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汪晓敏, 邵徽发, 王永凯, 周凤春, 高莉津. 黄骅坳陷地温场控制因素与地热资源潜力[J]. 录井工程, 2020,31(S1): 125-129.
WANG Xiaomin, SHAO Huifa, WANG Yongkai, ZHOU Fengchun, GAO Lijin. Controlling factors of geothermal field and potential of geothermal resources in Huanghua Depression[J]. Mud Logging Engineering, 2020,31(S1): 125-129.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2020.S1.021  
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黄骅坳陷地温场控制因素与地热资源潜力
汪晓敏①, 邵徽发②, 王永凯②, 周凤春③, 高莉津④
① 中国石油大港油田分公司科技信息处
② 中国石油大港油田公司资源评价处
③ 中国石油大港油田分公司勘探开发研究院
④ 中国石油大港油田分公司新项目事业部

作者简介：汪晓敏 1983年生,2010年毕业于东北石油大学地质工程专业,现在大港油田分公司科技信息处从事烃源岩研究和资源评价等方面的工作。 通信地址: 300280 天津市滨海新区幸福路。 电话:(022)25966140。E-mail:wangxmin01@petrochina.com.cn

摘要

黄骅坳陷地温梯度适中,中浅层发育多个热异常区,具备形成地热田的有利条件。为了解古近系和新近系热储基本特征,利用研究区油气井钻探获得的大量分析测试资料,分析黄骅坳陷地热场基本特征与控制因素,落实地热资源潜力及有利目标区域。研究表明,黄骅坳陷深部结构从东向西具有规律性变化,它与燕山期以来的构造活动有直接关系,一方面地幔隆起地壳减薄,莫霍面抬升,另一方面由于地壳的沉降,断陷形成巨厚的中-新生代碎屑沉积。深部地壳结构和基底结构对地温场分布起着主要的控制作用,并形成黄骅坳陷南北分区、隆高凹低的地温场分布特征。利用热储法计算大港探区范围内地热资源为1 664×1018 J,主要分布在明化镇组、馆陶组,探区北部沧县隆起区、北塘凹陷、歧口凹陷地热丰度高,是地热资源开发利用的主要区域。

关键词: 中地温梯度区; 地热场; 地热资源; 地球化学; 地热成因; 黄骅坳陷
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Controlling factors of geothermal field and potential of geothermal resources in Huanghua Depression
WANG Xiaomin①, SHAO Huifa②, WANG Yongkai②, ZHOU Fengchun③, GAO Lijin④
① Information Office of Science and Technology of PetroChina Dagang Oilfield Company, Tianjin 300280,China
② Resource Evaluation Office of PetroChina Dagang Oilfield Company, Tianjin 300280,China
③ Research Institute of Exploration and Development of PetroChina Dagang Oilfield Company, Tianjin 300280,China
④ New Project Division of PetroChina Dagang Oilfield Company, Tianjin 300280,China
Abstract

Huanghua Depression has a moderate geothermal gradient,and multiple thermal anomalies developed in the middle and shallow layers,which are favorable conditions for the formation of geothermal field. In order to understand the basic characteristics of the geothermal reservoirs of Paleogene and Neogene,a large number of analysis and test data obtained from oil and gas well drilling in the study area are used to analyze the basic characteristics and control factors of the geothermal field in Huanghua Depression,and to implement the geothermal resources potential and favorable regional target. It shows that the deep structure of Huanghua Depression changes regularly from east to west,which is directly related to the tectonic activities since Yanshanian period. On the one hand,the mantle bulges,the crust thins,and the Moho surface rises;on the other had,the fault depression has formed thick Meso-Cenozoic clastic deposit due to the crust subsidence. The deep crustal structure and basement structure are major controlling factors of geothermal field distribution to form the distribution characteristics of southern and northern division,and high upheaval and low depression in Huanghua Depression. The geothermal resources within Dagang exploration area are calculated to be 1 664 × 1018 J using thermal reserve method,mainly distributed in Minghuazhen Formation and Guantao Formation. Geothermal abundance is high in Cangxian uplift,Beitang Sag and Qikou Sag in the northern part of the exploration area,which are the main areas for the development and utilization of geothermal resources.

