雄安新区高阳地热田热储高于庄组碳酸盐岩不同围压下破碎规律研究

【研究目的】雄安新区高阳地热田D34钻孔为中国地质调查局中国地质科学院于2020年钻获的华北盆地最高温地热井,井口温度达123.4℃,出水量为94.5 m3/h,为使温度如此高的地热井的地热开发利用程度最大化,开展压裂增产是其重要举措。因此,为获取相关参数,以制定最优的压裂增产方案,本次研究拟厘清储层岩石在不同围压下的破碎规律。【研究方法】本文在前人研究的基础上,以D34井钻获的深部高于庄组热储碳酸盐岩为研究对象,开展了常规三轴抗压及抗拉实验。【研究结果】实验结果表明:(1)高于庄组碳酸盐岩拉伸强度特征与压缩强度特征相近,且表现出明显的压缩破坏特征。随着围岩压力的增加,抗压强度具有典型的二次增高特征。(2)抗压强度及裂隙展布形态随深度变化呈现出差异性,其中均匀发育的多裂缝和单一主缝为主要形式扩展。在20 MPa、40 MPa围压下,屈服强度分别与弹性模量、泊松比协同变化。(3)储层不同深度拉伸裂隙的扩展方式有所差异,较浅部拉伸裂隙主要以小幅度多级扩展为主,而较深部岩石则表现出均匀扩展态势。【结论】结合抗压和抗拉实验结果,认为热储高于庄组压裂增产效果较好,且储层浅部形成复杂压裂网络的可能性高于深部储层,但总体脆性指数分布差异较小,故认为无需对储层不同深度采取不同的压裂施工方案。

北京延庆高于庄组凝灰岩的锆石U-Pb定年研究及其对华北北部中元古界划分新方案的进一步约束

作者最近在北京延庆高于庄组张家峪亚组上部发现了凝灰岩,并测得了该凝灰岩中锆石1559±12Ma的SHRIMPU-Pb年龄和1560±5Ma的LA-MC-ICPMS U-Pb年龄。这一新的高精度定年结果表明,华北北部高于庄组形成于中元古代初期的盖层纪(Calymmian Period,1600~1400Ma)早期。结合早先大红峪组火山岩的锆石U-Pb年龄(1622~1625Ma),现在可以确切地将高于庄组的底界年龄限定在1600Ma左右。结合最近在铁岭组斑脱岩获得的锆石U-Pb年龄(~1440Ma),本文再次建议,应将华北中元古界蓟县系的底界下拉到高于庄组底界,自该组底部(1600Ma)到铁岭组顶部(1400Ma)的巨厚碳酸盐岩序列都属于新定义的蓟县系,并对应于国际中元古界的盖层系,高于庄组与大红峪组之间的界线则可作为蓟县系与长城系的分界标志。高于庄组凝灰岩锆石的精确定年,为华北北部中元古界年代地层划分等研究,提供了直接的年代学约束。

蓟县中元古代高于庄组凝灰岩锆石LA-MC-ICPMS U-Pb定年及其地质意义

最近在天津蓟县东水厂村附近中元古代高于庄组三段（即张家峪亚组）下部白云岩中发现了一层15 cm厚的凝灰岩夹层,测得其锆石LA-MC-ICPMS U-Pb年龄为（1577±12）Ma。这一进展不仅使得蓟县地区高于庄组沉积时代第一次获得了精确可靠的年代学约束,也为华北克拉通北缘整个燕山地区中元古界的精确对比提供了新的标尺。与此同时,由于在其紧邻的上覆层位还发现了与标准剖面早年所发现的以光面拟丘阿尔藻（Parachuaria glabra Sun）为代表的同类的宏观藻类,因此本测年结果实际也同时标定了这一宏观藻类群的生存时代。结合笔者等早先获得的北京延庆地区高于庄组三段上部凝灰岩的锆石U-Pb年龄（（1560±5）Ma）可以确认,整个燕山地区高于庄组三段主体的沉积时限应为1580~1560 Ma,同时可以更为精确地将高于庄组与下伏大红峪组的界线年龄限定为1600 Ma左右,相当于目前通用的国际中元古界盖层系（Calymmian System）的底界。

