陳慶龍，黃 銳，蒲仁海，王 彬，孫 龍，王妍心

(1.大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300456)

0 引 言

地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用，從環(huán)保和國(guó)家清潔能源發(fā)展來(lái)看迫在眉睫(陳墨香，1991；陳墨香等，1996；張素娥等，2010；湯國(guó)毅等，2011)。為緩解任縣縣城的采暖供暖問(wèn)題，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該地區(qū)的地?zé)豳Y源(胥博文等，2019)。已完鉆熱水井雖部分解決了供暖問(wèn)題，但熱水溫度較低，井口水溫平均在43 ℃左右；井底間距小，冷水同層回灌會(huì)降低臨井水溫，水量小。此外，是否需要加大奧陶系頂面古風(fēng)化殼灰?guī)r巖溶水層勘探力度等問(wèn)題也亟需解決。因此，查明任縣地區(qū)熱水層發(fā)育規(guī)律，包括熱水層發(fā)育層位、儲(chǔ)層特征、發(fā)育厚度、溫度、展布及有利熱水層深度十分必要。

以河北任縣地區(qū)為研究區(qū)，利用鉆井、測(cè)井、大地電磁、二維地震資料，對(duì)該地區(qū)進(jìn)行地層劃分對(duì)比及有利熱儲(chǔ)層砂體厚度與分布特征、斷裂發(fā)育特征研究，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用該地區(qū)的地?zé)豳Y源提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

任縣地區(qū)位于臨清坳陷內(nèi)次級(jí)構(gòu)造單元任縣凹陷(王明健等，2012)，臨清坳陷內(nèi)各構(gòu)造單元東西方向?yàn)榘纪瓜嚅g的構(gòu)造格局，通常在凸起一側(cè)有北東向斷裂控制凹陷的沉積，南北向斷裂或構(gòu)造帶將各構(gòu)造單元分割(孫耀庭等，2015)。例如，邯鄲凹陷、任縣凹陷與雞澤凸起由永年斷裂分開(kāi)；邯鄲凹陷與成安低凸起以邯鄲東斷裂為界，為斷裂接觸；館陶凸起與任縣凹陷之間由館陶西斷裂分隔。各單元之間均為斷裂接觸關(guān)系，且這些斷裂多從新生界一直延續(xù)到結(jié)晶基底，斷距大，斷開(kāi)層位多(圖1)。

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造單元圖(據(jù)天津地?zé)峥辈檠芯吭海?017修改)Fig. 1 Regional structural map of the study area(modified from Tianjin Institute of Geothermal Exploration,2017)

研究區(qū)地層屬于華北地層區(qū)(彭兆蒙等，2006；劉海坤等，2009；張靜等，2009；汪洋，2015)，古生界—第四系地層發(fā)育較全(表1)。地?zé)醿?chǔ)層主要發(fā)育在上新統(tǒng)明化鎮(zhèn)組(N2m)(徐中波等，2015；段雅君等，2019)、中新統(tǒng)館陶組(N1g)(倪春華等，2008；李新琦等，2019)及古近系(E)，其中明化鎮(zhèn)組與館陶組在平原區(qū)廣泛分布，沉積厚度較大，一般在200～700 m之間。① 明化鎮(zhèn)組主要沉積淺棕色砂巖、含礫砂巖，以及棕黃、淺棕黃、淺棕、棕紅色泥巖與砂質(zhì)泥巖，具有上粗下細(xì)的反旋回特征，與下伏館陶組整合接觸。② 館陶組以淺棕、綠灰、灰白色塊層狀砂巖、含礫砂巖夾棕色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，為不整合面上的底礫巖或底砂巖沉積，與下伏古近系呈角度不整合接觸。③ 古近系主要分布在邢臺(tái)東部平原凹陷區(qū)內(nèi)，在山區(qū)僅太行山前有少量分布，任縣殘留較薄。

