山东孤岛潜山凸起区裂隙岩溶热储资源综合评价与发电潜力研究

赵季初， 康凤新

(1.山东省鲁北地质工程勘察院，德州 253072； 2.山东省地质矿产勘查开发局，济南 250013； 3.山东省地质勘查工程技术研究中心，济南 250013)

0 引言

华北盆地古潜山发育的碳酸盐岩裂隙岩溶热储规模大、品质优，可大规模实现采灌平衡开发，替代燃煤进行地热供暖和发电[1]。“雄县模式”是基于牛驼镇潜山凸起区蓟县纪雾迷山组白云岩裂隙岩溶热储中蕴含丰富的地热资源[2-6]且具备良好的回灌条件，创建了雄县城区地热供暖全面覆盖的无烟城模式。与此类似，位于鲁北济阳坳陷东北部的孤岛潜山凸起区发育厚度巨大的寒武纪—奥陶纪碳酸盐岩，具备形成大型裂隙岩溶热储的条件[7]。本文在总结已有勘探成果的基础上，综合评价孤岛潜山凸起区寒武纪—奥陶纪碳酸盐岩裂隙岩溶热储的地热资源，为类似地区热储地热资源的开发及利用提供参考。

1 地质背景

1.1 地质构造

孤岛潜山凸起区是以古生界为基底的披覆背斜[8]，大地构造位置[9-10]如图1所示。

图1 孤岛凸起区大地构造位置示意图[9-10]Fig.1 Tectonic location of Gudao buried hill uplift area[9-10]

中生代，该区整体抬升，形成NE倾向的单面山，潜山坡面倾角15°～20°； 燕山期，NE向孤南断裂和孤北断裂将孤岛潜山分割为相对独立的构造单元[10]。潜山顶部位于Gg1孔附近，发育面积约20 km2的“天窗”，缺失上古生界与中生界。山顶两侧新生界下伏地层由古生代石炭系—二叠系逐渐过渡为中生代侏罗系—白垩系(图2)。除孤西、孤南及孤北断裂外，潜山凸起区还发育规模较大的NNW向和NE向断裂，对寒武纪—奥陶纪碳酸盐岩裂隙岩溶的发育具有重要影响。

图2 新生界下伏地层及奥陶系顶板埋深等值线图Fig.2 Depth contour of Cenozoic underlying strata and Ordovician top plate

孤西断裂： 走向NW，倾向WS，倾角40°～50°(图3)，断层面较平直[11-12]。印支期，断层开始活动，为压性逆冲断层； 燕山中晚期，区域应力场转变为NE-SW向拉张应力，孤西断裂发生负反转成为正断层； 喜山期，孤西断裂经区域扭张应力的改造，古近纪沙河街组沉积停止活动[13]。

图3 孤西断裂A-A′地质剖面图Fig.3 A-A′ cross section of western Gudao fault

孤北断裂： 是孤岛潜山凸起区北缘断裂[14]，其走向为70°～75°，长度约32 km，为南盘上升、北盘下降的正断裂，倾角约50°，两侧奥陶系顶板落差达1.78 km(图4)。

图4 孤北、孤南断裂B-B′ 地质剖面图Fig.4 B-B′ cross section of northern and southern Gudao fault

孤南断裂： 是孤岛潜山凸起区南缘断裂，其走向为70°～75°，长度约42 km，为北盘上升、南盘下降的正断裂，倾角约45°，两侧奥陶系顶板落差可达1.92 km(图4)。

1.2 地层

孤岛潜山凸起区东北部地层发育较齐全； 中部潜山顶部缺失上古生界和中生界，局部地段缺失古近系，新近纪馆陶组呈角度不整合覆盖在奥陶系之上； 西南局部地段缺失中生界。

区内地层由老至新可划分为： 新太古代泰山岩群，岩性为花岗片麻岩； 早古生代寒武系—奥陶系，岩性主要为碳酸盐岩，厚900～1 200 m； 石炭系—二叠系，岩性为页岩及砂、泥岩，夹煤层，厚0～120 m； 中生代侏罗系—白垩系，岩性为砂岩和泥岩互层，厚0～1 000 m； 新生代古近系和新近系，岩性为砂岩与泥岩互层，厚1 300～2 500 m，西南薄，东北厚； 第四系为松散碎屑岩，厚200～250 m。

