1.   引言

地热系统是构成相对独立的热能储存、运移、转换的系统（汪集暘，2015；王贵玲和蔺文静，2020）。对于沉积盆地水热型地热系统，早期研究更偏重于地下热水的“补径排”，在明确水化学特征和水运移的基础上，结合“源、储、盖”建立地热系统的概念模型（孙红丽，2015；郎旭娟，2016）。近些年含油气盆地分析的研究思路被广泛应用于地热田研究（朱焕来，2011；何治亮等，2017；张英等，2017；汪新伟等，2019；曹瑛倬等，2021），该研究方法相较之前更偏重于对地质要素和内部地质作用的分析，在明确“源、储、通、盖”等地质要素特征的基础上，探讨其之间的配置关系，从而建立地热系统概念模式。

大名次凹陷早期油气勘探程度低，二维地震测线较少。其西南部的大名县冀鲁豫三省交界处，自2000年才开始开发利用地热能，整体勘探开发时间较短。截至2016年，大名县内已钻探50余口地热井，多为私人民企地热井，井网杂乱，地热水直排直供。由于缺乏合理的地质、钻井设计，造成了地热水资源的超采浪费和环境污染。中石化新星公司于2016年进入大名县，进行整合收购，统一规划，合理回灌，现已开发50余口地热井，水温52~57℃，水量65~80 m³/h，成井深度1800~2000 m，采水层位为新近系馆陶组，已建成供暖面积200万m²。前人对该地区地热资源的研究处于初级阶段，并未开展系统研究，本次研究在前人地质研究成果的基础上，结合最新地热钻井相关资料和地热水化学分析数据，通过对“源、储、通、盖”四大地质要素特征分析，查明其间的耦合关系，提出了研究区的地热系统成因模式，并在此基础上进行地热资源量评价，为后期进一步地热勘探开发提供有力的支撑。

2.   研究区地热地质概况

大名次凹陷为渤海湾盆地临清坳陷馆陶凸起南端的一个次级构造单元（刘剑平等，2004），面积约为400 km²，呈NE向展布的近长方形。其南接内黄隆起，边界断裂为NWW向的磁县—大名断裂，该断裂为一铲式断层，长度在63 km以上，石炭系—二叠系落差约3000~7000 m，白垩纪—古近纪为断层强烈裂陷活动时期（许华明等，2010；冉志杰等，2016）。大名次凹陷东西两侧为大名西断裂和大名东断裂所限，北部边界断裂为一条倾向向南的小型传递断层（图 1a）。

图  1  大名次凹陷区域地质图（a）、大名次凹陷北部电测剖面图（b）及大名地区井位分布图（c）

Figure  1.  Basemap of Daming Sag and its adjacent area (a), 2D geo-electrical structure profile of north Daming Sag(b) and distribution of well log in Daming area (c)

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大名次凹陷与渤海湾盆地构造演化基本一致，为一新生代断陷凹陷（刘剑平等，2002）（图 1b），地层发育较全，由下至上依次为下古生界寒武系、奥陶系，上古生界石炭系、二叠系，中生界三叠系、侏罗系、白垩系和新生界古近系、新近系、第四系（袁同星和刘东生，2000）（图 2）。本区热储主要有三套（华解明和王真奉，2006；刘向阳和龚汉宏，2007；崔阳等，2013），一套为新近系明化镇组底部的孔隙型砂岩热储，该储层底界面埋深介于1000~1300 m，水温整体较低（井口水温31~40℃），因作为战略储备用水，不适于开采；第二套为新近系馆陶组孔隙型砂岩热储，其底界面埋深介于1600~2000 m，井口水温51~56℃（井位分布如图 1c），整体埋藏深度适中，地层分布发育稳定，为本区的主要储层；第三套为寒武系—奥陶系岩溶裂隙型热储，该地层在大名次凹陷内局部发育，且埋深较大，勘探风险较高。本次研究主要以经济有效的馆陶组砂岩热储为研究对象，开展其地热系统成因模式的研究，对其地热资源量进行计算评价。

