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(fā)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(tài)南寬北窄，凹陷內(nèi)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(nèi)斷層發(fā)育，整體呈現(xiàn)“兩凹一隆一斜坡一斷階”構(gòu)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(gòu)造單元［1］，西部斜坡帶構(gòu)造走向與東濮凹陷主要構(gòu)造的延伸方向一致［2］.長垣市主城區(qū)構(gòu)造上位于東濮凹陷西部斜坡帶（圖1），長垣斷裂從城區(qū)東側(cè)經(jīng)過，研究表明長垣斷裂西側(cè)蘊藏著豐富的地?zé)崴Y源.隨著地源熱泵技術(shù)的成熟，水熱型地?zé)崮苤苯永谜焖倨占埃?］.目前豫東北地區(qū)的范縣、南樂、清豐、濮陽、開封、蘭考等地區(qū)的地?zé)豳Y源開發(fā)程度較高，開發(fā)效果顯著.如蘭考地區(qū)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?guī)r熱儲頂板埋深約1 500 m，水溫約60℃，水量120 m3/h.而長垣地區(qū)地?zé)豳Y源的研究尚處于起步階段，開發(fā)程度不高，前期已開發(fā)的新近系明化鎮(zhèn)組砂巖熱儲地?zé)峋a(chǎn)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(qū)供暖需求.因此需要綜合進行區(qū)域構(gòu)造特征分析、熱儲精細解剖及地溫場分布規(guī)律研究，弄清長垣市優(yōu)質(zhì)砂巖熱儲地?zé)岬刭|(zhì)特征，優(yōu)化探井設(shè)計，為進一步證實東濮凹陷西部斜坡帶的地?zé)峥碧介_發(fā)潛力奠定基礎(chǔ)，進而為豫東北地區(qū)地?zé)峁┡B片開發(fā)提供典型范例.

1 區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 構(gòu)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(yīng)力作用下逐漸裂解斷陷而形成的雙斷式凹陷，以結(jié)晶變質(zhì)巖系及其上地臺構(gòu)造層為基底.印支—燕山期，強烈的構(gòu)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(zhuǎn)化，形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局①河南省地質(zhì)調(diào)查院.河南省地?zé)豳Y源現(xiàn)狀調(diào)查評價與區(qū)劃.2015..東濮凹陷在演化過程中受到斷層活動的控制，表現(xiàn)出明顯的階段性活動特征［4］.東濮凹陷內(nèi)部發(fā)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(gòu)造分區(qū)圖Fig.1 Tectonic division map of Dongpu Sag

圖2 東濮凹陷地質(zhì)剖面Fig.2 Geological section across Dongpu Sag

長垣斷裂屬蘭聊深斷裂帶西側(cè)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(gòu)成內(nèi)黃隆起與東明斷陷的邊界，并對兩構(gòu)造單元的形成和發(fā)展具有控制作用［5］.長垣斷裂從長垣城區(qū)東側(cè)經(jīng)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(dǎo)［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(gòu)造演化和構(gòu)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(gòu)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(qū)域均有分布，發(fā)育比較好，自上而下分為明化鎮(zhèn)組（Nm）和館陶組（Ng）.

明化鎮(zhèn)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(wěn)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(gòu)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(fā)育一套底礫巖；北部地區(qū)受區(qū)域構(gòu)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(jù)構(gòu)造趨勢及南部臨近地區(qū)油氣井資料中長1、長2、長3、長4井地層發(fā)育情況，推測長垣地區(qū)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?yún)^(qū)域性沉降階段，發(fā)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(zhì)黏土巖、砂巖、砂礫巖.其層位和厚度受古地形影響，產(chǎn)狀近于水平.區(qū)內(nèi)地?zé)犷愋椭饕獮槌练e盆地埋藏型，發(fā)育層狀砂巖類孔隙型熱儲.

2.1 明化鎮(zhèn)組砂巖熱儲

據(jù)長垣市已開發(fā)地?zé)峋Y料，地?zé)峋? 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(zhèn)組砂巖熱儲.取水段1 300 m以淺，砂體發(fā)育程度低，成巖性差，導(dǎo)致地?zé)峋錾皣乐兀毓嗑毓嘈Ч?，水量小、溫度?

