2017, Vol. 40
表1(Table 1)
2. 西南大学 地理科学学院, 重庆 400715;
3. 重庆市地质调查院, 重庆 401122
2. School of Grographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, P. R. China;
3. Chongqing Institute of Geological Survey, Chongqing 401122, P. R. China
中国地热资源丰富，且分布广泛，类型齐全，黄尚瑶等[1]将中国地热资源分为岩浆型、断裂隆起型、沉积盆地型3种类型，其对应的热储结构为带状热储和层状热储。
沉积盆地型热储结构即为层状热储，是指热流体赋存于一定层位，呈层状流出，由热储层位、热储盖层、热储下部隔水岩层3部分组成[2]，其地热水温度一般为中低温，主要分布在华北平原、汾渭盆地、松辽平原、淮河盆地、苏北盆地、江汉盆地、四川盆地、银川平原、河套平原、准噶尔盆地等地区。相关单位在这些地区开展过大量勘探、开发工作，部分学者开展过鲁北坳陷区地热资源开发利用关键性问题研究[3]，中低温地热田层状热储地热资源储量计算方法探讨[4]，深部岩溶热储埋藏分布及岩溶发育特征等研究[5]，系统论述层状热储地热水富集特征的研究较少。
重庆市作为“世界温泉之都”，地热资源勘查、开发历史悠久，近年来，相关学者也开展了一系列研究工作。罗云菊等[6]论述了重庆主城区地下热水水文地质条件、温泉动态变化、储水量及补给条件等；吕玉香等[7]、张宇等[8]对重庆市地热水资源勘查研究进展进行了论述；Yang等[9]基于重庆市主城区36口碳酸盐岩地热井水的物理化学数据，系统分析了地热水中主要化学成分的来源，估算了深部地热水的初始温度、循环深度及其补给高程，刻画了地热水的水循环概念模型；肖琼等[10-11]以北温泉为例，分析了重庆地热水的来源与补给机制；漆继红等[12]分析了铜锣峡背斜和南温泉背斜的水力联系；杨华林等[13]进行了重庆主城区地热资源可再生性评价。
笔者以重庆市观音峡背斜东翼地热田为研究对象，在收集整理并综合分析已有资料的基础上，系统地研究了层状热储富集特征及影响因素，为层状热储地热资源科学、合理的勘探开发及利用提供了科学依据。
1 研究区概况观音峡背斜构造处于上扬子准地台四川盆地东部川东高陡褶皱带东缘，重庆弧形褶皱范围内，属新华夏系构造为主的构造区域。观音峡背斜呈北北东~近南北向展布，长103 km。北端与华蓥山背斜东翼相连，南端延伸至长江猫儿峡以南倾没。背斜宽3~7 km(轴部宽度约1.75 km)左右。背斜岩层倾角东缓西陡，东翼一般23°~55°，向南逐渐增大(山硐一带)可达70°~80°；西翼岩层倾角一般70°~80°，乃至直立。
背斜核部主要为三叠下统飞仙关组(T1f)、嘉陵江组(T1j)、中统雷口坡组(T2l)碳酸盐岩地层，其中三叠下统嘉陵江组(T1j)厚600 m左右，以灰岩为主，间夹白云质灰岩、白云岩、角砾状灰岩(深部为膏岩层)，为本区主要热储层位；三叠系中统雷口坡组(T2l)在区内保存的厚度极小，一般在30 m左右，为区内次要热储层。翼部由三叠系上统须家河组(T3xj)及侏罗系(J)碎屑岩地层组成，其中须家河组为一套灰色长石石英砂岩夹灰黑色炭质页岩及煤层，厚450 m左右，为嘉陵江组热储的第1隔热保温盖层。侏罗系地层为一套内陆河湖相沉积、以紫红色泥岩为主夹砂岩的沉积岩，厚度一般大于2 000 m，为嘉陵江组热储的第2隔热保温盖层，三叠系下统飞仙关组(T1f)为一套泥质岩层夹灰岩层，厚500 m左右，为嘉陵江组热储下部的隔水岩层(图 1)。
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图 1 观音峡背斜东翼层状热储构造示意图 Figure 1 Schematic diagram of layered thermal reservoir structure in the east flank of Guanyinxia anticline |
区内地热水以大气降水为补给源，补给高程为800~1 200 m，补给区在华蓥山北端的岩溶露头区[14]。大气降水通过表层裂隙和溶孔、溶隙及洼地、槽谷中的落水洞、溶蚀漏斗、暗河入口等入渗地下所形成，并由高向低分别作纵向、横向运移(径流)，除部分于沟谷、槽谷或洼地边缘以下降泉或暗河形式就近排泄外，尚有部分通过溶蚀管网继续向深部入渗，并在热储层中缓慢循环运移和储集(图 2)。
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图 2 观音峡背斜地热水补径排示意图 Figure 2 Schematic diagram of geothermal water recharge-flow-discharge in Guanyinxia anticline |
