東濮凹陷西斜坡帶優質砂巖熱儲特征研究

賀婷婷，談 心，隋少強，章 惠，張海濤

1.中石化集團新星石油有限公司 新能源研究院，北京 100083；2.中國石化國際石油勘探開發有限公司，北京 100029

0 前言

東濮凹陷位于渤海灣盆地南緣臨清拗陷的東南部，呈長條形北北東向展布，形態南寬北窄，凹陷內缺失侏羅系、白堊系，古近紀地層直接覆蓋在三疊系及更老的地層之上.東濮凹陷內斷層發育，整體呈現“兩凹一隆一斜坡一斷階”構造格局，自西向東可進一步劃分為西部斜坡帶、西部次凹帶、中央隆起帶、東部次凹帶及蘭聊斷裂帶等5個次級構造單元［1］，西部斜坡帶構造走向與東濮凹陷主要構造的延伸方向一致［2］.長垣市主城區構造上位于東濮凹陷西部斜坡帶（圖1），長垣斷裂從城區東側經過，研究表明長垣斷裂西側蘊藏著豐富的地熱水資源.隨著地源熱泵技術的成熟，水熱型地熱能直接利用正快速普及［3］.目前豫東北地區的范縣、南樂、清豐、濮陽、開封、蘭考等地區的地熱資源開發程度較高，開發效果顯著.如蘭考地區館陶組砂巖熱儲底板埋深2 000 m左右，水溫基本大于70℃，水量大于120 m3/h；范縣奧陶系灰巖熱儲頂板埋深約1 500 m，水溫約60℃，水量120 m3/h.而長垣地區地熱資源的研究尚處于起步階段，開發程度不高，前期已開發的新近系明化鎮組砂巖熱儲地熱井生產過程中存在出砂嚴重和回灌困難的問題，無法滿足長垣地區供暖需求.因此需要綜合進行區域構造特征分析、熱儲精細解剖及地溫場分布規律研究，弄清長垣市優質砂巖熱儲地熱地質特征，優化探井設計，為進一步證實東濮凹陷西部斜坡帶的地熱勘探開發潛力奠定基礎，進而為豫東北地區地熱供暖連片開發提供典型范例.

1 區域地質特征

1.1 構造

東濮凹陷位于渤海灣盆地南部，是新生代地殼水平拉張應力作用下逐漸裂解斷陷而形成的雙斷式凹陷，以結晶變質巖系及其上地臺構造層為基底.印支—燕山期，強烈的構造運動令地殼抬升，遭受剝蝕，凹陷主要特征是邊斷陷邊沉積；喜馬拉雅期，斷陷盆地向凹陷盆地轉化，形成了現今的構造格局①河南省地質調查院.河南省地熱資源現狀調查評價與區劃.2015..東濮凹陷在演化過程中受到斷層活動的控制，表現出明顯的階段性活動特征［4］.東濮凹陷內部發育3條主控大斷裂，自西向東分別為長垣斷裂、黃河斷裂和蘭聊斷裂（圖2，剖面線見圖1）.

圖1 東濮凹陷構造分區圖Fig.1 Tectonic division map of Dongpu Sag

圖2 東濮凹陷地質剖面Fig.2 Geological section across Dongpu Sag

長垣斷裂屬蘭聊深斷裂帶西側的邊界斷裂，物探及鉆孔資料揭示，該斷層切割古生界至新近系，構成內黃隆起與東明斷陷的邊界，并對兩構造單元的形成和發展具有控制作用［5］.長垣斷裂從長垣城區東側經過，走向北北東，是西升東降的正斷層，斷至館陶組底部，斷層西部古近系地層較薄，有利于深部熱源直接通過中生界地層傳導［5］.長垣斷裂形成于燕山期，喜馬拉雅期有繼承性活動.

黃河斷裂位于凹陷中部，形成于中生代末或古近紀早期，為新近紀活動斷裂.蘭聊斷裂是東濮凹陷的東部邊界斷裂，對東濮凹陷的構造演化和構造格局有著明顯的控制作用［6］，形成于燕山期，是一個長期活動的斷裂，尤其是喜馬拉雅期活動更為強烈.

