车轴山向斜、碑子院背斜、开平向斜等，构造走向均为北东向。

图1 研究区前新生代构造纲要图Fig.1 Tectonic outline map of pre-Cenozoic strata in the study area

研究区及周边断裂发育(图2)，区域性深大断裂主要有丰台-野鸡坨断裂、宁河-昌黎断裂、蓟运河断裂、滦县-乐亭断裂等，这组菱形大断裂控制区域构造格局。在菱形的对角线方向发育唐山断裂带，主要由3条近平行的断裂组成，分别为陡河断裂、巍山-丰南断裂以及唐山-古冶断裂，这些断裂控制局部构造[10-12]。

图2 研究区断裂分布Fig.2 Fracture distribution of the study region

研究区缺失古近纪和中生代地层，新生界下伏基底为古生界、元古界和太古界(图3)。在向斜的核部下伏地层为石炭-二叠系，向斜的翼部下伏寒武-奥陶系,在背斜的核部，基底多为元古界[13]。

图3 研究区基岩分区Fig.3 Bedrock distribution in the study area

2 地热地质条件

2.1 蓟县系雾迷山组地层展布

根据研究区发育地层及岩性，该区主要发育层状热储，可分为孔隙型热储和裂隙型热储，具体包括新近系明化镇组砂岩孔隙型热储、寒武-奥陶系碳酸盐岩裂隙型热储、蓟县系雾迷山组白云岩裂隙型热储[14]。新近系明化镇组厚度薄，埋深浅，且只在南部发育；寒武-奥陶系碳酸盐岩热储只发育在向斜内，产状复杂，厚度变化大。蓟县系雾迷山组白云岩热储分布范围广，埋深大(图4)，厚度由西向东逐渐减薄，碑子院背斜核部的ZK1井钻遇雾迷山组1 696 m未穿，该井出水温度较高，热储岩性有利，物性好，是唐山地区最具开发潜力的经济开发热储[15]。

图4 研究区蓟县系雾迷山组顶界埋深预测图Fig.4 Prognosis map of burial depth from the top of Wumishan Formation of Jixian system in the study area

2.2 热储岩性和物性

唐山北部蓟县系雾迷山组岩性以厚层状白云岩为主，其中雾迷山组四段(Jxw4)，岩性为白云质砂岩、白云岩、叠层石白云岩；雾迷山组三段(Jxw3)，岩性为燧石条带泥质白云岩、叠层石白云岩、偶含鲕粒；雾迷山组二段(Jxw2)岩性为燧石团块沥青质白云岩、含砂白云岩、藻席白云岩；雾迷山组一段(Jxw1)岩性为燧石条带砾屑藻席白云岩，含沥青质白云岩。

根据钻井及测井资料，唐山地区蓟县系雾迷山组白云岩储集空间为微裂隙[16-18]。裂隙发育，连通性好，储地比20%～25%，孔隙度6%～7%，渗透率130～2 347 mD。

综合分析唐山地区蓟县系雾迷山组岩性发育情况和物性参数，对比华北平原区已有地热井该套热储参数，研究区发育的这套热储岩性有利，物性条件较好。

2.3 地温场特征

根据唐山地区大地热流及已有井温资料[15,19-23]，结合雾迷山组的埋深，推测唐山北部蓟县系雾迷山组顶界地温在25～95 ℃(图5)，温度随埋深的增大而增加，本区雾迷山组地温梯度<2.0 ℃/100 m。

图5 研究区蓟县系雾迷山组顶界面温度等值线图Fig.5 Temperature contour map at the top of Wumishan Formation of Jixian system in the study area

2.4 涌水量预测和水质分析

根据区内及周边地热井水量资料[15,24]，本区雾迷山组单井涌水量100～3 000 m3/d。通常情况下，若开采层段有足够的厚度，蓟县系雾迷山组的涌水量都比较大。雾迷山组水质类型以Cl-Na、Cl·HCO3-Na、HCO3-Na·Ca·Mg为主，矿化度0.29～35.4 g/L，pH为6.0～9.0。

2.5 地热成因模式

研究区雾迷山组地热系统由盖层、热储、热源及流体通道等组成(图6)。盖层为上覆的砂泥岩及碳酸盐岩地层，热储为雾迷山组内部裂隙发育的白云岩，连通性好的裂隙构成流体通道，热能主要来自于上地幔的热传导[4,9]。唐山北部蓟县系雾迷山组白云岩裂隙水的补给区在北部的基岩出露区或热储顶面上覆较薄的第四系覆盖区，唐山北部主要处于径流区及排泄区。

图6 研究区蓟县系雾迷山组地热系统成因模式图 Fig.6 Genetic model diagram of geothermal system of Wumishan formation of Jixian system in the study area

3 地热资源量估算

采用热储法来计算唐山市研究区范围内雾迷山组白云岩热储的静态资源量，计算公式为

Q=CAd(tr-to)

(1)

C=ρrCr(1-φ)+ρwCwφ

(2)

式中：Q为地热资源量，J；C为热储岩石与水的平均热容量，J/(m3·℃)；A为热储面积，取值2 820 km2；d为热储层厚度，取值180 m；φ为热储层孔隙度，综合考虑钻井的实测数据及岩芯实验室的测试数据,取6.4%；tr为热储平均温度，取值66 ℃；to为基准温度，取值13 ℃；ρr、Cr分别为岩石的密度和比热，分别取2.749 g/cm3、0.87 kJ/(kg·℃)；ρw、Cw分别为水的密度和比热，分别取1.0 g/cm3、4.19 kJ/(kg·℃)。

通过式(1)、式(2)计算，唐山北部研究区范围内蓟县系雾迷山组白云岩热储静态资源量为67.4×1015kJ，折合标准煤229 979万t。