天津地區奧陶系熱儲賦水規律研究

江國勝，黃賢龍，李曉暉

(天津地熱勘查開發設計院，天津 300250)

為了治理霧霾、建設美麗天津，清潔能源的需求與日俱增。地熱資源作為一種可再生清潔能源，可直接用于冬季供熱，減少因傳統燃料供熱而產生的大氣污染，改善生態環境。奧陶系是天津地區揭露基巖后鉆遇的第一個基巖熱儲層，出水量大且具有較好的回灌能力，因其埋藏淺、鉆探成本低而受到投資方的青睞，但由于該熱儲層的賦水性極不均勻，導致施工風險極高，鑿井成功率偏低。對于天津地區奧陶系儲層發育特征方面的研究，天津地質工作者曾通過巖溶機理、鉆井巖石特征和區域構造條件，結合室內鏡下鑒定，分析研究了市區及其附近奧陶系成儲的控制條件[1]，大港油田也對奧陶系巖溶儲層發育的控制因素進行了研究[2]。但是天津地區奧陶系熱儲層的賦水性究竟如何分布，尚沒有做過系統研究。本文綜合分析了大量地熱鉆孔、物探測井、巖屑測試、降壓試驗等資料，對天津地區奧陶系熱儲賦水規律進行系統研究，為本區奧陶系井位的確定及其資源評價提供科學依據。

1 區域地質背景

1.1 構造特征

天津地區地處Ⅰ級構造單元華北地臺北緣，以寧河-寶坻斷裂為界分為北區和南區。北區屬II級構造單元燕山臺褶帶，南區屬II級構造單元華北斷坳區。天津地區的南區和北區地質構造特征具有明顯的差異。北區為山區，主要發育古生界及中新元古界地層。構造線主體呈東西(EW)向，斷裂以東西向為主導；南區為平原區，地層發育齊全，是中、新生代斷陷、坳陷盆地。區內Ⅲ級構造單元由西向東依次為冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊坳陷。隆起和坳陷的延伸方向和較大斷裂的走向均呈北北東(NNE)向，形成雁行式相間排列的構造格局(見圖1)。區內影響較大的斷裂主要有北北東向的天津斷裂、滄東斷裂和北西西向的寧河寶坻斷裂、漢沽斷裂、海河斷裂等。

圖1 區域地質構造特征

1.2 地層特征

除缺失上奧陶統至下石炭統及古近系古新統以外，本區地層從太古界至新生界均有分布。北部山區除有部分第四系覆蓋外，主要出露中、新元古界長城系、薊縣系、待建系和青白口系地層。在南部廣大平原區，根據鉆孔揭露，主要發育新生界第四系、新近系和古近系，中生界白堊系、侏羅系和三疊系，古生界二疊系、石炭系、奧陶系和寒武系，中新元古界青白口系和薊縣系[3]。

奧陶系在冀中坳陷和黃驊坳陷埋藏深度大，一般大于4 000 m，目前尚無地熱鉆孔揭露。奧陶系在滄縣隆起區平面上呈帶狀或塊狀分布，在背斜核部和凸起高部位缺失，地層總體從東南往西北方向逐漸加厚。本區奧陶系自下而上由冶里組、亮甲山組、北庵莊組、馬家溝組和峰峰組組成，各組巖性特征[4][5]如下：

冶里組：巖性由灰色厚層、中厚層狀灰巖夾少量礫屑灰巖，有時夾有很薄的(經常是十幾厘米)黃綠色頁巖。

亮甲山組：巖性為灰色含燧石結核灰巖、白云巖夾少量礫屑灰巖，頂界與北庵莊組底部薄板狀白云巖或角礫狀灰巖呈平行不整合接觸。

北庵莊組：巖性為灰色中厚層-巨厚層(夾薄層)的泥晶云質灰巖、泥晶泥質灰巖夾灰色中厚層泥晶鈣質白云巖及角礫狀灰巖、角礫狀白云巖。

馬家溝組：巖性為灰色厚層-巨厚層泥晶灰巖、泥晶云質灰巖夾白云巖、角礫狀灰巖、角礫狀白云巖。

峰峰組：巖性以灰巖為主，夾薄層泥巖、泥質灰巖，下部見白云質灰巖。該地層在本區分布范圍較小，僅在白塘口凹陷、大城凸起等相對低洼處有部分殘存，殘存厚度約100 m左右。

2 奧陶系巖溶發育的主要影響因素

通過相關理論研究[6][7]和眾多鉆井實踐表明，深部奧陶系碳酸鹽巖巖溶發育主要受巖性、地質構造、風化淋濾時間和地下水動力條件等因素的影響。從深部巖溶的發育過程分析，巖性因素是基礎，構造和水動力條件是關鍵。