1.2 地層

新近紀東濮凹陷構造演化進入整體拗陷階段，地層沉積較為完整，局部存在不整合接觸.西部斜坡帶新近系整個區域均有分布，發育比較好，自上而下分為明化鎮組（Nm）和館陶組（Ng）.

明化鎮組底板埋深800～1 600 m，地層厚度800～1 300 m，屬于河流相－泛濫平原相砂泥巖沉積體系，下段以曲流河沉積為主，上段以泛濫平原沉積為主［7-8］，巖性主要為棕紅色泥巖與淺棕色－灰白色砂巖、細砂巖堆積形成的互層，分布穩定，埋藏較淺，巖石中等—弱壓實，泥巖含量較多.

館陶組底板埋深1 400～2 200 m，地層厚度200～700 m，東深西淺，南深北淺，為一套河流相沉積.東南部埋藏較深（1 800～2 200 m），巖石中等壓實，巖性為淺灰色砂礫巖夾棕、灰色薄層泥巖，構成巨厚層狀—塊狀砂礫巖地層，砂礫巖連通性好［8］，儲層物性好，館陶組底部普遍發育一套底礫巖；北部地區受區域構造影響，埋藏較淺（1 400～1 800 m），館陶組沉積厚度較薄（200～400 m）.根據構造趨勢及南部臨近地區油氣井資料中長1、長2、長3、長4井地層發育情況，推測長垣地區館陶組底面埋深在2 000～2 200 m，館陶組地層厚度500～700 m.

2 砂巖熱儲特征

東濮凹陷新近紀進入區域性沉降階段，發育一套以沖積－河流相為主的碎屑巖沉積體系，巖性為黏土巖、砂質黏土巖、砂巖、砂礫巖.其層位和厚度受古地形影響，產狀近于水平.區內地熱類型主要為沉積盆地埋藏型，發育層狀砂巖類孔隙型熱儲.

2.1 明化鎮組砂巖熱儲

據長垣市已開發地熱井資料，地熱井深1 300 m左右，涌水量60 m3/h左右，出井水溫50℃左右，主要熱儲層為新近系明化鎮組砂巖熱儲.取水段1 300 m以淺，砂體發育程度低，成巖性差，導致地熱井出砂嚴重，回灌井回灌效果差，水量小、溫度低.

長垣地區2013年地熱供暖項目，共完鉆3口地熱井：CYXC1、CYXC2、CYXC3井，井深均為1 300 m，整體發育曲流河沉積，上部巖性為細、粉砂巖與泥巖互層，下部為中、細砂巖與泥巖互層（圖3）.取水層為新近系明化鎮組，主要地熱開采層位在900～1 200 m之間.2013年正式進行供暖季供暖，采取一采二灌方式運行，生產井為CYXC2井，回灌井為CYXC1井和CYXC3井.運行初期CYXC2井采水量最高為80 m3/h，出水溫度為48℃.出砂量0.05 m3/h，較為嚴重，造成CYXC1、CYXC3井回灌量逐年降低.2013年供暖季回灌量為35 m3/h，回灌壓力為0.95 MPa.2014年采暖季其回灌量為10 m3/h，回灌壓力為0.9 MPa，CYXC2井由于長期出砂，出水量逐漸降低.究其原因主要是對區域砂巖熱儲地質特征認識不清，開采的明化鎮組熱儲埋藏較淺，地層成巖性差，砂層中有大量細微黏土顆粒及細粉砂.抽水井出砂嚴重，導致井底沉沙，影響抽水；回灌井內回灌層被細粉砂掩埋，影響回灌.

圖3 長垣地區明化鎮組連井對比剖面Fig.3 Correlation of geothermal well profiles of Minghuazhen Formation in Changyuan area

2.2 館陶組砂巖熱儲

基于測錄井等資料，結合區域沉積特征，開展館陶組砂巖熱儲精細解剖.館陶組為河流相沉積，埋藏較深，巖石中等壓實，儲層成巖性較好.館陶組上部為細砂巖與泥巖間互沉積，發育曲流河道砂體、邊灘沉積；館陶組下部為砂礫巖夾泥巖沉積，發育辮狀河道砂壩沉積，測井曲線表現為厚層箱狀特征，砂巖厚度大，巖石顆粒粒徑較大，賦水性好.

