寧河-蘆臺地區(qū)地?zé)豳Y源特征

毛 翔,羅 璐,國殿斌,汪新偉,郭世炎,3

(1.中國石化集團新星石油有限責(zé)任公司新能源研究院,北京 100083;2.中國石化地?zé)豳Y源開發(fā)利用重點實驗室,北京 100083;3.中石化綠源地?zé)崮荛_發(fā)有限公司,河北 雄安 071800)

地?zé)豳Y源可劃分為淺層地?zé)崮苜Y源、水熱型地?zé)豳Y源和干熱巖資源3種類型[1-2]。作為可再生能源之一，地?zé)崮芫哂蟹植紡V、清潔環(huán)保、穩(wěn)定性好、利用系數(shù)高等特點[3]。由于其具有分布式本地能源特征[4], 地?zé)峋话闩R近用能單位鉆探, 無需建設(shè)長距離輸送管網(wǎng), 并且不受季節(jié)、氣候、晝夜變化影響[5], 相較于化石能源及其他可再生能源具有獨特的優(yōu)勢。 除能源價值外,地?zé)豳Y源還兼具休閑娛樂、療養(yǎng)等經(jīng)濟價值, 將其合理利用, 可有效減少CO2的排放, 推動低碳經(jīng)濟發(fā)展[6]。

我國京津冀地區(qū)近年來治理大氣污染工作壓力巨大,隨著中央及地方政府對清潔能源取暖工作的日益重視,這些區(qū)域?qū)捎糜谔娲济旱那鍧嵞茉葱枨蠹逼取Ｍ瑫r,京津冀地區(qū)水熱型地?zé)豳Y源豐富,地?zé)豳Y源儲量折合標(biāo)準(zhǔn)煤約1 383億t,年地?zé)崃黧w可開采熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤約1 100萬t[7]。在這種背景下,科學(xué)高效開發(fā)該區(qū)域豐富的水熱型地?zé)豳Y源,開展“地?zé)岽骸惫┡沙蔀椤按蜈A藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的有利手段之一。

本文研究工區(qū)寧河-蘆臺地區(qū)位于京津冀東北部區(qū)域(圖1a),地理上包含天津市寧河區(qū),以及北京市、河北省在寧河區(qū)內(nèi)的飛地——北京清河農(nóng)場、唐山蘆臺經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、唐山漢沽管理區(qū),均處于京津冀大氣污染傳輸通道城市(“2+26”城市)范圍。因此,厘清寧河-蘆臺區(qū)域地?zé)豳Y源特征、助力清潔能源的科學(xué)利用,對天津、北京、河北兩市一省的清潔能源替代燃煤供暖工作均具有積極意義。

圖1 工區(qū)位置圖(a)及寧河-蘆臺地區(qū)構(gòu)造區(qū)劃與主要斷裂展布圖(b)(據(jù)文獻[10,15]修改)Fig.1 Location of work area(a), structural division and main faults map of Ninghe-Lutai area(b)

1 區(qū)域構(gòu)造

寧河-蘆臺地區(qū)主體部分在大地構(gòu)造單元上屬華北板塊渤海灣盆地之上, 以滄東斷裂為界, 西部屬于滄縣隆起, 東部屬于黃驊坳陷。 區(qū)內(nèi)斷裂系統(tǒng)相對復(fù)雜, 主要斷裂包括NE-NNE、NW向兩組。NE-NNE走向的滄東斷裂和天津斷裂, 前者為滄縣隆起和黃驊坳陷的邊界斷裂, 后者為滄縣隆起內(nèi)大城凸起和潘莊凸起的邊界斷裂; NW走向的薊運河斷裂為燕山褶皺帶和渤海灣盆地的邊界斷裂。

