宁河-芦台地区地热资源特征

毛 翔,罗 璐,国殿斌,汪新伟,郭世炎,3

(1.中国石化集团新星石油有限责任公司新能源研究院,北京 100083;2.中国石化地热资源开发利用重点实验室,北京 100083;3.中石化绿源地热能开发有限公司,河北 雄安 071800)

地热资源可划分为浅层地热能资源、水热型地热资源和干热岩资源3种类型[1-2]。作为可再生能源之一，地热能具有分布广、清洁环保、稳定性好、利用系数高等特点[3]。由于其具有分布式本地能源特征[4], 地热井一般临近用能单位钻探, 无需建设长距离输送管网, 并且不受季节、气候、昼夜变化影响[5], 相较于化石能源及其他可再生能源具有独特的优势。 除能源价值外,地热资源还兼具休闲娱乐、疗养等经济价值, 将其合理利用, 可有效减少CO2的排放, 推动低碳经济发展[6]。

我国京津冀地区近年来治理大气污染工作压力巨大,随着中央及地方政府对清洁能源取暖工作的日益重视,这些区域对可用于替代燃煤的清洁能源需求急迫。同时,京津冀地区水热型地热资源丰富,地热资源储量折合标准煤约1 383亿t,年地热流体可开采热量折合标准煤约1 100万t[7]。在这种背景下,科学高效开发该区域丰富的水热型地热资源,开展“地热代煤”供暖可成为“打赢蓝天保卫战”的有利手段之一。

本文研究工区宁河-芦台地区位于京津冀东北部区域(图1a),地理上包含天津市宁河区,以及北京市、河北省在宁河区内的飞地——北京清河农场、唐山芦台经济开发区、唐山汉沽管理区,均处于京津冀大气污染传输通道城市(“2+26”城市)范围。因此,厘清宁河-芦台区域地热资源特征、助力清洁能源的科学利用,对天津、北京、河北两市一省的清洁能源替代燃煤供暖工作均具有积极意义。

图1 工区位置图(a)及宁河-芦台地区构造区划与主要断裂展布图(b)(据文献[10,15]修改)Fig.1 Location of work area(a), structural division and main faults map of Ninghe-Lutai area(b)

1 区域构造

宁河-芦台地区主体部分在大地构造单元上属华北板块渤海湾盆地之上, 以沧东断裂为界, 西部属于沧县隆起, 东部属于黄骅坳陷。 区内断裂系统相对复杂, 主要断裂包括NE-NNE、NW向两组。NE-NNE走向的沧东断裂和天津断裂, 前者为沧县隆起和黄骅坳陷的边界断裂, 后者为沧县隆起内大城凸起和潘庄凸起的边界断裂; NW走向的蓟运河断裂为燕山褶皱带和渤海湾盆地的边界断裂。

沧东断裂为渤海湾盆地内切割基底并对沉积盖层产生重大影响的大型正断层,控制了黄骅坳陷古近系的分布[8],该断裂倾向SE,倾角约35°±10°。沧东断裂自新近系明化镇组一直下切至下地壳,由于断裂两盘断距可达1 000～6 000 m,导致断裂两侧地层埋深差异极大[8],直接决定了宁河区范围内潜在的地热储层类型。针对沧东断裂在本区域的展布,前人大致有3种观点:第1种沿用20世纪90年代初地矿部门观点,认为沧东断裂在宁河北部区域由NE走向转为近EW走向[8],其EW走向段称为桐城断裂,向东终止于NW走向的蓟运河断裂[9];第2种观点认为,沧东断裂始终保持近NE走向(不同部位倾向有一定调整),基于蓟运河南北两侧分属渤海湾盆地和燕山褶皱带两个不同的构造体系,提出沧东断裂北端终止于蓟运河断裂[10],在蓟运河断裂以东与沧东断裂呈平行走向的构造为唐山断裂带[11];第3种观点基于塘沽-玉田地震测深剖面[12]、MT大地电磁和EH4大地电磁测深[13],认为沧东断裂始终保持近NE走向,与蓟运河断裂交汇后继续向NE方向延伸至唐山，并提出桐城断裂的相应部位是由一组EW向断裂构成的,将其称为芦台断裂组[13]。

天津断裂可划分为天津北断裂和天津南断裂,在本区展布的为天津北断裂,属正断层,倾向NW40°～70°[14],断距70～700 m,南起静海县唐官屯,向NE方向延伸,经过造甲城西南进入宁河区后终止于潘庄镇北部的汉沽断裂。

蓟运河断裂属正断层,倾向SW,倾角65°左右。该断裂被部分研究者认为是宝坻断裂东段[10],或宝坻-宁河断裂(包含宝坻断裂、蓟运河断裂、宁河-昌黎断裂)的一部分[15-17]。宋小军等[13]依据大地电磁测量结果提出,蓟运河断裂在宁河境内分散为3条平行的断裂,称为蓟运河断裂组。