表1 任縣區(qū)域地層Table 1 Regional stratigraphy of Renxian area

2 古近系地層厘定

古近系地層主要分布在邢臺(tái)東部平原凹陷區(qū)內(nèi)，任縣縣城殘留較薄。任縣地區(qū)的地層識(shí)別主要依據(jù)下列2點(diǎn)。

(1)地震剖面上的斷陷層特征(顏照坤等，2011；范興燕等，2015；苗巧銀等，2015)。地層往正斷層附近明顯加厚，古近系呈楔狀分布，厚度變化較大，頂?shù)捉缇式嵌炔徽?，下伏中生界和上覆新近系均為坳陷層，厚度較穩(wěn)定。從已有地震剖面看，任縣地區(qū)有楔狀斷陷層分布，該斷陷層只能是古近系(圖2)。

圖2 任縣凹陷北東向地震剖面(據(jù)天津地?zé)峥辈煅芯吭海?017修改)Fig. 2 NE trending seismic profile of Renxian Sag(modified from Tianjin Institute of Geothermal Exploration,2017)

(2)研究區(qū)古近系具有弱壓實(shí)和較高孔隙度特征，明顯區(qū)別于上覆館陶組的半固結(jié)成巖與下伏中生界的強(qiáng)壓實(shí)致密膠結(jié)特征。鉆井測(cè)得的古近系聲波時(shí)差曲線具有向上逐漸變大的過(guò)渡性，這與上覆明化鎮(zhèn)組—館陶組相似，但其下伏中生界和上古生界聲波時(shí)差曲線背景值幾乎是無(wú)變化的固定值段。從砂巖孔隙度(表2)來(lái)看：① 由測(cè)井曲線獲取的砂巖骨架時(shí)差參數(shù)(最小值)計(jì)算的古近系砂巖孔隙度均較大，最大值近25%，明顯大于中生界和上古生界砂巖的最大孔隙度(15%)；平均孔隙度也較下伏地層偏大，一般在10%～15%之間，較為符合古近系砂巖的物性特征；② 下伏中生界和上古生界砂巖平均孔隙度一般為10%，較致密；③ 上覆館陶組半固結(jié)砂巖平均孔隙度也很高，在20%左右?？紫抖扔?jì)算公式：

表2 任縣地區(qū)CNOOCRX-1、CNOOCRX-3、CNOOCRX-5至CNOOCRX-8井地層厚度及不同孔隙度砂巖累加厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)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為由聲波時(shí)差曲線上讀出的地層聲波時(shí)差；Δtf為孔隙中流體的聲波時(shí)差；Δtma為巖石骨架的聲波時(shí)差，根據(jù)不同井段的測(cè)井曲線取值：地層水取620 μs/m，館陶組砂巖取182 μs/m，古近系砂巖取156 μs/m，劉家溝組和石千峰組砂巖取142 μs/m。

對(duì)泥質(zhì)含量進(jìn)行校正，求取砂巖的孔隙度。計(jì)算公式：

φ校=φ(1-Vsh)

(2)

式(2)中，Vsh用下式計(jì)算：

(3)

式(3)中：GCUR為希爾奇(Hilchie)指數(shù)，古近系、新近系地層一般取3.7，老地層取2.0；IGR=(GR-GRmin)/(GRmax-GRmin),其中GR、GRmax、GRmin分別表示目的層、純砂巖層和純泥巖層的自然伽馬讀數(shù)。

3 地層劃分對(duì)比

通過(guò)巖性、旋回和沉積相識(shí)別與聯(lián)井對(duì)比，自上而下劃分出明化鎮(zhèn)組、館陶組、古近系、劉家溝組、石千峰組和石盒子組等地層。測(cè)井分析結(jié)果表明，任縣城區(qū)的地層存在2套對(duì)比標(biāo)志層：① 明化鎮(zhèn)組—

