鲁锴, 鲍志东, 季汉成, 刘金侠, 王贵玲, 马峰, 郭瑞婧, 曹瑛倬, 杨飞, 符勇, 李潇博, 华盈鑫, 阙宜娟, 李宗峰, 许西挺, 胡先才. (2019)雄安新区蓟县系雾迷山组岩溶热储特征、主控因素及有利区预测* [J]. 古地理学报, 21(6): 885-900
Lu Kai, Bao Zhi-Dong, Ji Han-Cheng, Liu Jin-Xia, Wang Gui-Ling, Ma Feng, Guo Rui-Jing, Cao Ying-Zhuo, Yang Fei, Fu Yong, Li Xiao-Bo, Hua Ying-Xin, Que Yi-Juan, Li Zong-Feng, Xu Xi-Ting, Hu Xian-Cai. (2019)Characteristics,main controlling factors and favorable area prediction of karstic geothermal reservoirs of the Jixianian Wumishan Formation in Xiong’an New Area[J]. Journal Of Palaeogeography, 21(6): 885-900.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2019.06.060
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雄安新区蓟县系雾迷山组岩溶热储特征、主控因素及有利区预测*
鲁锴1,2, 鲍志东1,2, 季汉成1,2, 刘金侠3, 王贵玲4, 马峰4, 郭瑞婧1,2, 曹瑛倬1,2, 杨飞5, 符勇1,2, 李潇博1,2, 华盈鑫1,2, 阙宜娟1,2, 李宗峰1,2, 许西挺1,2, 胡先才4
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249
3 中国石化集团新星石油有限责任公司,北京 100083
4 中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北石家庄050061
5 中国石化中原油田勘探开发科学研究院,河南郑州 450046
通讯作者简介 鲍志东,男,1964年生,博士,教授,1993年博士毕业于石油大学,主要从事沉积学、储层地质学和油气与地热成藏与评价工作。E-mail: baozhd@cup.edu.cn。

第一作者简介 鲁锴,男,1990年生,中国石油大学(北京)地球科学学院博士研究生,主要从事碳酸盐沉积和储集层研究。E-mail: kailu_1234@163.com。

收稿日期:2019-09-10
基金资助:*国家重点研发计划专项(编号: 2018YFC0604304,2017YFC0603104)资助
摘要

雄安新区蓟县系雾迷山组中赋存丰富的地热资源,研究雾迷山组岩溶热储特征及优质储集层发育的主控因素是地热资源勘探的基础。综合运用野外剖面、岩心、薄片、钻井、测井、录井等地质与地球物理资料,对雾迷山组岩溶热储特征和演化过程进行了深入研究,明确了优质储集层形成的控制因素,预测了有利靶区。结果表明,雾迷山组岩溶热储主要岩性为晶粒白云岩、颗粒白云岩、微生物白云岩、硅质白云岩和角砾白云岩等,溶蚀孔洞、裂缝及其组合为主要的储集空间类型。雾迷山组热储平均孔隙度为 3.18%,平均渗透率为 91.48× 10- 3 μm2;其中角砾白云岩物性最好。雾迷山组岩溶热储经历了沉积—准同生期成孔(雾迷山沉积期)、 Ⅰ期表生增孔(雾迷山沉积期后至青白口纪前)、 Ⅰ期埋藏减孔(青白口纪前至三叠纪)、 Ⅱ期表生增孔(三叠纪—古近纪)、 Ⅱ期埋藏减孔(新近纪—第四纪) 5个阶段,岩性及岩相、成岩作用和构造应力是雾迷山组有利热储形成的主控因素。藻云坪—云坪相、表生岩溶、埋藏溶蚀、准同生岩溶、岩溶高地—斜坡和地层裂缝段比率大于 0.4的 6项叠合区是研究区最有利的岩溶热储发育区。

关键词: 岩溶热储; 成岩演化; 主控因素; 雾迷山组; 雄安新区
中图分类号:TK521+.33 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2019)06-0885-16
Characteristics,main controlling factors and favorable area prediction of karstic geothermal reservoirs of the Jixianian Wumishan Formation in Xiong’an New Area
Lu Kai1,2, Bao Zhi-Dong1,2, Ji Han-Cheng1,2, Liu Jin-Xia3, Wang Gui-Ling4, Ma Feng4, Guo Rui-Jing1,2, Cao Ying-Zhuo1,2, Yang Fei5, Fu Yong1,2, Li Xiao-Bo1,2, Hua Ying-Xin1,2, Que Yi-Juan1,2, Li Zong-Feng1,2, Xu Xi-Ting1,2, Hu Xian-Cai4
1 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
2 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
3 Sinopec Star Petroleum Co. Ltd.,Beijing 100083,China
4 Institute of Hydrogeology and Environmental Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Shijiazhuang 050061,China
5 Exploration and Development Research Institute,Sinopec Zhongyuan Oilfield Company,Zhengzhou 450046,China
About the corresponding author Bao Zhi-Dong,professor,born in 1964,graduated from University of Petroleum in 1993 with his doctoral degree. He is mainly engaged in researches on sedimentology,reservoir geology and hydrocarbon and geothermal accumulation and evaluation. E-mail: baozhd@cup.edu.cn.

About the first author Lu Kai,born in 1990,is a doctoral candidate of China University of Petroleum(Beijing). Now he is mainly engaged in research on carbonate sedimentation and reservoirs. E-mail: kailu_1234@163.com.

