川中地区栖霞–茅口组地热资源评价探讨_张禄权.pdf

张禄权，左银辉，孙义高，等，2023.川中地区栖霞茅口组地热资源评价探讨J.沉积与特提斯地质，43(2)：261270.doi:10.19826/ki.1009-3850.2023.05008ZHANG L Q，ZUO Y H，SUN Y G，et al.，2023.Geothermal Resource Evaluation of the Middle Permian Qixia-Maokou Formation in the Central Sichuan Basin,ChinaJ.Sedimentary Geology and Tethyan Geology，43(2)：261270.doi:10.19826/ki.1009-3850.2023.05008川中地区栖霞茅口组地热资源评价探讨张禄权1，左银辉2*，孙义高2，郑伟1，崔龙庆2（1.中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院，四川成都610041；2.成都理工大学油气藏地质与开发工程国家重点实验室，四川成都610059）摘要：含油气盆地在勘探和开发中，拥有大量的地质、地球物理和地球化学数据，对地质构造和地热储层有着全面的认识，在地热能开发利用中具有得天独厚的优势。四川盆地作为中国重要的含油气盆地，同样富含水热型地热资，该文在收集相关资料、总结以往油气勘探成果的基础上，确定了川中地区地温梯度大部均在 24/km 以上，大地热流大部均在 60mW/m2以上，为四川盆地相对高值异常区。考虑到热储温度及埋深是地热开发是否具有经济效益的重要因素，重点选择埋深相对较浅（3 0006 000 m）、热储温度相对较高（65155）和热储相对较厚（280380 m）的川中地区栖霞-茅口组热储进行地热资源潜力评价。研究中，基于盆地地层参数建立三维地质模型，结合现今地温场、岩石热物性参数，利用一维稳态热传导方程计算得到栖霞-茅口组内部温度分布，最后利用体积法计算得到栖霞-茅口组的地热资源强度和资源量。研究表明，川中地区栖霞-茅口组热储温度为 65155，地热资源总量为 3.011021 J，折合标准煤 1 030.25 亿吨；可开采地热资源量 2.031020 J，折合标准煤 206.5 亿吨。且根据川中地区地热资源特征，提出了优先以研究区中东部为中心开展中低温地热发电、地热干燥、地热农业等综合开发利用和地热梯级利用示范工程的建议，为未来的油气废弃井的二次利用及油田地热开发打下基础。关键词：川中地区；栖霞-茅口组；热储特征；体积法；地热资源评价中图分类号：P314 文献标识码：AGeothermal Resource Evaluation of the Middle Permian Qixia-MaokouFormation in the Central Sichuan Basin,ChinaZHANG Luquan1，ZUO Yinhui2*，SUN Yigao2，ZHENG Wei1，CUI Longqing2（1.Exploration and Development Research Institute,PetroChina Southwest Oil&Gas field Company,Chengdu 610041,China；2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China）Abstract：In the exploration and development of petroliferous basins,there are a large number of geological,geophysical,andgeochemical data.They comprehensively understand the geological structure and geothermal reservoirs and have unique advantagesin developing and utilizing geothermal energy.As an important petroliferous basin in China,Sichuan Basin is also rich inhydrothermal geothermal resources.Based on collecting relevant data and summarizing previous oil and gas exploration results,it is 收稿日期：2022-11-10；改回日期：2023-04-09；责任编辑：黄春梅；科学编辑：崔晓庄作者简介：张禄权（1989），男，工程师。主要从事油气田及地热开发方面的研究。E-mail：通讯作者：左银辉（1980），男，教授。主要从事地热地质与石油地质方面的研究。