隋少强, 杨志波, 赵雅静, 贾艳雨, 宿宇驰, 王茜, 高飞, 季汉成, 鲍志东. (2023). 鲁西豫东地区奥陶系岩溶热储形成演化及主控因素分析* [J]. 古地理学报, 25(6): 1364-1378.
SUI Shaoqiang, YANG Zhibo, ZHAO Yajing, JIA Yanyu, SU Yuchi, WANG Xi, GAO Fei, JI Hancheng, BAO Zhidong. (2023). Evolution and main controlling factors of the Ordovician karst thermal reservoir in western Shandong-eastern Henan area[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(6): 1364-1378.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.06.094
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鲁西豫东地区奥陶系岩溶热储形成演化及主控因素分析*
隋少强1,2, 杨志波3,4, 赵雅静3,4, 贾艳雨1,2, 宿宇驰3,4, 王茜1,2, 高飞1,2, 季汉成3,4, 鲍志东3,4
1 中国石化新星(北京)新能源研究院有限公司,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 油气资源与工程全国重点实验室,中国石油大学(北京),北京 102249
4 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
通讯作者简介 杨志波, 男,1995年生,研究方向为沉积学与地热资源分析与评价研究。E-mail: 1132081603@qq.com。

第一作者简介 隋少强,男,1964年生,高级工程师,从事地热资源勘探和开发利用工作。E-mail: suishaoqiang.xxsy@sinopec.com。

收稿日期:2023-01-06 修回日期:2023-07-12
基金资助:*中国石油化工股份有限公司重点科技项目(编号: JP21005)与国家重点研发计划(编号: 2017YFC0603104,2018YFC0604304)联合资助
摘要

鲁西豫东地区奥陶系碳酸盐岩中赋存丰富的地热资源,但研究区内的热储特征及其主控因素仍不明确。综合露头、岩心、薄片、测录井等地质与地球物理资料,对奥陶系碳酸盐岩岩溶热储特征、演化过程及地热田的形成进行了深入研究。结果表明,研究区奥陶系主要储集岩性为颗粒灰岩、角砾灰岩、灰质白云岩、晶粒白云岩及硅质灰岩。凸起区残厚约500~1000 m,孔隙度均值为2.76%,凹陷区残厚约0~500 m,均值为2.22%,凸起区相较于凹陷区,残厚相对大,孔渗相对较大; 受兰聊断裂影响较为明显,“凹凸”呈环状分布; 岩溶热储经历了胶结、白云化、压实、压溶、溶蚀、充填、重结晶及构造破裂等成岩作用综合改造; 岩溶热储主要经历了早成岩期增孔(早—中奥陶世)、表生成岩期增孔(晚奥陶世—早石炭世)、中—晚埋藏期减孔(晚石炭世—早三叠世)、表生成岩期增孔(中新生代,主要发育于菏泽凸起区)4个阶段。岩性岩相、成岩作用以及构造应力控制着研究区奥陶系岩溶热储的形成演化,综合研究区地热的源—储—盖基础条件分析,明晰了研究区奥陶系岩溶热储流体循环特征,预测了地热资源量。

关键词: 鲁西豫东地区; 奥陶系; 岩溶热储; 地热田
中图分类号:P588.24+5 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)06-1364-15
Evolution and main controlling factors of the Ordovician karst thermal reservoir in western Shandong-eastern Henan area
SUI Shaoqiang1,2, YANG Zhibo3,4, ZHAO Yajing3,4, JIA Yanyu1,2, SU Yuchi3,4, WANG Xi1,2, GAO Fei1,2, JI Hancheng3,4, BAO Zhidong3,4
1 SINOPEC Star(Beijing)New Energy Research Institute Co. Ltd.,Beijing 100083,China
2 Key Laboratory of Geothermal Exploration and Utilization,SINOPEC,Beijing 100083,China
3 National Key Laboratory of Petroleum Resource and Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
4 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
About the corresponding author YANG Zhibo,born in 1995,is engaged in sedimentology and analysis and evaluation of geothermal resources. E-mail: 1132081603@qq.com.

About the first author SUI Shaoqiang,born in 1964,is a senior engineer. He is engaged in exploration and development of geothermal resources. E-mail: suishaoqiang.xxsy@sinopec.com.