Fund:Financially supported by the National Key Research and Development Programs of China(Nos. 2018YFC0604304,2017YFC0603104)
Abstract

There are abundant geothermal resources in the Jixianian Wumishan Formation of Xiong’an New Area. To study the characteristics and main controlling factors of high-quality karstic geothermal reservoirs in the Wumishan Formation is the basis of the exploration of geothermal resources. The geological and geophysical data, including outcrops,cores,thin sections,drilling and logging,are utilized to study of the characteristics and evolution process of karstic geothermal reservoirs in the Wumishan Formation. The aim of this article is to clarify the controlling factors of formation and development of high-quality geothermal reservoirs,and to predict the favorable target areas. The results indicate that the main lithologies of the karstic geothermal reservoirs in the Wumishan Formation are grain dolomite,granular dolomite,microbial dolomite,siliceous dolomite and breccia dolomite. The main reservoir spaces are caves,vuggy pores and fractures. The average porosity of the geothermal reservoirs in the Wumishan Formation is 3.18%,and the average permeability is 91.48 ×10-3μm2 . Among them,the breccia has the best petrophysical properties. The karstic geothermal reservoirs of the Wumishan Formation mainly experienced five stages of evolution including sedimentation-penecontemporaneous pore formation(Jx w),epigenic karstic stage Ⅰ(after Jx w-before Qb),burial stage Ⅰ(before Qb-T),epigenic karstic stage Ⅱ(T-E)and burial stageII(N-Q).The lithologies and lithofacies,diagenesis and tectonic stress are the main controlling factors for the formation of favorable karstic geothermal reservoirs in the Wumishan Formation. The most potential areas of the karstic geothermal reservoirs in the study area are located at regions characterized as the algal dolomitic flat-dolomitic flat,the epigenic karst,the buried karst,the penecontemporaneous karst,the karst platform-slope and the thickness ratio between fractures and the Wumishan Formation larger than 0.4.

Key words: karstic geothermal reservoir; diagenetic evolution; main controlling factor; Wumishan Formation; Xiong’an New Area;

雄安新区地热资源丰富, 具有埋藏浅、储量大、水质优等特点。前人对于其地热资源的研究较多涉及地温场特点和地下水活动(陈墨香等, 1982; 周瑞良, 1987; 张以明等, 2017)。对于区内地热储集层的研究则主要为地热资源评价服务, 研究内容多限于储集层分布、温度和出水量, 并且研究范围局限于雄县、容城、安新县城周边, 研究深度局限在800 m和1800 m以浅的新近系砂岩储集层和蓟县系岩溶热储(阎敦实和于英太, 2000; 郭世炎和李小军, 2013; 王贵玲等, 2017; 吴爱民等, 2018), 这与雄安新区“ 千年大计” 的要求相差甚远。因此, 为了满足雄安新区清洁能源供应的需求, 储集性好、出水量大、易于回灌的中元古界蓟县系雾迷山组岩溶热储成为研究区目前地热资源勘探的重点。但由于雾迷山组地质时代老、演化历史长、后期改造强烈, 并且区内各井之间的雾迷山组储集性能在空间上变化较大。因而, 目前急需对雾迷山组岩溶热储发育的主控因素进行解析进而确定有利靶区。

因此, 作者在前人研究的基础上, 结合野外、岩心、薄片和钻、测、录井等地质与地球物理资料, 以雄安新区为重点, 对包括其周边共约3400 km2的区域进行研究, 明确了雄安新区及周边雾迷山组岩溶热储的发育特征和演化过程, 进而对优质岩溶热储发育的主控因素进行分析, 最终预测了雄安新区及周边雾迷山组有利勘探靶区, 以期为雄安新区及周边地热资源的开发利用提供基础支撑。

1 区域地质概况

雄安新区位于渤海湾盆地冀中坳陷中部、京津冀腹地, 其行政范围涵盖雄县、容城、安新三县及周边地区, 总面积约为1795 km2。雄安新区受控于华北区域构造演化过程, 经历了凌源至海西期整体升降阶段、印支和燕山期挤压褶皱阶段以及喜山期拉张断陷阶段, 从而形成了现今“ 凸、断、凹” 相间的构造格局。主要构造单元包括“ 三凸起、四凹陷和两斜坡” , 分别为牛驼镇凸起、容城凸起和高阳低凸起; 霸县凹陷、饶阳凹陷、保定凹陷和徐水凹陷; 牛北斜坡和蠡县斜坡。其中在牛驼镇凸起内部、蠡县斜坡北部及任丘地区可划分出3个潜山发育带, 分别为牛驼镇潜山发育带、同口— 雁翎低潜山发育带和任丘低潜山发育带。研究区内断裂十分发育, 主要为NE向的容城断裂、牛东断裂和高阳断裂, 以及NWW向的容南断裂和牛南断裂(图 1)。

图 1 雄安新区位置及井位分布Fig.1 Location of Xiong’ an New Area and well distribution

雄安新区内主要的地热资源为水热型地热能, 主要受源(热源、水源)、通(运移通道)、储(地热储层)和盖(盖层)等因素影响。前人对于研究区内地热资源的源、通和盖都进行了较为深入的研究, 区内热源主要是来自地壳深部上地幔和放射性元素的蜕变热, 呈现出凸起处热流值高, 凹陷处热流值低的特点(陈墨香等, 1982; 张以明等, 2017)。区内深层地下热水的主要补给则来自于研究区西部和北部的太行山和燕山山脉的大气降水(周瑞良, 1987), 且热流体沿区内深大断裂与不整合面进行垂向与侧向的运移(贾秀梅, 1993; 阎敦实和于英太, 2000)。研究区内的热储主要为明化镇组和馆陶组的砂岩热储和雾迷山组的白云岩岩溶热储(图 2)。另外, 区内容城凸起的钻井所揭示的高于庄组也具有相当规模的地热资源, 是今后地热开发的潜力热储。雾迷山组是目前开发的主力, 其盖层主要为新生界, 地层结构松散, 导热性差, 具有良好的保温隔热作用(王贵玲等, 2018)。

图 2 雄安新区地层与热储综合柱状图Fig.2 Comprehensive diagram of stratigraphy and geothermal reservoirs in Xiong’ an New Area