滄東斷裂為渤海灣盆地內(nèi)切割基底并對沉積蓋層產(chǎn)生重大影響的大型正斷層,控制了黃驊坳陷古近系的分布[8],該斷裂傾向SE,傾角約35°±10°。滄東斷裂自新近系明化鎮(zhèn)組一直下切至下地殼,由于斷裂兩盤斷距可達1 000～6 000 m,導(dǎo)致斷裂兩側(cè)地層埋深差異極大[8],直接決定了寧河區(qū)范圍內(nèi)潛在的地?zé)醿宇愋汀ａ槍鏂|斷裂在本區(qū)域的展布,前人大致有3種觀點:第1種沿用20世紀(jì)90年代初地礦部門觀點,認為滄東斷裂在寧河北部區(qū)域由NE走向轉(zhuǎn)為近EW走向[8],其EW走向段稱為桐城斷裂,向東終止于NW走向的薊運河斷裂[9];第2種觀點認為,滄東斷裂始終保持近NE走向(不同部位傾向有一定調(diào)整),基于薊運河南北兩側(cè)分屬渤海灣盆地和燕山褶皺帶兩個不同的構(gòu)造體系,提出滄東斷裂北端終止于薊運河斷裂[10],在薊運河斷裂以東與滄東斷裂呈平行走向的構(gòu)造為唐山斷裂帶[11];第3種觀點基于塘沽-玉田地震測深剖面[12]、MT大地電磁和EH4大地電磁測深[13],認為滄東斷裂始終保持近NE走向,與薊運河斷裂交匯后繼續(xù)向NE方向延伸至唐山，并提出桐城斷裂的相應(yīng)部位是由一組EW向斷裂構(gòu)成的,將其稱為蘆臺斷裂組[13]。

天津斷裂可劃分為天津北斷裂和天津南斷裂,在本區(qū)展布的為天津北斷裂,屬正斷層,傾向NW40°～70°[14],斷距70～700 m,南起靜海縣唐官屯,向NE方向延伸,經(jīng)過造甲城西南進入寧河區(qū)后終止于潘莊鎮(zhèn)北部的漢沽斷裂。

薊運河斷裂屬正斷層,傾向SW,傾角65°左右。該斷裂被部分研究者認為是寶坻斷裂東段[10],或?qū)氎?寧河斷裂(包含寶坻斷裂、薊運河斷裂、寧河-昌黎斷裂)的一部分[15-17]。宋小軍等[13]依據(jù)大地電磁測量結(jié)果提出,薊運河斷裂在寧河境內(nèi)分散為3條平行的斷裂,稱為薊運河斷裂組。

漢沽斷裂屬正斷層,傾向SE,傾角80°～85°,斷距可達約1 000 m。漢沽斷裂的展布范圍尚存爭議,閆成國等[18]綜合化探、淺層地震勘探和聯(lián)合鉆孔剖面探測結(jié)果,查明了漢沽斷裂的空間位置,提出漢沽斷裂西端起于滄東斷裂,向東延伸至渤海,長30～40 km,但其測線、鉆孔僅布設(shè)于滄東斷裂東側(cè),未在滄東斷裂西側(cè)部署;另一種觀點則認為漢沽斷裂可跨過滄東斷裂[13-16]。

由于前人對寧河-蘆臺地區(qū)區(qū)域斷裂展布認識存在差異,對應(yīng)的區(qū)域構(gòu)造單元劃分也存在不同。支持滄縣隆起始終保持近NE走向的研究者將黃驊坳陷內(nèi)漢沽斷裂以北地區(qū)統(tǒng)一劃分為寧河凸起[15-16,18],其北部薊運河斷裂東北區(qū)域進入燕山褶皺帶(圖1b),南部則隔漢沽斷裂與北塘凹陷相接;而支持滄東斷裂在寧河北部區(qū)域由NE走向轉(zhuǎn)為近EW走向的研究者則將滄東斷裂EW走向段以北的區(qū)域命名為苗莊凸起,與王草莊凸起、潘莊凸起、大城凸起等一起劃入滄縣隆起范圍,斷裂南部則劃入黃驊坳陷寧河凸起[19-21]并延伸至漢沽斷裂,漢沽斷裂以南屬于北塘凹陷。

2 地層發(fā)育情況

根據(jù)區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)資料顯示, 寧河-蘆臺地區(qū)地層自上而下依次為: 第四系平原組, 新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組, 古近系, 中生界, 上古生界石炭-二疊紀(jì)煤系地層, 下古生界奧陶系、寒武系和前寒武系(圖2)。 區(qū)域基巖地層在不同隆起、坳陷內(nèi)具有明顯差異(圖3)。

圖2 寧河-蘆臺地區(qū)基巖地質(zhì)圖(據(jù)文獻[22]修改)Fig.2 Bed-rock geological map of Ninghe-Lutai area

圖3 工區(qū)示意性地質(zhì)剖面圖(剖面位置見圖2,據(jù)文獻[22]修改)Fig.3 Schematic geological section of the work area

(1)工區(qū)西北部屬于冀中坳陷的范圍基巖為侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)河湖相沉積地層, 頂板埋深2 000～3 500 m, 鉆井揭示厚度約600 m。 中生界上下分別接觸古近系沙河街組和上古生界石炭系-二疊系。