河北容城凸起区热储层新层系——高于庄组热储特征研究

河北省平原区地热资源丰富,碳酸盐岩热储在区内沿构造单元规律沉积,其中中上元古界热储(蓟县—长城系)以容城凸起、牛驼镇凸起、献县凸起等地分布广泛,潜力巨大。容城凸起位于冀中台陷中部,北北东向分布,是雄安新区地热资源赋存条件最好的地区之一。以往的勘查和开发利用的层位主要是1 800 m以浅的蓟县系上部岩溶热储层,探测地热开发的第二空间是雄安新区清洁能源勘查的目的之一,本文以进入高于庄组热储的D16地热勘探孔为依托,通过抽水试验、岩心测试分析研究高于庄热储岩溶热储的热储特征、主要参数等。

河北平泉中元古代高于庄组和杨庄组地球化学特征

根据河北平泉地区中元古代高于庄组和杨庄组中 21 件岩石样品分析结果,显示常量元素和微量元素的含量在纵向上的演变规律不明显,但各种元素含量在岩石地层界线均有明显变化,表明地球化学特征可作为划分沉积地层的标志或对已划分的地层界线进行优化。此外,据 w( CaO)/w(MgO)值、w(Ca)/w(Ca+Fe)值、w(Sr)/w(Ba)值及V、Pb、Co、Ni和 Ti等元素特征分析,高于庄组与杨庄组的沉积环境有极大的差异。高于庄组为远岸深水海洋环境下的沉积,陆源碎屑供应匮乏;而杨庄组为干热气候下的近岸海洋环境沉积,具有较多的陆源碎屑物质供应。

华北北部地区蓟县系高于庄组-雾迷山组白云岩储层特征与形成主控因素

华北北部地区蓟县系高于庄组-雾迷山组白云岩储层以岩石与储集空间类型多样、孔隙结构与受控因素复杂以及非均质性强为特征,并由此制约了该区油气和地热等资源的勘探与开发。以野外露头和岩心为研究对象,开展了大量的野外地质考察、岩心观察、薄片鉴定与物性分析等研究工作,进一步总结分析了高于庄组-雾迷山组白云岩储层特征及其优质储层形成主控因素。研究结果表明,高于庄组-雾迷山组发育一套以微生物白云岩为主的储层类型,岩石结构构造复杂,其中,锥状叠层石和凝块石为其最有利的储集岩石类型。按照储集空间组合,可将储层划分为孔洞缝复合型、裂缝-孔隙型和孔隙型3种类型。其中,蓟县系雾迷山组白云岩储层以孔洞缝复合型为主,物性最好;高于庄组则以裂缝-孔隙型和孔隙型主,物性相对较差。综合分析认为,研究区高于庄组-雾迷山组规模优质白云岩储层是多种因素耦合作用的结果,其中微生物礁滩、印支期以来的构造隆升、破裂及溶蚀作用为其形成主控因素。

天津蓟县高于庄组微亮晶(MT)碳酸盐岩的沉积环境及成因探讨

微亮晶(MT)碳酸盐岩是发育在中、新元古代的特殊碳酸盐岩,全球分布广泛,MT构造由纯净、等粒的微亮晶方解石组成。天津蓟县中元古界高于庄组发育丰富的MT碳酸盐岩,并且在浊积岩中发现新的MT类型。详测高于庄组剖面,通过米级旋回类型划分、沉积环境、费希尔图解、扫描电镜、电子探针研究,并结合海平面变化、Sr和C同位素研究表明:原生MT构造主要发育在碳酸盐岩台地潮下型,深水非对称型米级旋回中上部的泥晶灰岩、细粉屑灰岩、钙质泥岩以及浊积岩球体的核心部位;MT碳酸盐岩主要发育在米级旋回海平面上升的高水位时期,87Sr/86Sr值较低(小于0.70967),δ13C值为(0±1)‰的古海水环境中。

蓟县高于庄组臼齿构造形态特征及成因意义

本文以蓟县地区高于庄组发育的臼齿构造为例,通过对臼齿构造详细的岩石学、形态学和岩性与流变学的关系,以及追踪具独特岩性的臼齿构造母岩的变化。结果表明,微亮晶方解石大小、底基质岩性和粘性在臼齿构造发育过程中具有重要作用;相对的,岩性均一地层中臼齿构造形态多种多样。而臼齿构造直径与其弯曲度之间的关系说明臼齿构造形成过程本身也影响最终的臼齿构造形态。在此基础上,讨论了臼齿构造在分析古海洋环境方面的重要意义。

