趙季初， 康鳳新

(1.山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，德州 253072； 2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，濟(jì)南 250013； 3.山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250013)

0 引言

華北盆地古潛山發(fā)育的碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲(chǔ)規(guī)模大、品質(zhì)優(yōu)，可大規(guī)模實(shí)現(xiàn)采灌平衡開發(fā)，替代燃煤進(jìn)行地?zé)峁┡桶l(fā)電[1]。“雄縣模式”是基于牛駝鎮(zhèn)潛山凸起區(qū)薊縣紀(jì)霧迷山組白云巖裂隙巖溶熱儲(chǔ)中蘊(yùn)含豐富的地?zé)豳Y源[2-6]且具備良好的回灌條件，創(chuàng)建了雄縣城區(qū)地?zé)峁┡娓采w的無煙城模式。與此類似，位于魯北濟(jì)陽坳陷東北部的孤島潛山凸起區(qū)發(fā)育厚度巨大的寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)碳酸鹽巖，具備形成大型裂隙巖溶熱儲(chǔ)的條件[7]。本文在總結(jié)已有勘探成果的基礎(chǔ)上，綜合評(píng)價(jià)孤島潛山凸起區(qū)寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲(chǔ)的地?zé)豳Y源，為類似地區(qū)熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源的開發(fā)及利用提供參考。

1 地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

孤島潛山凸起區(qū)是以古生界為基底的披覆背斜[8]，大地構(gòu)造位置[9-10]如圖1所示。

圖1 孤島凸起區(qū)大地構(gòu)造位置示意圖[9-10]Fig.1 Tectonic location of Gudao buried hill uplift area[9-10]

中生代，該區(qū)整體抬升，形成NE傾向的單面山，潛山坡面傾角15°～20°； 燕山期，NE向孤南斷裂和孤北斷裂將孤島潛山分割為相對(duì)獨(dú)立的構(gòu)造單元[10]。潛山頂部位于Gg1孔附近，發(fā)育面積約20 km2的“天窗”，缺失上古生界與中生界。山頂兩側(cè)新生界下伏地層由古生代石炭系—二疊系逐漸過渡為中生代侏羅系—白堊系(圖2)。除孤西、孤南及孤北斷裂外，潛山凸起區(qū)還發(fā)育規(guī)模較大的NNW向和NE向斷裂，對(duì)寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)碳酸鹽巖裂隙巖溶的發(fā)育具有重要影響。

圖2 新生界下伏地層及奧陶系頂板埋深等值線圖Fig.2 Depth contour of Cenozoic underlying strata and Ordovician top plate

孤西斷裂： 走向NW，傾向WS，傾角40°～50°(圖3)，斷層面較平直[11-12]。印支期，斷層開始活動(dòng)，為壓性逆沖斷層； 燕山中晚期，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)镹E-SW向拉張應(yīng)力，孤西斷裂發(fā)生負(fù)反轉(zhuǎn)成為正斷層； 喜山期，孤西斷裂經(jīng)區(qū)域扭張應(yīng)力的改造，古近紀(jì)沙河街組沉積停止活動(dòng)[13]。

圖3 孤西斷裂A-A′地質(zhì)剖面圖Fig.3 A-A′ cross section of western Gudao fault

孤北斷裂： 是孤島潛山凸起區(qū)北緣斷裂[14]，其走向?yàn)?0°～75°，長(zhǎng)度約32 km，為南盤上升、北盤下降的正斷裂，傾角約50°，兩側(cè)奧陶系頂板落差達(dá)1.78 km(圖4)。

圖4 孤北、孤南斷裂B-B′ 地質(zhì)剖面圖Fig.4 B-B′ cross section of northern and southern Gudao fault

孤南斷裂： 是孤島潛山凸起區(qū)南緣斷裂，其走向?yàn)?0°～75°，長(zhǎng)度約42 km，為北盤上升、南盤下降的正斷裂，傾角約45°，兩側(cè)奧陶系頂板落差可達(dá)1.92 km(圖4)。

1.2 地層

孤島潛山凸起區(qū)東北部地層發(fā)育較齊全； 中部潛山頂部缺失上古生界和中生界，局部地段缺失古近系，新近紀(jì)館陶組呈角度不整合覆蓋在奧陶系之上； 西南局部地段缺失中生界。