E-mail：资助项目：国家自然科学基金开采过程多场时空演变规律与流动调控方法（52192622）；成都理工大学研究生拔尖创新人才培育项目川南地区岩石圈热结构与地热资源效应（CDUT2022BJCX003）第 43 卷 第 2 期 Vol.43 No.22023 年 6 月沉 积 与 特 提 斯 地 质 Sedimentary Geology and Tethyan GeologyJun.2023determined that most of the geothermal gradients in the Central Sichuan Basin are above 24 C/km and most of the terrestrial heatflow is above 60 mW/m2,which is a relatively high-value anomaly area in Sichuan Basin.Considering that the geothermal reservoirtemperature and buried depth are important factors for the economic benefits of geothermal development,the geothermal reservoir ofQixia-Maokou Formation in central Sichuan Basin with relatively shallow buried depth(3 000 6 000 m),relatively high geothermalreservoir temperature(65 155 C)and relatively thick geothermal reservoir(280 380 m)is selected to evaluate the potential ofgeothermal resources.In the study,a three-dimensional geological model is established by using different strata thickness parameters.Combined with the current geothermal field and rock thermal physical parameters,the temperature distribution in the middle of theQixia-Maokou Formation is calculated by using a one-dimensional steady-state heat conduction equation.Finally,the geothermalresource intensity and resource quantity of the Qixia-Maokou Formation are calculated by using the volume method.The resultsshow that the geothermal reservoir temperature of the Qixia-Maokou Formation in central Sichuan is 65 155 C,and the totalgeothermal resource is 3.01 1021 J,equivalent to 103.025 billion tons of standard coal.Exploitable geothermal resources 2.03 1020J,equivalent to 20.65 billion tons of standard coal.According to the characteristics of geothermal resources in the Central SichuanBasin,it is proposed to give priority to the central and eastern parts of the study area to carry out comprehensive development andutilization of medium and low-temperature geothermal power generation,geothermal drying,geothermal agriculture,and geothermalcascade utilization demonstration projects,laying the foundation for the secondary utilization of abandoned oil and gas