Keyword: medium geothermal gradient zone; geothermal field; geothermal resources; geochemistry; geothermal factor; Huanghua Depression
0 引言

目前全球的能源结构中, 石油、煤炭、天然气等化石能源已经占到了人类消耗全部能源的85%以上, 资源枯竭的总体趋势不可逆转, 寻找清洁可再生替代资源的需求越来越迫切。地热作为一种新型的清洁能源, 其巨大的资源潜力和开发利用价值受到广泛关注。大港油田经历了50多年的油气勘探开发, 在获得石油与天然气的同时, 大量钻遇水层及相关分析测试资料对于地热资源研究具有很高的研究价值。大港探区在寻找油气田的勘探过程中, 发现地热资源比较丰富, 多年来在寻找古潜山油气田勘探过程中, 在中上元古界、寒武-奥陶系都发现丰富的地热资源, 初步统计, 产量大于100 m3/d。水温50℃以上潜山热水井22口, 总产液量约26 899 m3/d, 总发热量每天相当于122 t原油或175 t标煤, 每年达44 530 t原油或63 678 t煤, 这是一笔十分可观的财富。但是由于近20多年来, 大港油田将工作重点放在油气勘探上, 忽略了资源量巨大的地热能, 地热资源利用项目少, 规模有限, 年替代标煤所占比重不高。本文充分利用油气勘探所积累的大量资料, 进一步梳理大港探区内地温场分布特征及热异常区分布, 探讨地温场形成机理, 旨在落实地热资源潜力并优选有利区带, 为下一步制定地热资源开发利用方案奠定基础。

1 研究区概况

黄骅坳陷大港探区处于华北平原东部, 地势平坦, 自北、西、南三个方向呈扇形向渤海湾倾斜。受平缓倾斜平面地貌影响, 多种复杂的大地貌和小型地貌交错重叠, 探区内河道带、河间带、河口三角洲、岗地、浅碟状洼地和条状背河洼地等广为发育。特有的地形地貌对地表径流、地下水的运动和富集、地下咸水的形成与赋存、盐碱地的分布都具有重要的控制作用。探区内含水层系多, 主要含水介质为储集物性较好的砂岩、砾岩及碳酸盐岩储集层, 自上而下包含四套含水层组, 其中第四系和新近系含水层组主要为潜水-微承压水层, 下部古近系及前古近系含水层多为承压水层[1]。

第四系地层埋藏深度最浅, 一般不超过400 m, 全区埋深变化不大。新近系油田水埋深呈现西高东低的趋势(图1), 以明化镇组为例, 西部沧县隆起区地下水埋藏深度为900~1 100 m, 歧口主凹和沧东凹陷分别可以达到2 600 m和1 300 m, 受局部构造带影响, 部分地区地层水也有埋藏相对较浅的情况。古近系含水层埋深变化较大, 受边界断层及盆内凸起控制, 呈现出从隆起/凸起向凹陷中心埋深逐渐增大的趋势(图1)。前古近系埋藏深度与古近系埋深密切相关, 沧县隆起南部潜山顶面埋深较浅, 内部埋深较为宽缓, 总体为向南东方向倾斜。研究区含水层顶面埋深一般为3 000 ~7 000 m, 歧口主凹区埋深可能达到万米以上[2, 3]。盆地南部的埋深还表现出北西向、北东向的短轴高低起伏, 埕宁隆起区奥陶系顶面也呈现北东、北西向的短轴深浅交替[4]。