研究区雾迷山组自沉积后共经历了凌源、芹峪、印支、燕山和早喜山5期构造抬升作用(乔秀夫和马丽芳, 1982; 杨明慧等, 2002), 因此研究区地层遭受长期风化剥蚀和大气淡水淋滤, 中生界和古生界剥蚀严重, 仅在区内保定凹陷的部分地区残留极少侏罗系和白垩系, 在霸县凹陷、徐水凹陷及饶阳凹陷的边缘部位残留少量寒武系和奥陶系。而在雄安新区主体区域则是以新生界碎屑岩系与雾迷山组白云岩直接不整合接触为特征(图 2)。北部牛驼镇和容城凸起雾迷山组与新近系不整合接触, 而南部大部分区域古近系直接覆于雾迷山组之上(何登发等, 2018; 戴明刚等, 2019)。钻井资料揭示, 研究区雾迷山组埋深在牛驼镇凸起最浅, 约600 m以内, 在保定凹陷和霸县凹陷埋深最大, 可达4000 m以上。

2 岩溶热储特征
2.1 岩石学特征

在2条野外剖面和16口井岩心观察的基础上, 结合168张薄片鉴定结果, 将研究区雾迷山组岩溶热储主要岩石类型分为晶粒白云岩、颗粒白云岩、微生物白云岩、硅质白云岩和角砾白云岩等5类。

1)晶粒白云岩。 主要为泥晶白云岩、粉晶白云岩和少量细晶白云岩。泥晶白云岩是研究区雾迷山组最主要的白云岩岩类, 野外与岩心观察一般为浅灰色至灰色(图 3-a), 中厚层状至块状。薄片镜下观察结果显示, 晶体直径小于0.005 mm, 结构均一(图 3-b), 泥晶白云石成分较纯, 含量大于90%。

图 3 雄安新区蓟县系雾迷山组主要岩石类型
a— 浅灰色泥晶白云岩, 雁33井, 2882.6 m, 岩心; b— 泥晶白云岩, D16井, 1290 m, (-); c— 鲕粒白云岩, 鄚9井, 4210.04 m, 岩心; d— 砂屑白云岩, 颗粒发生不同程度硅化(见箭头), 淀5井, 2028.4 m, (-); e— 纹层状叠层石白云岩, 鄚9井, 4212.84 m, 岩心; f— 藻粘结白云岩, 蓟县剖面, (-); g— 硅质白云岩, 发育溶孔(见箭头), 淀5井, 2035.3 m, 岩心; h— 构造角砾白云岩, 白云岩角砾磨圆度低(见箭头), 雁24井, 3286 m, 岩心; i— 岩溶角砾白云岩, 白云岩角砾磨圆度高(见箭头), 白云石胶结, 溶孔十分发育, D12井, 2200.5 m, 岩心Fig.3 Main rock types of the Jixianian Wumishan Formation in Xiong’ an New Area

2)颗粒白云岩。 颗粒含量大于60%, 颗粒以砂屑、藻团块和鲕粒为主(图 3-c), 显示其沉积于潮坪环境中水动力较强的部位。颗粒间多数为点、线接触, 颗粒可发生不同程度的硅化, 有的全部被硅化, 有的表现为颗粒中央或边缘部分被硅质交代(图 3-d)。

3)微生物白云岩。 包括各种形态的叠层石白云岩(图 3-e)和呈粘结状态的含藻类白云岩(图 3-f)。研究区岩心及薄片观察结果显示, 研究区雾迷山组中主要发育层状和波状叠层石白云岩。

4)硅质白云岩。 常见原生沉积和次生交代成因的硅质岩, 原生沉积的条带、团块和结核状燧石中不发育储集层, 但在次生交代成因的硅质白云岩中, 若局部硅化不完全, 白云岩与硅质混杂, 由于差异溶蚀作用, 白云岩易发生溶蚀, 形成溶孔, 硅质难溶, 易形成格架结构, 利于溶孔保存。同时, 硅质质硬且脆, 易发育裂缝(图 3-g), 因此可作为热储层。

5)角砾白云岩。 包括构造角砾白云岩(图 3-h)和岩溶角砾白云岩(图 3-i)。受构造破裂作用或岩溶作用的影响, 雾迷山组白云岩会在一些部位形成溶洞且发生坍塌, 形成构造角砾白云岩或岩溶角砾白云岩。构造成因的角砾磨圆较差, 而岩溶角砾由于受到溶蚀作用, 磨圆度较高。在雄安新区雾迷山组岩心中常见此类岩石发育, 通常角砾白云岩具有较高的原始孔隙度, 但受后期压实作用和胶结作用影响, 孔隙度大幅减小。

野外剖面、岩心和薄片观察结果显示, 研究区雾迷山组广泛发育泥晶白云岩, 硅质白云岩和角砾白云岩为次要的岩石类型, 而微生物白云岩和颗粒白云岩发育相对局限, 主要发育在潮间下和潮下上部水动力较强的沉积环境。

2.2 储集空间类型

雄安新区雾迷山组热储储集空间分为孔隙、裂缝和溶洞3类。

1)孔隙。 由分布于微生物白云岩中的藻架孔(图 4-a), 颗粒白云岩中的粒间孔、粒间溶孔、铸模孔(图 4-b)和粉细晶白云岩中的晶间孔(图 4-c)、晶间溶孔组成; 孔隙直径0.01~0.08 mm。