wells andgeothermal development in oil fields in the future.Key words：Central Sichuan Basin；Qixia-Maokou Formation；Thermal reservoir characteristics；volume method；geothermalresource evaluation 0引言地热能是一种清洁无污染、绿色低碳的可再生能源，它具有分布广，储量大，低碳环保，可持续开采等特点，其大规模开发利用是应对全球气候变化和节能减排，实现中国“2030 碳达峰、2060 碳中和”（简称“双碳战略”）目标的重要路径之一（汪集暘等,2019;王贵玲和陆川,2022）。我国沉积盆地地热资源极其丰富，资源总量折合标准煤高达 10 600 亿吨，是地热开发的重要潜力区（王贵玲和陆川,2022）。其在油气勘探和开发中，不但拥有丰富的地质与开发数据、成熟的钻完井技术和储层压裂改造技术，且有成千上万口可以通过改造变成地热井的废停井，在地热能开发利用中具有得天独厚的优势（Wang et al.,2018;赵铭海等,2015）。国内以环渤海湾盆地丰富的地热资源为基础，成功打造的以政府主导、政企合作、技术先进、环境友好、造福百姓为特点的“雄县模式”，已成为国际上地热供暖利用的典范（庞忠和等,2017）。四川盆地作为中国重要的含油气盆地，同样富含水热型地热资源（Wang et al.,2016;Zhu et al.,2022）。作为我国重要的天然气生产基地，四川盆地不但拥有丰富的地质、钻井、测井、地震、重磁等基础资料，且具有良好的地热资源背景和多种地热系统类型，4 000 m 以浅的中低温地热资源折合准煤高达 3 280 亿吨，可开采量折合标准煤 5.44 亿吨，为各大中型沉积盆之首（王贵玲等,2017）。近年来已有多位学者在对中国主要沉积盆地或含油气盆地进行地热资源评价时对四川盆地地热资源量进行了评价。但在以往对四川盆地进行地热资源评价中，因资料掌握程度和评价精度不同，计算结果存在较大差异，且多为浅部储层的概括性和整体性评价，缺少对盆地主要热储的地热资源分布状况的研究（Lin et al.,2013;Wang et al.,2019;王贵玲等,2011;王贵玲等,2017）。随着川中地区的油气勘探开展，川中地区所积累的大量详细地质及水化学资料，为该地区的地热资源评价提供重要的数据支撑（Liu et al.,2018;Templeton et al.,2014）。根据四川盆地现有 1 508口废弃油气出水量及温度数据分析来看，栖霞-茅口组无论目前产水量还是累计产水量均远高于其他热储，目前产水量及温度最适宜开发利用；同时考虑热储温度及埋深是地热开发是否具有经济效益的重要因素（Kurek et al.,2021;Singh et al.,2016），此次重点选择地温梯度及大地热流相对高值异常区，埋深相对较浅（3 0006 000 m）、热储温度相对较高（65155）和热储相对较厚（280380 m）的川中地区栖霞-茅口组热储进行地热资源潜力及展 262沉积与特提斯地质（2）布评价，并根据地质资源特征提出合理的地热资源开发利用方案。1区域地质特征 1.1地质概况四川盆地位于扬子地台西北缘，面积约 2.3105 km2，被龙门山、大巴山、米仓山等山系环绕，是一个由克拉通盆地逐渐演化成前陆盆地的海相叠合盆地（罗改等,2021）。受扬子地块、华北地块、松潘-甘孜地块构造应力场作用，盆地主要经历了晋宁运动、澄江运动、桐湾运动、加里东运动、云南运动、东吴运动、印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动的构造改造。在经历了晋宁-澄江运动、加里东运动和海西运动等一系列构造运动的水平侧向、扭力挤压后，于印支期由海盆转变为陆盆，形成了四川盆地的早期雏形，后经燕山运动、喜马拉雅运动全面褶皱，形成现今构造地貌（拓明明,2020）。从盆地内部来看，四川盆地主要划分了 6个次一级构造单元，分别是川西低隆褶带、川北低平褶皱带、川中平缓褶皱带、川东高陡褶皱带、川西南低陡褶皱带以及川南低陡褶皱带（图 1）。川中地区即为四川盆地川中平缓褶皱带，位于西部龙门山冲断推覆带和东部华蓥山褶皱带及北边大巴山冲断褶皱带之间的地势平缓区域（Dai etal.,2017），主要发育构造为南充构造。研究区基底岩层为太古界-下元古界的结晶基底。基底之上的沉积盖层由震旦系至侏罗系组成，受加里东时期构造隆升运动影响，研究区泥盆系及石炭系缺失，志留系及部分中上奥陶统剥蚀严重（图 2）。基底之上自下而上主要发育有下二叠统栖霞-茅口组、下三叠统飞仙关组、下三叠统嘉陵江组、中三叠统雷口坡组、上三叠统须家河组和侏罗系 6 套热储。1.2现今地温场特征基于大量的测温数据和岩石热物理测试数据，截止到目前为止四川盆地现有大地热流汇编数据85 个（Jiang et al.,2019），其中 A 类数据仅 35 个，占比 41.2%，低于目前全国的热流数据库中 A 类数据占比 49.3%。