图  2  大名次凹陷地热地质剖面

Figure  2.  Geothermal geological profiles of Daming Sag

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3.   地热系统地质要素

3.1   热源机制

3.1.1   深部地壳结构

地热能一般来自于地壳放射性元素产生的热量和来自上地幔的热量，不同热背景条件下，地热系统内部地热能的来源和聚敛模式决定了热异常的分布。渤海湾盆地通常被认为是“热幔冷壳”型岩石圈热结构（汪洋等，2001），即地幔供热所占百分比大于地壳供热。大名次凹陷的莫霍面埋深大约在36 km左右（景成虎，2007），根据魏文博等（2008）利用大地电磁对渤海湾盆地南部，过大名次凹陷北部的深部壳幔电性结构的分析结果（图 1b）可以看出，其上部整体为中、低阻区块，浅表呈凹凸相间的构造格局，为伸展背景下的表现形式。研究区大地热流值在52~57 mW/m²（姜光政等，2016），其中馆陶凸起下方约10~28 km处存在的低阻高导体可能为石英熔融体，两侧电性差异带对应了馆陶断裂和冠县断裂，这些断裂可成为热流向上运移的良好通道。

3.1.2   热传递方式

大名次凹陷中地热井实测温深曲线的关系表现为温度随深度的增加而升高，为线性增温，是典型的热传导方式（图 3）。第四纪沉积物有着高地温梯度，可达到59.5℃/km，地温梯度在下部明化镇组和馆陶组中明显降低，多介于6.4~16.9℃/km。通过地温梯度的变化趋势可以划分出储层和盖层，反映了储、盖之间的岩性变化导致了热导率变化，其热传导速度也呈现出了较大的差异。

图  3  大名次凹陷地热井温深变化曲线

Figure  3.  Relationship between temperature and depth of geothermal wells in Daming Sag

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研究区中温深曲线关系反映的地温梯度总体呈两段式，但是在各个单井上其显示的变化趋势有所不同，总体可以分为三类：（1）如DM3井，地温梯度整体变化不大，在盖层中表现为相对低值，仅略高于下部储层。说明上覆盖层和下伏储层的岩性较为一致，热导率变化不大，整体以热传导传递热能量为主（图 3a）；（2）如DM6井，地温梯度在盖层中表现为高值，在下部储层中先减小后增大。说明在热能量向上传导的过程中，以热传导为主，岩性的变化是地温梯度变化的主要因素（图 3b）；（3）如DM9井，地温梯度在盖层中表现为高值，在下部储层中先增大后减小，整体呈现出“上凸”的样式。说明在热能量传递过程中，可能存在下部热水上涌，造成了上部地层中地热水温度较高，同时也说明了该地区存在局部热对流（图 3c）。

3.1.3   浅部地热场特征

基于研究区实测地热井温度和深度的相关数据，同时收集了邻区地温梯度相关数据，绘制了大名次凹陷及邻区新近系平均地温梯度平面分布图（图 4），其中邱县地温梯度为30℃/km，广平地温梯度为24℃/km，魏县地温梯度为21℃/km^❶，馆陶地温梯度为25℃/km，冠县地温梯度为25℃/km，莘县地温梯度为24℃/km^❷。整体上，地温梯度圈闭形态与凸起构造带的延伸方向一致，在平面上的特征表现为凸起区的相对高值和凹陷区的相对低值，其中馆陶凸起西侧地温梯度介于24~30℃/km，东部冠县凹陷和莘县凹陷，地温梯度介于23~25℃/km，西部的丘县凹陷、南部的魏县地区地温梯度较低介于21~25℃/km，其北部的邱县地区地温梯度较高，可以达到30℃/km。这是由于凹陷内部新生代巨厚沉积物盖层热导率较低，而凹陷周围的凸起或者斜坡带热导率较高，从而产生热折射，造成热量向凹陷的凸起区聚集，最终在凹陷内部形成低温区，在凹陷周围凸起带和斜坡带形成高温区（汪集旸，2015）。在大名地区附近地温梯度最高，为30℃/km左右。由于大名地区位于临漳—大名断裂和大名西断裂交汇处附近，推测断裂在该区域为良好的热传递通道。