2 地热地质与热储特征

2.1 地热地质

2.1.1 地层特征

2014年，山东省国土资源厅对全省地层进行了统一划分，将三山子组和炒米店组作为跨寒武纪—奥陶纪的岩石地层单位，建立了奥陶纪马家沟群，自下而上分为东黄山组、北庵庄组、土峪组、五阳山组、阁庄组和八陡组[15]。本文根据该地层划分方案，以Gg2孔钻探资料为依据(图5)，由下而上，总结孤岛凸起区古生代地层特征。

图5 Gg2孔寒武系—奥陶系柱状图及测温曲线Fig.5 Column map and temperature curve of Cambrian- Ordovician stratigraphy at Gg2 borehole

东黄山组(O2d)： 相当于原地层划分方案的下马家沟组下段，岩性为泥质白云岩、灰黄色角砾状灰岩，厚约25 m。该段地层裂隙岩溶不发育，一般不能形成热储。

北庵庄组(O2b)： 相当于原地层划分方案的下马家沟组上段，岩性为深灰色灰岩、豹皮灰岩夹白云岩，含少量燧石结核，厚约90 m。该段地层裂隙岩溶较发育，可形成良好的热储。

土峪组(O2t)： 相当于原地层划分方案的上马家沟组下段，岩性为泥质白云岩、灰黄色角砾状灰岩，厚约130 m。该段地层裂隙岩溶不发育，一般不能形成热储。

五阳山组(O2w)： 相当于原地层划分方案的上马家沟组上段，岩性为深灰色灰岩、豹皮灰岩及白云岩，厚约70 m。该段地层裂隙岩溶较发育，可形成良好的热储。

阁庄组(O2g)： 相当于原地层划分方案的八陡组下段，岩性为浅灰色—灰黄色白云岩、泥质白云岩，局部夹角砾状灰岩，厚约40 m。该段地层裂隙岩溶不发育，一般不能形成热储。

八陡组(O2-3b)： 相当于原地层划分方案的八陡组上段，岩性为深灰色—褐灰色灰岩，夹少量泥质灰岩、白云质灰岩，厚约40 m。该段地层裂隙岩溶较发育，可形成良好的热储。

2.1.2 热储厚度

寒武纪—奥陶纪，研究区构造运动较微弱[17-19]，地层厚度稳定，在潜山凸起区顶部Gg2孔揭露的寒武系—奥陶系齐全，说明在后期构造抬升中，寒武系—奥陶系未受强烈剥蚀。根据地层岩性及区域裂隙岩溶发育特征，本文以灰岩、白云岩为主的地层(奥陶纪八陡组、五阳山组、北庵庄组，寒武纪—奥陶纪三山子组，寒武纪张夏组)作为热储，累计厚度约480 m。

2.2 热储特征

2.2.1 裂隙岩溶发育特征

根据空隙成因不同，裂隙岩溶可划分为不整合面风化壳孔隙、溶隙、溶孔与构造裂隙4种。不整合面风化壳发育深度约250 m。渤南洼陷渤深6孔中，奥陶系埋深4 161～4 246.55 m区段的测试结果显示： 10件灰岩岩心样品的孔隙度为1.1%～3.3%，平均值为1.93%； 3件白云岩岩心样品的孔隙度为12.8%～16.1%，平均值为13.23%。埕东凸起Cg16孔(图1)中，寒武系埋深1 584.55～1 804.96 m区段的测试结果显示： 13件灰岩岩心样品的孔隙度为1.0%～8.8%，平均值为3.86%； 6件白云岩岩心样品的孔隙度为3.4%～23.7%，平均值为17.2%[20]。由此可知，风化壳型岩溶的发育主要受地层和岩性控制，白云岩的岩溶发育程度远大于灰岩。此外，风化壳岩溶发育程度与地层埋深呈反比[21]。