長垣地區(qū)2013年地?zé)峁┡椖?，共完鉆3口地?zé)峋篊YXC1、CYXC2、CYXC3井，井深均為1 300 m，整體發(fā)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(zhèn)組，主要地?zé)衢_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(chǎn)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(qū)域砂巖熱儲地質(zhì)特征認識不清，開采的明化鎮(zhèn)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(dǎo)致井底沉沙，影響抽水；回灌井內(nèi)回灌層被細粉砂掩埋，影響回灌.

圖3 長垣地區(qū)明化鎮(zhèn)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(jié)合區(qū)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(fā)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(fā)育辮狀河道砂壩沉積，測井曲線表現(xiàn)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(jù)與臨井地層對比結(jié)果（圖4），長垣地區(qū)館陶組地層厚度600 m左右，砂地比60%，優(yōu)質(zhì)砂體發(fā)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(yōu)，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(qū)域館陶組砂體厚度大，儲層物性好.

圖4 長垣地區(qū)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(nèi)，基巖面的起伏形成基底隆起和凹陷格局，對區(qū)域地溫場和地表熱流的分布起著控制作用.基底隆起區(qū)的大地?zé)崃髦荡笥诎枷輩^(qū)的大地?zé)崃髦担?］，構(gòu)造發(fā)育部位熱流值也相對較高，而地溫梯度的分布與大地?zé)崃鞣植夹螒B(tài)類似.測井溫度資料是研究地溫梯度分布的主要依據(jù)［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(gòu)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(jié)合地溫測溫等資料，開展長垣地區(qū)地溫場分析.區(qū)域恒溫層平均深度約25 m，溫度16℃.根據(jù)區(qū)內(nèi)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(qū)區(qū)域地溫梯度3℃/hm左右，與區(qū)域地溫認識一致.據(jù)此推測長垣地區(qū)館陶組底部優(yōu)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(qū)域構(gòu)造、熱儲和地溫場特征，長垣城區(qū)地?zé)豳Y源優(yōu)越.結(jié)合市場需求情況，在長垣前期地?zé)犴椖课鱾?cè)部署一口生產(chǎn)井（CYTC1）和一口回灌井（CYTG2）.

生產(chǎn)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(jié)果顯示明化鎮(zhèn)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)為厚層箱型高幅負異常（圖5）.測井解釋結(jié)果顯示館陶組下部熱儲發(fā)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(jù)錄井剖面、測井曲線、熱儲厚度及物性資料，結(jié)合市場需求，使用基于地層系數(shù)的儲層分類評價方法優(yōu)化取水段綜合確定CYTC1井取水段1 766～2 125 m，試水結(jié)果顯示水溫73℃，水量122 m3/h，極大地節(jié)約了成本，取得了良好的應(yīng)用效果.

根據(jù)該井產(chǎn)出剖面測井原始資料的計算機處理結(jié)果，參考地質(zhì)、鉆井、完井測井及生產(chǎn)情況等資料進行綜合解釋分析，在深井抽水泵抽水生產(chǎn)條件下，確定了兩套主力產(chǎn)水層和兩套次產(chǎn)水層（圖5），位于館陶組中下部，尤其館陶組底部產(chǎn)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(chǎn)水，通過流量曲線計算此段產(chǎn)水285.81 m3/d，占總產(chǎn)水量的13.83%，為次產(chǎn)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(chǎn)水，通過流量曲線計算此段產(chǎn)水170.49 m3/d，占總產(chǎn)水量的8.25%，為次產(chǎn)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(chǎn)水，通過流量曲線計算此段產(chǎn)水468.99 m3/d，占總產(chǎn)水量的22.69%，為主產(chǎn)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(chǎn)水，通過流量等曲線計算此段產(chǎn)水389.57 m3/d，占總產(chǎn)水量的18.89%，為主產(chǎn)水層.