Fund:Key Scientific and Technological Project of Sinopec(No. JP21005)and National Key Research and Development Program of China(Nos. 2017YFC0603104,2018YFC0604304)
Abstract

There are abundant geothermal resources in Ordovician carbonate rocks in the Western Shandong-Eastern Henan Area,but the characteristics and main controlling factors of thermal storage are still unclear. In this paper,geological and geophysical data from outcrops,cores,thin sections,and wells are integrated to investigate the characteristics of the karst thermal reservoirs,evolution processes,and formation of geothermal fields in Ordovician carbonate rocks. The results show that the main reservoir lithologies of the Ordovician in the study area are grainstone,carbonate breccia,calcareous dolostone,crystalline dolostone and siliceous limestone. The residual thickness of the uplifted area is about 500~1000 m,and the average porosity is 2.76%,whereas the residual thickness of the depression area is about 0~500 m,and the average porosity is 2.22%. Compared with the depression area,the residual thickness of the uplifted area is relatively large,and the pore penetration is relatively large;the influence of the Lanlao fracture is obvious,and the “uplift-depression”is distributed in a ring-like pattern. The karst thermal reservoirs experienced a comprehensive transformation by cementation,dolomitization,compaction,compressional solution,dissolution,filling,recrystallization,and tectonic rupture. The karst thermal reservoirs mainly underwent augmentation during the early orogenic period(early-middle Ordovician),during the epigenetic period(late Ordovician-early Carboniferous),during the middle-late burial period(late Carboniferous-early Triassic),and during the epigenetic period(middle Cenozoic,mainly developed in the Heze uplift). The lithology,diagenesis and tectonic stresses controlled the formation and evolution of the Ordovician karst thermal reservoirs in the study area. Analysis of the geothermal source-storage-cover base conditions has clarified the fluid circulation characteristics and geothermal resource prediction of the Ordovician karst thermal reservoirs in the study area.

Key words: west Shandong-eastern Henan area; Ordovician; karstic geothermal reservoir; geothermal field

地热作为一类重要的新型热能资源, 具有开采成本低、可循环利用、无污染等特点, 是中国现今“双碳”能源格局下重点的勘探资源(王贵玲等, 2017; Sun et al., 2022)。鲁西豫东地区地热资源丰富, 具有储量大、易开采及水质优等优点, 前人针对其地热资源的进行了一定的表征性研究, 多涉及地温场、地下水活动等方面(冯超臣和黄文峰, 2015; 史启朋等, 2021)。而对于区内热储的研究较为宽泛, 限于温度、水源、热源分析以及储盖划分(刘金侠等, 2017)。主要地热资源层包括新近系砂岩层和奥陶系碳酸盐岩层。后者因其储集性较好、水循环通畅、出水量较高, 为目前地热资源勘探的重点(刘春华等, 2018)。但由于研究区奥陶系地质时代较为古老, 在多期构造运动下经历了漫长且复杂的成岩作用强烈改造, 致使各个地热井间的奥陶系储层在横向上非均质性差异明显(宋明春, 2008; 季汉成等, 2016)。目前亟需厘清鲁西豫东地区奥陶系碳酸盐岩岩溶热储发育的特征, 分析其形成的主控因素, 结合研究区源—储—盖基本特征分析, 建立典型的地热田发育过程, 为后续地热资源勘探开发提供理论指导。

本研究在前人研究的基础上, 结合露头、钻井岩心、薄片与测、录井等地质与地球物理资料, 对鲁西豫东地区包括东濮凹陷和菏泽凸起2个构造单元进行研究, 明确其奥陶系碳酸盐岩岩溶热储发育特征和演化过程, 进一步对优质岩溶热储形成的主控因素进行分析, 刻画研究区地热资源形成模式, 以期为研究区热资源进一步开发利用提供有力支撑。

1 区域地质概况

鲁西豫东地区地处豫鲁交界的渤海湾盆地东南角, 总面积近1300 km2, 其北部与临清凹陷相连, 南临兰考凸起, 东部以曹县断裂为界, 西部与内黄隆起相接壤(图 1)(宋明春, 2001; 周新科和许化政, 2007)。受控于华北区域构造演化影响, 研究区历经怀远、加里东以及海西期区域性升降阶段、印支期和燕山期挤压褶皱阶段以及喜山期的拉伸断陷阶段的构造活动, 形成了现今的东濮凹陷和菏泽凸起“凹凸相间”的构造格局(马振民等, 2000; 季汉成等, 2016)。研究区内兰聊断裂主要历经晚中生代和新生代2次重要的构造活动阶段, 使研究区内部次级断裂也十分发育。东濮凹陷区主要发育NNE向断层, 如马厂断层、文西断层等(李鹏举等, 1995; 陈书平等, 2007), 菏泽凸起则受鲁西区伸展构造影响, 主要发育ES向断层, 如凫山断层、菏泽断层以及鄄城断裂等(图 1-a)(李理等, 2018)。