區(qū)內(nèi)地層由老至新可劃分為： 新太古代泰山巖群，巖性為花崗片麻巖； 早古生代寒武系—奧陶系，巖性主要為碳酸鹽巖，厚900～1 200 m； 石炭系—二疊系，巖性為頁巖及砂、泥巖，夾煤層，厚0～120 m； 中生代侏羅系—白堊系，巖性為砂巖和泥巖互層，厚0～1 000 m； 新生代古近系和新近系，巖性為砂巖與泥巖互層，厚1 300～2 500 m，西南薄，東北厚； 第四系為松散碎屑巖，厚200～250 m。

2 地?zé)岬刭|(zhì)與熱儲(chǔ)特征

2.1 地?zé)岬刭|(zhì)

2.1.1 地層特征

2014年，山東省國(guó)土資源廳對(duì)全省地層進(jìn)行了統(tǒng)一劃分，將三山子組和炒米店組作為跨寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)的巖石地層單位，建立了奧陶紀(jì)馬家溝群，自下而上分為東黃山組、北庵莊組、土峪組、五陽山組、閣莊組和八陡組[15]。本文根據(jù)該地層劃分方案，以Gg2孔鉆探資料為依據(jù)(圖5)，由下而上，總結(jié)孤島凸起區(qū)古生代地層特征。

圖5 Gg2孔寒武系—奧陶系柱狀圖及測(cè)溫曲線Fig.5 Column map and temperature curve of Cambrian- Ordovician stratigraphy at Gg2 borehole

東黃山組(O2d)： 相當(dāng)于原地層劃分方案的下馬家溝組下段，巖性為泥質(zhì)白云巖、灰黃色角礫狀灰?guī)r，厚約25 m。該段地層裂隙巖溶不發(fā)育，一般不能形成熱儲(chǔ)。

北庵莊組(O2b)： 相當(dāng)于原地層劃分方案的下馬家溝組上段，巖性為深灰色灰?guī)r、豹皮灰?guī)r夾白云巖，含少量燧石結(jié)核，厚約90 m。該段地層裂隙巖溶較發(fā)育，可形成良好的熱儲(chǔ)。

土峪組(O2t)： 相當(dāng)于原地層劃分方案的上馬家溝組下段，巖性為泥質(zhì)白云巖、灰黃色角礫狀灰?guī)r，厚約130 m。該段地層裂隙巖溶不發(fā)育，一般不能形成熱儲(chǔ)。

五陽山組(O2w)： 相當(dāng)于原地層劃分方案的上馬家溝組上段，巖性為深灰色灰?guī)r、豹皮灰?guī)r及白云巖，厚約70 m。該段地層裂隙巖溶較發(fā)育，可形成良好的熱儲(chǔ)。

閣莊組(O2g)： 相當(dāng)于原地層劃分方案的八陡組下段，巖性為淺灰色—灰黃色白云巖、泥質(zhì)白云巖，局部夾角礫狀灰?guī)r，厚約40 m。該段地層裂隙巖溶不發(fā)育，一般不能形成熱儲(chǔ)。

八陡組(O2-3b)： 相當(dāng)于原地層劃分方案的八陡組上段，巖性為深灰色—褐灰色灰?guī)r，夾少量泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，厚約40 m。該段地層裂隙巖溶較發(fā)育，可形成良好的熱儲(chǔ)。

2.1.2 熱儲(chǔ)厚度

寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)，研究區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較微弱[17-19]，地層厚度穩(wěn)定，在潛山凸起區(qū)頂部Gg2孔揭露的寒武系—奧陶系齊全，說明在后期構(gòu)造抬升中，寒武系—奧陶系未受強(qiáng)烈剝蝕。根據(jù)地層巖性及區(qū)域裂隙巖溶發(fā)育特征，本文以灰?guī)r、白云巖為主的地層(奧陶紀(jì)八陡組、五陽山組、北庵莊組，寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)三山子組，寒武紀(jì)張夏組)作為熱儲(chǔ)，累計(jì)厚度約480 m。