图 4 雄安新区蓟县系雾迷山组储集空间类型
a— 藻粘结白云岩, 藻架孔(见箭头), 后期被硅质充填, 任266井, 3130.5 m, (-); b— 鲕粒白云岩中粒间孔和铸模孔(见箭头), 后期被硅质充填, 雁33井, 2850.4 m, (-); c— 粉-细晶白云岩, 晶间孔, 任48井, 2699.4 m, 铸体, (-); d— 灰色泥晶白云岩, 至少发育2期裂缝(见箭头), 相互切割关系, 网状缝, 鄚9井, 4174.8 m, 岩心; e— 灰色泥晶白云岩, 发育8条高角度缝, 其中1条将岩心切割为两半, 鄚9井, 4208.6 m, 岩心; f— 角砾白云岩中发育2期构造缝, 未充填, 构造缝切割白云岩角砾, 高深1井, 3760.8 m, 铸体, (-); g— 硅质白云岩, 溶蚀缝发育, 溶蚀扩缝现象, 白云石和泥质充填、半充填, 高深1井, 3501.6 m, 铸体, (-); h— 泥晶白云岩中缝合线发育, 泥质充填, 淀5井, 2028.2 m, (-); i— 岩心上溶洞垮塌, 洞壁可见白云石晶体半充填(见箭头), 溶洞直径大于3 cm, 任266井, 3205.1 mFig.4 Reservoir space types of the Jixianian Wumishan Formation in Xiong’ an New Area

2)裂缝。 研究区雾迷山组岩心可识别出多组裂缝交叉构成的网状缝(图 4-d)和垂直或近于垂直层面的高角度缝(图 4-e)。镜下可见微裂缝, 主要包括构造缝、溶蚀缝等。构造缝的特点为平直、光滑、宽窄均一(图 4-f), 溶蚀缝缝面不规则、凹凸不平、缝宽变化大, 具明显溶蚀特征(图 4-g)。缝合线多被泥质或沥青充填, 对储集空间贡献较小(图 4-h)。

3)溶洞。 在野外可见大型溶洞发育, 主要分布在雾迷山组顶部风化壳附近, 平面上分布于断裂活动发育区, 直径从几十厘米到几米不等。内部充填大量垮塌巨砾、白云岩角砾和泥沙沉积。岩心中可见溶蚀孔洞, 多呈蜂窝状或沿裂缝呈串珠状发育, 直径0.1~5 cm, 部分被白云石或石英充填或半充填(图 4-i)。

研究区内以雾迷山组为目的层的钻井(如淀6、鄚9、D18、雁340等钻井)常发生钻井液漏失、放空等情况, 并且岩心破碎程度较高, 取心困难。宏观上, 雾迷山组岩心中常观察到白云岩角砾发育和多组高角度缝切割岩心的情况。微观上, 雾迷山组薄片中粒间溶孔、晶间溶孔和溶蚀缝极为发育。因此, 研究区雾迷山组岩溶热储储集空间类型以溶蚀孔洞、裂缝和其组合为主。

2.3 储集层物性特征

通过对研究区雾迷山组263块岩心样品进行物性实测分析, 储集层平均孔隙度为3.18%, 平均渗透率为91.48× 10-3 μm2。其中硅质白云岩样品50块, 孔隙度0.02%~9.52%, 渗透率(0.01~264.00)× 10-3μm2; 晶粒白云岩样品115块, 孔隙度0.014%~10.47%, 渗透率(< 0.01~3870.00)× 10-3μm2; 微生物白云岩样品35块, 孔隙度0.32%~7.90%, 渗透率(0.01~285.00)× 10-3μm2; 颗粒白云岩样品31块, 孔隙度0.51%~16.90%, 渗透率(0.01~102.00)× 10-3μm2; 角砾白云岩样品32块, 孔隙度0.50%~12.32%, 渗透率(0.01~13214.20)× 10-3μm2。

其中角砾白云岩物性最好(表 1), 颗粒白云岩和微生物白云岩孔隙度较大, 晶粒白云岩和硅质白云岩孔隙度较小。然而在渗透率方面晶粒白云岩则表现出优于微生物白云岩和颗粒白云岩的特点。这是由于不同岩石的力学性质与岩石破碎、破裂和崩塌的难易程度密切相关。当岩石晶粒越小, 其比表面积越大, 黏聚力越小, 则越容易破碎(侯方浩等, 2005)。由于雾迷山组中晶粒白云岩以泥晶白云岩为主, 其抗拉、抗压和抗剪强度最低(表 2), 最容易破裂而发育裂缝。因此, 晶粒白云岩的渗透率要高于微生物白云岩和颗粒白云岩。

表 1 雄安新区蓟县系雾迷山组岩溶热储主要岩石类型物性特征 Table1 Petrophysical properties of main rock types of karst geothermal reservoirs of the Jixianian Wumishan Formation in Xiong’ an New Area
表 2 不同类型白云岩力学强度值(据侯方浩等, 2005) Table2 Mechanical strength values of different types of dolostones(from Hou et al., 2005)
3 岩溶热储发育演化过程

雄安新区雾迷山组主要经历了胶结、压实、压溶、硅化、充填、溶蚀和重结晶等成岩作用, 以及构造破裂作用。成岩作用控制着热储孔隙的演化。对成岩作用研究结果显示, 雾迷山组热储所经历的成岩演化过程可总结为沉积— 准同生期成孔(雾迷山沉积期)、Ⅰ 期表生增孔(雾迷山沉积期后至青白口纪前)、Ⅰ 期埋藏减孔(青白口纪前至三叠纪)、Ⅱ 期表生增孔(三叠纪— 古近纪)和Ⅱ 期埋藏减孔(新近纪— 第四纪)5个阶段, 储集层孔隙度从沉积初期约40%的原始孔隙度经历了多次建设性、破坏性的成岩作用, 最终下降到3%~4%(图 5)。

图 5 雄安新区蓟县系雾迷山组岩溶热储演化Fig.5 Evolution of karstic geothermal reservoirs of the Jixianian Wumishan Formation in Xiong’ an New Area