河北平泉中元古界高于庄组生境型及古环境

河北平泉中元古界高于庄组海相碳酸盐岩地层中发育大量不同形态类型的微生物岩,主要包括柱状叠层石、层纹状叠层石、核形石、纹理石以及凝块石,它们各自不同的宏体和微观构造特征代表了不同的水体深度和环境水动力条件。通过野外实测观察、室内偏光显微镜下254块岩石薄片的微相分析以及碳、氧同位素的分析测定,研究了整个高于庄组沉积时期菌藻类生物的演化过程。在综合考虑岩性岩相特征、生物碎屑的含量、颗粒的保存状态以及微生物岩的宏体和微观特征等因素的基础上,将整个高于庄组划分为18个生境型,沉积相带演化从潮上带至内陆架的上部。河北平泉中元古界高于庄组地层序列中菌藻类生物含量的变化以及碳同位素的迁移规律清楚地记录了高于庄组沉积时期大规模的海进—海退的旋回沉积过程以及短期内频繁的海平面升降变化。通过分析生境型在地层剖面的分布特征以及生物与环境之间的相互作用关系,为今后研究生物与环境之间的协同演化以及更有效地进行烃源岩的评价提供了良好的基础资料。

天津蓟县中元古界高于庄组宏观化石的发现及其地质意义

在蓟县长城系高于庄组(1500—1400Ma)中部的泥质含灰质白云岩中发现可靠的宏观化石,代表分子包括Parachuaria,Parashouhsienia,Grypania和Spirelluchnum等属。研究表明,宏观化石形成于浪基面以下海水能量低的陆表海台盆区。围岩环境为台盆相弱还原静水环境;燕山地区的高于庄组与美国蒙大拿州中元古代贝尔特超群下部的Greyson页岩地层可以对比;遗迹化石如果被确认,可表明1450Ma年前后已经存在一种结构简单、不分叉,具两侧对称的长形体型,有前后端之分的似蠕虫活动能力的早期后生动物;长城系(1800—1400Ma)不仅是后生植物出现和繁盛的重要阶段也可能是后生动物出现和发展的关键时期。

中元古界非叠层石灰岩中的MISS:以北京延庆千沟剖面高于庄组第三段为例

前寒武纪碳酸盐岩多以叠层石碳酸盐岩序列为特征。燕山地区中元古界高于庄组,其中的第三段(张家裕亚组)则为一个以灰岩为主、贫乏叠层石的碳酸盐岩沉积序列,该序列被定义为前寒武纪非叠层石碳酸盐岩序列。该非叠层石碳酸盐岩沉积序列,尤其以燕山西部的延庆千沟剖面最为典型。根据沉积相序列及其所反映的旋回性,可以将该剖面的高于庄组第三段划分为3个三级层序。在这些三级层序的海侵体系域和早期高水位体系域中,中薄层隐晶质泥晶灰岩(均一石灰岩)和灰黑色薄层泥灰岩组成若干潮下型米级旋回;而在隐晶质泥晶灰岩层面上,普遍发育各种奇形怪状的沉积构造。这些沉积构造包括穹窿状构造、规则网状和杂乱的帐篷脊、变余波痕等,构成一个潮下相灰岩层面上的特别的微生物形成的沉积构造(Microbial Induced Sedimentary Structure,MISS)组合。因此,延庆千沟剖面的高于庄组第三段,特别的岩石类型和沉积构造成为前寒武纪碳酸盐岩沉积中非叠层石碳酸盐岩沉积序列的典型代表,尤其是那些奇形怪状的MISS所代表的沉积学特点表明:在前寒武纪,即使在叠层石生长的黄金时段,也发育非叠层石碳酸盐岩沉积序列。因此,这些现象将特别有助于对前寒武纪非叠层石生态系所造成的另一类席底生境的深入理解,也有助于复杂多变的碳酸盐岩世界。