碳酸盐岩中的白云石对方解石或文石进行交代，发生白云岩化作用，在晶间或晶内形成溶隙、溶孔，该类孔洞的连通性差，一般不易形成裂隙岩溶热储有效空隙。

断裂对裂隙岩溶热储的形成具有关键作用，孤岛潜山地区经历了印支期、燕山期—喜山期多期构造运动，断裂发育[22]。在主要断裂带附近可形成良好的裂隙岩溶热储，如位于断裂带附近的Gg1孔、Gg4孔的单井涌水量>1 000 m3/d[23]。

2.2.2 热储裂隙岩溶率

潜山顶部上古生界与中生界缺失区，热储埋深较浅，风化壳孔隙较发育，且断裂发育，Cg16孔测试结果表明，热储的平均裂隙岩溶率为10.53%； 潜山外围上古生界与中生界发育区，热储埋藏较深，风化壳孔隙不发育，Bs6孔测试结果表明，热储的平均裂隙岩溶率为7.58%。潜山斜坡带中生界缺失区，热储的平均裂隙岩溶率为9.05%。

2.3 热储温度

目前，研究区尚无以寒武纪—奥陶纪碳酸盐岩裂隙岩溶热储为目标层的地热勘探孔，石油勘探过程中在该热储的Gg1、Gg2和Gg4孔中发现了可供开采的地热资源，其中Gg1和Gg4孔单井涌水量>1 000 m3/d，Gg2孔单井涌水量48 m3/d[24]。Gg1孔曾建有地热疗养院，目前已废弃。

分析Gg2孔测温曲线形态(图6)，垂向上，曲线明显呈2个直线段分布： 热储顶板以上的盖层，温度曲线斜率大； 热储层，温度曲线斜率小，地层升温率为1.91 ℃/100 m。

图6 Gg2孔测温曲线图[25]Fig.6 Temperature logging curve of well Gg2[25]

确定热储温度时，有勘探孔实测温度的地区，以实测温度值作为热储平均温度； 无勘探孔实测温度的地区，以热储中点处估算的温度作为热储平均温度。热储温度采用两段法估算，推导的热储温度估算公式为

tr=0.035 5h+20.39+0.019 1H/2 ，

(1)

式中：tr为热储平均温度，℃；h为盖层累计的厚度，m；H为寒武系—奥陶系平均厚度，m。

3 地热资源评价

通过合理的采、灌井布局，回灌的地热尾水自开采井向回灌井渗流过程中，不断汲取热储岩石的热量，保持服务期内开采井的温度与流量。地热水作为提取热储中热量的媒介，其消耗量可忽略不计，因此，本次评价仅计算热储中蕴藏的热资源量。

3.1 地热资源量评价

3.1.1 计算方法

采用热储法[26]计算寒武系—奥陶系裂隙岩溶热储中蕴藏的热资源量，计算式为

Q=A·d·[ρs·Cs·(1-φ)+
ρw·Cw·φ]·(tr-t0)

，

(2)

式中：Q为热资源量，J；A为热储面积，m2；d为热储厚，m；ρs为热储岩石密度，kg/m3；Cs为岩石比热容，J/(kg·℃)；φ为热储孔隙度，无量纲；ρw为地热水密度，kg/m3；Cw为地热水比热容，J/(kg·℃)；tr为热储平均温度，℃；t0为下限利用温度，℃。