图 1 鲁西豫东地区区域构造及地层柱状图
1—兰聊断层; 2—三春集断层; 3—马厂断层; 4—马东断层; 5—徐东断层; 6—新东断层; 7—杜寨断层; 8—文东断层; 9—濮城断层; 10—卫东断层; 11—观城断层; 12—朱庙断层; 13—六塔断层; 14—石家集断层; 15—黄河断层; 16—文西断层; 17—长恒断层; 18—高平集断层; 19—单县断层; 20—曹县断层; 21—凫山断层; 22—菏泽断层; 23—郓城断层。a—研究区区域地质图; b—研究区奥陶系地层柱状图Fig.1 Regional tectonic geology and comprehensive stratigraphy of western Shandong-eastern Henan area

地热资源主要受源(热源、热储水源)、运(运移通道)、储(储集层)以及盖(盖层)等因素的影响(汪集旸和邱楠生, 1992; 汪集旸等, 1996; 王龙平等, 2022; 王迎春等, 2022)。前人对于研究区内地热资源的源、运和盖都进行了较为深入的研究探索(康凤新等, 2010; 刘金侠等, 2017)。热源主要为深部地幔热源, 通过地壳热对流传导及深部热水沿断裂带上涌传递(王奎峰, 2009)。研究区地下水主要补给来源为鲁西中部泰山隆起周缘的大气降水和西部内黄隆起区大气淡水, 通过断裂、不整合面以及幕式岩溶带垂向、侧向运移流通, 途经凸起区, 进一步向深部储集层运移(王福花等, 2008; 张保健, 2011; 刘金侠等, 2017)。研究区内热储主要分为砂岩热储(如凹陷内明化镇组、馆陶组砂岩)和碳酸盐岩热储(寒武系—奥陶系), 而且后者是今后地热资源开发最具潜力的单元, 因为其上覆的中生界至新生界盖层沉积, 具有良好的保温隔热效果(冯守涛等, 2013; 陶焰, 2014; 马龙和冯超臣, 2015)。

在奥陶纪, 研究区位于华北地台的中东部, 为陆表海碳酸盐岩台地沉积, 沉积厚度近千米(冯增昭, 1977, 1986; 马学平等, 1998; 林玉祥等, 2016)。奥陶纪晚期, 在加里东构造运动的影响下, 华北地台经历了多期的构造抬升和大气淡水淋滤剥蚀, 研究区内缺失上奥陶统至下石炭统。因此中奥陶统顶部发育的岩溶风化壳与上覆石炭系—二叠系的海陆过渡含煤碎屑岩沉积层之间具有平行不整合接触关系(刘波等, 1997)。随之受印支、喜山运动继续影响, 研究区进一步遭受挤压褶皱导致的抬升剥蚀和伸展裂陷导致的沉积充填, 导致凸起区内中奥陶统顶部与上部中、新生界沉积地层为角度不整合接触。这使得凹陷区、凸起区的奥陶系顶面埋深相差上千米(凹陷区埋深均大于3000 m, 凸起区均为1000多米)。奥陶系从下至上依次为亮甲山组、冶里组、马家沟组(东黄山段、北庵庄段、土峪段、五阳段)、峰峰组(阁庄段、八陡段)(图 1-b)。

2 岩溶热储特征
2.1 岩石学特征

结合前人研究, 依据研究区的12口钻井岩心观察和144张薄片分析鉴定结果, 研究区奥陶系岩石类型主要有灰岩、白云岩和硬石膏岩3大类(图 2)。其中岩溶热储主要岩石类型包括颗粒灰岩、云质灰岩、晶粒白云岩等。

图 2 鲁西豫东地区奥陶系碳酸盐岩岩石类型
a—灰黑色竹叶状灰岩, 竹叶状颗粒呈现灰黑色, 高1井, 1367.8 m, 亮甲山组; b—灰黑色砂屑灰岩, 发育一定的纹层结构, 且顺层溶蚀孔较为发育(图中箭头方向), 高1井, 1364 m, 亮甲山组; c—生屑灰岩, 生屑骨骼孔, 方解石充填(图中箭头方向), 毛4井, 2587.19 m, 峰峰组上, 单偏光; d—晶粒白云岩, 马古1井, 3782 m, 亮甲山组; e—云斑灰岩, 构造微裂缝发育(图中箭头方向), 毛4井, 2590 m, 峰峰组上, 正交光; f—晶粒白云岩, 构造溶蚀缝发育(图中箭头方向), 毛4井, 2583.7 m, 峰峰组上; g—灰黑色构造岩溶角砾灰岩, 溶蚀作用较弱, 呈棱角状角砾(图中箭头方向), 毛4井, 3067.5 m, 下马上; h—灰白色含膏灰岩, 溶蚀微裂缝发育(图中箭头方向), 毛4井, 3100 m, 下马上; i—灰白色构造岩溶角砾灰岩, 溶蚀作用较强, 角砾呈现次棱角状(图中箭头方向), 高1井, 1132 m, 峰峰组上Fig.2 Carbonate rock types of the Ordovician in western Shandong-eastern Henan area