3.1 沉积— 准同生期成孔阶段

该阶段主要经历了早期减孔和晚期增孔的过程。早期, 颗粒滩发育区沉积形成粒间孔, 原始孔隙度可达40%左右(Enos and Sawatsky, 1981), 随后的压实、海水早期纤维状胶结物沉淀, 使得原生孔隙降至5%以下。晚期, 在准同生大气淡水淋滤溶蚀作用下, 形成部分溶孔、溶洞, 增孔约2%, 孔隙度可恢复至7%。该阶段的早期胶结作用一般呈围绕颗粒的环边胶结, 虽然降低了颗粒间孔隙度, 但维持了圆形颗粒的形状也增强了碳酸盐颗粒的抗压性, 有利于残余原生孔隙的保存。

3.2 Ⅰ 期表生增孔阶段

受凌源和芹峪运动的影响, 华北地区整体抬升, 雾迷山组出露地表遭受风化淋滤和大气淡水溶蚀, 发生溶蚀作用。该时期主要是研究区南部的雾迷山组发生溶蚀, 在之前的残留原生孔隙的基础上发育溶孔、溶缝, 使储集层孔隙度增大。新增孔隙大于5%, 储集层孔隙度增至12%。

3.3 Ⅰ 期埋藏减孔阶段

虽然研究区在该阶段经历了蓟县运动和加里东运动2期整体抬升, 但雾迷山组未暴露地表, 所以仍属于雾迷山组的埋藏阶段。此阶段前期, 由于地壳持续抬升, 研究区雾迷山组埋深较浅, Ⅰ 期表生阶段所形成的溶蚀孔隙虽被胶结物充填, 但胶结作用较弱, 储集层孔隙度约降至9%。至早泥盆世, 地壳活动逐渐减弱, 雾迷山组埋深逐渐加大, 胶结、压实、充填、硅化和重结晶作用加强, 使储集层总孔隙度降至4%左右。

3.4 Ⅱ 期表生增孔阶段

研究区雾迷山组在此阶段经历了印支和燕山运动的挤压褶皱期和喜山运动早期的拉张断陷期。虽然构造应力在此阶段由挤压变为拉张, 但构造抬升使研究区雾迷山组上部地层被剥蚀殆尽, 进而令雾迷山组出露地表, 经受了漫长时期的暴露风化和大气淡水淋滤作用, 是岩溶热储被改造的最重要时期, 也是储集层孔隙度最重要的增孔阶段。溶蚀作用和构造破裂作用影响强烈, 溶蚀孔洞和断裂大量发育, 同时溶蚀作用呈现较强的非选择性, 不仅Ⅰ 期表生阶段所残留的溶蚀孔隙重新被溶蚀扩大, 较大溶洞发生垮塌, 进而发育角砾白云岩, 并且在之前不易发生溶蚀的、较纯的泥晶白云岩也可见溶蚀孔隙发育, 雾迷山组岩溶热储总孔隙度增至13%以上。

3.5 Ⅱ 期埋藏减孔阶段

受喜山运动晚期的影响, 研究区进入整体沉降阶段, 雾迷山组被埋入地下。此时胶结、充填、重结晶等破坏性成岩作用占主导, 次生溶蚀孔隙和裂缝被充填堵塞, 使储集层孔隙度迅速下降至3%以下。但在该阶段, 随着油气运移伴生液和酸性水的产生, 在局部地区沿断层发生溶蚀。综合现有资料, 最终储集层孔隙度为3%~4%。

4 岩溶热储发育的主控因素

由于研究区地热资源主要为水热型地热, 地下热水是岩溶热储所储集的对象, 与储集层对油气的储集方式较为类似, 因此作者借鉴岩溶型油气储集层发育的研究基础, 并结合研究区雾迷山组岩溶热储的演化过程分析, 认为优质岩溶热储的发育形成主要受岩性岩相、成岩作用和构造应力的影响。

4.1 岩性及岩相对储集层发育的影响

中元古代华北地壳活动趋于平稳, 盆地性质开始向克拉通盆地转变, 并发生大规模海侵(吉利明等, 2001)。蓟县系雾迷山组沉积期, 为比较稳定的潮坪沉积, 主要发育潮上带泥云坪、潮间带藻云坪、潮间带云坪、潮下带颗粒滩、潮下带藻云坪和潮下带云坪等相带。潮上带泥云坪岩性以泥质白云岩为主, 储集层不发育。潮间带云坪以浅灰— 灰白色泥晶白云岩为主, 潮下带云坪以灰色— 深灰色泥晶白云岩为主, 云坪相原始晶间孔不发育。潮间带和潮下带藻坪主要发育叠层石白云岩, 含有较多的易溶物质, 原始孔隙类型以窗格孔和鸟眼孔为主。叠层石形态在潮间带以水平— 波状纹层为主, 而在潮下带则多发育为锥— 柱状。潮下带颗粒滩岩性以颗粒白云岩为主, 原始粒间孔发育(图 6)。

图 6 雄安新区蓟县系雾迷山组沉积模式图Fig.6 Sedimentary model of the Jixianian Wumishan Formation in Xiong’ an New Area

雄安新区雾迷山组沉积相研究表明: 发育于研究区内潮间下和潮下上部的藻坪和颗粒滩相沉积的叠层石白云岩和颗粒白云岩原始孔隙度较高, 且含有较多可溶物质, 易于后期溶蚀改造, 为岩溶热储发育提供了良好的物质基础。

另外, 区内热流在地壳深部均匀向上传递, 而雾迷山组沉积的较纯的白云岩具有较高的岩石导热率, 是良好的导热岩体(阎敦实和于英太, 2000)。而与雾迷山组呈不整合接触的新生界, 其砂泥岩的岩石导热率远低于雾迷山组白云岩, 并且厚度较大。因此, 能起到良好的保温隔热作用, 使得热能在雾迷山组中聚集。