2000年以来，为开发重庆市地热资源，于该背斜东翼先后成功施工了11口地热井(表 1)，钻井深度在650~2 388 m，水量介于508~6 023 m3/d，水温介于32~63.5 ℃，水质类型多为硫酸钙型或硫酸钙镁型，且均达到了热矿水命名标准。由此表明观音峡背斜东翼的地热水资源十分丰富，具有较大的开发利用前景。
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表 1 观音峡背斜东翼近期施工地热井一览表 Table 1 List of geothermal wells in the east flank in Guanyin anticline |
地热水作为一种深层岩溶水，因其含水介质的不均一性，其运移及富集规律一直是水文地质学者研究的热点和难点[15]。热储层厚度、埋深、岩溶发育程度、地形地貌、区域构造及其组合均可在不同程度上影响地热水的富集。笔者拟以地热水水量、水温、水压表征地热水富集程度，从热储埋深及厚度、含水层参数、热储倾角变化等方面着手，定量分析地热水富集特征的影响因素。
对观音峡背斜东翼地热井热储层、含水层参数与水压、水温、流量进行了统计分析(表 2)：热储埋深区域变化较大，介于1 308.0~1 980.8 m，纵向上北部由于受到隐伏断层的影响，埋深相对较深，南部相对较浅；横向上自轴部到翼部越来越深，在向斜轴部附近达到最深。热储含水层数3~7层，总厚44~161 m。
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表 2 观音峡背斜东翼热储层、含水层参数与水压、水温、流量一览表 Table 2 List of thermal reservoir, aquifer parameters, water pressure, water temperature and flow in the east flank of Guanyinxia anticline |
对热储层顶板埋深、底板埋深、热储厚度、含水层数、含水层厚度、地热水水量、水温、水压等参数进行了相关分析(表 3)。
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表 3 观音峡背斜东翼热储层、含水层参数与水压、水温、流量相关系数矩阵 Table 3 Correlation coefficient matrix of thermal reservoir, aquifer parameter and water pressure, water temperature and flow in the east flank of Guanyinxia anticline |
热储埋藏深度与热储盖层意义相当，热储埋深越深，意味着热储层上部的盖层越厚，经与地热水水量、水温、水压等参数进行了相关分析，得出如下结论：
第一，地热水水温与热储埋深呈正相关。热储顶板埋深、底板埋深与地热水水温相关系数分别为0.877，0.852(表 3)，呈现严格的正相关，即热储埋深越深，地热水水温越高。热储层上部为厚厚的热盖层，热储盖层为热储层上部隔水、隔热保温层，其作用是防止热储层中热能的散失，形成隔水顶板。热储盖层是形成是层状热储地热水形成的必要条件，热储盖层越厚，对热储层的隔热保温作用也越强。
第二，地热水水量与热储埋深呈负相关。热储顶板埋深、底板埋深与地热水水量相关系数分别为-0.376，-0.393(表 3)，呈负相关，但相关性不强。推测认为热储层埋深越深，溶蚀裂隙发育越弱，其储水能力越差，地热水水量越小，但热储埋深是否是地热水水量大小的决定性因素，还需开展进一步研究工作。
第三，地热水水压与热储埋深呈负相关。热储顶板埋深、底板埋深与地热水水压相关系数分别为-0.320，-0.427(表 3)，呈负相关，但相关性不强。理论上热储埋深越深，地热水压力应越大，其相关性应为正相关，但本次计算结果为负相关，说明，层状热储的地热水压力受多个因素的控制，如热储盖层的厚度、盖层的富水性以及热储层的岩溶发育程度等等，需通过钻孔成像、改变钻探工艺、取芯钻进等多种手段开展进一步研究。
2.2 热储岩溶发育程度对地热水富集的影响由于重庆地区地热井一般均采用牙轮钻头全面钻进，无法通过岩粉录井直接观察热储层中的溶蚀现象，通常是根据施工记录和简易水文地质观测资料，并结合物探测井成果综合判定其可能的含水区段(含水层)，热储含水层能在一定程度上显示岩溶发育程度及其空间分布状况，因此，将含水层视为岩溶相对比较发育的区段。现将含水层层数、含水层厚度与热储埋深、地热水水量、水温、水压进行相关分析(表 3)，得出如下结论：