根據與臨井地層對比結果（圖4），長垣地區館陶組地層厚度600 m左右，砂地比60%，優質砂體發育在館陶組下段，深度1 750～2 200 m，其中又以館陶組底部最優，砂地比高達95%.測井二次解釋長2井館陶組底部（1 809～1 999.4 m）大套砂體孔隙度27.4%～28.5%，平均滲透率442 mD，長3井館陶底部（1 836.5～2 027 m）大套砂巖儲層孔隙度26.5%～27.5%，平均滲透率379.3 mD，說明長垣區域館陶組砂體厚度大，儲層物性好.

圖4 長垣地區館陶組砂體連井對比剖面Fig.4 Correlation of sand body wells of Guantao Formation in Changyuan area

3 地溫分布特征

在沉積盆地內，基巖面的起伏形成基底隆起和凹陷格局，對區域地溫場和地表熱流的分布起著控制作用.基底隆起區的大地熱流值大于凹陷區的大地熱流值［9］，構造發育部位熱流值也相對較高，而地溫梯度的分布與大地熱流分布形態類似.測井溫度資料是研究地溫梯度分布的主要依據［10-11］.研究表明東濮凹陷地溫隨埋藏深度增加而增大，具線性變化特征.東濮凹陷地溫梯度大致分布在2.6～4.63℃/hm之間，平均3.24℃/hm.地溫梯度分布與東濮凹陷構造走向一致，總體分布特征是中央隆起帶高，地溫梯度3.3～3.7℃/hm，西部斜坡、西部次凹、東部次凹和蘭聊斷裂帶相對較低，分布在2.8～3.2℃/hm之間，并且凹陷南部地溫梯度高于北部［12］.

結合地溫測溫等資料，開展長垣地區地溫場分析.區域恒溫層平均深度約25 m，溫度16℃.根據區內鉆孔水溫（測溫）和恒溫帶地溫資料計算地溫梯度，計算公式如下：

式中：ΔT為地溫梯度（℃/hm），Tn為井口水溫（℃），T0為恒溫帶溫度（℃），Hn為取水段平均深度（m），H0為恒溫帶深度（m）.

CYXC1井試水井口溫度50℃，取水段井深929～1 265 m，推算長垣地區區域地溫梯度3℃/hm左右，與區域地溫認識一致.據此推測長垣地區館陶組底部優勢取水段1 800 m以深溫度65℃以上，熱儲溫度高.

4 館陶組探井部署

綜合考慮區域構造、熱儲和地溫場特征，長垣城區地熱資源優越.結合市場需求情況，在長垣前期地熱項目西側部署一口生產井（CYTC1）和一口回灌井（CYTG2）.

生產井CYTC1井完鉆井深2 176 m，完鉆層位為古近系東營組，館陶組頂深1 480 m，底深2 125 m.

錄井結果顯示明化鎮組上部為黃色黏土巖和棕黃色細砂巖不等厚互層，下部以棕黃色泥巖和淺棕色細砂巖呈不等厚互層為主，自然電位曲線泥巖段較平直，砂巖段呈箱狀、鐘型低幅負異常，整體表現為曲流河沉積特征.館陶組上部巖性為淺棕色細砂巖與棕紅色泥巖呈不等厚互層，測井曲線呈中高幅箱形、鐘型，為曲流河“泥包砂”的正旋回沉積，砂體厚度相對較小、連通性相對較差；館陶組下部巖性為灰白色砂巖夾灰色泥巖，底部見灰白色砂礫巖，發育辮狀河“砂包泥”的正旋回沉積，砂體厚度大、連通性好，測井曲線表現為厚層箱型高幅負異常（圖5）.測井解釋結果顯示館陶組下部熱儲發育，砂體厚度較大，館陶組熱儲總厚度387 m，平均孔隙度22.6%.根據錄井剖面、測井曲線、熱儲厚度及物性資料，結合市場需求，使用基于地層系數的儲層分類評價方法優化取水段綜合確定CYTC1井取水段1 766～2 125 m，試水結果顯示水溫73℃，水量122 m3/h，極大地節約了成本，取得了良好的應用效果.