3.1.2 利用方向与下限温度

孤岛潜山凸起区是孤岛油田的主产区，地热资源丰富，浅埋的馆陶组下段热储地热资源可满足住宅供暖需求[27]。由于寒武系—奥陶系裂隙岩溶热储埋藏深、温度高，本文将地热发电确定为开发利用方向。地热发电已有100 a以上的历史[28]，自1967年俄罗斯建立世界第一座双循环地热电站以来[29]，中、低温地热发电技术取得了进步； 美国阿拉斯加契那发电厂利用57 ℃的地热流体进行发电[30]。20世纪70年代初，我国建成了7个中、低温地热发电厂，目前仍在运行的地热电站有： 广东丰顺县邓屋地热电站，利用地热水温度92 ℃，发电功率300 kW； 湖南宁乡县灰汤地热电站，利用地热水温度98 ℃，发电功率300 kW； 江西宜春县温汤地热电站，利用地热水温度67 ℃，发电功率100 kW[31]。综合考虑，孤岛潜山凸起区地热资源的下限利用温度t0确定为70 ℃。地热发电潜力计算时，其热效率系数取7%[32]。

3.1.3 计算单元划分

根据区内寒武系—奥陶系埋藏条件及上古生界、中生界缺失情况，将研究区划分为11个计算分区(图7)。

图7 地热资源计算分区Fig.7 Zoning for geothermal resource calculation

3.1.4 地热资源量

采用式(1)估算热储平均温度，采用式(2)估算孤岛潜山凸起区寒武系—奥陶系裂隙岩溶热储中可供发电的热量为804×1016J(表1)。按30 a服务年限、热效率系数7%，估算的孤岛潜山凸起区寒武系—奥陶系裂隙岩溶热储的发电潜力为595 MW，为大型地热田。

表1 研究区寒武系—奥陶系裂隙岩溶热储可供发电的热量Tab.1 Geothermal resource calculation results of Cambrian- Ordovician fractured heat reservoir in the study area

3.2 地热水质量评价

3.2.1 地热水化学成分

以Gg1孔为例，对寒武系—奥陶系裂隙岩溶热储中地热水的水质进行评价。Gg1孔地热水的矿化度为17.38 g/L，阳离子以Na+为主，阴离子以Cl-为主，水化学类型为Cl-Na型(表2)。

表2 Gg1孔地热水化学成分Tab.2 Chemical components of geothermal water at well Gg1

3.2.2 质量评价

地热水的腐蚀性与结垢性是影响地热发电的主要因素。地热水结垢性评价采用PHREEQC软件计算主要矿物的饱和指数。结果表明，在不同温度下，Gg1孔地热水文石、方解石和白云石的饱和指数均>0(表3)，处于过饱和状态，Gg1孔地热水具有结垢趋势。

表3 Gg1孔主要矿物不同温度下饱和指数计算结果Tab.3 Saturation index of major minerals at different temperatures of Gg1

地热水的Cl-含量占阴离子摩尔当量的百分比为97.1%，远大于25%，可采用拉申指数(IL)对地热水的腐蚀性进行评价[33]，评价公式为

IL=(CCl+CSO4)/QALK

，

(3)

式中：IL为拉申指数(IL<0.5，不腐蚀； 0.5≤IL<3，轻微腐蚀； 3.0≤IL≤10，中等腐蚀；IL>10，强腐蚀)；CCl为氯化物浓度，mg/L；CSO4为硫酸盐浓度，mg/L；QALK为总碱度，mg/L； Cl、SO4与ALK均以等当量的CaCO3表示。

计算表明，Gg1孔地热水的拉申指数IL为33.53，具有强腐蚀性。此外，地热水中含少量油气资源，开发过程中应注意对油气资源的回收利用。

4 结论

(1)孤岛潜山凸起区寒武系—奥陶系以碳酸盐岩为主，其中奥陶纪八陡组、五阳山组、北庵庄组，寒武纪—奥陶纪三山子组及寒武纪张夏组以灰岩、白云岩为主，可形成良好的裂隙岩溶热储，热储累计厚度约480 m。热储的裂隙岩溶发育形式主要为风化壳孔隙、溶隙、溶孔与构造裂隙，断裂对裂隙岩溶热储的形成具有关键作用。

(2)地热资源可进行地热供暖与地热发电，其中地热发电利用下限以70 ℃估算，孤岛潜山凸起区裂隙岩溶热储中可供发电的热量为804×1016J。当服务年限取30 a、热效率系数取7%时，估算的发电潜力为595 MW，为大型地热田。