1)颗粒灰岩。岩心手表本多呈现灰黑色, 中厚层块状、层状, 颗粒含量大于60%, 亮晶、泥晶胶结, 颗粒多为内碎屑(竹叶状砾屑(图 2-a)、砂屑(图 2-b)及构造岩溶角砾(图 2-g, 2-i))、生物碎屑(图 2-c)。其中, 多受多期次的构造破裂作用影响, 研究区奥陶系马家沟组顶部存在区域性的岩溶风化壳层(季汉成等, 2016), 埋藏过程中, 在一些构造应力阈值区发生破碎坍塌溶蚀, 形成构造角砾灰岩或溶蚀角砾灰岩。部分角砾磨圆较差, 呈现棱角状(图 2-g), 部分岩溶角砾灰岩受溶蚀作用强烈, 磨圆度较高(图 2-i), 呈现次棱角状。

2)云质灰岩。多呈现为云斑灰岩(图 2-e), 块状结构, 岩心上呈灰黑色, 云质呈现灰白色斑状分布, 多沿裂缝呈云团状分布, 区域上分布受微裂缝发育控制。

3)晶粒白云岩。主要以粉晶白云岩、细晶白云岩为主, 泥晶白云岩相对较少, 白云石含量大于90%, 多为灰白色, 白云石呈现自形—半自形镶嵌状分布(图 2-d)。多发育于研究区潮上带, 以蒸发、回流渗透白云化作用为主, 后期埋藏发生重结晶作用。

2.2 储集空间特征

通过岩心以及测井资料分析, 研究区奥陶系碳酸盐岩热储储集空间主要分为孔、裂缝、溶洞3种类型。

1)孔。 主要包括分布于研究区内的颗粒灰岩中的粒间孔(图 3-a)、晶粒白云岩中的溶蚀孔(图 3-b)和晶间孔(图 3-c), 分布相对广泛, 部分被亮晶方解石所充填。

图 3 鲁西豫东地区奥陶系碳酸盐岩储集空间类型
a—粒间孔(图中箭头方向), 鲕粒灰岩, 黄古1井, 2194 m, 下马上, 单偏光; b—溶蚀孔, 粉晶白云岩, 毛4井, 2580.45 m, 峰峰组上, 单偏光; c—晶间孔, 晶粒云岩, ×1400, 龙古2井, 1284.0 m, 峰峰组下; d—高角度缝(黄色箭头方向), 泥粉晶白云岩, 含膏质, 范古2井, 2906 m, 峰峰组下; e—构造缝(图中箭头方向), 生屑灰岩, 毛4井, 2592.5 m, 峰峰组上, 单偏光; f—构造—溶蚀缝, 方解石、沥青质充填, 毛4井, 2731.5 m, 峰峰组下; g—缝合线, 沥青质充填(图中箭头方向), 晶粒灰岩, 毛4井, 2587.19 m, 峰峰组上, 单偏光; h—溶蚀洞, 风化壳作用, 高1井, 1441 m, 下马上Fig.3 Reservoir space types of the Ordovician carbonate rocks in western Shandong-eastern Henan area

2)裂缝。 研究区奥陶系碳酸盐岩岩心及镜下多见高角度缝(图 3-d)和多组裂缝形成的交叉缝(图 3-e)。根据成因, 主要分为构造缝、溶蚀缝。构造缝的主要特点是较为平直光滑、宽窄较为均一(图 3-e); 溶蚀缝则呈现出凹凸不平、缝距变化较大的特征, 具有明显的溶蚀现象(图 3-f)。埋藏压溶形成的溶蚀缝合线多被泥质或沥青质充填(图 3-g)。

3)溶洞。 基于钻、录井, 在奥陶系碳酸盐岩中出现了钻头放空、钻时减小以及大量的钻井液漏失等现象(图 9)。岩心上发育溶蚀孔洞, 直径0.2~10 cm, 多在基质上呈蜂窝状或沿溶蚀缝串珠状分布, 部分被晶型较好的方解石充填或半充填(图 3-h)及被有机质充填(图 3-f)。

