基于三維地質建模的松遼盆地北部地溫場模擬

施亦做 王社教 肖紅平 杜廣林 饒 松 胡圣標 汪澤成

1.中國石油勘探開發研究院 2.長江大學 3.中國科學院地質與地球物理研究所

0 引言

在碳達峰與碳中和的國家目標導向下，地熱資源作為一種清潔的可再生能源，受到了極大的關注。合理地開發利用地熱資源，尤其是在供暖需求較大的寒冷地區，可有效地幫助節能減排，是實現清潔能源替代的重要途徑之一。我國地熱資源分布廣泛、儲量豐富，其中高溫地熱資源集中分布于藏南、滇西和臺灣等地區，而中低溫地熱資源則蘊藏在我國東部及中部的各大沉積盆地內[1]。松遼盆地北部作為大慶油田的主要探區，在多年勘探開發過程中，盆地內豐富的地熱資源前景也逐漸顯現。作為一處開發階段由成熟期向衰退期轉換的油田，大慶油田目前正面臨著兩項機遇與挑戰：一是頁巖油氣的勘探與開發[2]；二是“油田向熱田”資源利用的轉化[3-4]。對頁巖油氣的研究認為，盆地的地溫場控制著有機質的成熟度、生烴過程的持續與強度以及油氣的賦存狀態等關鍵條件[5]；而對地熱資源的研究認為，深部溫度場的分布是不可或缺的評價參數。因此，對盆地現今地溫場進行詳細刻畫具有重要意義。

在以往的地熱學研究中，鉆孔穩態連續測溫是獲取地下熱狀態信息最直接有效的手段[6-7]。松遼盆地目前已取得一些大地熱流及鉆井測溫數據[8-9]，盆地的平均大地熱流值為70.9 mW/m2[7-9]，屬于熱盆，具有良好的地熱資源開發前景，并已有局部地熱資源的開發案例[10]。但是，前人取得的鉆井測溫數據在空間上分布不均，且多數位于盆地南部，受限于鉆孔測量條件，松遼盆地北部鉆井穩態連續測溫數據稀少，刻畫有限。當一個區域內控制點較少時，傳統方法往往依據數據的變化趨勢進行推算或沿構造走向人為加入控制點，進而通過內插法（如克里金法）得到區域熱狀態分布圖。然而，關于根據少量鉆孔的特定深度段得到的地溫信息是否能夠代表區域的熱狀態一直存在爭議。例如：如何判斷鉆井溫度與地質結構各向異性的關聯關系以及測量結果是否受到了流體活動的影響等。另一不確定性則來自于對盆地深部熱狀態的推導過程，對于超過鉆孔測量深度的溫度分布，一般通過一維熱傳導方程或平均地溫梯度的方法進行計算，這可能忽略三維空間上的熱傳遞以及地層產狀與熱物性變化的影響。

近年來，在國際地熱學研究中，越來越多地將數值模擬方法與實測數據相結合[11-12]。地熱方向的數值模擬可分為穩態模擬和動態模擬兩種。其中，穩態模擬的目標為構建一個研究區的熱背景和熱狀態，從而指導地熱資源的勘探開發與井位部署；動態模擬則著重于預測一處地熱系統對于不同開發方案的響應，以制定合理的地熱田開發規劃[13]。在盆地熱狀態研究與地熱資源勘探中，區域地質構造是重要的控制因素之一。Huenges等[14]在對地熱資源勘探方法的討論中，強調了地層格架及區域構造特征對地熱資源賦存、地溫場分布以及資源量估算的影響。因而，在地熱穩態模擬中，理想條件下應基于地質與地球物理資料建立區域構造與地層格架，作為盆地熱狀態模擬的基礎[15-16]。筆者本次研究著力于區域穩態地熱模型的構建，采用了基于三維地質建模的穩態模擬方法，對松遼盆地北部的地溫場分布進行刻畫，內容包括：①充分利用油氣勘探中所積累的區域地質、鉆井與地球物理資料，構建區域三維地質模型；②依據最新取得的實測數據，賦予模型中地層巖石的熱物理屬性；③與盆地熱背景結合設定模型邊界條件，利用三維熱傳遞方程進行區域地溫場三維模擬；④通過模擬與實測鉆井數據對比，驗證模型有效性，并識別出潛在異常區[17]；⑤在對地溫場的分布特征刻畫的基礎上，分析松遼盆地北部地熱資源開發利用的前景，以期對松遼盆地北部的地熱資源研究和頁巖油勘探開發提供參考。