根據該井產出剖面測井原始資料的計算機處理結果，參考地質、鉆井、完井測井及生產情況等資料進行綜合解釋分析，在深井抽水泵抽水生產條件下，確定了兩套主力產水層和兩套次產水層（圖5），位于館陶組中下部，尤其館陶組底部產水量大.其中，1 765.5～1 790.9 m井段流量曲線有較明顯地抬升，分析認為該層段產水，通過流量曲線計算此段產水285.81 m3/d，占總產水量的13.83%，為次產水層；1 917.8～1 942.9 m井段流量曲線幅度明顯抬升，分析認為該層段產水，通過流量曲線計算此段產水170.49 m3/d，占總產水量的8.25%，為次產水層；2 062.0～2 094.9 m井段流量曲線有大幅度明顯抬升，分析認為該層段產水，通過流量曲線計算此段產水468.99 m3/d，占總產水量的22.69%，為主產水層；2 097.0～2 125.0 m井段流量曲線有較明顯地抬升，分析認為該井段產水，通過流量等曲線計算此段產水389.57 m3/d，占總產水量的18.89%，為主產水層.

圖5 CYTC1井測井曲線與產能測試對比Fig.5 Logging curve interpretation and productivity test of CYTC1 well

在相鄰地區部署實施的回灌井CYTG2井，完鉆井深2 252 m，試水水溫76℃，水量126 m3/h，進一步證實了東濮凹陷西斜坡帶的地熱勘探開發潛力.2020年CYTC1、CYTG2井正式進行供暖季供暖，目前保持采灌平衡的狀態，CYTC1井采水量為80 m3/h，出水溫度為75.4℃，基本不出砂；CYTG2井回灌量為80 m3/h，回灌無壓力，運行狀況良好.

5 地熱資源量評價

采用“熱儲體積法”對長垣地區館陶組砂巖熱儲進行地熱資源量精細評價，熱儲體積法是目前用于計算層狀熱儲地熱田地熱資源量使用最為廣泛的一種方法［13］，主要用于計算熱儲中儲存的熱量，即熱儲及流體范圍內的靜態儲量的估算，能估計地熱田地熱資源潛力［14-15］.本次計算不考慮水運移產生的熱量輸運，不考慮流體的側向補給、越流補給［16-17］.在進行地熱資源評價時，對于大型沉積盆地的新生代砂巖，當孔隙度大于20%時，熱儲回收率定為0.25［18］.地熱資源量計算時涉及到的參數包括熱儲面積、熱儲有效厚度、熱儲平均溫度、巖石孔隙度、巖石和水的比熱容等.計算公式如下：

式中：QR為地熱資源量（J）；A為熱儲面積（m2）；H為熱儲有效厚度（m）；φ為巖石孔隙度（%）；T為熱儲溫度（℃）；T0為恒溫層溫度（℃）；ρc、ρw分別為巖石和水的密度（kg/m3）；Cc、Cw分別為巖石和水的比熱容，單位J/（kg·℃）.

熱儲面積按照長垣市2019年預計供暖面積200×104m2計算；熱儲有效厚度根據已有地熱井取水段統計，取水段熱儲平均有效厚度236 m；熱儲溫度根據該地區地熱井試水溫度取73℃；根據測井解釋數據計算館陶組平均孔隙度22%；恒溫層溫度參照年平均氣溫取15℃；砂巖的密度取2 600 kg/m3，砂巖比熱容取2 285.4 J/（kg·℃）；水的密度取1 000 kg/m3，水的比熱容取4 200 J/（kg·℃）.

長垣市館陶組優勢熱儲地熱資源量計算結果如表1所示.長垣市區域地熱資源總量為1.52×1017J，折合標準煤約5.2×106t.可采地熱資源量為3.8×1016J，折合標準煤約1.3×106t.根據1 m2每年供暖所需的熱量相當于0.0283 t標準煤計算，長垣市館陶組優勢熱儲段地熱資源量滿足的供暖面積可達460×104m2，地熱資源優越，開發潛力巨大.