1) 含水层厚度与热储埋深呈负相关，相关系数为-0.512，表明研究区内热储层的岩溶发育程度明显具有随热储层埋深的增加而逐渐减弱的趋势。
2) 含水层厚度与地热水水量呈正相关，相关系数达0.696，表明含水层愈厚，岩溶发育程度越强，储水能力越好，地热水也越富集。
3) 含水层厚度与地热水水温呈负相关，相关系数为-0.524，表明含水层愈厚，岩溶发育程度越强，裂隙越发育，与上部岩溶水连通性越强，地热水水温越低。
4) 含水层厚度与地热水水压呈正相关，相关系数为0.405，表明含水层厚度对地热水的压力也有一定的影响。
2.3 热储倾角变化控制地热水富集程度热储层在地下产状的变化，严格受上覆地层产状的控制，并客观反应出在构造变动过程中的受力状况。地层倾角由陡变缓的转折过程易于产生张性裂隙，尤其是热储层属坚硬的碳酸盐岩，产生裂隙数量会进一步增多，从而促进地热水的富集。若在此类构造转折部位定孔，地热水出水效果可能较为理想。
观音峡背斜自北向南、自轴部到翼部出露地层倾角变化较大。嘉陵江组地层倾角25°~85°，平均61°；翼部须家河组地层倾角37°~70°，平均58°；翼部侏罗系珍珠冲组至沙溪庙组逐渐变缓，地层倾角18°~64°，平均48°(表 4)。
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表 4 观音峡背斜东翼钻孔热储倾角变化与流量对比表 Table 4 Comparison of borehole thermal reserves dip variation and flow in the east flank of Guanyinxia anticline |
据地热井勘查勘探资料，背斜东翼热储倾角亦由浅入深、自轴部到翼部逐渐变缓(表 4)，埋深500 m处地层倾角36°~67°，平均58°；埋深1 000 m处地层倾角26°~63°，平均51°；埋深1 500 m处地层倾角17°~67°，平均44°；埋深2 000 m处地层倾角5°~44°，平均28°。由于其变化过程不同，其储水条件亦有差异，现分叙如下。
急变型：热储层产状由陡急剧变缓，其转折部位构造裂隙相对比较发育，但转折部位相对较窄，其是否利于地热水富集尚待验证。已有钻孔勘探部位均在该类转折部位下部，其岩层产状相对平缓，裂隙不甚发育，溶蚀作用微弱，溶蚀空间小，地热水的深部循环运移条件相对较差。静观ZK1，ZK1-1井和水天花园3口地热井即属于此类，热储层底板埋深1 500~2 000 m，地层倾角变化分别为37°，35°，35°，地热井富水性相对较差，出水量分别为737，508.03，509.76 m3/d，平均584.93 m3/d(表 4)。
渐变型：热储层产状由陡逐渐变缓，横向上展示宽缓，层面裂隙相对比较发育，溶蚀作用比较均匀，储存空间较大，利于地热水及深部循环运移与储集。统计的11口地热井中有8口属于此类(占72.7%)，各地热井出水段整体均处于构造转折部位(即倾角变化部位)，热储倾角变化为1°~20°，除步云山庄未揭穿主要热储层外，其余7口井的富水性相对较好，流量为546.57~6 023.81 m3/d，平均2 136.75 m3/d(表 4)。
3 结论1) 观音峡背斜位于上扬子准地台四川盆地东部川东高陡褶皱带东缘，是典型的层状热储构造，其东翼已成功实施11口地热井，水量介于508~6 023 m3/d，水温32~63.5 ℃，富水条件较好。
2) 层状热储埋深对地热水水温、水量及水压均有一定影响，其中热储埋深越大，地热水水温越高，其相关系数达0.877；热储埋深越深，溶蚀裂隙发育越弱，其储水能力越差，地热水水量越小；相关分析显示地热水水压与热储埋深呈负相关，尚待进一步研究验证。
3) 受目前地热水勘查、研究手段的限制，无法直接观察热储层中的溶蚀现象，以含水层厚度表征热储层岩溶发育程度，层状热储含水层厚度与热储埋深呈负相关，表明研究区内热储层的岩溶发育程度明显具有随热储层埋深的增加而逐渐减弱的趋势。层状热储含水层厚度愈厚，岩溶发育程度越强，储水能力越好，地热水也越富集，其相关系数为0.696；含水层愈厚，岩溶裂隙越发育，与上部岩溶水连通性越强，地热水水温越低。
4) 层状热储构造转折部位，裂隙发育，利于地热水富集。热储层在地下产状的变化程度，对地热水富集程度也有较大影响，其中“渐变型”层状热储地热水富集程度相对较好，热储倾角变化35°~37°，地热井平均出水量2 136.75 m3/d；“急变型”层状热储地热水富集程度相对较差，热储倾角变化1°~20°，地热井平均出水量584.93 m3/d。
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