4.2 成岩作用对储集层发育的影响

综合研究区雾迷山组岩溶热储成岩演化研究成果, 建设性成岩作用主要是溶蚀作用。通过对研究区16口井的岩心、薄片进行观察, 结合钻井和测、录井数据, 在雾迷山组沉积构造背景研究的基础上, 将溶蚀作用按成因和成岩演化阶段划分3类: 准同生溶蚀、表生溶蚀和埋藏溶蚀, 进而分别探讨不同类型岩溶作用对储集层的改造作用。

4.2.1 准同生溶蚀

准同生溶蚀发生于准同生期大气淡水成岩环境中, 受次级沉积旋回和海平面变化的控制(Pope and Read, 1998; 鲍志东等, 2006)。在潮坪沉积体系中, 尤其在海退沉积序列中, 伴随海平面暂时性相对下降, 岩石出露海面或处于淡水透镜体内, 受到富含CO2的大气淡水的淋滤, 以选择性溶蚀藻格架中丝体和早期颗粒间不稳定矿物为特征(Moore, 2009; 倪新锋等, 2010)。

研究区雾迷山组岩溶热储发育的准同生溶蚀特征, 岩心以发育小型蜂窝状溶孔为特征(图 7-a), 孔洞直径在2~10 mm之间。镜下可见高能环境的颗粒白云岩中选择性溶蚀形成的铸模孔、粒间孔、粒内溶孔(图 7-b)等准同生溶蚀发育的典型特征。在岩性上表现出大套厚层泥晶白云岩中夹薄层颗粒白云岩层, 表明有利储集层发育的沉积相带所经历海平面下降引起的准同生溶蚀时间较短, 导致早期溶蚀作用对储层改造作用有限。

图 7 雄安新区蓟县系雾迷山组准同生与表生岩溶特征
a— 灰色泥晶白云岩, 小型蜂窝状溶孔(见箭头), 早期选择性溶蚀孔隙, 雁33井, 2940.2 m, 岩心; b— 砂屑白云岩, 早期溶蚀形成粒间孔和铸模孔(见箭头), 后期被硅质充填, 淀5井, 2028.4 m, (-); c— 岩溶角砾白云岩, 岩溶垮塌构造, 厚度约0.8 m, 易县剖面, 野外照片; d— 白云岩, 发育大型溶洞, 直径约2.5 m, 易县剖面, 野外照片; e— 风化壳白云岩, 可见岩溶角砾(见箭头), D17井, 2652 m, 岩心; f— 泥晶白云岩, 溶蚀孔洞内充填岩溶角砾(见箭头), 鄚9井, 4190.3 m, 岩心; g— 灰色泥晶白云岩, 高角度扩容缝被泥质充填— 半充填, 雁33井, 2892 m, 岩心; h— 泥晶白云岩, 角砾充填溶孔(见箭头), 鄚9井, 4221.1 m, 铸体, (-); i— 泥晶白云岩, 裂缝扩溶 (见箭头), 缝壁白云石胶结, 高深1井, 3628.8 m, 铸体, (-)Fig.7 Characteristics of penecontemporaneous and epigenic karst of the Jixianian Wumishan Formation in Xiong’ an New Area

4.2.2 表生溶蚀

研究区雾迷山组岩溶热储经历的多期构造抬升使其接受了漫长的风化剥蚀和大气淡水淋滤, 从而形成了一套发育良好的风化壳储集层(Yang et al., 2019)。在野外露头可见岩溶角砾白云岩、古土壤等风化残积物(图 7-c)和大型溶洞(图 7-d)。岩心观察见岩溶风化壳(图 7-e)、溶蚀孔洞内充填岩溶角砾(图 7-f)、高角度扩容缝被泥质充填(图 7-g)等特征。镜下可识别出岩溶角砾充填溶洞(图 7-h)和裂缝扩溶(图 7-i)等现象。

岩溶发育的重要条件是地下水的循环, 而古地貌决定着地下水的深度、流向、流域以及水动力强弱等因素(Wright, 1991)。因此, 古地貌是影响表生岩溶发育规模的重要因素。由于研究区雾迷山组表生岩溶发育期次多、时间长且深度大, 雾迷山组多直接与新生界接触, 中间地层基本被剥蚀殆尽, 因此以残厚法为主结合印模法(季汉成等, 2016; 张庆玉等, 2017), 对研究区最后一期即早喜山末期古地貌进行恢复(图 8)。由图 8可知, 研究区早喜山末期地形北西部较高, 南部和东部较低, 水流方向总体是从西向东、由南向北。在古地貌图上, 可将研究区分为岩溶高地、岩溶斜坡、岩溶次高地和岩溶盆地4类。依据岩心、薄片和测井等资料, 结合地下水动力特征, 将雾迷山组表生岩溶自上而下分为渗流带、潜流带和缓流带(邹胜章等, 2016; 杨飞等, 2017)。不同的岩溶发育带与不同地貌单元具有良好的对应关系, 且具有不同的表生溶蚀作用特征。现分述如下。

图 8 雄安新区早喜山晚期岩溶古地貌图Fig.8 Paleokarstic topography of Xiong’ an New Area in the late early Himalayan period

1)岩溶高地。主要分布于研究区西北部, 对应于研究区的牛驼镇和容城两大凸起, 地貌整体较高。在岩溶高地, 风化淋滤作用强烈, 不整合面附近残留地层主要为雾迷山组, 且局部地带雾迷山组被剥蚀上千米厚。大气水以垂直渗流向下淋滤, 岩溶高地接受风化淋滤时间最长, 易发育较为大型的厅、堂、洞, 总体连通性稍差, 但往往在断裂发育的区带储集层质量能得到较大改善。

2)岩溶次高地。主要分布在研究区南部, 对应高阳低凸起、同口— 雁翎低潜山发育带和任丘低潜山发育带, 地貌较岩溶高地低、剥蚀程度较岩溶高地弱, 地层主要剥蚀至雾迷山组, 但剥蚀厚度较岩溶高地部分小。由于水流从北部岩溶高地流向南部岩溶次高地, 因此本地貌单元以发育垂直渗流为主, 水平潜流为辅。储集层以发育垂向溶孔和高角度溶蚀缝为主, 同时高阳低凸起和潜山发育带裂缝较为发育, 因此沿裂缝常见串珠状溶孔发育。