图  4  大名次凹陷及邻区新近系平均地温梯度分布图

Figure  4.  Distribution of Neogene geothermal gradients in Daming Sag and its adjacent area

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3.2   热储特征

3.2.1   热储平面分布特征

大名次凹陷及邻区新近系馆陶组为一套砂泥岩沉积，在全区内均匀分布，整体厚度变化不大，其顶板埋深介于1000~1300 m，底板埋深介于1100~2000 m（图 5）。由于为盆地构造拗陷期沉积，其地层厚度和分布受断裂影响较小。馆陶组底界面在研究区南部展布特征表现为由西向东埋深先增大后减小，在大名地区埋深达到最大，在馆陶凸起和丘县凹陷表现为由北向南埋深增加，同样在大名地区埋深最大，可达到2000 m，说明该地区地势较低，可为东西两侧地热水流动供给提供一定势能。馆陶组底板埋深在东部的冠县凹陷和莘县凹陷南端最小，仅为1100~1400 m。

图  5  大名次凹陷及邻区馆陶组底界面埋深分布图

Figure  5.  Distribution of depth of bottom Guantao Formation in Daming Sag and its adjacent area

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3.2.2   热储物性特征

馆陶组热储层为孔隙性层状砂岩热储，储层岩性在垂向上有明显的分段性，表现为上段以中细砂岩与泥岩的互层沉积为主，下段以含砾砂岩与泥岩的互层沉积为主。以研究区内DM6井为例（图 6），通过对比自然伽马曲线的相对低值和电阻率曲线的相对高值，结合相对高值的声波时差曲线，定义含水层。在馆陶组层段内共解释出36个含水层，累计有效厚度为324.2 m，折算储厚比为47.7%。其中，馆陶组上段解释出17个含水层，单层最大厚度为11.7 m，最小为2.2 m，孔隙度介于17.1%~29.3%，平均值为23.7%；馆陶组下段解释出19个含水层，单层最大厚度可达37 m，最小为2.3 m，孔隙度介于19.1%~31.9%，平均值为25.7%。

图  6  DM6井馆陶组孔隙性砂岩热储特征

Figure  6.  Characteristics of Guantao Formation porous sandstone geothermal reservoir in Well DM6

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渤海湾盆地馆陶组总体为河流相沉积背景，在大名地区地热井上，自然伽马（GR）测井曲线整体以正旋回形态为主，对应了河流沉积垂向的二元结构（图 6，图 7）。馆陶组上段以齿状钟形、指状或者钟形和指状叠加交替的曲线形态为主，局部可见漏斗状曲线形态，结合其岩性为中砂岩和泥岩的互层，将馆陶组上段沉积背景解释为相对远源中—细粒的曲流河沉积。其中，齿状钟形曲线对应于河床亚相中的河床和边滩沉积，漏斗形曲线对应于堤岸亚相中的决口扇沉积，曲线齿状幅度较小对应沉积粒度较细的河漫滩沉积。馆陶组下段自然伽马测井曲线以箱型、齿状箱型和钟形曲线形态为主，岩性为大套的含砾砂岩垂向上叠加，将其沉积背景解释为近源粗粒的辫状河沉积。辫状河沉积有多河道的沉积特点，叠加的箱状曲线对应于垂向上多套沉积的辫状河道。

图  7  大名地区砂岩热储连井分布

Figure  7.  Distribution of sandstone geothermal reservoir of wells profile in Daming area

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在砂体连井剖面上可以看出馆陶组上段砂体厚度较薄，在平面上的连续性较差，体现了中—远源的特征。馆陶组下段砂体厚度较大，在平面上发育稳定，连续性好，代表了近源沉积（图 7）。

