廊固凹陷JZ02井地热特征分析

张俊超

（河北省煤田地质局水文地质队，河北邯郸 056000）

0 引言

廊固凹陷位于冀中坳陷北部，京津冀协同发展区腹地，区内地热资源丰富，且对清洁能源需求强烈，浅部地热资源开发利用广泛，深部碳酸岩盐热储调查评价工作相对薄弱［1］。陈墨香等人认为华北地区具有较高的地温背景值和局部的地热异常，普遍隆起区热流值高、坳陷区低，靠近太行山、燕山一带，埋藏浅的热水矿化度低，而埋藏深的热水矿化度高［2］；张德忠等人认为华北平原区地温场高低相间带状分布，基岩隆起地区为相对高温区，2 000m深地温＞70℃，许多断凸区的高点地温达85～100℃；相对低温区与断凹区对应，新生界沉积中心，则往往是最低温区所在，同时绘制了冀中坳陷1 000、2 000、3 000m 不同深度地温等值线［3］。然而对研究区的地温场特征未做过实质性的工作，只停留在研究阶段。本次通过施工JZ02 地热井，对廊固凹陷的热储特征及蕴藏机制进行了系统的研究，对后续地热资源的开发利用提供了坚实的地质基础。

1 地质背景

本次施工地热井位于冀中坳陷徐水-文安-安新转换断裂带以北的廊固凹陷内。冀中坳陷是一个典型的半地堑群，整体可划分为12 个凹陷和7 个凸起［4］。廊固凹陷是古近系渤海湾盆地冀中坳陷的次级负向构造单元。廊固凹陷的形成与演化受制于冀中坳陷乃至整个渤海湾盆地［5］。西靠大兴凸起，东以河西务东主断层与武清坳陷相邻，北与大厂坳陷相接，南邻牛驼镇凸起和霸县坳陷，是冀中坳陷北部一个北东走向的古近系北断南超、西断东超的箕状断陷。受古构造、西部大兴凸起、南部牛驼镇凸起和北部桐柏镇断层的影响，形成了东西分带、南北分区的构造格局，自西向东发育旧州-固安构造带、柳泉-曹家务构造带和河西务构造带等。整个坳陷南北长约90km，东西宽20～40km，区域面积近2 600km2［6］（图1）。

图1 廊固凹陷构造单元划分Figure 1 Structural unit division of Langgu sag

研究区内地层由老至新依次为古元古界、太古界、中新元古界长城系、蓟县系；新元古界青白口系；古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系；中生界侏罗系、白垩系；新生界古近系、新近系、第四系。

根据地层时代的沉积节律循环、热储层的发育状况和稳定隔水层的分布情况以及水文地质特征，可以将热储层自上而下划分为两个部分，即新近系明化镇组孔隙热储层和基岩裂隙岩溶热储层。基岩裂隙岩溶热储包括奥陶系、寒武系、蓟县系雾迷山组、长城系等热储，本次地热井揭露的是蓟县系热储。区内岩浆岩主要是新生代岩浆多期活动的产物。通过录井资料分析，岩性以基性岩为主，均为黑色和墨绿色，岩性致密坚硬，气孔不发育，主要以辉绿岩侵入体和水下喷发岩玄武岩为主要产状。从录井资料看石炭系、二叠系碎屑岩基底至下新近系东营组均有岩浆岩分布，显示了坳陷内岩浆活动的多期性。岩浆活动在时间上可划分为两个阶段：始新世早期（Ek—Es4）和始新世晚期至渐新世（Es3—Ed）［7］。

2 水文地质试验与参数计数

JZ02地热井2019年12月1日完成钻探工作，累计完成钻探进尺2 456.40m。2 455.00m 温度达62.5℃，出口水温49℃，水量为18m3/h。根据《理疗热矿水水质标准》GB11615—2010，氟、偏硅酸等达到了矿水浓度标准，偏硼酸达到了医疗价值浓度，因此本井地热水适宜于供暖、医疗等项目开发利用［8］。

本次施工地热井揭露碳酸盐岩热储层主要是中元古界蓟县系高于庄组。高于庄组岩性以灰色、灰白色、浅灰色的白云岩、白云质灰岩为主，底部为长石石英砂岩；揭露顶板埋深为1 755.80m，底板埋深为2 089.90m，揭露厚度为334.10m。根据钻井液消耗量和测井资料综合分析，确定4 段含水层即1 849.35～1 851.95、1 953.05～1 956.80、1 984.50～1 986.75、2 064.05～2 089.90m。

2.1 水文地质试验

终孔后对地热井进行了抽水试验和回灌试验，进一步研究热储段水文地质特征，取得含水层水文地质参数，评价含水层的富水性；同时研究目前技术条件下的回灌能力，为以后采灌均衡提供技术依据。