图1 大港探区含水层埋深图

由于大港探区地温梯度较高, 使得地热资源较为丰富。目前已完成天津境内的滨海、武清杨村、汉沽-宁河、宝坻、万家码头、潘庄、芦台等地区和市区深部地热资源普查工作。特别是宝坻周良庄地热普查, 第一眼勘探井自流量达340 m3, 温度103℃, 具有巨大的经济效益和社会效益。2016年天津境内地热资源总开采量4 121万m3, 其中用于供暖的为3 223万m3(78.2%), 生活用水的为878万m3(21.3%), 工农业及洗浴等特殊用途的为20万m3(0.5%), 展现了地热资源广阔的开发利用前景。

2 地温场分布与控制因素
2.1 地温梯度变化特征

黄骅坳陷大港探区经历了50年的油气田勘探开发, 现有中上元古界、寒武-奥陶系、古近系-新近系地温测试资料表明, 该区地温随着热源埋藏深度的增大呈现不同程度的增值变化。但地温梯度随深度加大其增长幅度并不是很明显, 地温梯度值变动幅度为(3.0~3.7℃)/100 m(图2), 隆起区前古近系地温梯度可高达5℃/100 m以上, 均值为3.4℃/100 m。通过盆地模拟标定渤海湾盆地中-新生代坳陷盆地为大地热流值介于1.5~1.9 HFU之间(1 HFU=41.86 mW/m2, 下同), 平均为1.7 HFU, 亦高于全球大地热流平均值(1.47 HFU), 黄骅坳陷地温梯度偏高, 而且目前坳陷及周边潜山已打出了数十口热水井, 证实本区具有丰富的地热资源。

图2 黄骅坳陷地温梯度空间变化图

平面上, 地温场具有南、北、中分区的特点, 主要表现在:地温的分布明显受北东-南西向区域性构造所控制, 与区域构造轮廓基本一致, 一般隆起区为相对高温区, 坳陷、凹陷区为相对低温区。中区地温梯度为高值区, (3.45~3.55℃)/100 m; 南区为中值区, (3.30~3.49℃)/100 m; 北区为低值区, (3.02~3.47℃)/100 m; 周边隆起区为超高值区, > 4.0℃/100 m(如沧县隆起)。不同埋藏深度的地温是有变化的, 因而根据不同深度地温变化, 结合地温梯度的变化, 将全区分为四个区:高温区、中温区、低温区及周边隆起(古潜山)超高温区。

2.2 地温场控制因素

(1)深部地壳结构对地温场分布起着主要控制作用:华北地台黄骅坳陷深部结构从东向西具有规律性变化, 它与燕山期以来的构造活动直接相关, 一方面地幔隆起地壳减薄, 莫霍面抬升, 另一方面由于地壳的沉降, 断陷形成巨厚的中-新生代碎屑岩沉积[5, 6, 7]。渤海湾盆地莫霍面等深图上显示, 黄骅坳陷特征是北东向的地幔隆起, 地壳减薄32~34 km, 由于深部地幔烘烤作用增强, 及结晶基底以下花岗岩壳的放射性产热造成本区较高的地温分布。

(2)基底结构对该区地温场分布起着重要作用:黄骅坳陷的基底主要由上古生界石炭、二叠系, 下古生界奥陶、寒武系, 边缘为中上元古界所组成, 由于盆地构造发育的差异, 导致基底结构有很大的差别。黄骅坳陷为由古生代地层所构成的一系列不对称的地堑-地垒式构造, 其地温的重新分布明显, 由于构造基底岩石的热导率较高, 在其隆起较高凸起部位的盖层中, 地温梯度亦较高, 而基底凹陷部位则较低, 造成隆起区的地温异常[8, 9, 10]。研究发现该区地温异常与布格重力异常相当吻合, 布格重力异常分布范围基本上反映了基底起伏, 埋藏深度及分布范围, 该区北大港潜山、羊三木-孔店潜山及周边西侧的王兰庄-双窑-小韩庄-万家码头凸起、兴济凸起明显地反映为布格重力异常高值区。实际资料表明, 重力异常和地温异常的高值区同处于基岩的凸起或潜山高部位, 二者低值区则同处于凹陷部位(图3)。例如北大港潜山港西凸起基底为寒武-奥陶系灰岩所组成, 埋深仅2 000 m左右, 上覆盖层所形成的新近系油气藏, 为明显的地温异常高值区(港西油田地温梯度平均为3.7℃/100 m)。