汉沽断裂属正断层,倾向SE,倾角80°～85°,断距可达约1 000 m。汉沽断裂的展布范围尚存争议,闫成国等[18]综合化探、浅层地震勘探和联合钻孔剖面探测结果,查明了汉沽断裂的空间位置,提出汉沽断裂西端起于沧东断裂,向东延伸至渤海,长30～40 km,但其测线、钻孔仅布设于沧东断裂东侧,未在沧东断裂西侧部署;另一种观点则认为汉沽断裂可跨过沧东断裂[13-16]。

由于前人对宁河-芦台地区区域断裂展布认识存在差异,对应的区域构造单元划分也存在不同。支持沧县隆起始终保持近NE走向的研究者将黄骅坳陷内汉沽断裂以北地区统一划分为宁河凸起[15-16,18],其北部蓟运河断裂东北区域进入燕山褶皱带(图1b),南部则隔汉沽断裂与北塘凹陷相接;而支持沧东断裂在宁河北部区域由NE走向转为近EW走向的研究者则将沧东断裂EW走向段以北的区域命名为苗庄凸起,与王草庄凸起、潘庄凸起、大城凸起等一起划入沧县隆起范围,断裂南部则划入黄骅坳陷宁河凸起[19-21]并延伸至汉沽断裂,汉沽断裂以南属于北塘凹陷。

2 地层发育情况

根据区域地热地质资料显示, 宁河-芦台地区地层自上而下依次为: 第四系平原组, 新近系明化镇组、馆陶组, 古近系, 中生界, 上古生界石炭-二叠纪煤系地层, 下古生界奥陶系、寒武系和前寒武系(图2)。 区域基岩地层在不同隆起、坳陷内具有明显差异(图3)。

图2 宁河-芦台地区基岩地质图(据文献[22]修改)Fig.2 Bed-rock geological map of Ninghe-Lutai area

图3 工区示意性地质剖面图(剖面位置见图2,据文献[22]修改)Fig.3 Schematic geological section of the work area

(1)工区西北部属于冀中坳陷的范围基岩为侏罗纪—白垩纪河湖相沉积地层, 顶板埋深2 000～3 500 m, 钻井揭示厚度约600 m。 中生界上下分别接触古近系沙河街组和上古生界石炭系-二叠系。

(2)工区东南部属于黄骅坳陷范围内基岩地层以侏罗纪—白垩纪河湖相沉积地层为主, 顶板埋深具有西北浅、东南深的特点,除东南部顶板埋深达5 000 m外, 其余区域埋深在2 500～3 500 m。 中生代地层在宁河凸起北部区域(苗庄凸起)整体缺失, 宁河凸起南部“V”型区域缺失, 在北塘坳陷西部靠近沧东断裂部位(京清农场西部区域)部分缺失, 上古生界石炭系-二叠系与新生界直接接触。推测中生界上部接触古近系, 但仅在北塘凹陷内被钻遇, 其他区域由于地热井深度较浅, 未钻至该地层; 中生界之下推测发育上古生界石炭系-二叠系。

(3)在沧县隆起范围内, 基岩地层主体为下古生界奥陶系碳酸盐岩, 在潘庄凸起南部顶板埋深1 000～1 500 m; 在王草庄凸起内顶板埋深一般介于1 000～2 000 m, 具有西深东浅的特点, 西侧靠近冀中坳陷处顶板埋深最深可达3 500 m。潘庄凸起北部夹持于天津断裂、沧东断裂、汉沽断裂之间的梯形区域奥陶系剥蚀出露寒武系,顶板埋深1 200～1 900 m;靠近沧东断裂一侧则发育元古宇构造窗。王草庄凸起西北部区域发育背斜顶部地层剥蚀, 以NW走向条带状出露寒武系和元古宇,靠近东部区域还发育两处石炭系-二叠系飞来峰。

此外,在工区东北部燕山褶皱带范围内,基岩发育情况与蓟运河断裂南部的王草庄凸起类似,以奥陶系为主,顶板埋深700～1 000 m。

3 区域地热背景

宁河-芦台区域地温梯度展布特征同整个渤海湾盆地一致,表现为隆起、凸起区高地温梯度,凹陷区地温梯度相对较低;在沧县隆起潘庄凸起北部、东南部以及王草庄凸起南部,黄骅坳陷宁河凸起北部, 地温梯度较高(图4),介于3～5 ℃/100 m(图5)。在井深小于500 m的部分浅井显示， 地温梯度最高可达6.7 ℃/100 m； 但井深大于1 000 m， 钻至新近系馆陶组及以下的地热井盖层地温梯度则普遍低于3.5 ℃/100 m。地温梯度高值区具有沿汉沽断裂分布的特征,侧向证明了汉沽断裂延伸至沧东断裂以西的观点。