根据研究区内地热井统计分析，馆陶组热储厚度介于268~324 m，平均热储厚度为299 m，储厚比可达50%。在垂向上存在明显的岩性差异，上段热储以中细砂岩沉积为主，储厚比介于27%~32%，其孔隙度主要集中在14%~28%，整体呈单峰正态分布，说明压实作用对热储的后期改造较小（图 8a）；下部热储以含砾砂岩沉积为主，储厚比可高达74%，其热储孔隙度主要介于16%~30%，孔隙度分布呈双峰正态分布，说明随着埋深增大，压实作用对储层的改造作用增大（图 8b）。由储厚比和孔隙度的物性条件来看，馆陶组下段热储储集性能要好于上段热储。

图  8  馆陶组砂岩热储孔隙度统计直方图：（a）馆陶组上段；（b）馆陶组下段

Figure  8.  Statistical histogram of sandstone thermal reservoir porosity in Guantao Formation: (a) The upper part of Guantao Formation; (b) The lower part of Guantao Formation

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3.2.3   热储温度特征

馆陶组底界面温度受热传导差异影响，其平面分布特征与凹凸格局有一定对应关系。表现为在凹陷中温度较低，而周围凸起上相对较高。其中，大名次凹陷中馆陶组底界面实测温度多介于54~60℃，其西部丘县凹陷的魏县地区底界面实测温度为58℃；在东部莘县凹陷的莘县地区，底界面实测温度为54℃。温度在平面上整体变化不大。

3.3   地热水特征

3.3.1   水化学特征

将研究区采集分析得到的水样（表 1）按主要组分的毫克当量百分比投影到Piper三线图中（图 9a），可以发现研究区地热水水化学类型比较集中，按C.A舒卡列夫分类（即水中主要阴、阳离子含量大于25%即参与命名），水化学类型全部为Cl·SO₄-Na型。

表  1  大名次凹陷水化学分析数据

Table  1.  Chemical composition and information of groundwater samples in Daming Sag

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图  9  大名次凹陷水化学分析图：地热流体Piper图（a）；阴阳离子和TDS关系（b）

Figure  9.  Piper triangular diagram of the major ions in underground water from Daming Sag (a); Relationship between TDS and ion concentration in Daming Sag (b)

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大名馆陶地下热水TDS为1875~4000 mg/L，整体变化较大，可能是由于局部深部热水垂向上涌导致浅层水的TDS增大。阳离子含量顺序为Na⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > K⁺，阴离子含量顺序为Cl^- > SO₄^2- > HCO₃^-。其中阳离子中Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺与TDS具有较好的正相关性（图 9b），相关系数可达0.98，阴离子Cl^-与TDS同样存在明显的正相关性，相关系数为0.94，说明矿化度变化主要受Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-四种离子控制，同时也说明水中这几种离子可能存在相同的来源。

在所采水样中，井DM8有着较低的矿化度和较高的HCO₃^-含量。说明该井位所在的地区可能存在局部的断裂，混入了浅层的地表水，使得馆陶组热储中地热水的成熟度整体偏低。

3.3.2   氢氧同位素特征

Craig（1961）首先提出了大气降水δ¹⁸O和δD值之间存在线性关系，即全球大气降水线GMWL。不同地区大气降水线略有差异，华北平原大气降水线为δD=7.46δ¹⁸O+0.90（柳鉴容等，2009）。研究区内测试了两口地热井（DM7和DM8）的氢氧同位素值，同时收集到大名地区两口地热井（MS和XSY）的氢氧同位素值^❶，可以发现研究区内地热水整体落于华北平原降水线附近的右下方（图 10），计算得到的氧漂移幅度整体较小（表 2），说明热储主要接受大气降水的补给，并且地下水运移时温度较低，水岩作用不是很强烈。

图  10  大名次凹陷δD-δ¹⁸O关系图

Figure  10.  Relationship of δD and δ18O in Daming area

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表  2  大名次凹陷地热井补给高程计算表

Table  2.  Parameter and supply elevation calculation results of Daming Sag

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大气降水中的氢氧同位素具有高程效应。在水文地球化学中，如果已经确定大气降水为地下水补给来源，可以利用氢氧同位素的高程效应确定补给区和补给高程（Sánchez Navarro et al.，2004）。通常情况下，沉积盆地型地热资源的地下水补给来源为大气降水，所以本次研究根据研究区内δ¹⁸O的数值计算地下热水补给高程，计算公式如下：