2.1 巖性因素

巖溶發育的過程主要是水對可溶性巖石的溶蝕過程。研究表明，可溶性巖石的化學成分、礦物成分等對巖溶發育速度、發育程度和發育特征有明顯的影響[8]。天津地區奧陶系為大套碳酸鹽巖，以厚層灰巖為主，夾薄層白云巖、白云質灰巖，為巖溶的發育提供了良好的基礎條件。受構造運動的影響，本區奧陶系巖性垂向上存在一定的差異。以往研究成果表明：亮甲山組白云質含量最高，巖性以白云巖為主；向上至馬家溝組白云質含量明顯降低，巖性以厚層灰巖、白云質灰巖為主[3]。而從奧陶系巖溶裂隙垂向分布圖(圖2)可以看出，無論凹陷區還是凸起區，都是馬家溝組、北庵莊組巖溶裂隙最為發育，亮甲山組和冶里組巖溶裂隙相對較差。

圖2 天津市奧陶系巖溶裂隙垂向分布圖

綜上結果表明：就天津地區的奧陶系碳酸鹽巖而言，馬家溝組和北庵莊組的純灰巖比冶里-亮甲山組的白云巖、白云質灰巖巖溶裂隙發育，巖溶主要沿著厚層純灰巖發育。分析認為純灰巖的CaO含量高，其溶蝕速率大于白云巖、白云質灰巖。此外，泥質含量的增加會增強碳酸鹽巖的韌性和降低其溶蝕速度，影響巖溶裂隙發育。

2.2 構造因素

2.2.1 斷裂

斷裂附近有利于巖溶發育，這主要是由于斷裂附近往往有裂隙相伴生，斷裂和裂隙都是地下水進入可溶巖的重要通道。一般來說，張性斷裂對裂隙影響較弱，但斷裂帶裂隙通常比較發育，其次是扭性斷裂和壓性斷裂，壓扭性斷裂對裂隙的影響最大[9]；天津地區在中生代末燕山運動產生的許多壓性逆斷裂，經過新生代喜山運動的改造都變為張性正斷裂[10]。位于海河斷裂帶的七眼奧陶系地熱井(DL-66、HD-29、HD-29B、HD-39、HD-39B、SR23D、SR24D)中大部分具有泥漿大漏甚至大漏不返的現象，反映了斷裂帶巖溶發育的特征。位于天津斷裂附近的西青區社會山1、2號井分別從2 350 m、2 638 m開始漏失，漏速達20 m3/h，巖溶比較發育且發育深度大，而遠離天津斷裂的西青際華地熱井奧陶系無漏失，抽水干眼，不出水，反映了離斷裂越遠、巖溶發育越弱的特征。

2.2.2 褶皺

巖層傾角陡緩程度不同，其受力機制不同，會對巖溶發育產生影響。研究區主要發育背斜構造，而且奧陶系均處于背斜的翼部。例如，山嶺子背斜為一北東向的背斜，兩翼陡緩不一，東南翼傾角稍陡(15°左右)，除風化殼巖溶之外，其巖溶發育部位主要為距奧陶系頂100 m以下巖層，而西南翼傾角稍緩(10°左右)，其巖溶發育部位主要為奧陶系頂部的風化殼(見圖3)。以上數據表明陡傾巖層巖溶發育深度大于緩傾巖層，分析認為深部巖溶發育主要受褶皺的影響，陡傾巖層變形較強，有利于巖溶發育。

圖3 山嶺子背斜兩翼奧陶系巖溶發育特征對比示意圖

2.3 風化淋濾時間

奧陶系上覆地層不同，其經歷風化淋濾的時間也不相同。據以往研究成果及鉆孔揭露，本區奧陶系上覆地層主要有：新近系、中生界或石炭-二疊系。上覆地層為石炭-二疊系的地區，其間缺失了晚奧陶至早石炭紀地層，經歷風化淋濾的時間大約是1.2億年；上覆地層為中生界的地區，其間缺失了晚奧陶至三疊紀地層，經歷了兩次以上的巖溶，風化淋濾時間大約是2.5億年；上覆地層為新近系的地區，其間缺失了晚奧陶至古近紀地層，經歷了三次以上巖溶，風化淋濾時間大約是4.2億年[11]。

實際資料表明，奧陶系裸露時間越長，經受風化淋濾的時間也就越長，對奧陶系巖溶儲層的發育越有利。

例如，鉆探數據統計發現，上覆地層為新近系的奧陶系，在所鉆的26眼井中，奧陶系出現放空、漏失的地熱井24眼，占總井數的92.3%，漏失段主要位于距奧陶系頂板2～100 m深度范圍內，單位產量達2.8～15.47 m3/h·m，表明裂隙、溶洞發育，地下水活躍；上覆地層為中生界的奧陶系，在所鉆的8眼井中，奧陶系出現放空、漏失的地熱井眼7，占總井數的87.5%，漏失段主要位于距奧陶系頂板3～100 m深度范圍內，初始產量在30～135.1 m3/h之間，表明巖溶裂隙較為發育，地下水比較活躍；而上覆地層為石炭-二疊系的奧陶系，在所鉆的29眼井中，奧陶系出現放空、漏失的地熱井19眼，占總井數的65.5%，漏失段主要位于距奧陶系頂板100m深度以下，大部分地熱井需要酸化增產，表明巖溶發育和裂隙連通程度較差，地下水活動比較緩慢。