2.3 储集层物性特征

通过对研究区奥陶系钻井的103块岩心样品进行物性实测分析(表 1)表明, 凸起区的孔隙度范围为1.60%~4.25%, 均值为2.76%; 渗透率范围为(0.26~6.51)×10-3 μm2, 均值为2.02×10-3 μm2。凹陷区的孔隙度范围为1.4%~2.68%, 均值为2.22%; 渗透率范围为(0.04~5.38)×10-3 μm2, 均值为2.48×10-3 μm2。整体上表现出凸起区孔隙度相对较高, 渗透率均值相对低, 但非均质性较强的特点。

表 1 鲁西豫东地区不同构造单元奥陶系碳酸盐岩储集物性统计 Table 1 Reservoir physical properties of the Ordovician carbonate rocks in different structural units in western Shandong-eastern Henan area

研究区奥陶系碳酸盐岩残余厚度(图 4)及孔隙度的平面展布(图 5), 显示出研究区奥陶系碳酸盐岩整体上东厚西薄, 孔隙度东高西低, 顺着兰聊断裂带地层厚度及孔隙度出现“凹凸”环状分布, 存在着较强的非均质性。这一方面表明兰聊断裂活动所造成溶蚀作用和构造裂缝对于研究区储层物性起着重要的控制作用, 另一方面, 结合后文中研究区构造演化过程, 说明凸起区较凹陷区后期沉积后期构造演化。

图 4 鲁西豫东地区奥陶系碳酸盐岩残余厚度Fig.4 Residual thickness map of the Ordovician carbonate rocks in western Shandong-eastern Henan area

图 5 鲁西豫东地区奥陶系碳酸盐岩孔隙度分布Fig.5 Porosity distribution of the Ordovician carbonate rocks in western Shandong-eastern Henan area

3 岩溶热储的发育演化

结合区域构造演化、岩心和薄片等地质资料, 对研究区奥陶系碳酸盐岩的成岩作用综合研究分析, 结果表明研究区成岩作用较为复杂, 先后经历了胶结、白云岩化、压实、压溶、溶蚀及重结晶等成岩作用和构造破裂作用, 综合控制着研究区热储孔隙的演化。不同成岩作用的作用时期略有不同, 研究区奥陶系岩溶热储的成岩演化可总结为4个阶段, 分别为早成岩阶段(早—中奥陶世)、表生成岩阶段(晚奥陶世—早石炭世)、中—晚成岩阶段(晚石炭世—早三叠世)及表生成岩阶段(中新生代, 主要发育于菏泽凸起区)(图 6)。

图 6 鲁西豫东地区奥陶系碳酸盐岩岩溶热储演化过程Fig.6 Evolution process of the Ordovician carbonate rock karst thermal reservoir in western Shandong-eastern Henan area

早成岩阶段(早—中奥陶世), 该沉积阶段主要是残余孔隙生成和初步保存阶段。早期的碳酸盐岩沉积后, 原始孔隙度高达40%左右, 随早期海水纤维状胶结物、压实等, 使得原始孔隙得以充填, 孔隙度下降至5%以下(Moore and Wade, 2013)。早成岩阶段的早期海水纤维状胶结物既是该时期成岩作用的一个典型特征, 同时也增强了碳酸盐岩的抗压性, 有利于残余孔隙的保存。

中—晚成岩阶段(晚石炭世—早三叠世), 加里东运动结束后, 研究区整体进入沉降阶段, 奥陶系碳酸盐岩埋入地下, 储集层开始经历胶结、充填及重结晶等破坏性成岩作用, 孔隙度迅速下降到5%以下(季汉成等, 2016)。但同时, 随着埋深加大、温度逐渐增高, 有机酸生成并混合着地下流体沿着断层的运移和流通, 在局部地区发生溶蚀, 产生埋藏溶蚀现象, 使得储集层孔隙度略有上升。

表生成岩阶段(晚奥陶世—早石炭世和中新生代, 主要发育于菏泽凸起区), 主要分为2期: Ⅰ 期主要为晚奥陶世—早石炭世, 研究区经历了加里东构造运动后整体抬升, 遭受风化剥蚀和大气淡水淋滤, 使得研究区缺失志留系—泥盆系沉积, 发生了溶蚀溶蚀为主的成岩作用(刘波等, 1997)。奥陶系顶部发生较强的岩溶作用, 形成一套岩溶风化壳, 孔隙度上升至10%左右(季汉成等, 2016)。Ⅱ期主要为晚燕山期, 兰聊断裂带开始活动, 拉张作用导致西侧开始凹陷, 东侧相对隆升, 暴露地表, 使得石炭系—二叠系地层遭受剥蚀(王明健等, 2012)。从而导致奥陶系碳酸盐岩遭受地表大气淡水溶蚀, 孔隙度相较于凹陷区整体有所增加, 上升约2%, 同时凸起区成为有效储集层的同时, 也成为主要水源输入窗口。2期的表生岩溶作用是研究区岩溶热储形成过程中重要的建设性成岩作用, 使得研究区的储集物性都有了较大的改善。