式中，H为补给区海拔，m；h为取样点海拔，m；δG为地下热水中的δ¹⁸O值，‰；δP为取样点降水中δ¹⁸O值，取-7.6‰；K为δ¹⁸O同位素高度梯度，取-0.2‰/100 m。计算得到的补给高程结果在1250~1402 m（表 2，图 10），推测为来自西部太行山隆起和东部鲁西南隆起的大气降水补给。

3.4   盖层条件

研究区内第四系平原组和新近系明化镇组总厚度约1150~1400 m，地层均匀覆盖于馆陶组砂岩热储之上，厚度变化整体不大。其中，平原组主要为一套泥质粉砂及细砂岩，其松散而细粒的沉积可以成为一套良好的隔水层。同时当源自地下深处的热流途经该层段传导时，地温快速降低，地温梯度可达到22~60℃/km（图 3），所以该层段也是一套条件良好的隔热保温盖层。明化镇组沉积表现为砂岩、粉砂岩和泥岩的互层，垂向上其一定的沉积厚度也同样对下伏地层起到了隔水隔热的封盖作用。

4.   地热系统概念模型

大名次凹陷馆陶组砂岩孔隙性层状热储可构成一套地热系统。结合其“源、储、通、盖”地质特征的分析，建立了地热系统的成因模式。该地热系统热源来自于新生代断陷盆地背景下的高大地热流值，约为52~57 mW/m²，其南部的临漳—大名断裂和东部的冠县断裂构成了深部热流向上运输的有利通道。砂岩热储接受来自西部太行山隆起和东部鲁西南隆起的大气降水补给，沿断裂进入目的地层，顺储集层段长距离运移，经深部循环、围岩加热后富集于热储中。上部第四系和明化镇组较细的沉积地层构成了良好的盖层，由此形成了一个双向补给，长距离运移，承压保存的富水地热系统（图 11）。

图  11  大名次凹陷地热系统成因模式图

Figure  11.  Conceptual model of geothermal system in Daming Sag

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馆陶组孔隙性砂岩地热系统的热储底面埋深约1550~2000 m，储层厚度约为268~324 m，实测热储底板温度介于54~60℃，地热水化学类型以Cl×SO₄-Na型为主，以热传导作用为主传递热流，局部存在热对流作用。

5.   地热田资源量评价

5.1   热储体积法

大名次凹陷地热系统为沉积盆地型层状热储，在上述地热田成因机制分析的基础上，结合研究区目前已有的钻探资料使用热储体积法对馆陶组砂岩热储进行资源量评价。其基本原理为计算某一给定体积的岩石和水中所含有的全部热含量之和，其计算公式如下：

式中，Q为地热资源量，J；A为评价区面积，m²；d为热储有效厚度，m；φ为岩石的孔隙度，%；t_r为热储温度，℃；t₀为当地年平均气温，取16℃；ρ_c为岩石密度，取2700 kg/m³；C_c为岩石比热容，取878 J/(kg×℃)；ρ_W为水的密度，取1000 kg/m³；C_w为水的比热容，取4180 J/(kg×℃)。

公式中各个参数确定如下（表 3）：

表  3  大名次凹陷馆陶组地热资源评价参数取值与计算结果（热储体积法）

Table  3.  Evalution parameters and calculation results of Guantao Fm. geothermal resources in Daming Sag by reservoir volumn method

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（1）评价区面积（A）：馆陶组热储分布于整个大名次凹陷，其面积通过geomap软件计算为418.48 km²。

（2）热储有效厚度（d）：统计分析已有钻井的储厚比（有效储层厚度/地层厚度），再结合平均地层厚度计算出储层厚度（平均地层厚度×储厚比）。计算得到馆陶组平均储层厚度为244.6 m。

