河南清豐地區巖溶熱儲地熱地質特征

王 迪， 國殿斌， 汪新偉， 毛 翔， 羅 璐

( 1. 中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083； 2. 中國石化新星(北京) 新能源研究院有限公司，北京 100083 )

0 引言

為減少對傳統能源的依賴，世界上許多國家致力于新能源方面的研究，尤其是對可再生能源的研究[1-4]。地熱作為一種清潔、可再生能源，開發潛力巨大。中國地熱資源種類繁多，分布廣泛，具有明顯的規律性和地帶性，其中水熱型地熱資源量折合標準煤為1.25×104億t，每年可開采量折合標準煤為18.65億t，336個地級以上城市淺層地熱資源每年可開采量折合標準煤為7.00億t[5]。

在“十三五”能源發展規劃中，中國首次將地熱能開發利用列入其中。2017年，推出“北方地區清潔取暖”相關政策，設立大氣污染傳輸通道城市(“2+26”城市)，表明傳統的高能耗、高污染的供暖方式將被清潔、低碳的供暖方式替代，地熱將成為主要的熱源之一[6]。河南省濮陽市為“2+26”城市之一，近幾年進行大規模的地熱資源開發。截至2018年底，河南省濮陽市清豐地區共開發地熱井22口，共計供暖能力為107.01萬m2，熱儲層位主要為奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲，具有單井產水量高、鹽度低、易回灌等特點，地熱單井出水量為106.00～133.60 m3/h，井口水溫為49～58 ℃。

關于研究區奧陶系儲集層的研究主要表現在東濮地區奧陶系沉積相特征及其演化[7]、奧陶系碳酸鹽巖成巖作用及其對儲集層的影響[8]、東濮凹陷油氣成藏研究[9]、東濮地區奧陶系頂部儲集層特征及有利控制因素[10]等方面，集中于東濮凹陷油區范圍的儲層研究，極少開展對內黃凸起東斜坡奧陶系巖溶熱儲分布特征、地熱水化學特征和地熱資源量精細評價等方面的研究。以研究區區域地質構造、地震資料解釋為基礎，結合已有的地熱井分析資料，研究河南省濮陽市清豐地區奧陶系巖溶儲集層發育特征、橫縱向富集規律、地熱水化學特征和地熱資源量，為河南省濮陽市清豐地區的地熱資源開發提供理論指導。

1 區域地質特征

1.1 地質構造

內黃凸起位于渤海灣盆地東南部，為一軸面走向北東、傾向南東、傾角為3°～12°的背斜[11]。清豐地區位于背斜的南東翼，北接臨清坳陷，西鄰湯陰凹陷，東接東濮凹陷，南鄰濟源—開封坳陷。內黃凸起主要由西界的湯東斷裂、東界的長垣大斷裂、南界的新商斷裂和北界的磁縣—大名斷裂共同控制[12-13]，其基底為一穹隆狀構造，核部位于河南省浚縣以北及內黃縣一帶，出露太古代地層；向東南、東為斜坡，出露古生代地層。新生界沉積厚度多在0.5～1.5 km之間，呈西北薄、東南厚的特征(見圖1)。

1.2 地層特征

根據區域地質、地震資料和清豐地區已鉆的22口井資料，研究區地層由老到新依次發育寒武系—奧陶系、石炭系—二疊系、三疊系、古近系、新近系和第四系(見圖2)。

圖2 清豐地區北部NW—SE向地震剖面(剖面位置見圖1)Fig.2 Seismic section in NW—SE direction in the north of Qingfeng Area(section position as shown in fig.1)

新近紀地層為熱儲的區域蓋層，巖性主要為棕色泥巖與灰白色砂巖互層，地層厚度為0.3～1.3 km，埋藏深度較淺，地熱水溫度較低，不適合作為研究區有利開發層。石炭紀—二疊紀地層厚度為37～220 m，巖性以灰色、白色、棕色礫巖和灰色、紫紅色泥巖為主，與下伏奧陶系呈不整合接觸(見圖3)。

圖3 清豐地區QF-5井地層柱狀圖Fig.3 Comprehensive stratigraphic column of QF-5 well in Qingfeng Area