碳酸盐岩地球化学特征与沉积环境判别意义——以冀北坳陷长城系高于庄组为例

冀北坳陷长城系高于庄组碳酸盐岩沉积发育,可分为浅水台地和深水台盆两大相区以及5种不同类型的相带。在对碳酸盐岩样品测试结果分析的基础上,利用相关性分析对其元素和组分的富集规律及环境意义进行了探讨。分析表明,该区地球化学特征与原始沉积环境有着极为密切的关系:Ca/Mg比值在以白云岩为主的潮上蒸发环境最低,从潮间带到斜坡相逐渐升高,在以灰质白云岩为主的深水盆地相最高;Na在潮上带含量最高,潮上带超盐环境有利于白云岩化作用的发生和Na的保存;Mn和Fe在潮间带含量最高,在台盆环境较低;Al,K,V,P和Ti的含量从浅水到深水环境总体呈增加趋势,可以指示古水深及海平面的变化;Sr主要赋存于方解石矿物中,从浅水台地到深水台盆,Sr的含量和1000Sr/Ca比值呈增加趋势,潮上带和潮间带较高的Sr和1000Sr/Ca比值主要是因为潮上带和潮间带叠层石白云岩较潮下带发育,而该类岩石的主要造岩生物蓝绿藻对Sr具有相当的浓缩作用,以致Sr含量出现高值。上述特征表明碳酸盐岩的地球化学特征可作为沉积环境判别的有效标志。

燕山地区中元古界高于庄组和杨庄组地球化学特征及环境意义

在燕山地区中元古界高于庄组与杨庄组地层野外露头沉积特征研究的基础上,结合区域地质背景,根据26件碳酸盐岩样品的常量元素和微量元素相关关系、组分含量及某些元素的比值对特征,探讨了研究区元素的沉积地球化学特征与古环境意义。研究表明,(1)碳酸盐岩中Sr与CaO呈明显正相关;Al2O3、K2O与TiO2之间呈明显的正相关;SiO2与CaO、MgO呈负相关;Na2O与MgO呈弱正相关;MnO仅与FeO有弱正相关关系。(2)Sr主要赋存于方解石晶格中,Sr和1000×Sr/Ca值随沉积水体的加深而增大,可作为判断古水深的标志。(3)据Sr/Ba、镁铝比值(m=100×MgO/Al2O3)、MgO/CaO值及Ti等元素特征分析,高于庄组与杨庄组的沉积环境有较大差异,高于庄组为潮湿气候下陆源碎屑供应匮乏的远岸陆表海沉积,以高于庄组三段沉积时水体最深;而杨庄组为干热气候下的近岸陆表海沉积,有较多的陆源碎屑物质供应。总之,元素地球化学特征反映的沉积环境与宏观岩性特征所得出的结论是一致的,这表明地球化学特征与沉积环境关系密切,地球化学特征可作为沉积相分析的重要标志。

河北宽城地区中元古代高于庄组碳酸盐岩碳氧同位素特征

对河北宽城地区中元古代高于庄组碳酸盐岩的碳氧同位素进行了测定和原始性验证,表明其原始组分保存良好。δ13C、δ18O值分布范围和平均值分别为-5.03‰～0.07‰、-9.92‰～-4.12‰和-0.90‰、-6.58‰,整体上稍低于前人测定的天津蓟县剖面和北京十三陵剖面数据。分析认为:研究区δ13C值主要受有机碳氧化与有机碳的埋藏速率因素影响,有机碳的埋藏速率与蓝绿藻等生物数量关系密切,藻类繁盛的时期一般都具有较高的δ13C值,藻类稀少的时期则具有较低的δ13C值。在浅水潮坪环境中,δ13C值与海平面的变化呈正相关关系;研究区δ18O值则主要受海平面变化影响,与之呈负相关关系;研究区古盐度Z值主要介于120～125之间,相关性分析表明Z值不仅反映氧同位素组成,也反映了碳同位素组成,δ18O和δ13C均与沉积介质的盐度有关,其变化趋势是盐度越大,其δ值越高。

宣龙坳陷中元古界高于庄组沉积相与地球化学特征

宣龙坳陷中元古界长城系高于庄组地层主要为一套碳酸盐岩沉积,通过对该地区野外观察、测量,结合室内薄片资料和地球化学分析,认为该地区高于庄组沉积相为碳酸盐岩台地相,可进一步划分为碳酸盐岩潮坪和生物礁2种亚相及潮上带、潮间带、潮下带、障积-黏结礁4种微相。其中在高于庄组第一段至第八段发育着碳酸盐岩潮坪亚相,高于庄组晚期受滦县抬升运动影响,水体相对变浅,在第九、十段发育着生物礁亚相。对实测剖面49个常量元素、70个微量元素样品分析,按相带进行统计研究,认为研究区碳酸盐岩地球化学特征与原始沉积环境有着极为密切的关系,可作为沉积环境判别的有效标志。其中Sr、Sr/Ba及Sr/Ca值随水体的加深而增大,三者与沉积环境密切相关,用其变化可以来划分沉积相。元素V、Rb、Be值对环境变化敏感,潮上带—潮间带—潮下带具有随沉积水体加深而变大的趋势。