1 方法與數據

基于三維地質建模的盆地地溫場模擬工作流程如圖1所示，分為4個組成部分，主要通過法國地質調查局開發的3D GeoModeller三維地質建模與物理場模擬平臺[18]實現。

圖1 基于三維地質建模的盆地熱狀態模擬與地熱資源評價工作流程圖

1.1 三維地質模型建立

基于區域地質資料、地表數字高程模型、鉆井地層信息與地震剖面數據構建三維地質模型。模型的建立采用標量—位勢場插值法[18]：①根據區域地層格架（表1），參照地質年代順序及接觸關系建立地層序列，定義模型中各地層間的拓撲關系；②輸入地質模型參數，為通過前述基礎數據獲取的相應空間方位的地質界面控制點及其傾向矢量信息；③通過位勢場插值計算得到等值面表征各地質界面，一個連續沉積序列利用同一位勢場公式計算，并通過漂移函數對斷層發育區進行計算[18]；④模型建立結果為三維標量勢場，其定義了三維空間中相應位置的地層與構造信息。

表1 松遼盆地地層簡表

松遼盆地北部（圖2）作為大慶油田的主要探區，在油氣資源勘探開發歷程中，積累了大量的鉆井及地球物理資料，為建立詳盡、可靠的三維地質模型提供了有利條件。筆者研究中用于地質建模的數據包括超過1 500口井的地層分層數據以及7條地震大剖面數據。其中，大部分鉆井的目標層為扶楊油層、高臺子油層、葡萄花油層及薩爾圖油層等主要產油層位（表1），少數井鉆達基底。因此，深部地層結構主要通過地震反射界面予以限定。建立的松遼盆地北部區域三維地層模型如圖3所示。

圖2 松遼盆地北部區域構造圖

圖3 松遼盆地北部三維地質模型圖

1.2 地質模型網格化

松遼盆地北部區域三維地質模型建立后，結合盆地北部最新取得的實測巖石熱物性數據（表2）[19]，根據地層及其主要巖性進行熱物理屬性賦值，并將模型網格化，網格密度為200 m×200 m×50 m，得到既能代表區域地質信息又具有對應巖石熱物理性質的三維有限元網格。

表2 松遼盆地北部地層巖石熱物性參數表

1.3 地溫場數值模擬

在盆地熱狀態模擬中，理想條件下需要考慮地殼中所有的熱量產生及傳遞過程[21]。可能對地殼內部地溫場產生影響的主要熱過程包括：①熱傳導；②由流體流動、巖漿活動、剝蝕與形變產生的熱對流及熱擾動過程；③生熱過程，包括放射性生熱、機械作用和化學反應生熱等。考慮以上全部熱過程的三維熱傳遞方程為：

在對松遼盆地北部穩態地溫場的正演數值模擬中，前提假設條件為：①自上期構造—熱擾動事件以來，松遼盆地北部地殼已達到熱平衡，即其熱狀態不隨時間產生變化；②研究區域的上地殼內部，現今沒有可能產生機械或化學熱擾動作用的構造活動，在模擬中可忽略式（1）中的化學生熱Schem和機械作用生熱Smech；③盆地北緣的幔源火山因其年代較新（小于0.5 Ma）[22]，除臨近火山中心的局部地區外不會對區域熱狀態產生顯著影響[23]。因此，地殼內部的生熱過程主要來自放射性元素衰變，得到區域三維穩態熱傳輸方程為：