四川盆地现今地温梯度为 17.733.4/km，平均 22.7/km（Xu et al.,2011），为低-中温型地温梯度区（图 3）；大地热流值介于 35.4 图 1四川盆地构造单元划分Fig.1Division of tectonic units in the Sichuan Basin 2023 年（2）川中地区栖霞茅口组地热资源评价探讨263 68.8 mW/m2，平均值为 53.2 mW/m2（Xu et al.,2011;Zhu et al.,2022），为低热流背景区（图 4）。川中地区地温梯度为 2232/km，大地热流大部介于6068.8 mW/m2，为四川盆地相对高值异常区。图 2川中地区地层综合柱状图（苏桂萍,2021）Fig.2Stratigraphic column of the Central Sichuan Basin（after Su,2021)264沉积与特提斯地质（2）1.3栖霞-茅口组热储特征川中地区基底之上自下而上发育的 6 套热储除上三叠统须家河组及侏罗系为砂岩型热储外均为碳酸盐岩型热储，其中又以栖霞-茅口组热储最为典型。川中地区栖霞-茅口组岩性以灰岩、白云质灰岩为主，是由海侵-海退旋回组成的海相碳酸盐岩地层（Xiao et al.,2016）。地层埋深为 3 0006 000 m（图 5），热储厚 280380 m（图 6），岩石平均密度为 2.71103 kg/m3，孔隙度平均为 3.90%，渗透率平均为 3.3104 m2（王世兴,2016）。受二叠系沉积末东吴运动的影响（陈涛等,2022），茅口组顶部遭受剥蚀，在川中地区形成了岩溶发育较好的岩溶高地（冯许魁等,2023）。栖霞-茅口组在研究区呈层状单斜产出，厚度稳定，构造简单，隐伏断层少量发育，为典型层状热储特征。结合研究区周边钻孔资料可知，热储上覆发育为上二叠统龙潭组，厚 100170 m，岩性以泥质页岩、粉砂岩夹黑色页岩及煤层为主，构成了良好的盖层。其下伏地层为下二叠统梁山组，厚322 m，在垂向上出现含碳质页岩、砂质泥岩及粉砂岩，造就了地热水形成和赋存较为有利的热储条件（饶诗怡等,2022）。2评价方法 2.1概念模型本次地热资源评价工作主要通过利用不同热储地层厚度、孔隙度、岩性等参数建立三维地质模型，并基于 Monto Carlo 概率方法量化岩石热导率、生热率、比热容和密度等热物性参数的空间各向异性特征；利用一维稳态热传导方程模拟计算得到栖霞-茅口组内部温度分布；基于体积法计算得到 图 3四川盆地地温梯度等值线图（Xu et al.,2011）Fig.3Geothermal gradient contour map in the SichuanBasin 图 4四川盆地大地热流等值线图（Xu et al.,2011）Fig.4Heat flow contour map in the Sichuan Basin 图 5川中地区二叠统栖霞-茅口组底部埋深Fig.5Bottom burial depth of the Qixia-MaokouFormation in the Central Sichuan Basin 图 6川中地区二叠统栖霞-茅口组热储厚度Fig.6Thickness of the thermal reservoir of the Qixia-Maokou Formation in the Central Sichuan Basin 2023 年（2）川中地区栖霞茅口组地热资源评价探讨265 栖霞-茅口组的地热资源强度，并利用积分的方法将地热资源强度转变为地热资源量，实现了地热地质模型可视化和地热资源评价的自动化。四川盆地深层温度分布与大地热流具有良好的相关性，主要受大地构造和岩石圈热结构的影响（Zhu et al.,2022）。川中地区主要为基底隆起聚热型地热地质成因模式（宁金野和徐洪苗,2011），基底大地热流在向上传导过程中受地层不同导热系数的影响逐渐向川中隆起区聚集，形成了川中地区较高的区域热背景（邱楠生等,2022）。同时由于四川盆地二叠统茅口组沉积后期受东吴运动的影响整体抬升，在川中等地区形成了独特的大陆型早成岩期层控岩溶系统（Xiao et al.,2016;Yang et al.,2015;Yang et al.,2021），岩溶水十分丰富。其岩溶地下水主要在华蓥山背斜及盆地周边等海拔高的地区接受大气降水补给，在静水压力的作用下向盆地内部运移。同时由于川中地区的质纯灰岩渗透性较低，热储层埋藏较深，且补给区较远，其中也混入一部分盆地内部的沉积水（Zhao et al.,2021），故水质以 Cl-Na 型水为主，部分为 HCO3Cl-NaCa 型水。地下水在长距离运移中，不断吸收围岩的热量，现今温度达到 70 以上，逐渐形成赋存条件相对较好的中-低温型地热资源（图 7）。