2.1.1 抽水试验

本井自2019 年12 月28 日3 时至2019 年12 月30 日1 时进行了正式抽水试验，抽水延续时间为46h，采用3个降深逆向抽水。通过对含水层富水性分级换算，可以得出该地热井所处的含水层单位涌水量为0.053L/（s·m），富水性为弱富水性。

2.1.2 回灌试验

回灌试验采用自然回灌与加压回灌两种方法，分别获取不同压力下含水层的相关水文地质参数。由于周边未有同层位地热井，故采用异层回灌即用井场内生产水井对其进行回灌，取水层位为第四系砂卵砾石。回灌前对回灌水源井SJ-2 进行了水质简分析化验，分析两种水混合后不会产生沉淀，不会污染JZ02井水质。

自然回灌水量稳定在3.595m3/h，水位稳定距井口0.03m，稳定时间为8h后停泵开始恢复水位，稳定水位为26.54m；加压回灌试验采用由大到小的三段加压方式，压力值分别为1.40、1.0、0.6MPa，稳定段回灌量分别为10.968、8.359、6.354m3/h。经计算，该地热井灌采比为50.28%，回灌能力等级为一般等级，反映出热储层岩溶裂隙不发育。

2.2 水文地质参数计算

2.2.1 渗透率与孔隙度

地层孔隙度和渗透率可以反映含水层情况，根据测井资料热储层孔隙度见图2，渗透率见表1。

表1 JZ02井热储层渗透率统计Table 1 Statistics of permeability of thermal reservoir in JZ02 well

图2 热储层孔隙度随深度变化特征Figure 2 Characteristics of porosity variation with depth in thermal reservoirs

从表1 可以得知，含水层段的渗透率随着深度的增加渗透率先增大后减小，说明碳酸盐岩本身传导液体的能力由强变弱，整体岩石渗透能力微弱。从图2 可以看出，热储层段的孔隙度的变化呈现出明显的差异性，在含水层段孔隙度为7.36%、7.22%、7.32%和7.22%，而在非含水层段则为固定数值7.11%，含水层段孔隙度比非含水层段高1.55%～3.52%。

2.2.2 地热水物性参数

本次对不同深度的岩心进行了采样，对岩石密度、岩石含水率、岩石孔隙率、岩石热导率、岩石比热容、岩石热扩散率进行了测试，结果如图3所示。

图3 热物性参数与井深的关系Figure 3 Relationship between thermal properties parameters and well depth

从图3可以看出，岩石密度、导热率和热扩散率随深度的增加均呈现增大的趋势，进入热储层后呈现明显的升高状态，热导率和热扩散率的数值则表现的更为突出，数值是其他地层的2～3倍；岩石含水率、比热容和孔隙率随深度的增加呈现降低的趋势，各类岩石比热容变化明显缓于含水率和孔隙率，热储中的含水率和孔隙率保持在一个相对稳定偏小的数值，也从侧面解释了热储层岩溶裂隙不发育即原生岩溶孔洞及后生裂隙发育较差，总体上热储层呈现低孔隙率高热导率的特征。

2.2.3 地温梯度

根据三开近似稳态测温数据计算各岩层地温梯度，即第三次测温数据，此时泥浆静止时间已超过72h，地层岩温与钻孔内泥浆温度达到一致。中元古界碳酸岩盐底界为2 119.45m，温度为55.19℃；中元古界顶界面温度为51.54℃。经计算得中元古界碳酸岩盐地层地温梯度为1.00℃/100m。

2.2.4 大地热流值

钻孔终孔后，将岩心按照设计要求分别进行采样送至化验室分析，根据热物理性参数及地温梯度，计算热储层的大地热流值为50.71mW/m2。

在松散多孔的岩石中，孔隙度和相关特性，例如孔隙的尺寸和连通性，以及水含量和填充物性质等，会对岩石的热导率产生一定的影响。在研究地壳内部热状况时，通常不考虑其他因素如温度和压力条件对岩石热导率的影响。本次测试通过孔隙度实际测量结果，对岩石的热导率进行了饱和状态下的校正，以减少大地热流值对最终结果的产生的误差。计算公式如下：

式中：Ks为岩石骨架热导率；Kw为流体热导率；K测为实验测试热导率；θ为孔隙度；K空气＝0.021；Kw＝0.6［9］。

校正后热储层大地热流值为50.78mW/m2。使用加权平均值测算出JZ02 孔大地热流值参数为54.14mW/m2。

冀中坳陷有较多的热流测试数据，热流值的分布呈现从牛驼镇断凸和容城断凸到断凹区逐渐减小的趋势，其中牛驼镇断凸和容城断凸的平均热流值为79.1mW/m2，潜山区的平均热流值为65.9mW/m2，而断凹区的平均热流值为53.5mW/m2。JZ02 井位于断凹区地表热流值为54.14mW/m2，比一般值偏大1%左右。