4 岩溶热储的主控因素

研究表明研究区地热资源主要为水热型地热, 热传递的主要载体为地下热水, 也是研究区碳酸盐岩岩溶热储储集的主要对象, 与传统岩溶型油气储集体相似(康凤新等, 2010; 刘金侠等, 2017)。因此, 根据研究区奥陶系碳酸盐岩岩溶热储的成岩演化过程分析, 认为优势岩溶热储的形成发育主要受岩性岩相、成岩作用以及构造应力控制作用。

4.1 岩性及岩相对热储发育的影响

前人对于研究区的不同岩石类型的物性进行了大量的分析测试, 表明白云岩类储集层孔渗好于石灰岩类, 云质灰岩作为云化过程的过渡岩石类型, 其孔渗发育最优(季汉成等, 2016; 肖箐等, 2016)。早古生代, 华北板块处于平稳时期, 大规模的海侵条件下形成了一个相对统一且稳定的大型陆表海碳酸盐岩台地(冯增昭等, 1989; 徐学蓓, 2010)。根据研究区的岩石学特征分析, 研究区奥陶系主要发育潮坪(灰云坪、云灰坪、云坪和膏云坪)、颗粒滩和滩间海等沉积相带(图 7)。

图 7 鲁西豫东地区奥陶系碳酸盐岩沉积模式Fig.7 Sedimentary pattern of the Ordovician carbonate rocks in western Shandong-eastern Henan area

潮坪主要以灰质白云岩、白云岩、含膏白云岩及藻白云岩沉积为主, 潮上、潮下带泥晶白云岩、泥晶灰岩较为发育, 原始储集孔洞不发育, 但含较易溶膏盐物质, 潮间带则多发于鲕粒灰岩、砂屑灰岩等, 原始孔隙较为发育。颗粒滩以颗粒灰岩为主, 粒间孔较为发育。潮坪与颗粒滩在沉积时期受海平面波动影响较为强烈, 易形成早期原始孔隙, 后期构造抬活动抬升至地表环境, 更易接受淡水淋滤作用, 形成较好的储集层。滩间海则为泥晶灰岩, 长期位于水下, 原生孔隙较少, 成岩抬升后的溶蚀作用相对较弱, 储集物性整体较差。

4.2 成岩作用对热储发育的影响

通过成岩演化分析, 研究区奥陶系碳酸盐岩岩溶热储的主要建设性成岩作用为溶蚀作用, 进一步分为准同生溶蚀、表生溶蚀及埋藏溶蚀3类溶蚀作用(表 2)。下面分别探讨不同类型岩溶作用对研究区奥陶系碳酸盐岩岩溶热储的改造作用。

表 2 鲁西豫东地区奥陶系古岩溶类型及识别特征 Table 2 Types and characteristics of paleokarst within the Ordovician in western Shandong-eastern Henan area

准同生溶蚀作用是指在次级沉积旋回和海平面变化的控制下, 在潮坪沉积体系中, 岩石出露地表或处于淡水透镜体环境下, 与准同生期大气淡水相互作用, 受到含CO2的大气淡水的淋滤, 选择性溶蚀生物格架丝状体和早期粒间不稳定矿物的过程(Pope and Read, 1998; 鲍志东等, 2006; 谭秀成等, 2015, 肖笛等, 2015)。研究区奥陶系碳酸盐岩准同生溶蚀作用特征为岩心上发育小型针状、蜂窝状溶孔, 部分呈现出顺层溶蚀, 溶蚀孔直径在(1~10 mm)(图 8-a)。镜下可见选择性溶蚀作用下的铸模孔、粒间孔以及格架孔(图 8-d), 主要形成于高能环境带下的颗粒滩等沉积环境; 可见鸟眼孔、膏模孔等(图 8-b, 8-c), 主要发育于潮坪环境中。

图 8 鲁西豫东地区奥陶系碳酸盐岩准同生与表生岩溶特征
a—生屑灰岩, 针状溶蚀孔, 明古1井, 3482.0 m; b—泥晶灰岩, 膏质铸模孔, 东古1井, 2403 m, 单偏光; c—灰质白云岩, 粒间溶孔, 黄古1井, 2200.5 m, 单偏光; d—生屑灰岩, 格架孔, 马古6井, 3099.66 m, 单偏光; e—岩溶角砾风化壳, 高1井, 1130.57 m; f—溶蚀微裂缝, 龙古3井, 1652.5 m, 峰峰组上段Fig.8 Characteristics of penecontemporaneous and supergene karst of the Ordovician carbonate rocks in western Shandong-eastern Henan area