2.2计算方法体积法计算所得的地热资源量为该套热储岩体和水中所含全部能量，即地热能的积存量，等于热储体积、岩体温度、孔隙率和岩石与水的比热、密度之积（邱楠生等,2019）。此次评价主要是基于所建立三维地质模型，在计算热储地热资源强度（式 1）分布的基础上，利用积分的方法将地热资源强度转变为地热资源量（式 2）。其公式为：R=H(T T0)rCr(1)+wCw（1）Q=DRd（2）rwCrCw式中，R 为地热资源强度，单位为 J/m2；为岩石密度、为水的密度，单位为 kg/m3；为岩石的比热、为水的比热，单位为 J/（kgK）；H 为热储厚度，单位为 m；为岩石的孔隙度，单位为%；T 为热储温度，单位为；T0为基准温度，单位为；Q 为计算区域热储地热资源量，单位为 J；D 为计算热储分布区域。同时体积法计算地热资源时，需要明确热储的温度分布特征。故此次在建立川中地区三维地质模型的基础上，利用一维热传导方程对热储中部的温度分布进行模拟计算（式 3），并以此计算热储地热资源量，其公式为：TZ=T0+qZKAZ22K（3）式中，Tz 为深度 Z（m）处的地温，单位为；T0为当地恒温带的温度，单位为；q 为大地热流，单位为 mW/m2；K 为岩石热导率，单位为 W/（mK）；A为岩石生热率，单位为W/m3；2.3基本参数根据钻孔岩石样品测试数据，研究区热储岩石平 均 密 度为 2.71103 kg/m3，比 热 容 为 842.3J/（kgK），孔隙度为 0.10%14.16%，平均孔隙度 图 7川中地区地热成因模式Fig.7Genetic model of geothermal resources in the Central Sichuan Basin 266沉积与特提斯地质（2）为 3.90%（王世兴,2016）；岩石热导率 1.7423.246W/mK，平均为 2.91 W/mK（Xu et al.,2011）；岩石放射性生热率 0.1163.327 W/m3，平均为 0.935W/m3（Xu et al.,2011）。3结果与讨论 3.1评价结果受基底古隆起的影响，川中地区构造为南浅北深的大型缓坡构造，整体向北倾斜，除少量背斜外，主要发育低矮褶皱构造。栖霞-茅口组岩性以海相碳 酸 盐 岩 为 主，埋 深 相 对 较 浅，储 层 厚 度为280380 m。根据所建立的三维地质模型，利用一维稳态热传导方程可计算得到其顶面温度分布在65 150（图 8），底 面 温 度 分 布 在 70 155（图 9），顶底温差相对较小，平面上受基底埋深影响，除龙女寺构造附近出现温度异常外，整体随地层埋深分布表现为南低北高的特点，主要为中-低温地热资源。根据所建立的三维地质模型，基于体积法计算得到的栖霞-茅口组的地热资源强度，通过积分得到栖霞-茅口组的岩石骨架及地热流体地热资源量，其中二叠系中统栖霞-茅口组地热流体资源量为1.911020 J，折合标准煤 65.27 亿吨；岩石骨架资源量为 2.821021 J，折合标准煤 964.98 亿吨；地热资源总量为 3.011021 J，折合标准煤 1 030.25 亿吨；若回收率取 20%（中华人民共和国自然资源部,2020），可开采地热资源量 2.031020 J，折合标准煤 206.5亿吨。3.2评价结果分析根据所收集资料，在 2013 年、2017 年和 2019年不同学者分别采用体积法、热储法和单元容积法对四川盆地地热资源量进行了计算（Wang et al.,2019;蔺文静等,2013;王贵玲等,2017），计算结果分别为 7.781021 J、9.621021 J 和 4.471021 J。但是评价中存在以下主要问题：（1）仅采用温泉点数据；（2）采用平均热储参数进行计算；（3）计算热储层位或范围相差较大；导致计算结果存在较大误差，且没有对热储温度及地热资源平面分布进行刻画，很难指导实际地热开发利用。本次评价主要是针对川中地区二叠系中统栖霞-茅口组，利用四川盆地不同地层厚度、孔隙度分布、岩性等建立三维地质模型，再结合四川盆地岩石热物性参数、地温梯度和大地热流数据，可以更精准、更全面地的选取及计算热储不同点位的地热学参数，并以此计算出川中地区二叠系中统栖霞-茅口组地热资源总量为3.011021 J，与以往有所不同。在利用三维地质模型基于地热资源强度分布计算整体地热资源量的同时，探讨地热资源的形成及分布特征，为今后的勘探开发提供重要的理论依据和技术支撑。3.3地热资源潜力分级川中地区的地热资源是热传导型地热资源，其主要由地幔在相对较薄的地壳背景下来自深部地幔的大量热上涌控制（Jiang et al.,2021）。因此，川中地区的地热资源靶区优选工作应以寻找导热地热资源为目标。地热储层温度主要由岩石的地热梯度，埋藏深度和热物性质决定（汪集旸等,2015）。