3)岩溶斜坡。是高地、次高地与岩溶盆地之间的过渡带, 常呈环状分布于高地和次高地周缘, 主要以水平潜流为主, 垂向渗流不发育。由于地貌高差较大, 并且岩溶斜坡位于潜水面之下, 因此地下水流量大且流速快, 水动力较强, 从而对地层的化学和机械侵蚀强烈, 溶蚀的物质被水流迅速带走, 溶蚀作用稳定, 使储集层的发育具有一定的持续性。同时水流方向以水平方向为主, 储集层孔隙间连通性较强, 进一步提升储集空间的有效性。

4)岩溶盆地。地势最低, 主要发育在研究区的中部偏西和东部地区, 地下水以深部缓流和停滞为主, 溶蚀作用最弱, 以沉积为主, 泥质充填和胶结作用十分强烈, 将前期产生的溶孔基本完全充填, 储集层质量较差。

表生溶蚀受控于当时的古地貌形态, 而古地貌又控制着地表和地下岩溶水流的特征, 进而控制了表生溶蚀垂向分带内的孔洞发育。研究区雾迷山组放空和漏失发生次数在垂向上具有明显的分带性, 主要发生在距不整合面450 m的范围内(图 9)。从放空和漏失井的分布看, 岩溶斜坡放空、漏失井数量最多, 岩溶高地和次高地次之, 岩溶盆地最少。垂向上看, 潜流带中放空和漏失井数量最多并且漏失量最大, 因此, 岩溶斜坡是表生溶蚀影响最强的区域。另外, 表生溶蚀不仅提升了储集层的储集性能, 并且其中连通性较强的溶洞、溶孔尤其是水平的溶沟、溶缝, 为从太行山和燕山所汇聚而来的大气淡水对地下水的补给, 提供了良好的水平运移通道。

图 9 冀中坳陷蓟县系雾迷山组钻井放空、漏失统计Fig.9 Statistics of drilling venting and loss of circulation of the Jixianian Wumishan Formation in Jizhong Depression

4.2.3 埋藏溶蚀

晚喜山期后, 研究区雾迷山组进入了一个相对封闭还原的成岩环境中, 此时埋藏溶蚀作用开始对储集层进行改造, 主要是以裂缝扩溶为主。研究区雾迷山组埋藏溶蚀的主要特征包括: 岩心上可见热液成因的硅质充填(图 10-a, 10-b), 镜下可见白云石重结晶现象并发育溶孔(图 10-c)和裂缝被硅质充填、晚期硅质又被溶蚀的特征(图 10-d)。

图 10 雄安新区蓟县系雾迷山组埋藏溶蚀特征
a— 灰色泥晶白云岩, 热液硅质沿裂缝充填, 任48井, 2706.26 m, 岩心; b— 浅灰色泥晶白云岩, 热液硅质充填后破碎角砾化(见箭头), D11井, 1639.9 m, 岩心; c— 泥晶白云岩, 白云石重结晶并发育溶孔(见箭头), 雁33井, 2888.8 m, 铸体, (-); d— 硅质白云 岩, 沿裂缝热液硅质被溶蚀产生溶孔(见箭头), 鄚14井, 4976.2 m, (+)Fig.10 Characteristics of burried karst of the Jixianian Wumishan Formation in Xiong’ an New Area

埋藏溶蚀的主要流体通道是前期未完全充填的断裂、裂缝和缝合线(金振奎和余宽宏, 2011)。由于研究区的埋藏溶蚀主要为热液岩溶作用, 同时研究区位于油气区, 因此地下酸性流体以酸性热水和有机酸为主。这些酸性流体沿断层或裂缝优先对其充填物进行溶蚀, 进而改善储集层的储集性。因此, 埋藏溶蚀多沿断层和裂缝发育, 断裂带和裂缝发育区是埋藏溶蚀发育的最有利区带。

4.3 构造应力对储集层发育的影响

研究区在构造应力的作用下构造破裂作用十分发育。裂缝主要分为3期, 早期是研究区在中元古代至古生代经历的芹峪、加里东和海西期较稳定的升降运动对其造成近N-S向的水平挤压力, 形成了NW向和NNE向的裂缝。中期形成于燕山运动阶段, 主应力为NW-SE向挤压力, 裂缝走向主要为NE和NW向。晚期形成于喜山运动时期, 区域构造应力场主压应力向为NEE-SWW向, 形成NNW-SSW向裂缝(朱姜炜, 2016)。其中以喜山期形成的裂缝有效性最好, 充填程度最低(吴孔友等, 2010)。对牛驼镇凸起上以雾迷山组为目的层的地热井包装城5井的裂缝电测解释结果进行统计: 包装城5井水温61.9 ℃, Ⅰ 级裂缝10层累计厚度98.5 m, Ⅱ 级裂缝3层共计14.9 m, Ⅲ 级裂缝3层共计18.5 m, 反映了构造应力对储集层的改善作用。基于研究区地热井和油气井电测解释裂缝发育情况, 进而将研究区雾迷山组裂缝发育段累计厚度与雾迷山组厚度的比值(地层裂缝段比率)划分为5个区域(图 11)。在凸起、潜山发育带及断裂带地层裂缝段比率较高, 牛驼镇凸起、容城凸起、高阳低凸起、同口— 雁翎和任丘低潜山发育带地层裂缝段比率达到30%以上。