表1 長垣市地熱資源量評價參數取值與計算結果Table 1 Evaluation parameters and calculation results of geothermal resources in Changyuan City

6 開發利用建議

地熱資源是可再生資源，但過量開采使熱儲層水位持續下降，地熱井產水能力減弱，地熱水長期排放也造成資源的嚴重浪費［19］，因此砂巖地熱水回灌非常重要，有效的回灌對延長熱儲開發利用年限、減少供熱尾水外排對環境污染以及預防地面沉降具有非常重要的意義.地熱回灌已發展成一項較為成熟的實用技術，在世界范圍內進行了大量的回灌探索和研究.巖溶裂隙型熱儲層回灌井，特別是位于深大斷裂帶附近的回灌井，可回灌性一般大于80%，但新近系孔隙型砂巖熱儲層回灌效果不甚理想［20］.

長垣市2020年進行供暖的兩口地熱井，目前保持采灌平衡的狀態，后續開發利用可參考地熱供暖開發時間較長、技術比較成熟、具有可對比性的蘭考地區.蘭考地區沉積環境和儲層物性與長垣市類似，目前已開發20多口地熱井，均取館陶組熱水，地熱資源良好，水溫70℃左右，水量基本大于120 m3/h.開采初期開發效果良好，保持采灌平衡，隨著時間的推移，后期大部分井回灌壓力升高，回灌困難，制約蘭考地區地熱資源高效益開發.針對蘭考地區回灌井回灌困難，回灌壓力持續升高（最高達到1.5 MPa）現狀，通過分析該地區地層特性、熱儲層回灌能力、完井工藝、地面尾水處理工藝、地熱水質狀況及采取的防堵解堵措施等影響回灌的主要因素，梳理總結了蘭考地區回灌困難存在的主要問題，包括管理問題、尾水水質處理以及防堵解堵措施.針對存在的主要問題，提出了加強管理、改進水質處理設備流程、完善回揚解堵工藝、開展防腐防垢研究及改進新投井成井工藝等方面的對策和建議，最終達到提高回灌量，降低回灌壓力的目標.長垣市地熱供暖在后期運行過程中可能同樣出現回灌壓力升高的問題，建議參考蘭考地區解決回灌困難的對策和措施，針對制約回灌的因素，對于老鉆井按照“以防為主，以治為輔”的原則，應從基礎工作抓起，采取防止堵塞的手段；對于新鉆井，從設計開始，至生產運行，詳細記錄全生命周期井史、采灌基礎數據，為后期修井、回灌制定解決方案提供依據.

7 結論

1）長垣主城區構造上位于東濮凹陷西部斜坡帶，長垣斷裂的西側，新近系地層發育齊全、分布穩定.長垣地區館陶組底面埋深在2 000~2 200 m，儲層成巖性較好，館陶組地層厚度500~700 m.

2）明化鎮組整體發育曲流河沉積，儲層成巖性較差，導致地熱井出砂嚴重.油氣井顯示館陶組砂體厚度大，發育辮狀河沉積，儲層物性好.綜合地層測溫和已鉆地熱井實測資料，推測館陶組底部優勢取水段溫度65℃以上，熱儲物性好，具地熱資源開發潛力.

3）綜合考慮區域構造、熱儲和地溫場特征，優化探井設計.長垣地區新鉆館陶組砂巖熱儲地熱井發育兩套主力產水層，累計平均有效厚度61 m，地溫73～76℃，水量大于120 m3/h，彰顯了長垣地區優越的地熱資源條件，弄清了東濮凹陷西斜坡帶優質砂巖熱儲分布于館陶組下部.

4）長垣市館陶組優勢取水段精細評價結果表明，地熱資源總量1.52×1017J，折合標準煤約5.2×106t，年可采地熱資源量可滿足460×104m2的供暖面積，開發潛力巨大.考慮后期運行過程中可能出現的回灌壓力升高問題，從地質、地面、管理等多方面綜合研究，采取針對性的措施進行預防和完善，確保地熱井長壽命高效開發.