館陶組的大套塊層狀砂巖(圖3、圖4)；② 石千峰組，在粉砂質(zhì)泥巖中夾密集高幅自然伽馬尖刺的泥頁(yè)巖(圖3)。區(qū)內(nèi)地層特征表現(xiàn)為明化鎮(zhèn)組—館陶組地層由大套塊層狀砂巖、含礫砂巖組成，典型特征是自然伽馬曲線為低值箱型組合。從區(qū)域地層展布特征可知，該套地層為古近系與新近系之間不整合面上的一大套辮狀河道成因的底砂巖或底礫巖，厚數(shù)百米，在整個(gè)華北地區(qū)分布穩(wěn)定，其底界一般在880～930 m之間。區(qū)域上，明化鎮(zhèn)組比館陶組沉積偏細(xì)，以曲流河為主。在任縣附近的鉆井中，與館陶組一起為向上變細(xì)的正旋回的上半部分，自然伽馬值偏低，一般介于60～80 API之間，井深約610～660 m，與館陶組之間夾一層厚5～10 m的泥頁(yè)巖?？傮w上，由于該區(qū)明化鎮(zhèn)組仍以砂巖為主，偏細(xì)不明顯，故暫與館陶組合并為一套地層。

圖3 CNOOCRX-1、CNPPCRX-8、CNOOCRX-3、CNOOCRX-5聯(lián)井剖面對(duì)比圖Fig.3 Profile comparison of composite wells CNOOCRX-1,CNPPCRX-8,CNOOCRX-3 and CNOOCRX-5

圖4 CNOOCRX-4、CNPPCRX-6、CNOOCRX-7、CNOOCRX-9聯(lián)井剖面對(duì)比圖Fig.4 Profile comparison of composite wells CNOOCRX-4，CNPPCRX-6，CNOOCRX-7 and CNOOCRX-9

區(qū)域上，古近系與新近系之間的不整合面上廣泛分布的大套塊狀砂(礫)巖是識(shí)別館陶組的主要依據(jù)，它屬于低位體系域的沖積扇-辮狀河河道沉積，也是正旋回的下半部分。明化鎮(zhèn)組一般屬于正旋回的上部分，巖性較細(xì)，以粉砂巖、泥巖夾砂巖沉積為主。顯然，鉆井揭示的井深500～900 m之間的巖性符合館陶組的基本特征。古近系地層為一套泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，局部夾細(xì)砂巖和粉細(xì)砂巖，底部含20～30 m砂巖，總體呈退積式旋回，自然伽馬平均值約為100 API，在上覆館陶組測(cè)井曲線上存在一個(gè)臺(tái)階式突變，二者之間為角度不整合。任縣附近的古近系厚度一般為220～240 m，底界井深一般為1 120～1 180 m。

劉家溝組是一套略向上變粗的泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部夾細(xì)砂巖和純泥巖地層，自然伽馬平均值由下部的120 API向上逐漸變?yōu)?0 API左右，呈進(jìn)積序列特征。石千峰組上段厚度一般為240～260 m，底界井深度約為1 380～1 400 m，該段是一套自然伽馬測(cè)井容易識(shí)別的標(biāo)志層，為研究區(qū)上古生界以上地層中最細(xì)的一段地層，從層序地層角度看為基準(zhǔn)面最高的密集段，自然伽馬介于100～200 API之間,背景平均值約為130 API,呈高低幅劇烈變化的齒狀、尖刺狀，巖性為粉砂質(zhì)泥巖夾泥頁(yè)巖，基本不含砂巖，為縱向上較致密的隔水層段，厚度約為200 m，底界在垂深1 600 m附近。

4 地?zé)嵊欣麉^(qū)預(yù)測(cè)