图 11 雄安新区蓟县系雾迷山组岩溶热储评价
Ⅰ 类靶区: D11— D14— D16、雄县绿源2— 雄101、高深1— 高4等区带。Ⅱ 类靶区: 贾光— 小里— 大王、雄县包装城5— 雄3— 淀5、淀1— 雁11— 雁28、任23— 任48、高18等区带。Ⅲ 类靶区: 北沙口— 大营3— 安新— 南张、淀9— 雁3— 龙化、鄚9— 任丘、任丘南、高阳、霸8等区带。Ⅳ 和V类靶区: 徐水— 白沟— 大河、米家务— 张岗— 苟各庄— 鄚州— 七间房— 圈头、同口— 安州— 寨里— 老河头区域Fig.11 Evaluation of karstic geothermal reservoirs of the Jixianian Wumishan Formation in Xiong’ an New Area

由于区域地温场受地质构造格局控制, 因此, 按照构造带和断裂延伸方向展布(阎敦实和于英太, 2000), 雄安新区地温异常高和低的分布区域是与区内凸、凹相间的构造格局一致(王贵玲等, 2018)。若使热流在空间上运移富集, 产生地温异常高的区域, 则需要在产生的正向构造中使热流进行聚集, 因此需要有较大的断裂或基岩斜坡带的存在。正是由于断裂、高角度裂缝和斜坡的存在, 为热流体从下到上的垂向运移提供了通道, 从而使高温区通常分布在构造高部位靠近断裂的一侧。所以, 在研究区断裂带和地层裂缝段比率较高的凸起和潜山带区域, 热流容易汇集, 地温梯度较高, 是勘探开发的有利地区。

5 岩溶热储发育有利区预测

颗粒滩与藻云坪微相为有利储集层发育提供了良好的物质基础, 基于海平面变化而发育的周期性准同生岩溶为早期孔隙的形成和后期溶蚀提供有效通道。受多期构造运动的影响, 研究区雾迷山组岩溶热储经历了印支— 燕山— 早喜山期强烈的表生岩溶和晚喜山期的埋藏溶蚀改造。古地貌形态研究表明, 在岩溶斜坡部位表生溶蚀作用最强, 是最有利岩溶储集层发育区带。但是在岩溶高地和次高地的凸起核部位和断裂发育带, 构造应力最强, 断裂和裂缝最发育, 埋藏溶蚀也多在此处发育, 并且热流体在此处更易聚集形成地温异常高的区域。因此, 综合上述各因素, 将研究区岩溶热储划分为5类勘探靶区(图 11)。

Ⅰ 类靶区为藻云坪— 云坪相、3种溶蚀作用、岩溶高地— 斜坡和地层裂缝段比率大于0.4的6项叠合区, 是研究区最有利的岩溶热储发育区。Ⅱ 类靶区为藻云坪— 云坪相、表生岩溶、埋藏溶蚀、岩溶斜坡— 次高地和地层裂缝段比率0.4~0.3的5项叠合区, Ⅲ 类靶区为藻云坪— 云坪相— 滩相、准同生岩溶、表生岩溶、岩溶次高地— 盆地和地层裂缝段比率0.3~0.2的5项叠合区。Ⅱ 类和Ⅲ 类靶区是研究区次有利的岩溶热储发育区。Ⅳ 类靶区为云坪— 泥云坪相、准同生溶蚀、岩溶盆地和地层裂缝段比率0.2~0.1的4项叠合区。Ⅴ 类靶区为云坪— 泥云坪相、岩溶盆地和地层裂缝段比率小于0.1的3项叠合区。Ⅳ 类和Ⅴ 类靶区是研究区一般的岩溶热储发育区。

6 结论

雄安新区蓟县系雾迷山组岩溶热储主要岩石类型包括晶粒白云岩、颗粒白云岩、微生物白云岩、硅质白云岩和角砾白云岩等5类, 主要的储集空间类型为孔隙、裂缝、溶洞及其组合, 雾迷山组热储平均孔隙度为3.18%, 平均渗透率为91.48× 10-3 μm2; 其中角砾白云岩物性最好, 颗粒白云岩和微生物白云岩孔隙度较大, 晶粒白云岩和硅质白云岩孔隙度相对较小。

研究区雾迷山组主要经历了准同生溶蚀、表生溶蚀、埋藏溶蚀3种建设性成岩作用, 以及胶结、压实、压溶、硅化、充填和重结晶6种破坏性成岩作用。构造应力作用下的构造破裂作用十分发育。通过对储集层成岩演化研究可知, 雾迷山组岩溶热储经历的成岩演化过程可归为沉积— 准同生期成孔(雾迷山沉积期)、Ⅰ 期表生增孔(雾迷山沉积期后至青白口纪前)、Ⅰ 期埋藏减孔(青白口纪前至三叠纪)、Ⅱ 期表生增孔(三叠纪— 古近纪)和Ⅱ 期埋藏减孔(新近纪— 第四纪)5个阶段, 储集层孔隙度从沉积初期约40%的原始孔隙度经历了多次建设性和破坏性的成岩作用, 最终下降到3%~4%。

研究区雾迷山组有利热储的形成主要受控于岩性及岩相、成岩作用和构造应力。颗粒滩和藻坪微相为优质岩溶热储的发育提供了良好的物质基础。溶蚀作用包括准同生溶蚀、表生溶蚀和埋藏溶蚀3种类型, 是储集层发育最重要的建设性成岩作用。表生溶蚀对岩溶储集层物性的改善有着决定性作用; 埋藏溶蚀多沿裂缝发育, 对储集层改造作用有限; 准同生溶蚀在早期形成的孔隙易被后期的成岩作用充填破坏, 对储集层发育贡献较小。

综合构造演化、有利沉积相带分布、成岩作用、古地貌恢复和裂缝密度分布等条件, 将研究区划分为5类靶区。其中, Ⅰ 类靶区是研究区最有利的岩溶热储发育区, Ⅱ 类和Ⅲ 类靶区是研究区次有利的岩溶热储发育区, Ⅳ 类和Ⅴ 类靶区是研究区一般的岩溶热储发育区。

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