2.3 水化学特征

根据本次水样检测结果及天然水矿化度分类表，JZ02 井蓟县系热储矿化度为800.75mg/L，属淡水，水化学类型为HCO3—Na型［10-11］。

3 地热成藏分析

地热田成藏机制由地热热源、导热通道、热储层、热储盖层、地热流体补径排条件五个地质要素决定，是丰富地热资源成藏的先决地质条件。

3.1 热源条件

通过研究总结以往地热地质成果，并结合本次钻探施工过程中获取的各项物性参数总结分析后确定JZ02 井以传导型地热系统为主、对流型地热系统为辅，地下热源主要来自于地幔供热及放射性元素衰变生热，而后构造使上部液体接触到地层深部热源返回上部地层而引起的地热异常。

1）地幔供热。区域大地热流是本区的恒定热源，在地壳深部热流呈平均分布，当热流进入地壳上部后，在基岩凸起和坳陷的构造限制下，热量重新分布。在正向构造与负向构造的交界处，热流方向发生了偏转，不再沿着垂直方向传递，而是从凹陷区域转移到凸起区域（图4）。

图4 热传导示意Figure 4 Heat conduction diagram

2）放射性元素衰变生热。变质岩构成结晶基底，其放射性元素储量通常比上覆沉积盖层更高，而这些放射性元素的衰变会产生热量，为基底隆起部分提供额外的热源。另外，古老的结晶基底致密岩石的导热性能优于低密度的沉积盖层，这就促使更多的热流集中于基底抬高部位，反映至地面则形成地热异常区［12］。

3.2 盖层条件

蓟县系高于庄组热储层其盖层主要由第四系、新近系明化镇组和古近系东营组、沙河街组构成，沉积了较厚的黏土、泥岩夹砂岩为主的河湖相沉积物，厚度大，分布广泛，结构较为松散，孔隙度大，导热性能差，具有良好的隔热保温作用［13］，是理想的区域热储盖层。

3.3 热储条件

蓟县系高于庄组热储层，该井揭露厚度为329m，测井解译含水层厚度为34.45m，钻探施工过程中钻井液消耗量均为正常消耗量。测井解译该段热储层孔隙度为7%左右，孔隙度较小也反映了岩层裂隙等不发育。

3.4 通道条件

廊固凹陷13条三级以上活动性断层中，除桐柏镇断层走向为北西西向外，其余断层走向均为北东向；断层倾向以南东和北西方向为主，早期开始活动的断层倾向以南东方向为主［14］。断裂控制着区内的构造格局并连通着地壳地幔处深部热源与上部各热储层，为深部热能向上运移提供了良好的传递通道［15］。

特别是本次钻探钻遇的大兴断层，根据剖面推断落差为700m，为一正断层，成为地球深部地热向上运移的传递通道。

3.5 地热流体补给、径流、排泄条件

根据本次JZ02 井水样氘、氧同位素检测结果显示本区地热水为大气降雨，基岩热储层补给水来源较多，为封闭型地下水［16］。地下热水的径流与排泄受基地构造和古地形地貌及各隔水层的控制，径流相对较快（图5）。

图5 蓟县系热储模型Figure 5 Jixian reservoir model

4 结论

1）JZ02 地热井碳酸盐岩热储层岩溶裂隙不发育，水量小，仅18m3/h，井底温度62.5℃，属于低温地热资源中的热水，主要用途可以为供暖、理疗、洗浴和温室等。岩性以灰色、灰白色、浅灰色的白云岩、白云质灰岩为主，表现为低渗透率高热导率的特征。热储层地温梯度较低，仅为1.00℃/100m。同时，大地热流值也呈现出凹陷区低值的特点。

2）热储层含水层厚度为34.45m，共5 层。水化学类型为HCO3—Na 型，补给区为西部太行山和北部燕山地区，大兴断裂带更是提供了绝佳的补给通道，没有经过长时间的径流导致地温较低。

3）地热成因机理为太行山和燕山的大气降水补给径流后，经大兴断裂带渗入深部地层，受到深部地热和岩石放射性生热的热量不断加热以及断裂带深部热源地热流体的深循环提供了通道，碳酸岩盐热储其上覆盖的新生界砂岩和泥岩形成良好的保温盖层，热量不易流失，最终形成良好的地热资源。