4.1 沉積相分析

分析CNOOCRX-1、CNPPCRX-8、CNOOCRX-3、CNOOCRX-5聯(lián)井剖面(圖3)以及CNOOCRX-4、CNPPCRX-6、CNOOCRX-7、CNOOCRX-9井的地層沉積相對(duì)比剖面(圖4)發(fā)現(xiàn)：①館陶組主要為辮狀河沉積，砂體微相主要為辮狀河道，河道砂巖縱向疊置、橫向切割，合并而呈大面積連片分布，砂巖中夾很少的漫灘泥和粉砂，館陶組為區(qū)內(nèi)砂體厚度最大、分布最廣、孔滲性和含水率最高的層位，與明化鎮(zhèn)組下部合并，砂體累計(jì)厚度>300 m，砂地比>80%；②古近系—?jiǎng)⒓覝辖M主要為曲流河或富泥低彎度河流沉積，以漫灘粉砂巖、泥巖為主，局部夾河道與決口河道微相薄層砂巖，剖面及平面上砂體呈零星透鏡體展布，含水砂體總體較少；③石千峰組為泛濫平原-濱淺湖沉積，巖性為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖夾純泥巖，幾乎不含砂層，是區(qū)內(nèi)沉積最細(xì)、最致密的隔水層段；④石盒子組為濱淺湖三角洲-曲流河沉積，巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖和泥巖，夾河口壩、分流河道、點(diǎn)壩及決口河道等中細(xì)砂巖，該組中部砂體稍發(fā)育，累計(jì)厚度達(dá)20～30 m，砂地比為10%～20%，砂體發(fā)育程度總體上遠(yuǎn)次于館陶組，但優(yōu)于石千峰組和劉家溝組。

4.2 熱儲(chǔ)層構(gòu)造特征

結(jié)合大地電磁及二維地震資料，得到斷點(diǎn)分布和斷層平面展布(圖5)。前人研究認(rèn)為DF2斷層北傾與晏家屯斷層相交，研究區(qū)主體斷裂呈雁列式平行分布(圖6)，區(qū)域內(nèi)斷塹與斷壘組合，大致有4條平行發(fā)育的正斷層，自西向東分別為晏家屯斷層、DF2斷層、河郭鎮(zhèn)斷層和DF1斷層。斷層兩兩相向傾斜，構(gòu)成3個(gè)地壘與2個(gè)地塹左旋雁列式平面組合，已鉆井區(qū)主要位于中西部的斷凸中。

圖5 任縣地區(qū)鉆井、大地電磁測(cè)深線和二維地震測(cè)線資料點(diǎn)及斷點(diǎn)分布圖Fig.5 Distribution map of data points and breakpoints on drilling,magnetotelluric sounding line and 2D seismic survey line in Renxian area

圖6 任縣地區(qū)斷裂組合樣式示意圖Fig.6 Diagram of regional fault combination pattern in Renxian area

根據(jù)古近系頂面構(gòu)造圖(圖7)，DF2斷層是距縣城中心最近的斷層，晏家屯斷層斷距最大，其頂面斷距在100 m左右。從地震剖面和電阻率剖面來(lái)看，DF1、DF2和河郭鎮(zhèn)斷層的斷距北段較大，南段小，即在城區(qū)內(nèi)斷距小，城區(qū)以北斷距增大。因晏家屯斷層斷距較大，鉆井開(kāi)發(fā)水量較大；DF2斷層在縣城附近，其周圍可作為下一步開(kāi)發(fā)甜點(diǎn)區(qū)。

圖7 任縣地區(qū)古近系頂面構(gòu)造圖Fig.7 Tectonic map of the top surface of the Paleogene in Renxian area

4.3 含水有利區(qū)分布

館陶—石盒子組已鉆地層中，館陶組砂巖沉積厚度最大，且孔隙度>8%的砂巖分布較多，據(jù)砂巖孔隙度統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表3)，研究區(qū)內(nèi)至少存在3套厚度在200 m左右的厚砂巖，最厚可達(dá)250 m以上。CNOOCRX-7、CNOOCRX-8井均處于斷裂附近，兩口井所在的2套厚砂巖為地?zé)衢_(kāi)發(fā)甜點(diǎn)區(qū)，且CNOOCRX-8井位于DF2斷裂上升盤，構(gòu)造位置相對(duì)高于CNOOCRX-7井，開(kāi)發(fā)難度相對(duì)較小(圖8)。

圖8 館陶組孔隙度>8%的砂巖厚度圖Fig.8 Sandstone thickness contours with porosity larger than 8% in Guantao Formation