图4 宁河-芦台地区地温梯度等值线图(据文献[15,23-25]修改)Fig.4 Contour map of geothermal gradient in Ninghe-Lutai area注:L1井与L2井、Z1井与Z2井位置重合

图5 宁河-芦台地区地热井地温梯度与深度关系曲线(京清1井、SR6井据文献[26]修改)Fig.5 Geothermic gradient-depth curves of geothermal wells in Ninghe-Lutai area

4 地热开发现状

目前, 在宁河-芦台地区的地热开发主要集中在黄骅坳陷宁河凸起和沧县隆起潘庄凸起, 在王草庄凸起和北塘凹陷也有少量地热开发井。 由于本区跨多个构造单元, 各区域新近系下伏基岩层系不同, 现有地热井开发的热储层也各不相同(表1)。

表1 宁河-芦台地区地热井数据统计Table 1 Data statistics of geothermal wells in Ninghe-Lutai area

黄骅坳陷内,由于宁河区政府所在地芦台镇位于宁河凸起,该区成为宁河-芦台地区地热开发最早、地热井部署最为密集的区域,地热井均开采新近系砂岩热储层。其中,大部分地热井开采明化镇组砂岩热储,仅个别地热井钻探至馆陶组热储。 单独开采明化镇组砂岩热储层地热井井深多介于600～1 300 m, 获得40～50 ℃地热水; 钻探至馆陶组地热井井深介于1 300～1 680 m, 获得46～70 ℃地热水(部分井与明化镇组混采)。 在宁河凸起以南的北塘凹陷, 仅收集到京清1井数据,开发馆陶组砂岩热储, 由于该区馆陶组顶板埋深大于宁河凸起区, 但地温梯度小于宁河凸起区, 尽管其井深达1 868.88 m, 地热井出水温度仅61 ℃。

近年来, 随着城市化进程和全社会对地热资源的重视程度相继提高, 沧县隆起内也逐渐有越来越多的地热井部署, 以开发碳酸盐岩热储为主, 其中潘庄凸起南部奥陶系剥蚀区开发蓟县系雾迷山组热储层, 井深2 500～3 000 m, 获得地热水温度可超过80 ℃; 潘庄凸起北部、王草庄凸起均有开发奥陶系热储层地热井, 井深介于1 380～1 800 m, 获得水温在47～75 ℃。

整体而言,现有地热开发井所在位置的地热背景值没有明显差异,但由于碳酸盐岩热储层埋深相对较大,地热井出水温度也较高。同时,区内碳酸盐岩热储层目前开发程度较低、不存在常年开采未回灌导致的地下水位下降现象,且由于碳酸盐岩热储层具有易回灌的优点,今后开发该套热储层在严格配置回灌井的前提下可实现地热资源的可持续开发,是工区内最具开发潜力的地热储层。黄骅坳陷宁河凸起区内是本区地热井最为密集的地区,对新近系热储层的开发始于20世纪90年代,已有近30年的时间,且多开采明化镇组或明化镇组、馆陶组混采。因此,工区今后开发新近系砂岩热储地热资源的同时,应以物性条件较好、回灌能力较强、开发利用较少的馆陶组为主要目的层。建议加强对黄骅坳陷内凸起区碳酸盐岩热储的勘探与研究,争取取得勘探突破,为宁河城区及其他位于黄骅坳陷内乡镇提供新的地热资源开发层系。

5 结 论

(1)宁河-芦台区域地温梯度展布表现为隆起、凸起区高地温梯度(3～5 ℃/100 m),凹陷区地温梯度相对较低(一般低于3 ℃/100 m)。地温梯度高值区具有沿汉沽断裂分布的特点。

(2)本区主要发育蓟县系雾迷山组、奥陶系、新近系馆陶组和明化镇组4套热储层。目前的地热井主要集中在黄骅坳陷内,开发新近系馆陶组和明化镇组,井深介于600～1 868.88 m,地热水温度介于40～70 ℃;沧县隆起潘庄凸起南部奥陶系剥蚀区开发蓟县系雾迷山组热储层,井深2 500～3 000 m,地热水温度可超过80 ℃;潘庄凸起北部、王草庄凸起区开发奥陶系热储地热井,井深介于1 380～1 800 m,获得水温在47～75 ℃。

(3)建议今后地热开发应瞄准资源开发程度低、回灌难度低的蓟县系雾迷山组(潘庄凸起北部)和奥陶系碳酸盐岩热储层(潘庄凸起南部、宁河凸起北部);在宁河凸起区南部(宁河城区)建议以馆陶组为主要目的层,并加强对深部碳酸盐岩热储的勘探与研究工作。