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

在相鄰地區(qū)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?zé)峥碧介_發(fā)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(tài)，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?zé)豳Y源量評價

采用“熱儲體積法”對長垣地區(qū)館陶組砂巖熱儲進行地?zé)豳Y源量精細評價，熱儲體積法是目前用于計算層狀熱儲地?zé)崽锏責(zé)豳Y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(nèi)的靜態(tài)儲量的估算，能估計地?zé)崽锏責(zé)豳Y源潛力［14-15］.本次計算不考慮水運移產(chǎn)生的熱量輸運，不考慮流體的側(cè)向補給、越流補給［16-17］.在進行地?zé)豳Y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?zé)豳Y源量計算時涉及到的參數(shù)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?zé)豳Y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(yù)計供暖面積200×104m2計算；熱儲有效厚度根據(jù)已有地?zé)峋∷谓y(tǒng)計，取水段熱儲平均有效厚度236 m；熱儲溫度根據(jù)該地區(qū)地?zé)峋囁疁囟热?3℃；根據(jù)測井解釋數(shù)據(jù)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(yōu)勢熱儲地?zé)豳Y源量計算結(jié)果如表1所示.長垣市區(qū)域地?zé)豳Y源總量為1.52×1017J，折合標準煤約5.2×106t.可采地?zé)豳Y源量為3.8×1016J，折合標準煤約1.3×106t.根據(jù)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(yōu)勢熱儲段地?zé)豳Y源量滿足的供暖面積可達460×104m2，地?zé)豳Y源優(yōu)越，開發(fā)潛力巨大.

表1 長垣市地?zé)豳Y源量評價參數(shù)取值與計算結(jié)果Table 1 Evaluation parameters and calculation results of geothermal resources in Changyuan City

6 開發(fā)利用建議

地?zé)豳Y源是可再生資源，但過量開采使熱儲層水位持續(xù)下降，地?zé)峋a(chǎn)水能力減弱，地?zé)崴L期排放也造成資源的嚴重浪費［19］，因此砂巖地?zé)崴毓喾浅Ｖ匾?，有效的回灌對延長熱儲開發(fā)利用年限、減少供熱尾水外排對環(huán)境污染以及預(yù)防地面沉降具有非常重要的意義.地?zé)峄毓嘁寻l(fā)展成一項較為成熟的實用技術(shù)，在世界范圍內(nèi)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?zé)峋?，目前保持采灌平衡的狀態(tài)，后續(xù)開發(fā)利用可參考地?zé)峁┡_發(fā)時間較長、技術(shù)比較成熟、具有可對比性的蘭考地區(qū).蘭考地區(qū)沉積環(huán)境和儲層物性與長垣市類似，目前已開發(fā)20多口地?zé)峋?，均取館陶組熱水，地?zé)豳Y源良好，水溫70℃左右，水量基本大于120 m3/h.開采初期開發(fā)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(qū)地?zé)豳Y源高效益開發(fā).針對蘭考地區(qū)回灌井回灌困難，回灌壓力持續(xù)升高（最高達到1.5 MPa）現(xiàn)狀，通過分析該地區(qū)地層特性、熱儲層回灌能力、完井工藝、地面尾水處理工藝、地?zé)崴|(zhì)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(jié)了蘭考地區(qū)回灌困難存在的主要問題，包括管理問題、尾水水質(zhì)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(zhì)處理設(shè)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?zé)峁┡诤笃谶\行過程中可能同樣出現(xiàn)回灌壓力升高的問題，建議參考蘭考地區(qū)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(yīng)從基礎(chǔ)工作抓起，采取防止堵塞的手段；對于新鉆井，從設(shè)計開始，至生產(chǎn)運行，詳細記錄全生命周期井史、采灌基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為后期修井、回灌制定解決方案提供依據(jù).

7 結(jié)論

1）長垣主城區(qū)構(gòu)造上位于東濮凹陷西部斜坡帶，長垣斷裂的西側(cè)，新近系地層發(fā)育齊全、分布穩(wěn)定.長垣地區(qū)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(zhèn)組整體發(fā)育曲流河沉積，儲層成巖性較差，導(dǎo)致地?zé)峋錾皣乐?油氣井顯示館陶組砂體厚度大，發(fā)育辮狀河沉積，儲層物性好.綜合地層測溫和已鉆地?zé)峋畬崪y資料，推測館陶組底部優(yōu)勢取水段溫度65℃以上，熱儲物性好，具地?zé)豳Y源開發(fā)潛力.

3）綜合考慮區(qū)域構(gòu)造、熱儲和地溫場特征，優(yōu)化探井設(shè)計.長垣地區(qū)新鉆館陶組砂巖熱儲地?zé)峋l(fā)育兩套主力產(chǎn)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(qū)優(yōu)越的地?zé)豳Y源條件，弄清了東濮凹陷西斜坡帶優(yōu)質(zhì)砂巖熱儲分布于館陶組下部.

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