根據鉆井測溫資料（圖4）[19,24]，熱對流過程僅對松遼盆地北部的局部地區的熱狀態產生了微弱影響，在對整個松遼盆地北部的地溫場正演模擬中，可忽略不計。因此，假設研究區域熱體制處于穩態熱傳導狀態，計算中僅考慮熱傳導項及放射性生熱項的影響。

圖4 松遼盆地北部鉆井穩態連續測溫曲線圖

三維熱傳遞方程的求取需要對邊界條件進行定義。地質模型的4個垂直邊界假設為Neumann型邊界條件，即無熱流交換。因模擬計算程序限制，模型只能擁有統一的底部邊界。筆者在研究過程中在模型底部5 km深度處，邊界條件設定為去除沉積層的放射性生熱貢獻外的基底熱流值。以位于中央坳陷區的松科2井為例，根據其穩態連續測溫曲線及巖石熱導率測試結果計算得到的熱流值為71.2 mW/m2，根據地層巖石生熱率測試結果及伽馬能譜曲線計算得到的沉積層總放射性生熱貢獻為4.5 mW/m2[19]。因而，松科2井位置的基底熱流值為66.7 mW/m2。根據實測熱流數據結合地震屬性分層的計算結果[19,25]，在模型底部邊界取東南隆起區（70.1 mW/m2）、中央坳陷區（66.0 mW/m2）及西部斜坡區（59.4 mW/m2）基底熱流的平均值65.2 mW/m2。該底部邊界熱流高于西部斜坡區的基底熱流值，并且高于以松遼盆地北部整體模型計算得到的基底熱流值（62.6 mW/m2）[19]，但對于松遼盆地北部地熱資源勘探開發的重要前景區域，中央坳陷區及東南隆起區為合理值。模型頂部邊界設定為溫度常數，取值區域年平均氣溫及恒溫層溫度為5 ℃（圖3）。

2 模擬與計算結果

2.1 模型有效性

三維地溫場的模擬結果如圖5所示，為了驗證模型的可靠性，選取位于不同構造單元的實測鉆井穩態連續測溫曲線[19,24]，并于模型中對應坐標點提取一維垂向地溫數據與實測溫度曲線進行對比（圖6）。徐深1井位于中央坳陷區內部，哈熱1井位于盆地東南隆起區，兩個構造單元是松遼盆地北部最具地熱資源開發前景的重點研究區域[24]。通過模擬與實測曲線的對比（圖6），兩口井的模型預測地溫與實測地溫基本吻合，地溫梯度—深度曲線表現出相近的變化趨勢。但是，實測數據中地溫梯度的局部波動（例如徐深1井井段1 400～1 750 m）在模擬結果中未有精確體現。徐深1井的地溫梯度局部波動段與其上白堊統姚家組熱儲層深度相對應，可能存在層內熱對流的影響。總體而言，模擬結果可對地溫場特征進行有效表征，并進一步驗證了松遼盆地北部地溫場以傳導型傳熱方式為主，主要受到大地熱流及巖石熱物性變化的控制。

圖5 三維地溫場模擬結果圖

圖6 徐深1井與哈熱1井模擬與實測地溫曲線對比圖

2.2 模擬結果

自三維模型中分別提取1 km、2 km以及3 km深度的平面地溫分布（圖7）以及沿近東西向SL3地震測線（圖2）的剖面地溫分布（圖8），探討區域地溫場的分布特征與主控因素。需要注意的是，根據實測熱流數據[19]，模型的基底熱流對于研究區域的東部及中部為合理值；但對于西部斜坡區及北部傾沒區，該底部邊界條件的熱流值可能偏高，會造成系統性誤差。因此，著重討論研究區域東部及中部所取得的結果，具有較高的借鑒意義。

1 km深度界面（圖7-a），研究區域的溫度介于40～60 ℃，中央坳陷區整體表現為較東部基底隆起區更低的溫度，尤其在齊家古龍凹陷和龍虎泡階地兩個次級構造單元，表現地溫為42.5 ℃左右的區域性低值，但大慶長垣表現為局部高值區，地溫介于47.5～50 ℃，靠近東南隆起區的朝陽溝階地為中央坳陷區內的另一處高值區，地溫介于55～60 ℃。在東北隆起區和東南隆起區，溫度顯著升高，地溫介于52.5～62.5 ℃。