2.2 熱儲(chǔ)特征

2.2.1 裂隙巖溶發(fā)育特征

根據(jù)空隙成因不同，裂隙巖溶可劃分為不整合面風(fēng)化殼孔隙、溶隙、溶孔與構(gòu)造裂隙4種。不整合面風(fēng)化殼發(fā)育深度約250 m。渤南洼陷渤深6孔中，奧陶系埋深4 161～4 246.55 m區(qū)段的測(cè)試結(jié)果顯示： 10件灰?guī)r巖心樣品的孔隙度為1.1%～3.3%，平均值為1.93%； 3件白云巖巖心樣品的孔隙度為12.8%～16.1%，平均值為13.23%。埕東凸起Cg16孔(圖1)中，寒武系埋深1 584.55～1 804.96 m區(qū)段的測(cè)試結(jié)果顯示： 13件灰?guī)r巖心樣品的孔隙度為1.0%～8.8%，平均值為3.86%； 6件白云巖巖心樣品的孔隙度為3.4%～23.7%，平均值為17.2%[20]。由此可知，風(fēng)化殼型巖溶的發(fā)育主要受地層和巖性控制，白云巖的巖溶發(fā)育程度遠(yuǎn)大于灰?guī)r。此外，風(fēng)化殼巖溶發(fā)育程度與地層埋深呈反比[21]。

碳酸鹽巖中的白云石對(duì)方解石或文石進(jìn)行交代，發(fā)生白云巖化作用，在晶間或晶內(nèi)形成溶隙、溶孔，該類孔洞的連通性差，一般不易形成裂隙巖溶熱儲(chǔ)有效空隙。

斷裂對(duì)裂隙巖溶熱儲(chǔ)的形成具有關(guān)鍵作用，孤島潛山地區(qū)經(jīng)歷了印支期、燕山期—喜山期多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，斷裂發(fā)育[22]。在主要斷裂帶附近可形成良好的裂隙巖溶熱儲(chǔ)，如位于斷裂帶附近的Gg1孔、Gg4孔的單井涌水量>1 000 m3/d[23]。

2.2.2 熱儲(chǔ)裂隙巖溶率

潛山頂部上古生界與中生界缺失區(qū)，熱儲(chǔ)埋深較淺，風(fēng)化殼孔隙較發(fā)育，且斷裂發(fā)育，Cg16孔測(cè)試結(jié)果表明，熱儲(chǔ)的平均裂隙巖溶率為10.53%； 潛山外圍上古生界與中生界發(fā)育區(qū)，熱儲(chǔ)埋藏較深，風(fēng)化殼孔隙不發(fā)育，Bs6孔測(cè)試結(jié)果表明，熱儲(chǔ)的平均裂隙巖溶率為7.58%。潛山斜坡帶中生界缺失區(qū)，熱儲(chǔ)的平均裂隙巖溶率為9.05%。

2.3 熱儲(chǔ)溫度

目前，研究區(qū)尚無以寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲(chǔ)為目標(biāo)層的地?zé)峥碧娇?，石油勘探過程中在該熱儲(chǔ)的Gg1、Gg2和Gg4孔中發(fā)現(xiàn)了可供開采的地?zé)豳Y源，其中Gg1和Gg4孔單井涌水量>1 000 m3/d，Gg2孔單井涌水量48 m3/d[24]。Gg1孔曾建有地?zé)岑燄B(yǎng)院，目前已廢棄。

分析Gg2孔測(cè)溫曲線形態(tài)(圖6)，垂向上，曲線明顯呈2個(gè)直線段分布： 熱儲(chǔ)頂板以上的蓋層，溫度曲線斜率大； 熱儲(chǔ)層，溫度曲線斜率小，地層升溫率為1.91 ℃/100 m。

圖6 Gg2孔測(cè)溫曲線圖[25]Fig.6 Temperature logging curve of well Gg2[25]