表生岩溶作用指沉积储集层经历多期构造抬升, 使其遭受漫长的风化剥蚀及大气淡水淋滤作用, 从而形成一套发育良好的风化壳储集层(陈景山等, 2007; 季汉成等, 2016)。受区域应力, 研究区奥陶系碳酸盐岩岩溶热储风化壳主要发育2期, 形成了2个不整合面, 分别为下奥陶统亮甲山组顶部和中奥陶统顶部(刘波等, 1999)。岩心上表现为灰黄色岩溶角砾灰岩(图 8-e)和伴生微裂缝(图 8-f); 同时, 多口钻井在完钻过程中出现了钻井液漏失、钻具放空等现象, 为大型缝洞体的表现, 凸起区的钻井液漏失量远大于凹陷区(图 9)。

图 9 鲁西豫东地区奥陶系碳酸盐岩钻井漏失统计Fig.9 Statistics of drilling leakage in the Ordovician carbonate rocks in western Shandong-eastern Henan area

埋藏溶蚀是指埋藏过程中, 流体沿着前期未完全充填的断裂、裂缝以及缝合线进一步扩溶(季汉成等, 2016)。晚石炭世, 研究区奥陶系碳酸盐岩整体进入一个相对沉降, 封闭还原的成岩环境。随着埋深加大, 碳酸盐岩储集层间流体温度及压力逐渐增大, 埋藏溶蚀作用开始对储集层进行改造, 主要以裂缝扩容和硅质热液侵染为主。研究区奥陶系碳酸盐岩埋藏溶蚀的主要特征包括: 岩心上见碳酸盐岩的硅化作用(图 10-a)、顺层溶蚀缝(图 10-b), 镜下可见泥晶灰岩构造—溶蚀缝发育, 后期有机质充填(图 10-c)以及埋藏压溶缝合线(图 10-d)。

图 10 鲁西豫东地区奥陶系碳酸盐岩埋藏溶蚀特征
a—硅质灰岩, 硅质热液流体沿裂缝侵入, 碳酸盐岩硅化, 龙古3井, 2329.8 m; b—角砾灰岩, 发育X型裂缝, 硅质充填, 范古2井, 2906.54 m; c—泥晶灰岩, 沿裂缝发育溶蚀阔缝, 有机质充填, 马古5井, 3356.50 m, 正交光; d—泥晶灰岩, 埋藏压溶, 溶蚀缝合线发育, 文古1井, 4799.38 m, 单偏光Fig.10 Burial dissolution of the Ordovician carbonate rocks in western Shandong-eastern Henan area

埋藏溶蚀的主要流体通道是前期未完全充填的断裂、裂缝以及缝合线(赵国祥等, 2016; 鲁凯等, 2019)。研究区的构造分区主要为菏泽凸起和东濮凹陷, 凸起区流体主要为大气降水流入埋藏环境后经过升温的酸性热水, 凹陷区是油气区, 地下流体主要以酸性热水和有机酸为主。这些酸性热流沿着断层、裂缝运移, 并对其进行溶蚀扩容, 进而改善碳酸盐岩岩溶热储的储集物性。因此, 断裂带和裂缝发育区是埋藏溶蚀发育的最有利区带。

4.3 构造应力对热储发育的影响

自古生代以来, 位于华北地台中部的鲁西豫东地区主要经历了怀远、加里东、印支—燕山和喜山等多期构造运动的综合改造作用, 前人研究表明研究区内的裂缝发育程度受印支、燕山及喜山3期裂缝的叠合影响(Feng et al., 2021; 徐聪等, 2021)。印支期, 研究区主要受近NS向的挤压应力, 形成了近NW和NNE向的裂缝。燕山期处于左旋压扭性的应力场环境, 形成大量的NW向控凹断层和NWW-SEE、E-W向裂缝。喜山期, 研究区受NW向拉伸及NE向挤压, 产生了大量的NE、EW向裂缝(李三忠, 2004; 胡秋媛, 2018)。结合研究区地震剖面演化(图 11), 对研究区内位于兰聊断裂上升盘上的SCGJ3井奥陶系碳酸盐岩电测井曲线进行解释, 划分出3类裂隙发育储集层段, 其中Ⅰ 类裂缝4层, 共计32.4 m; Ⅱ类裂缝8层, 共计58.3 m; Ⅲ 类裂缝9层, 共计64.9 m(图 12)。结合凸起区的钻井漏失量明显高于凹陷区的现象, 认为构造应力对储集层的改善具有一定的贡献。