图3 黄骅坳陷重力布格异常图

除上述因素外, 在盆地隆起与坳陷边界、坳陷内部的凸起或古潜山相伴生发育一系列(深)大断裂(在潜山构造带, 一般一条主断层相伴若干条小断层), 断距大, 活动时间长, 它们沟通深部, 使径深循环加热后的地热流体沿断裂向上传输, 并储集于基岩隆起顶面, 往往形成高温异常区[11, 12]。大港探区中-新生代尤其是中生代和古近系岩浆活动相当频繁, 地层中普遍发现火成岩侵入体和岩浆喷发岩, 对地温场分布也有明显的影响, 产生局部地温异常区。例如南部王官屯地区重力异常明显为低值区, 基岩埋藏深, 但由于中-新生代岩浆活动频繁, 从地壳深部带来热源传输上方导致王官屯油田出现局部高温异常区, 孔店组地层地温梯度为(3.38~3.42℃)/100 m。

3 地热资源潜力与有利区预测

地热主要以水为载体, 通过开采地下水实现地热能开采, 因此采用热储法进行精确计算, 其公式为:

Qr=[ρ rCr(1-ϕ )+ρ wCwϕ ]Ad(tr-t0)

式中:Qr为热储中储存的热量, J; ρ r为热储岩石密度, kg/m3; Cr为热储岩石比热容, J/(kg · ℃); ρ w为地热水密度(取值1 000), kg/m3 ; Cw为水的比热容(取值4 180), J/(kg · ℃); ϕ 为热储岩石的孔隙度/%; A为计算区面积, m2; d为热储厚度, m; tr为热储平均温度, ℃; t0为当地年平均气温(取值13.5), ℃。

为了准确预测地热资源在空间上的分布, 本次利用地震、录井、测井资料编制了相关基础平面分布图件, 包括热储厚度图、孔隙度图、水层厚度图、地层温度图等, 利用上述公式经积分计算得到各层系地热资源量(表1)。计算表明大港探区总热量1 664× 1018 J, 相当标煤5.67× 1010 t, 热水资源5.52× 1012 m3。

表1 大港探区地热资源量计算结果

黄骅坳陷大港探区地热资源主要分布在明化镇组、馆陶组。馆陶组热储以辫状河-三角洲砂体为主, 在全区横向分布稳定, 砂体连通性好, 且埋藏深度浅, 为1 400~2 500 m, 热储集层孔隙度为25%~35%, 渗透率为100~1 600 mD, 属于高孔高渗型, 预测水温在50~80℃之间, 单层水层厚度2~20 m, 与其他层系相比, 资源量相对丰富, 是黄骅坳陷大港探区最为有利的地热开采目的层, 地热资源为555× 1018 J, 相当标煤189× 108 t, 热水资源2.22× 1012 m3。在地热资源量计算结果的基础上, 为了更直观地判断出地热资源的分布情况, 优选有利勘探区域, 进行了地热资源丰度计算 。根据刻画的地热资源丰度分布, 预测在探区北部的沧县隆起、北塘凹陷、歧口凹陷是地热资源勘探有利的开发利用区域(图4)。

图4 黄骅坳陷大港探区馆陶组地热丰度分布

4 结论

(1)黄骅坳陷总体以中等地温梯度为主, 局部存在热异常区域。平面上具有从南到北地温梯度降低的特征, 外围隆起区地温梯度高, 内部凹陷区地温梯度低。

(2)黄骅坳陷地温场形成受两大要素控制, 即深部地壳结构对地温场分布起着主要的控制作用, 同时基底结构对该区地温场分布起着重要作用。

(3)地热资源量潜力巨大, 利用热储法计算黄骅坳陷大港探区范围内地热资源为1 664× 1018 J, 相当标煤5.67× 1010 t, 热水资源5.52× 1012 m3。