表3 任縣地區(qū)海油鉆井地溫梯度和試水結(jié)果參數(shù)Table 3 Offshore oil drilling geothermal gradient and water test result parameters of Renxian area

研究區(qū)地?zé)豳Y源圖(圖9)顯示：①明化鎮(zhèn)組—館陶組砂巖厚度大、孔隙度高且水量大，可作為較好的地下熱水開(kāi)發(fā)地層，但缺點(diǎn)是地?zé)釡囟容^低，平均低于50 ℃；②古近系—?jiǎng)⒓覝辖M砂體發(fā)育情況不如明化鎮(zhèn)組—館陶組，砂體分布較為分散且厚度較低，相對(duì)溫度稍高于明化鎮(zhèn)組—館陶組；③奧陶系灰?guī)r所在地層深度較大，但溶孔含水量大且地?zé)釡囟容^高，平均達(dá)70 ℃以上，可作為研究區(qū)最佳地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)甜點(diǎn)，雖然深度較大，但若完鉆于斷裂上升盤部位，將相對(duì)減小施工難度，可作為下階段目標(biāo)。

圖9 研究區(qū)地?zé)豳Y源分布示意圖Fig.9 Geothermal resource distribution map of the study area

5 奧陶系灰?guī)r水層開(kāi)發(fā)

明化鎮(zhèn)組—館陶組已鉆出地下熱水，其辮狀河道砂體多且厚，具備良好的地下熱水儲(chǔ)集層條件，但地下水溫度較低，僅為40 ℃左右。水層溫度較為理想的儲(chǔ)層為奧陶系灰?guī)r儲(chǔ)層，其頂面埋深最淺在2 500 m左右，奧陶系灰?guī)r水層厚度約為260 m。古近系、劉家溝組及石盒子組砂巖水層總體不夠發(fā)育，孔隙度也相對(duì)較低，水層溫度介于50～70 ℃之間。CNOOCRX-1鉆入石盒子組，井口水溫較高，達(dá)74 ℃，井筒靜水液面為14 m，明顯高于其他井的平均靜水面(30～40 m)(表3)。

根據(jù)奧陶系頂面構(gòu)造圖(圖10)，晏家屯斷層斷距最大，達(dá)1 600 m；DF2斷層斷距約為400 m，且離任縣縣城最近。參照金熱1井，鉆深3 105 m，井底水溫為95 ℃，最大出水量為331 m3/h，若該區(qū)斷凸上垂深能鉆至2 500～3 000 m深度，即可鉆遇奧陶系灰?guī)r主力熱深層。因此建議下一步將DF2斷層上盤奧陶系灰?guī)r熱水層作為主要鉆探目的層。

圖10 任縣地區(qū)奧陶系頂面構(gòu)造圖(據(jù)河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì)修改)Fig. 10 Tectonic map of the Ordovician top surface in Renxian area(modified from Hydrogeology Team of Hebei Coalfield Geology Bureau)

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)地震剖面的斷陷層特征和區(qū)域上相較于館陶組和下伏中生界測(cè)井曲線及孔隙度變化特征，認(rèn)為任縣地區(qū)存在古近系地層。

(2)鉆井和聯(lián)井地層沉積相對(duì)比剖面分析表明，明化鎮(zhèn)組—館陶組辮狀河砂體厚度大、分布廣、物性好。館陶組孔隙度>8%的砂巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為77%～97%；古近系、劉家溝組、石千峰組和石盒子組中的曲流河、富泥低彎度、分支河道砂體總體夾于大套泥巖中，厚度薄、含量低、物性較差。其中，古近系砂體展布受北東向河道延伸控制，孔隙度最大為25%，平均值為10%～15%；石千峰組為泥質(zhì)含量最高、最致密的隔水層。

(3)任縣地區(qū)斷層呈雁列式平行發(fā)育，地塹與地壘交替，DF2斷層斷距較大，奧陶系灰?guī)r頂面斷距在400 m左右，水溫達(dá)95 ℃，該斷層附近可作為地?zé)峥碧介_(kāi)發(fā)甜點(diǎn)區(qū)。