2.4 水動力條件

巖溶垂向上，通常自上而下分為垂向滲濾帶、水平徑流帶和深部潛流帶。垂向滲濾帶是水動力最活躍的地帶，地表水通過節理、裂隙等垂直向下滲流，垂向溶蝕發育而水平方向縫洞連通性差是該帶的最主要特征。水平徑流帶在潛水面之下，水流集中，水循環快，水平向水動力條件優越，主要發育大型巖溶管道系統。深部潛流帶雖然也長期充滿水，但流動極其緩慢，巖溶基本不發育[12][13]。

本區奧陶系巖溶裂隙在縱向上的分布與巖溶垂向分帶密切相關，巖溶發育段主要分布在距離風化殼0～400 m的垂向滲濾帶和水平徑流帶。

鉆井資料顯示，研究區鉆遇奧陶系鉆具放空和泥漿漏失主要發生在距不整合面400 m范圍內(圖4)，放空幅度主要在0.3～2.5 m之間。反映地下存在未充填死的溶洞，其直徑至少為0.3～2.5 m。泥漿漏失量為幾十方到數百方，個別井達上千方，只進不出。以上資料表明，距離不整合面400 m范圍內奧陶系巖溶儲層發育，而且距不整合面越近，巖溶發育越強，50 m范圍內主要發育風化殼巖溶，受垂直淋濾的影響，裂隙水平向連通性差。

圖4 放空、漏失井數與距不整合面距離關系圖

3 奧陶系熱儲賦水規律

奧陶系巖溶的發育過程極其復雜，上述四個控制因素通常不是單獨起作用，而是相互影響，相互疊加。通過綜合分析，對重點研究區(滄縣隆起)不同構造單元(王草莊凸起因缺乏相關資料，暫不進行分區)奧陶系的賦水性進行分區(見圖5)。按單位涌水量的大小，本次奧陶系賦水性分區共分三個等級，分為賦水性較好(q>2 m3/h·m)、賦水性中等(1

圖5 天津市重點地區奧陶系熱儲賦水性分區圖

潘莊凸起：該區奧陶系上覆地層為新近系，埋深1 100～1 400 m。從成井資料和地質條件分析，該區奧陶系巖溶主要受埋藏條件控制，風化殼巖溶普遍發育，分析該區賦水性總體較好，但由于不同部位巖性和水動力條件不盡相同，因此其賦水性也存在一些差異。

白塘口凹陷：該區地質條件復雜，且不同部位差異較大。小韓莊次凸起巖溶條件與潘莊凸起類似，奧陶系巖溶主要受埋藏條件控制，分析其賦水性總體較好；海河斷裂帶附近奧陶系雖然上覆地層為石炭-二疊系，不利于巖溶發育，但受斷裂影響，水動力條件良好，巖溶裂隙發育，分析其賦水性總體較好；而白塘口凹陷奧陶系上覆地層為石炭-二疊系，埋深大都超過2 500 m，水動力條件較弱，除斷裂附近有巖溶發育外，預測該區賦水性總體較差。

雙窯凸起：該區奧陶系巖溶主要受埋藏條件和構造控制。北部區域由東向西上覆地層依次為新近系、石炭-二疊系，受海河斷裂和天津斷裂的疊加影響，巖石破碎，巖溶較發育，賦水性較好；南部區域尚無鉆孔控制，因其上覆地層為新近系，發育風化殼巖溶，預測其賦水性中等。

大城凸起：該區奧陶系上覆地層大部分為石炭-二疊系，普遍具有石炭-二疊系厚度大、奧陶系埋深大的特點。海河斷裂以南，XQ-05井附近緊鄰天津斷裂，而且石炭-二疊系厚度薄，奧陶系埋藏淺，巖溶相對發育，賦水性中等，其它區域賦水性較差；海河斷裂以北因缺乏相關資料，暫不進行分區。

4 結語

(1)馬家溝組、北庵莊組灰巖比冶里-亮甲山組白云巖、白云質灰巖巖溶發育，且泥質含量的增加不利于巖溶裂隙發育。

(2)對同一巖性而言，離斷裂越近，巖溶裂隙越發育；巖層傾角越陡，越有利于深部巖溶發育。

(3)風化淋濾時間越長，越有利于巖溶儲層發育。

(4)巖溶儲層平面上主要沿大型斷裂帶和風化殼發育；巖溶儲層垂向上主要發育在距不整合面400 m范圍內，而且距不整合面越近，巖溶發育越強，50 m范圍內主要發育風化殼巖溶。

(5)奧陶系賦水性很大程度上取決于其間發育的裂隙和巖溶。通過大量鉆探實踐的綜合分析表明，本區奧陶系熱儲賦水規律主要沿斷裂和基巖凸起(上覆地層為新近系)分布。