2 熱儲特征

2.1 空間展布特征

清豐地區開發的熱儲層主要是奧陶系臺地相碳酸鹽巖。根據研究區區域地質、鉆井、地震等資料，明確清豐地區奧陶系巖溶熱儲的空間展布特征。

內黃凸起背斜核部位于河南省浚縣以北及內黃縣一帶，奧陶系遭受剝蝕，頂板埋深約為1.000 km，由西向東逐漸變深，新生代地層直接覆蓋其上。石炭紀—二疊紀地層為清豐地區奧陶系巖溶熱儲的直接蓋層，頂板埋深為1.076～1.280 km(見圖2)。

清豐地區地熱資源開發主要集中于城區，為明確該區域熱儲層的空間展布特征，部署4條物探剖面，采用大地電磁測深法(MT)刻畫斷裂分布特征，厘清斷裂體系發育與優勢熱儲運移通道的關系。塔里木盆地順北特深碳酸鹽巖斷溶體油氣藏為斷裂控儲[14-17]，清豐地區的巖溶熱儲具有與其相同的勘探特征。

Ⅰ號剖面線(BB′)，測線方向為186°，點距為50 m，剖面總長度為5.1 km。沿I號剖面線方向2.4～3.0 km處有很明顯的電性差異，推測發育正斷層F5、F6，傾向分別為南西向和北東向，傾角為50°～65°(見圖4(a))。

圖4 清豐地區MT反演剖面地質解釋Fig.4 Geological interpretation map of MT inversion section in Qingfeng Area

Ⅱ號剖面線(CC′)，測線方向為179°，點距為50 m，剖面總長度為3.6 km。沿Ⅱ號剖面線方向0.3～0.4 km處電性層埋深有明顯的錯動，推測發育正斷層F6，傾向為北東向，傾角為55°～65°(見圖4(b))。

Ⅲ號剖面線(DD′)，測線方向為98°，點距為50 m，剖面總長度為3.3 km。該剖面無高阻特征顯示，與Ⅳ號剖面線電性特征有很大差異，推測剖面線受近乎平行的斷裂影響。沿Ⅲ號剖面線1.0、3.0 km處電性發生輕微的變化，根據電阻率曲線變化與Ⅳ號剖面線有相似形態，結合區域斷裂展布，推測在剖面線1.0、3.0 km處分別發育正斷層F4和F3(見圖4(c))。

Ⅳ號剖面線(EE′)，測線方向為93°，點距為50 m，剖面總長度為3.5 km。沿Ⅳ號剖面線方向0.9～1.1、2.6～3.0 km處電性發生明顯的變化，推斷發育正斷層F4和F3，傾向為北西—南東向，傾角為60°～70°(見圖4(d))。

圖5 清豐地區奧陶系頂板埋深等值線及斷裂體系分布

Fig.5 Roof depth map of the Ordocician karst reservoir and distribution of fracture system in Qingfeng Area

受燕山運動影響，渤海灣盆地發育大規模北北東向斷裂。結合鉆井資料和大地電磁剖面的地質解釋，繪制清豐地區奧陶系頂板埋深和斷裂體系分布圖(見圖5)。由圖5可知，清豐地區主要發育北北東向斷層F3、F4和北西西向斷層F5、F6，其中F3、F4斷層西側的奧陶系巖溶熱儲發育高程比東側的較淺，F5、F6斷層北側的奧陶系發育高程比南側的深。奧陶系頂板埋深為1.129～1.337 km，鉆孔揭露厚度為297～644 m，儲厚比為12.7%～62.8%，平均有效孔隙度為1.02%～14.88%，滲透率相差較大，為(0.17～16.74)×10-3μm2(見表1)。QF-16地熱井出水量為15 m3/h，推測地熱井周圍不發育斷層，且距離F4、F5斷層較遠，缺少地下熱水運移的優勢通道。

表1 清豐地區地熱井參數統計

2.2 縱向分層特征

研究區奧陶系巖溶儲層自下而上依次為冶里組、亮甲山組、下馬家溝組、上馬家溝組和峰峰組，共經歷4個構造旋回，即冶里組—亮甲山組沉積期的海退半旋回、下馬家溝組下段—上馬家溝組下段沉積期的海進—海退旋回、上馬家溝組上段—峰峰組下段沉積期的海進—海退旋回、峰峰組上段沉積期的海進—海退旋回[7]。根據清豐地區已鉆井資料，結合與研究區同一構造單元的河南省南樂縣文昌苑1井產能測試分析，明確巖溶熱儲縱向分層特征。