確定熱儲(chǔ)溫度時(shí)，有勘探孔實(shí)測(cè)溫度的地區(qū)，以實(shí)測(cè)溫度值作為熱儲(chǔ)平均溫度； 無勘探孔實(shí)測(cè)溫度的地區(qū)，以熱儲(chǔ)中點(diǎn)處估算的溫度作為熱儲(chǔ)平均溫度。熱儲(chǔ)溫度采用兩段法估算，推導(dǎo)的熱儲(chǔ)溫度估算公式為

tr=0.035 5h+20.39+0.019 1H/2 ，

(1)

式中：tr為熱儲(chǔ)平均溫度，℃；h為蓋層累計(jì)的厚度，m；H為寒武系—奧陶系平均厚度，m。

3 地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)

通過合理的采、灌井布局，回灌的地?zé)嵛菜蚤_采井向回灌井滲流過程中，不斷汲取熱儲(chǔ)巖石的熱量，保持服務(wù)期內(nèi)開采井的溫度與流量。地?zé)崴鳛樘崛醿?chǔ)中熱量的媒介，其消耗量可忽略不計(jì)，因此，本次評(píng)價(jià)僅計(jì)算熱儲(chǔ)中蘊(yùn)藏的熱資源量。

3.1 地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)

3.1.1 計(jì)算方法

采用熱儲(chǔ)法[26]計(jì)算寒武系—奧陶系裂隙巖溶熱儲(chǔ)中蘊(yùn)藏的熱資源量，計(jì)算式為

Q=A·d·[ρs·Cs·(1-φ)+
ρw·Cw·φ]·(tr-t0)

，

(2)

式中：Q為熱資源量，J；A為熱儲(chǔ)面積，m2；d為熱儲(chǔ)厚，m；ρs為熱儲(chǔ)巖石密度，kg/m3；Cs為巖石比熱容，J/(kg·℃)；φ為熱儲(chǔ)孔隙度，無量綱；ρw為地?zé)崴芏?，kg/m3；Cw為地?zé)崴葻崛?，J/(kg·℃)；tr為熱儲(chǔ)平均溫度，℃；t0為下限利用溫度，℃。

3.1.2 利用方向與下限溫度

孤島潛山凸起區(qū)是孤島油田的主產(chǎn)區(qū)，地?zé)豳Y源豐富，淺埋的館陶組下段熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源可滿足住宅供暖需求[27]。由于寒武系—奧陶系裂隙巖溶熱儲(chǔ)埋藏深、溫度高，本文將地?zé)岚l(fā)電確定為開發(fā)利用方向。地?zé)岚l(fā)電已有100 a以上的歷史[28]，自1967年俄羅斯建立世界第一座雙循環(huán)地?zé)犭娬疽詠韀29]，中、低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)取得了進(jìn)步； 美國(guó)阿拉斯加契那發(fā)電廠利用57 ℃的地?zé)崃黧w進(jìn)行發(fā)電[30]。20世紀(jì)70年代初，我國(guó)建成了7個(gè)中、低溫地?zé)岚l(fā)電廠，目前仍在運(yùn)行的地?zé)犭娬居校?廣東豐順縣鄧屋地?zé)犭娬?，利用地?zé)崴疁囟?2 ℃，發(fā)電功率300 kW； 湖南寧鄉(xiāng)縣灰湯地?zé)犭娬?，利用地?zé)崴疁囟?8 ℃，發(fā)電功率300 kW； 江西宜春縣溫湯地?zé)犭娬?，利用地?zé)崴疁囟?7 ℃，發(fā)電功率100 kW[31]。綜合考慮，孤島潛山凸起區(qū)地?zé)豳Y源的下限利用溫度t0確定為70 ℃。地?zé)岚l(fā)電潛力計(jì)算時(shí)，其熱效率系數(shù)取7%[32]。

3.1.3 計(jì)算單元?jiǎng)澐?/p>

根據(jù)區(qū)內(nèi)寒武系—奧陶系埋藏條件及上古生界、中生界缺失情況，將研究區(qū)劃分為11個(gè)計(jì)算分區(qū)(圖7)。

圖7 地?zé)豳Y源計(jì)算分區(qū)Fig.7 Zoning for geothermal resource calculation

3.1.4 地?zé)豳Y源量

采用式(1)估算熱儲(chǔ)平均溫度，采用式(2)估算孤島潛山凸起區(qū)寒武系—奧陶系裂隙巖溶熱儲(chǔ)中可供發(fā)電的熱量為804×1016J(表1)。按30 a服務(wù)年限、熱效率系數(shù)7%，估算的孤島潛山凸起區(qū)寒武系—奧陶系裂隙巖溶熱儲(chǔ)的發(fā)電潛力為595 MW，為大型地?zé)崽铩?/p>