2 km深度為下白堊統泉頭組三段、四段熱儲發育深度區間（圖7-b），盆地北部大部分區域溫度介于75～110 ℃，并且等溫線的平面展布形態與1 km深度相近。中央坳陷區的齊家古龍凹陷、龍虎泡階地和黑魚泡凹陷表現地溫介于80～85 ℃的低值區，三肇凹陷溫度略高，大慶長垣和朝陽溝階地的溫度升高，超過90 ℃。東南隆起區與東北隆起區2 km深度地溫可達100 ℃左右，與鉆井測溫數據相符（圖6）。

3 km深度界面（圖7-c），研究區域溫度普遍超過115 ℃。中央坳陷區內，齊家古龍凹陷和三肇凹陷為低值區，其他次級構造單元的溫度均超過132.5 ℃。東北隆起區及東南隆起區的局部溫度可達150 ℃。

圖7 松遼盆地北部模擬地溫場不同深度界面地溫分布圖

近東—西向SL3地震測線的溫度剖面如圖8所示。地溫場的等值界面基本呈層狀分布，5 km深度地溫達200～225 ℃。地殼淺部地溫場的分布主要受基底形態起伏及沉積地層發育厚度控制，東南隆起區及中央坳陷區內部的基底隆起區表現為地溫等值線的高值區，中央坳陷區內部的裂陷發育區則表現為地溫等值線的相對下凹。在沉積熱儲層集中發育的0.8～2.0 km深度，溫度分布集中介于35 ～ 110 ℃。

圖8 SL3地震測線剖面地溫分布圖

3 討論

3.1 模型誤差

在盆地的局部區域，預測地溫曲線與實測地溫曲線表現出一定的差異性。例如，位于中央坳陷區三肇凹陷的松科2井，其模擬與實測地溫曲線呈現“剪刀差”現象：深度小于3 000 m的較淺部地層中，實測溫度高于預測地溫；大于3 000 m深度的實測溫度低于預測地溫（圖9）。形成預測地溫與實測溫度曲線差異的原因可能為：①松科2井的鉆井測溫曲線為準穩態。該井測溫于停鉆后約1個月時間進行，受到鉆井過程擾動的地層可能尚未恢復穩態溫度，淺部地層被鉆井液循環加熱，深部高溫地層則受到了循環鉆井液的冷卻作用。②局部熱對流作用的存在對地溫場的影響。根據鉆井測溫曲線的近線性形態，這一作用在松科2井并不顯著。然而，在盆地的部分區域，沿斷裂或滲透層的地下水對流可能會對穩態熱傳導體制構成擾動。由于模擬中忽略了對流項，模擬結果可能在對流活動區存在誤差。但研究結果表明熱對流過程并非是控制松遼盆地北部地溫場分布的決定性因素[24-25]，可通過與穩態熱傳導地溫場模型的對比，識別出地層中受到對流作用影響的異常區域。

圖9 松科2井模擬與實測地溫曲線對比圖

其他可能造成地溫場模擬誤差的因素包括：①三維地質建模的不精確性與巖石熱物性的各向異性。對于鉆井資料分布較少的地區（如北部傾沒區）以及較深部的地層，三維地質模型可能未能反映地層真實發育情況；此外，在實體網格的建立中，未考慮平行及垂直于地層沉積層理方向巖石熱物性的各向異性，而是設定為均一值。②來自模型底部邊界熱流值的非均一性。筆者在本次地溫場模擬中，模型底部邊界設為均一的熱流值為65.2 mW/m2，該統一的底部邊界熱流條件，對于松遼盆地北部地熱資源勘探開發利用的重要前景區域——中央坳陷區及東南隆起區為合理值，但對盆地的西部斜坡區及北部傾末區而言可能偏高，從而導致這兩個區域模擬地溫結果的誤差。但就總體而言，模擬溫度結果反映了區域地溫場的垂向及平面分布特征，可以有效地預測缺少鉆井穩態測溫數據區域的地溫場分布情況。