(2)工區(qū)東南部屬于黃驊坳陷范圍內(nèi)基巖地層以侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)河湖相沉積地層為主, 頂板埋深具有西北淺、東南深的特點,除東南部頂板埋深達5 000 m外, 其余區(qū)域埋深在2 500～3 500 m。 中生代地層在寧河凸起北部區(qū)域(苗莊凸起)整體缺失, 寧河凸起南部“V”型區(qū)域缺失, 在北塘坳陷西部靠近滄東斷裂部位(京清農(nóng)場西部區(qū)域)部分缺失, 上古生界石炭系-二疊系與新生界直接接觸。推測中生界上部接觸古近系, 但僅在北塘凹陷內(nèi)被鉆遇, 其他區(qū)域由于地?zé)峋疃容^淺, 未鉆至該地層; 中生界之下推測發(fā)育上古生界石炭系-二疊系。

(3)在滄縣隆起范圍內(nèi), 基巖地層主體為下古生界奧陶系碳酸鹽巖, 在潘莊凸起南部頂板埋深1 000～1 500 m; 在王草莊凸起內(nèi)頂板埋深一般介于1 000～2 000 m, 具有西深東淺的特點, 西側(cè)靠近冀中坳陷處頂板埋深最深可達3 500 m。潘莊凸起北部夾持于天津斷裂、滄東斷裂、漢沽斷裂之間的梯形區(qū)域奧陶系剝蝕出露寒武系,頂板埋深1 200～1 900 m;靠近滄東斷裂一側(cè)則發(fā)育元古宇構(gòu)造窗。王草莊凸起西北部區(qū)域發(fā)育背斜頂部地層剝蝕, 以NW走向條帶狀出露寒武系和元古宇,靠近東部區(qū)域還發(fā)育兩處石炭系-二疊系飛來峰。

此外,在工區(qū)東北部燕山褶皺帶范圍內(nèi),基巖發(fā)育情況與薊運河斷裂南部的王草莊凸起類似,以奧陶系為主,頂板埋深700～1 000 m。

3 區(qū)域地?zé)岜尘?/h2>

寧河-蘆臺區(qū)域地溫梯度展布特征同整個渤海灣盆地一致,表現(xiàn)為隆起、凸起區(qū)高地溫梯度,凹陷區(qū)地溫梯度相對較低;在滄縣隆起潘莊凸起北部、東南部以及王草莊凸起南部,黃驊坳陷寧河凸起北部, 地溫梯度較高(圖4),介于3～5 ℃/100 m(圖5)。在井深小于500 m的部分淺井顯示， 地溫梯度最高可達6.7 ℃/100 m； 但井深大于1 000 m， 鉆至新近系館陶組及以下的地?zé)峋w層地溫梯度則普遍低于3.5 ℃/100 m。地溫梯度高值區(qū)具有沿漢沽斷裂分布的特征,側(cè)向證明了漢沽斷裂延伸至滄東斷裂以西的觀點。

圖4 寧河-蘆臺地區(qū)地溫梯度等值線圖(據(jù)文獻[15,23-25]修改)Fig.4 Contour map of geothermal gradient in Ninghe-Lutai area注:L1井與L2井、Z1井與Z2井位置重合

圖5 寧河-蘆臺地區(qū)地?zé)峋販靥荻扰c深度關(guān)系曲線(京清1井、SR6井據(jù)文獻[26]修改)Fig.5 Geothermic gradient-depth curves of geothermal wells in Ninghe-Lutai area

4 地?zé)衢_發(fā)現(xiàn)狀

目前, 在寧河-蘆臺地區(qū)的地?zé)衢_發(fā)主要集中在黃驊坳陷寧河凸起和滄縣隆起潘莊凸起, 在王草莊凸起和北塘凹陷也有少量地?zé)衢_發(fā)井。 由于本區(qū)跨多個構(gòu)造單元, 各區(qū)域新近系下伏基巖層系不同, 現(xiàn)有地?zé)峋_發(fā)的熱儲層也各不相同(表1)。

表1 寧河-蘆臺地區(qū)地?zé)峋當(dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Data statistics of geothermal wells in Ninghe-Lutai area