图 11 鲁西豫东地区构造剖面演化(据陈书平等, 2007)Fig.11 Evolution of structural section in western Shandong-eastern Henan area(after Chen et al., 2007)

图 12 鲁西豫东地区SCGJ3井裂隙解释Fig.12 Fracture explanation of Well SCGJ3 in western Shandong-eastern Henan area

5 岩溶热储勘探潜景
5.1 岩溶热储循环模式

依据地热田形成的基本要素, 除了精细刻画岩溶热储的发育特征外, 结合研究区的热源及盖层的分析, 最终得出研究区的岩溶热储流体循环模式(图 13)。

图 13 鲁西豫东地区典型地热资源循环模式(剖面位置见图 1)Fig.13 Circulation pattern of typical geothermal resources in western Shandong-eastern Henan area(profile location in Fig.1)

研究区基底多为太古宙变质岩, 具有一定的放射性生热, 深部幔热供给为地热田形成提供了一定的壳源热源(王奎峰, 2009)。主要水源补给区为鲁中隆起山区与西边的太行山山区, 两地山前均有大规模奥陶系出露, 使得山区间汇聚的大气降水通过裸露的地层, 沿层间径流对研究区进行补给(张保健, 2011; 刘金侠等, 2017)。矿化度呈现出以兰聊断裂为聚集中心、两侧向中心矿化度数值逐渐增大(王福花等, 2008; 刘金侠等, 2017), 表明兰聊断裂附近是主要的汇水区。奥陶系岩溶热储除了具有良好的孔、缝和洞热储空间外, 顶部与层内还发育不同程度的岩溶风化壳, 为地下水的流动和混合提供了较好的渗流通道和储集空间。奥陶系碳酸盐岩之上一般为石炭系—二叠系泥岩、粉砂岩, 以及新近系和第四系近千米的松散岩层(马龙, 2015), 具有较好的隔温效果。

5.2 地热资源量计算

前人研究表明, 热储的热量主要包括岩石中储存的热量和热水中储存的热量(冯超臣等, 2015)。本次地热资源计算采用的是“热储法(体积法)”, 具体公式如下:

Q=C·A·H·(Ti-Tj)C=ρr·Cr·(1-φ)+ρw·Cw·φ

公式中: Q为地热资源总量, J; A为热储面积, m2; H为热储厚度, m; Ti为热储层温度, ℃; Tj为基准温度, ℃; C为热储层平均比热, J/(m3· ℃); ρ r、ρ w分别为岩石和水的密度, kg/m3; Cr、Cw分别为岩石和水的比热容, J/(m3· ℃); φ 为岩石的孔隙度。研究区以SCGJ3井为例, 选取相关参数为:热储平均温度65℃, 基准温度15℃, 研究区面积、厚度及孔隙度参照图 5。由此可以计算出研究区奥陶系碳酸盐岩地热资源约为4.84×1018 kJ, 折合标准煤165亿吨。

6 结论

1)鲁西豫东地区奥陶系岩溶热储岩石类型包括颗粒灰岩、灰质白云岩、晶粒白云岩等3大类, 储集空间类型主要为孔、裂缝及溶洞。平面上奥陶系碳酸盐岩表现为残余厚度东厚西薄、孔隙度东高西低的特征。不同构造单元的热储物性具有一定的差异性, 凸起区孔隙度(均值2.76%)相对凹陷区(均值2.22%)高。

2)研究区热储主要经历了准同生溶蚀、表生溶蚀、埋藏溶蚀3类建设性成岩作用, 与胶结、压实、压溶、充填和重结晶等多种破坏性成岩作用。成岩演化包括早成岩阶段(早奥陶世—中奥陶世: 残余原始孔隙生成保存阶段)、中—晚成岩阶段(晚石炭世—早三叠世: 孔隙度快速下降期)、表生成岩阶段(晚奥陶世—早石炭世、中新生代: 主要溶蚀增孔期)3个阶段。热储的形成主要受控于岩性与岩相、成岩作用和构造应力。颗粒滩和潮间带则提供了良好的物质基础。准同生溶蚀、表生溶蚀和埋藏溶蚀是储集层发育最重要的建设性成岩作用。

3)研究区热源主为幔热源和壳源(变质岩放射性热源), 水源主要为研究区东侧隆起大气淡水淋滤向西逐渐下侵, 构造活动断裂带和岩溶风化壳是主要的热水通道, 中—新生代碎屑岩沉积盖层厚度范围较大, 隔温效果好, 地热资源量约为4.84×1018 kJ, 折合标准煤约165亿吨。具有巨大的勘探前景。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 陈吉涛)

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