（3）热储平均温度（t_r）：为热储顶底板温度的平均值，馆陶组砂岩热储顶板平均温度为49℃，底板平均温度为57℃，计算得温度平均温度为53℃。

（4）热储孔隙度（φ）：根据已有测井解释资料统计，馆陶组热储平均孔隙度为21%。

大名次凹馆陶组地热系统的地热资源量计算结果如表 3所示。其中馆陶组砂岩热储资源量为127.42×10⁸ GJ，折合标煤4.34×10⁸ t（1 t标煤可产出29.3 GJ热量）。根据《地热资源评价方法》（DZ40-85）规定，砂岩热储回收率为25%，所以大名次凹陷内可采资源量为31.86×10⁸ GJ，折合标煤1.09×10⁸ t。若按100年开采计，每年可开采地热资源量为31.86×10⁶ GJ，折合标煤1.09×10⁶ t。根据每平方米每年供暖所需热量为0.0283 t标煤，其地热资源量满足的供暖面积可达3.84×10⁷ m²，资源开发潜力巨大。

5.2   回灌法

通过采用热突破公式计算地热回灌条件下流体可开采量，引用了自然资源部2020年发布的《地热资源评价方法及估算规程》（DZ/T 0331-2020），该规程认为在隔水隔热均一等厚的热储层中，热量只靠对流方式传递时，热突破时间取100年时，允许开采量公式如下：

其中：

式中：Q_a为回灌条件下每天允许开采量，m³/d；Q为回灌条件下每天地热流体可采热量，J/d；其他参数见公式（1）。

计算结果如表 4，大名次凹陷馆陶组每天允许开采量为0.75×10⁶m³，每天可采地热资源量为0.116×10⁶ GJ。每年可采地热资源量为42.5×10⁶ GJ，折合标煤1.45×10⁶ t，地热资源量满足的供暖面积可达4.1×10⁷ m²，计算结果相比热储体积法计算的结果较大。

表  4  大名次凹陷馆陶组地热资源评价参数取值与计算结果（回灌法）

Table  4.  Evalution parameters and calculation results of Guantao Fm. geothermal resources in Daming Sag by recirculation method

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6.   结论

（1）大名次凹陷热源来自于新生代断陷盆地背景下的高大地热流值，约为55 mW/m²，NE向的馆陶西断裂和冠县断裂，以及其南部的NWW向临漳—大名隐伏断裂构成了深部热流向上运移的有利通道。大名次凹陷新生界地温梯度平均介于24~30℃/km，热传递方式以深部热传导为主，存在局部热对流。

（2）大名次凹陷馆陶组砂岩热储在研究区均有分布，厚度变化较为均一，底板埋深介于1550~2000 m，根据岩性的区别可以将热储分为上下两段，其中上段储厚比约为27%~32%，孔隙度约在14%~28%，下段储厚比可高达74%，孔隙度约在16%~30%。

（3）大名次凹陷馆陶组地热水化学类型以Cl×SO₄-Na型为主，地热水接受来自西部太行山隆起和东部鲁西南隆起的大气降水，经深部循环加热后聚集于热储中，其中热储温度约在54~60 ℃。

（4）大名次凹陷馆陶组孔隙性砂岩热储整体可以定义为一个双向补给，长距离运移，承压保存的富水地热系统。其馆陶组砂岩热储资源量为127.42×10⁸ GJ，折合标煤为4.34×10⁸ t。每年可开采地热资源量超过31.86×10⁶ GJ，折合标煤1.09×10⁶ t。年开采地热资源量可满足超3.14×10⁷ m²的供暖面积，整体开发潜能较大。

注释

❶张薇, 刘峰, 何雨江. 2013. 华北平原地热资源调查评价成果报告[R]. 石家庄：中国地质科学院水文地质环境地质研究所.

❷赵季初, 杨询昌, 谭志容. 2006. 山东省临清—茌平拗断区地热资源调查报告[R]. 德州：山东省鲁北地质工程勘察院.