3.2 松遼盆地北部地熱資源開發利用前景

松遼盆地北部整體處于較高的地溫場背景下，平均實測地溫梯度為41.7 ℃/km[25]。根據模擬結果，在2 km深度研究區大部分面積溫度超過80 ℃（圖7），具備良好的地熱資源開發基礎。根據模擬與實測結果的對比驗證，松遼盆地北部以熱傳導為主要熱傳遞和控熱機制，在盆地的凹—隆過渡區域可能由于側向熱傳遞所導致的聚熱作用而產生局部地溫梯度高值（煙囪效應）；垂向上，在相同熱流背景下，由于其較低熱導率，在頁巖發育層會表現為較高的地溫梯度，作為地熱系統的隔熱蓋層（毯子效應）[1]。在該地溫場背景下，沉積盆地水熱型地熱資源的分布進一步受到高孔滲沉積地層發育情況的控制。

朱煥來[10]在松遼盆地北部識別出姚家組、青山口組二段—三段、泉頭組三段—四段作為主要熱儲層。根據地溫場模型及地層埋深，姚家組熱儲層溫度介于35～80 ℃；青山口組二段、三段熱儲溫度介于42～87℃；泉頭組三段、四段熱儲溫度介于54～110 ℃。其中，泉頭組三段、四段具有成為松遼盆地北部有利目標熱儲層的潛力。該套熱儲廣泛發育，沉積面積約占松遼盆地北部總面積的76%，埋深集中在2 500 m以淺，儲層物性好且可采資源量大。上覆的青山口組一段頁巖普遍發育，可作為區域性蓋層，起到隔水升溫的作用。根據地溫場模擬結果，較高溫度區間位于大慶長垣、朝陽溝階地和呼蘭隆起帶等區域。在石油勘探開發中，泉頭組三段、四段作為扶楊油層的對應層位，也是石油鉆井的主要目標層。熱儲溫度可滿足寒冷地區的供暖需求。在提供大量地層資料可用以儲層物性評估和勘探開發方案制定的同時，在地熱資源的開發利用中也可嘗試對廢棄油井進行改造[26-27]，從而提高經濟性。但是，目前砂巖型熱儲的尾水回灌是亟待攻克的技術難題。

4 結論

1）利用標量—位勢場插值方法，根據區域地質資料、鉆井地層數據以及深大地震剖面建立了松遼盆地北部的三維地質模型，根據實測資料對地層巖石予以熱物性賦值，在對模型熱邊界條件給予限定的基礎上，通過三維熱傳導方程進行了區域三維地溫場的穩態模擬。通過實測與模擬地溫曲線的對比，驗證了模型的有效性。

2）松遼盆地北部地溫場以熱傳導為主要熱傳遞機制，基于區域地質模型的三維穩態熱傳導模擬可反應地溫場的真實變化特征。松遼盆地北部在深度1 km、2 km、3 km界面，地溫分別介于40～60 ℃、75～110 ℃、115～150 ℃，熱儲層溫度介于35～110 ℃，地溫高值區位于大慶長垣、朝陽溝階地與東部基底隆起區。在縱向上，地溫場的等值界面呈近層狀分布，地殼淺部地溫場主要受基底起伏及沉積地層發育厚度控制。區域5 km深度地溫可達200～225 ℃，基底隆區起對應地溫等值線的高值區，裂陷發育區對應等值線的低值區。

3）模擬數據與實測數據間可能存在偏差，可能因為部分實測鉆井測溫曲線未達穩態或局部對流活動的存在；此外，三維地質模型深部的不精確性以及均一賦值的邊界條件，可能會造成地溫場模擬結果在部分區域的誤差。

4）松遼盆地北部具有形成沉積盆地中低溫水熱型地熱資源的地溫場條件，資源分布主要受到盆地構造格架對地溫場的控制作用及高孔滲地層發育情況兩方面影響，泉頭組三段、四段可能為有利的目標熱儲層。