(1)清豐地區奧陶系巖溶熱儲由下至上依次發育下馬家溝組、上馬家溝組、峰峰組3段熱水儲集層，厚度為450.00～600.00 m(見圖6)，巖性以淺灰色、灰色灰巖和淺灰色白云巖為主[8]，儲集空間類型分為孔隙型、裂縫型、溶洞型，其中以裂縫型為主要儲集類型[18]。單井產水層為25～43層，平均每口井有32層產水層；單井儲層有效厚度為45.80～342.30 m，平均單井儲層有效厚度為119.00 m。

(2)根據清豐地區奧陶系巖溶熱儲連井剖面(見圖6)，峰峰組熱儲厚度分布在80.00～220.00 m之間，平均熱儲厚度為170.00 m，發育產水層為2～20層，平均有效厚度約為27.35 m。峰峰組下段的自然伽馬曲線高于上段的，整體在10～168 API之間，反映下部巖性主要為高放射性泥巖、泥質灰巖，上部巖性為低放射性灰巖；上馬家溝組熱儲厚度分布在140.00～340.00 m之間，平均熱儲厚度為253.75 m，發育產水層為6～26層，平均有效厚度約為59.49 m，自然伽馬曲線整體呈低值特征，底部自然伽馬值高，為100～125 API，反映發育泥質灰巖，視電阻率曲線整體呈高阻特征，上部的高阻特征顯示灰巖發育的特征，下部相對低的視電阻率特征顯示泥質灰巖發育的特征。根據部分鉆遇下馬家溝組地層的地熱井統計，下馬家溝組熱儲厚度分布在80.00～120.00 m之間，平均熱儲厚度為107.86 m，發育產水層為1～13層，平均有效厚度約為20.70 m，自然伽馬曲線整體呈低值特征，曲線幅值變化小，為10～40 API，視電阻率曲線整體呈高阻特征，顯示低放射性灰巖發育特征[19]。

(3)峰峰組、上馬家溝組和下馬家溝組發育產水層。根據文昌苑1井產能測試分析，不同層位產水能力存在差異。其中，峰峰組為研究區的主要產水層段，日絕對產水量為1 448.31 m3，產能占總產能的83.97%；上馬家溝組和下馬家溝組為次要產水層，日絕對產水量分別為105.49、171.06 m3，產能分別占總產能的6.11%和9.92%。儲層產能貢獻能力由大到小依次為峰峰組>下馬家溝組>上馬家溝組(見圖7和表2，其中圖7的產水量為測井時的瞬時產量)。

圖6 清豐地區奧陶系巖溶熱儲連井剖面Fig.6 Stratum correlation of the Ordocician karst reservoir in Qingfeng Area

圖7 南樂地區文昌苑1井測井曲線與產能剖面測試

清豐地區奧陶系巖溶熱儲發育三套儲集層，不同的構造—沉積旋回造成儲集層在縱向上存在差異，其產能貢獻能力從大到小依次為峰峰組、下馬家溝組和上馬家溝組。中—晚奧陶世區域性的加里東運動，使華北地塊整體抬升并發生海退，造成石炭系—二疊系平行不整合覆蓋在奧陶系峰峰組之上，峰峰組形成的溶蝕孔、縫、洞被充填；后期，巖溶熱儲經歷三疊系至下古近統沉積前的印支—燕山運動期的擠壓—松弛作用，形成一系列斷裂和裂縫，是導致地下熱水富集、運移的主要因素和優勢通道。

2.3 地溫場特征

地溫梯度是指地球內部恒溫帶以下深度地溫隨深度的變化率，在鉆井內，地溫測量結果通常用測溫曲線表示[20]。清豐地區開發的地熱資源主要集中于河南省清豐縣城中部，橫向變化不大；縱向上，由于多期構造運動作用和地層發育厚度不同，地溫梯度變化明顯。采用鉆孔穩態連續測溫方法，研究清豐地區真實地溫變化，取年平均溫度(15.9 ℃)和恒溫帶平均深度(20 m)，推算奧陶系巖溶熱儲的地溫梯度。