(4)通过热力异常区域刻画与资源分布预测, 优选地热资源勘探有利开发利用区域3个, 主要分布在沧县隆起、北塘凹陷、歧口凹陷, 其巨大的资源潜力将成为重要的资源接替。

(编辑 陈娟)

参考文献
[1] 汪珊, 张宏达, 孙继朝, 等. 渤海湾黄骅坳陷裂谷盆地深层水形成演化[M]. 北京: 地质出版社, 2005.
WANG Shan, ZHANG Hongda, SUN Jichao, et al. Formation and evolution of deep water in rift basin in Huanghua Depression, Bohai Bay[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2005. [本文引用:1]
[2] 王大纯, 张人权, 史毅虹. 水文地质学基础[M]. 北京: 地质出版社, 1980.
WANG Dachun, ZHANG Renquan, SHI Yihong. General hydrogeology[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1980. [本文引用:1]
[3] 刘崇禧, 孙世雄. 水文地球化学找油理论与方法[M]. 北京: 地质出版社, 1988.
LIU Chongxi, SUN Shixiong. Oil exploration theories and methods for hydrogeochemistry[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1988. [本文引用:1]
[4] 楼章华, 朱蓉, 金爱民, 等. 东营凹陷地下水动力场的形成与演化[J]. 地质科学, 2003, 38(1): 85-96.
LOU Zhanghua, ZHU Rong, JIN Aimin, et al. Formation and evolution of hydrodynamic field in Dongying Depression[J]. Chinese Journal of Geology, 2003, 38(1): 85-96. [本文引用:1]
[5] 杜栩, 郑洪印, 焦秀琼. 异常压力与油气分布[J]. 地学前缘, 1995, 2(3-4): 137-148.
DU Xu, ZHENG Hongyin, JIAO Xiuqiong. Abnormal pressure and hydrocarbon accumulation[J]. Earth Science Frontiers, 1995, 2(3-4): 137-148. [本文引用:1]
[6] 李明诚, 李剑, 万玉金, 等. 沉积盆地中的流体[J]. 石油学报, 2001, 22(4): 13-17.
LI Mingcheng, LI Jian, WAN Yujin, et al. Fluids in the sedimentary basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 2001, 22(4): 13-17. [本文引用:1]
[7] 梅博文, 译. 储层地球化学(译文集)[C]. 西安: 西北大学出版社, 1991.
MEI Bowen, Trans. Reservoir geochemistry[C]. Xi'an: Northwest University Press, 1991. [本文引用:1]
[8] BRADLEY J S, POWLEY D E. Pressure compartments in sedimentary basins: A review[J]. AAPG Memoir, 1994, 61: 3-26. [本文引用:1]
[9] SCHMIDT V, MCDONALD D A. The role of secondary porosity in the course of sand stone diagenesis[J]. SEPM Special Publication, 1979, 26(8): 175-207. [本文引用:1]
[10] 曾溅辉. 东营凹陷第三系流体物理化学场及其演化特征[J]. 地质论评, 2000, 46(2): 212-219.
ZENG Jianhui. Fluid physicochemical field and its evolution in Tertiary system, Dongying Sag[J]. Geological Review, 2000, 46(2): 212-219. [本文引用:1]
[11] 程汝楠. 古水文地质及其应用[M]. 北京: 地质出版社, 1991.
CHENG Runan. Paleohydrogeology and its application[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1991. [本文引用:1]
[12] 楼章华, 程军蕊, 金爱民. 沉积盆地地下水动力场特征研究——以松辽盆地为例[J]. 沉积学报, 2006, 24(2): 193-201.
LOU Zhanghua, CHENG Junrui, JIN Aimin. Origin and evolution of the hydrodynamics in sedimentary basins: A case study of the Songliao Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2006, 24(2): 193-201. [本文引用:1]