表1 研究區(qū)寒武系—奧陶系裂隙巖溶熱儲(chǔ)可供發(fā)電的熱量Tab.1 Geothermal resource calculation results of Cambrian- Ordovician fractured heat reservoir in the study area

3.2 地?zé)崴|(zhì)量評(píng)價(jià)

3.2.1 地?zé)崴瘜W(xué)成分

以Gg1孔為例，對(duì)寒武系—奧陶系裂隙巖溶熱儲(chǔ)中地?zé)崴乃|(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。Gg1孔地?zé)崴牡V化度為17.38 g/L，陽離子以Na+為主，陰離子以Cl-為主，水化學(xué)類型為Cl-Na型(表2)。

表2 Gg1孔地?zé)崴瘜W(xué)成分Tab.2 Chemical components of geothermal water at well Gg1

3.2.2 質(zhì)量評(píng)價(jià)

地?zé)崴母g性與結(jié)垢性是影響地?zé)岚l(fā)電的主要因素。地?zé)崴Y(jié)垢性評(píng)價(jià)采用PHREEQC軟件計(jì)算主要礦物的飽和指數(shù)。結(jié)果表明，在不同溫度下，Gg1孔地?zé)崴氖?、方解石和白云石的飽和指?shù)均>0(表3)，處于過飽和狀態(tài)，Gg1孔地?zé)崴哂薪Y(jié)垢趨勢(shì)。

表3 Gg1孔主要礦物不同溫度下飽和指數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.3 Saturation index of major minerals at different temperatures of Gg1

地?zé)崴腃l-含量占陰離子摩爾當(dāng)量的百分比為97.1%，遠(yuǎn)大于25%，可采用拉申指數(shù)(IL)對(duì)地?zé)崴母g性進(jìn)行評(píng)價(jià)[33]，評(píng)價(jià)公式為

IL=(CCl+CSO4)/QALK

，

(3)

式中：IL為拉申指數(shù)(IL<0.5，不腐蝕； 0.5≤IL<3，輕微腐蝕； 3.0≤IL≤10，中等腐蝕；IL>10，強(qiáng)腐蝕)；CCl為氯化物濃度，mg/L；CSO4為硫酸鹽濃度，mg/L；QALK為總堿度，mg/L； Cl、SO4與ALK均以等當(dāng)量的CaCO3表示。

計(jì)算表明，Gg1孔地?zé)崴睦曛笖?shù)IL為33.53，具有強(qiáng)腐蝕性。此外，地?zé)崴泻倭坑蜌赓Y源，開發(fā)過程中應(yīng)注意對(duì)油氣資源的回收利用。

4 結(jié)論

(1)孤島潛山凸起區(qū)寒武系—奧陶系以碳酸鹽巖為主，其中奧陶紀(jì)八陡組、五陽山組、北庵莊組，寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)三山子組及寒武紀(jì)張夏組以灰?guī)r、白云巖為主，可形成良好的裂隙巖溶熱儲(chǔ)，熱儲(chǔ)累計(jì)厚度約480 m。熱儲(chǔ)的裂隙巖溶發(fā)育形式主要為風(fēng)化殼孔隙、溶隙、溶孔與構(gòu)造裂隙，斷裂對(duì)裂隙巖溶熱儲(chǔ)的形成具有關(guān)鍵作用。

(2)地?zé)豳Y源可進(jìn)行地?zé)峁┡c地?zé)岚l(fā)電，其中地?zé)岚l(fā)電利用下限以70 ℃估算，孤島潛山凸起區(qū)裂隙巖溶熱儲(chǔ)中可供發(fā)電的熱量為804×1016J。當(dāng)服務(wù)年限取30 a、熱效率系數(shù)取7%時(shí)，估算的發(fā)電潛力為595 MW，為大型地?zé)崽铩?/p>