QF-6井地層溫度—深度關系(見圖8(a))表明，地層溫度和井深呈明顯的線性關系，即隨儲層深度的增加，地溫梯度逐漸變大；QF-7井地層溫度—深度關系(見圖8(b))整體上具有傳導型地熱系統特征。根據兩口地熱井的測溫結果計算，奧陶系儲層地溫梯度分別為2.48、1.79 ℃/100m，其直接蓋層石炭紀—二疊紀地層地溫梯度分別為2.09、2.50 ℃/100m，奧陶系巖溶熱儲有裂縫發育，導致側方有溫度較低的地熱水運移，產生局部對流現象。兩口地熱井的新近紀地層地溫梯度分別為0.76、0.87 ℃/100m，推測熱流在該層位傳遞速度較快。根據測溫數據，計算兩口地熱井的第四紀黏土層地溫梯度分別為4.97、6.17 ℃/100m，表明研究區第四系為主要的區域熱蓋層，石炭紀—二疊紀地層為奧陶系巖溶熱儲的直接蓋層。

表2 南樂地區文昌苑1井測井解釋

圖8 清豐地區典型地熱井地層溫度—深度關系Fig.8 Relationship between formation temperature and depth of geothermal wells in Qingfeng Area

清豐地區為典型的(C-P/O)型儲蓋組合，主要是由于加里東運動造成中—上奧陶統與上石炭統之間的沉積間斷；加里東運動早期，從崮山沉積期到紅花園沉積末期，整個海水退出華北地臺，沉積的巖性主要以膏質白云巖、白云巖、灰質白云巖和燧石白云巖為主。晚奧陶世地層發生巖溶作用，峰峰組暴露于大氣環境并發生巖溶作用，之后海平面上升，巖溶縫隙、縫洞被充填，該地區的有利熱儲主要沿斷裂展布。

3 地熱水化學特征

從清豐地區已完鉆的22口地熱井中選取6口生產井，測試的地熱水來自于井深1.6～1.9 km的地熱井，每口井的取水段位于距井底503.90～644.00 m處，濾水管進入取水層，上部加套管和止水器。這種井深結構保證地熱水不受上層冷水影響，從井口采集的地熱水樣品基本可以代表奧陶系儲層的地熱水。直接在井口密封灌裝氫氧穩定同位素的樣品，在美國Beta Analytic實驗室，利用gas-bench IRMS同位素質譜儀進行測試，δD和δ18O的分析精度分別為±2.0‰和±0.3‰。

3.1 氫氧同位素特征

地下水主要來源于大氣降水和各種地表水的滲入補給，氫氧穩定同位素方法在確定地下水成因類型和地下熱水的來源等方面具有重要意義[21]。清豐地區共測試3個樣品的氫氧同位素，奧陶系巖溶熱儲層地熱流體的氫氧同位素組成數據基本落在大氣降水線附近(見圖9(a)、表3))，在當地雨水線左下方，表明地熱水的來源比較單一，早期在隆起區接受大氣降水補給，入滲補給地下水，經過深部的循環加熱，以深大斷裂為運移通道并進入淺部地層。

圖9 清豐地區熱流體δD-δ18O關系和Piper三角圖解Fig.9 Piper diagram and relationship between δD and δ18O of thermal fluid in Qingfeng Area

表3 研究區地下水水化學和同位素測試結果

注：T為采樣時測量溫度。

3.2 水化學特征

清豐地區地熱水總礦化度(TDS)為2 540～3 360 mg/L，屬于咸水。陽離子以Na+、Ca2+、Mg2+、K+為主，且礦化度Ca2+>Na+>Mg2+>K+；陰離子以Cl-、SO2-4、HCO-3為主，且礦化度SO2-4>Cl->HCO-3。pH為6.76～7.69，屬于弱堿性(見表3)。Piper三角圖表明，清豐地區地熱水的陽離子以Ca2+和Na+為主，陰離子以SO2-4為主，Cl-次之，屬于SO4·Cl-Ca·Na型水(見圖9(b))，具有典型的巖溶型熱礦水特征。

龍古1井位于東濮凹陷和魯西南隆起區過渡帶，奧陶系熱儲層中水化學類型為SO4·Cl-Ca·Na型，總礦化度為4 039 mg/L。雅典城1號井位于山東省菏澤市鄄城縣，開發熱儲層位為奧陶系巖溶熱儲，水化學類型為SO4·Cl-Ca型，總礦化度為3 819 mg/L。清豐地區地熱水可能存在魯西隆起區大氣降水的補給，大氣降水滲入地下后，沿蘭聊斷裂向西運移，經深部循環加熱混合，通過斷裂和巖溶不整合面向上運移。