黃驊坳陷內(nèi),由于寧河區(qū)政府所在地蘆臺鎮(zhèn)位于寧河凸起,該區(qū)成為寧河-蘆臺地區(qū)地?zé)衢_發(fā)最早、地?zé)峋渴鹱顬槊芗膮^(qū)域,地?zé)峋_采新近系砂巖熱儲層。其中,大部分地?zé)峋_采明化鎮(zhèn)組砂巖熱儲,僅個別地?zé)峋@探至館陶組熱儲。 單獨開采明化鎮(zhèn)組砂巖熱儲層地?zé)峋疃嘟橛?00～1 300 m, 獲得40～50 ℃地?zé)崴? 鉆探至館陶組地?zé)峋罱橛? 300～1 680 m, 獲得46～70 ℃地?zé)崴?部分井與明化鎮(zhèn)組混采)。 在寧河凸起以南的北塘凹陷, 僅收集到京清1井?dāng)?shù)據(jù),開發(fā)館陶組砂巖熱儲, 由于該區(qū)館陶組頂板埋深大于寧河凸起區(qū), 但地溫梯度小于寧河凸起區(qū), 盡管其井深達1 868.88 m, 地?zé)峋鏊疁囟葍H61 ℃。

近年來, 隨著城市化進程和全社會對地?zé)豳Y源的重視程度相繼提高, 滄縣隆起內(nèi)也逐漸有越來越多的地?zé)峋渴? 以開發(fā)碳酸鹽巖熱儲為主, 其中潘莊凸起南部奧陶系剝蝕區(qū)開發(fā)薊縣系霧迷山組熱儲層, 井深2 500～3 000 m, 獲得地?zé)崴疁囟瓤沙^80 ℃; 潘莊凸起北部、王草莊凸起均有開發(fā)奧陶系熱儲層地?zé)峋? 井深介于1 380～1 800 m, 獲得水溫在47～75 ℃。

整體而言,現(xiàn)有地?zé)衢_發(fā)井所在位置的地?zé)岜尘爸禌]有明顯差異,但由于碳酸鹽巖熱儲層埋深相對較大,地?zé)峋鏊疁囟纫草^高。同時,區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖熱儲層目前開發(fā)程度較低、不存在常年開采未回灌導(dǎo)致的地下水位下降現(xiàn)象,且由于碳酸鹽巖熱儲層具有易回灌的優(yōu)點,今后開發(fā)該套熱儲層在嚴(yán)格配置回灌井的前提下可實現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā),是工區(qū)內(nèi)最具開發(fā)潛力的地?zé)醿印｜S驊坳陷寧河凸起區(qū)內(nèi)是本區(qū)地?zé)峋顬槊芗牡貐^(qū),對新近系熱儲層的開發(fā)始于20世紀(jì)90年代,已有近30年的時間,且多開采明化鎮(zhèn)組或明化鎮(zhèn)組、館陶組混采。因此,工區(qū)今后開發(fā)新近系砂巖熱儲地?zé)豳Y源的同時,應(yīng)以物性條件較好、回灌能力較強、開發(fā)利用較少的館陶組為主要目的層。建議加強對黃驊坳陷內(nèi)凸起區(qū)碳酸鹽巖熱儲的勘探與研究,爭取取得勘探突破,為寧河城區(qū)及其他位于黃驊坳陷內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)提供新的地?zé)豳Y源開發(fā)層系。

5 結(jié) 論

(1)寧河-蘆臺區(qū)域地溫梯度展布表現(xiàn)為隆起、凸起區(qū)高地溫梯度(3～5 ℃/100 m),凹陷區(qū)地溫梯度相對較低(一般低于3 ℃/100 m)。地溫梯度高值區(qū)具有沿漢沽斷裂分布的特點。

(2)本區(qū)主要發(fā)育薊縣系霧迷山組、奧陶系、新近系館陶組和明化鎮(zhèn)組4套熱儲層。目前的地?zé)峋饕性邳S驊坳陷內(nèi),開發(fā)新近系館陶組和明化鎮(zhèn)組,井深介于600～1 868.88 m,地?zé)崴疁囟冉橛?0～70 ℃;滄縣隆起潘莊凸起南部奧陶系剝蝕區(qū)開發(fā)薊縣系霧迷山組熱儲層,井深2 500～3 000 m,地?zé)崴疁囟瓤沙^80 ℃;潘莊凸起北部、王草莊凸起區(qū)開發(fā)奧陶系熱儲地?zé)峋?井深介于1 380～1 800 m,獲得水溫在47～75 ℃。

(3)建議今后地?zé)衢_發(fā)應(yīng)瞄準(zhǔn)資源開發(fā)程度低、回灌難度低的薊縣系霧迷山組(潘莊凸起北部)和奧陶系碳酸鹽巖熱儲層(潘莊凸起南部、寧河凸起北部);在寧河凸起區(qū)南部(寧河城區(qū))建議以館陶組為主要目的層,并加強對深部碳酸鹽巖熱儲的勘探與研究工作。