本文结合热储温度、热储厚度等数据制得二叠统栖霞-茅口组地热资源分布图（图 10），并根据地热 图 8川中地区二叠统栖霞-茅口组顶部温度分布Fig.8Top surface temperature distribution for the Qixia-Maokou Formation in the Central Sichuan Basin 图 9川中地区二叠统栖霞-茅口组底部温度分布Fig.9Bottom surface temperature distribution for theQixia-Maokou Formation in the Central Sichuan Basin 2023 年（2）川中地区栖霞茅口组地热资源评价探讨267 资源强度使用 ArcGIS 软件中的自然断点分级法将地热资源开发潜力由强到弱分为三级（Su et al.,2022）（表 1），首次对该地区的地热资源潜力及分布特征进行了系统研究，为今后的地热资源开发利用提供数据支持。根据分级结果可知，一级区域主要分布在研究区北部及西北少量地区，受地层埋深影响，地热资源强度为 102115 GJ/m2，地温梯度为 2223/km，大地热流为 5964 mW/m2，热储温度 135155，热储厚度为 320380 m，地热资源量为 6.871020 J，热储温度多在 130 以上，地热资源开发潜力较大。二级区域地热资源潜力相对较弱，但在研究区中部大范围分布，地热资源强度为 62102 GJ/m2，地温梯度为 2231/km，大地热流为 5667 mW/m2，热储温度 90140，热储厚度为 280380 m，地热资源量为 1.981021 J，同时受基底埋深影响，热储温度在龙女寺构造附近表现为相对高值异常区，开发利用条件相对较好。三级区域主要集中于研究区南部，地热资源强度为 3562 GJ/m2，地温梯度为 2225/km，大地热流为 5666 mW/m2，热储温度 75100，热储厚度为 280360 m，热储资源量为 3.451020 J，其热储温度多在 90 以下，但底部埋深较浅（2 6003 800 m），距威远隆起地区相对较近。为发挥其最大经济效益，应首先选择热储相对较厚（280380 m），温度较高（90140），热储埋深中等、废弃井分布较为密集的川中地区中部优先开展中低温地热发电、地热干燥、地热农业等综合开发利用和地热梯级利用示范工程，占领四川省油田地热开发利用高地，助力四川省打赢“碳中和、碳达峰”攻坚战。同时在后续工作中，我们也将根据上述川中地区栖霞-茅口组地热资源分布，结合现今地温场特征，与油气公司合作在地热田有利区域进行废弃井优选，最后指出了该地区地热勘探和 表 1川中地区地热资源潜力分级表Table 1Grading table of geothermal resource potential in the Central Sichuan Basin分级区域地热资源强度（GJ/m2）地温梯度（/km）大地热流（mW/m2）热储温度（）热储厚度（m）热储资源量（J）一级区域102222359641351553203806.871020二级区域6210222315667901402803801.981021三级区域6222255666751002803603.451020 图 10川中地区地热资源强度及潜力分级Fig.10Geothermal resources intensity distribution and grading plan the Central Sichuan Basin 268沉积与特提斯地质（2）利用的方向；在川中地区中部选择合适废弃井，开展中低温地热发电、地热干燥等示范项目。4结论（1）川中地区主要为沉积盆地型地热资源，具有层状热储特征，地温梯度为 2232/km，大地热流大部介于 6068.8 mW/m2，为四川盆地相对高值异常区。同时栖霞-茅口组埋深相对较浅，热储温度较高，岩溶系统发育，岩溶水十分丰富，是川中地区地热资源开发的优选目的层。（2）川 中 地 区 栖 霞-茅 口 组 地 热 资 源 量 为3.011021 J，折合标准煤 1 030.25 亿吨；可开采地热资源量 2.031020 J，折合标准煤 206.5 亿吨。（3）本文根据川中地区地热资源强度将其地热资源潜力分为三级，并以此提出了以西南为中心优先开展中低温地热发电、地热干燥、地热农业等综合开发利用和地热梯级利用示范工程的建议，为未来的废弃井的二次利用及油田地热资源开发打下基础。致谢：致谢：对两位匿名审稿人的建设性意见表示感谢。References Chen T，Li Z W，Li J Xi，et al.，2022.A comparative study of thecentral Sichuan paleouplift and the northwest Sichuan paleoupliftduring the Caledonian periodJ.Sedimentary Geology and TethyanGeology：1 15.Dai X，Zhang 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