4 地熱田成因模式及資源量

4.1 成因模式

根據研究區區域構造、巖溶熱儲儲集層發育特征、地熱水類型和補給來源，初步建立清豐地區地熱田成因模式；結合過內黃凸起北部典型地震剖面，繪制清豐地區地熱田成因模式圖(見圖10)。

圖10 清豐地區地熱田成因模式(剖面位置見圖1)Fig.10 Genetic model of geothermal field in Qingfeng Area(section position as shown in fig.1)

內黃凸起大地熱流為64.19 mW/m2[22]，與渤海灣盆地平均大地熱流(63.6 mW/m2)[23]相差較小，表明清豐地區地熱田是一個在正常大地熱流背景下、以太行山山脈和魯西隆起區的大氣降水為補給水源[24]，沿深大斷裂和巖溶不整合面下滲，經過基底凹凸帶長距離運移，在內黃凸起奧陶系碳酸鹽巖儲集層中富集，為典型的中低溫傳導型地熱系統。

(1)與渤海灣盆地其余的二級構造單元相比，內黃凸起區域離補給源更近，距太行山灰巖裸露區直線距離為70～130 km，距魯西南隆起區直線距離為110～190 km。

(2)清豐地區發育大量NE向和NW向斷裂，斷裂對巖溶熱儲層產水量具有重要影響。

(3)清豐地區碳酸鹽巖巖溶熱儲埋藏深度淺，頂板埋深為1.2～1.3 km，水溫較高，井口水溫為50～58 ℃，出水量較大，單井出水量為106.00～160.35 m3/h。上覆的石炭紀—二疊紀地層和新生代地層提供良好的保溫隔熱作用，奧陶系層狀熱儲在內黃凸起東斜坡帶上呈面狀展布。

4.2 資源量

清豐地區地熱田為沉積盆地傳導型地熱田。根據研究區鉆井資料揭示的熱儲層厚度、孔隙度、溫度等數據，以清豐縣行政規劃面積833.5 km2為評價區面積，采用熱儲體積法估算清豐地區奧陶系巖溶熱儲地熱資源量。根據測井解釋數據確定熱儲層物理參數，其中巖溶熱儲平均有效厚度為118.69 m，平均溫度為54.25 ℃，平均孔隙度為7.15%，當地年平均氣溫為15.9 ℃，地熱水密度為1 000 kg/m3，巖石密度為2 700 kg/m3，水比熱容為4 180 J/(kg·℃)，灰巖巖石比熱容為920 J/(kg·℃)。

根據DZ 40—1985《地熱資源評價方法》，計算清豐地區奧陶系巖溶熱儲地熱資源量[25]，巖溶熱儲回收率為15%。清豐地區奧陶系巖溶熱儲地熱資源總量為9.90×108GJ，折合標準煤為3.38×107t，其中可采地熱資源量為1.49×108GJ，折合標準煤為5.08×106t。按照開發利用年限100年計算，年可采地熱資源量折合標準煤為5.08×104t；按照每個采暖季每平方米消耗的熱量相當于2.83×10-4t標準煤計算，可滿足180萬m2的供暖面積，具有良好的市場開發價值。

5 結論

(1)河南清豐地區位于內黃凸起南東翼，奧陶系頂板埋深為1.2～1.3 km，井口水溫為50～58 ℃，單井出水量為106.00～160.35 m3/h，石炭紀—二疊紀地層為奧陶系巖溶熱儲的蓋層，奧陶系層狀熱儲呈面狀展布。

(2)清豐地區儲層產能貢獻能力由大到小依次為峰峰組、下馬家溝組、上馬家溝組；斷裂是地熱水運移的優勢通道。地熱水水質類型為SO4·Cl-Ca·Na型；地熱田成因模式是以太行山山脈和魯西南隆起區的大氣降水為補給水源，沿深大斷裂和巖溶不整合面下滲，由西向東經過基底凹凸帶長距離運移，在內黃凸起奧陶系碳酸鹽巖儲集層中富集，為典型的中低溫傳導型地熱系統。

(3)清豐地區奧陶系巖溶熱儲地熱資源總量為9.90×108GJ，折合標準煤為3.38×107t，年可開采地熱資源量可滿足180萬m2的供暖面積，具有良好的市場開發價值。