元素地球化学特征在识别碳酸盐岩层序界面中的应用——以冀北坳陷中元古界高于庄组为例

元素是组成岩石矿物的基本单元,它们对环境的变化极为敏感。地层中元素的分配及比值变化、组合都在一定程度上纪录着古沉积环境的演化历程,这些对恢复古沉积环境,研究海相碳酸盐古盐度、海平面相对变化具有重要的指示意义。利用元素地球化学特征对冀北坳陷中元古界高于庄组层序地层单元进行研究,发现在古气候的影响下,古盐度、相对海平面变化与碳酸盐中的元素含量及有关元素比值呈现明显的旋回变化特征。其中Sr/Ba比值法与硼法判别精度相对较高,可以作为识别和划分碳酸盐岩层序界面的有效标志。

燕山地区宣龙坳陷高于庄组—雾迷山组沉积相与地球化学特征

通过对野外剖面的观察和测量,根据剖面岩性及古生物等相标志,结合室内薄片资料的研究,认为燕山地区宣龙坳陷中元古界高于庄组—雾迷山组主要发育一套海相碳酸盐岩,局部夹少量海相碎屑岩,韵律性和旋回性明显,叠层石形态丰富,可划分为海相碳酸盐岩台地和生物礁2个相带,进一步可细分为潮坪和障积-黏结礁2种亚相以及潮上带、潮间带、潮下带和障积-黏结岩4种微相,其中以潮汐作用控制的碳酸盐岩潮坪亚相为主,障积-黏结礁亚相仅在研究区高于庄组九、十段发育。建立了研究区高于庄组和雾迷山组的碳酸盐岩沉积模式。通过对微量元素(V、Rb、Sr、Ba、Be、B)和常量元素(Al、Si、Fe、Mg、Ca、K、Mn、P)分析结果按不同相带进行的统计认为,研究区碳酸盐岩地球化学特征与原始沉积环境有着极为密切的关系,可作为沉积环境判别的有效标志。

河北平泉地区高于庄组风暴沉积序列及沉积环境演变

河北平泉高于庄组发育三种类型的风暴岩，其岩石类型、沉积构造特征以及风暴沉积序列各不相同。它们是不同海水深度下风暴作用的产物。由此反映出高于庄组在沉积时经历了海进－海退的沉积旋回演变。

蓟县中元古界高于庄组沉积岩系及地质意义

天津蓟县元古界剖面具有极高的综合研究价值,而高于庄组在该剖面中居于承上启下的位置。高于庄组在整个中、新元古界剖面中厚度较大,岩石类型多样且成因特殊,主要岩石类型包括碳酸盐岩、泥岩、硅质岩和石英砂岩。碳酸盐岩主要为泥晶灰岩、瘤状灰岩、砂屑灰岩、臼齿灰岩及粉细晶白云岩等。硅质岩包括燧石和沉积石英岩,沉积石英岩具鲕状或砾状结构。仅在本组底部见石英砂岩。上述岩石特征表明,蓟县地区在中元古代长城纪晚期的高于庄期以浅海中深缓坡沉积为主,有短期的潮坪碳酸盐沉积环境,沉积作用受大红峪时期火山物质的影响。臼齿灰岩的存在可能提供华北地区中元古代年代地层学和构造沉积演化研究的新证据。

燕山地区中新元古界高于庄组和雾迷山组风暴沉积特征分析

燕山地区中、新元古界高于庄组和雾迷山组地层发育典型的风暴沉积,主要有砂砾屑白云岩和灰岩、风暴硅岩、泥晶白云岩、含硅质条带白云岩和藻叠层白云岩5种岩石类型,砾屑放射状构造、底模构造、冲刷构造、丘状交错层理和波状层理等5种沉积构造。在野外剖面和岩心观察的基础上,根据风暴沉积的岩石学特征、沉积构造类型、规模和组合特点,并结合区域沉积背景分析,在辽宁凌源地区雾迷山组识别出一个标准的5单元垂向沉积序列。通过野外和室内的观察、分析和研究认为,研究区风暴岩形成于碳酸盐台地相中水体较浅的潮间环境。该风暴岩的发现对重建燕山地区中新元古界古地理及区域地层对比具有重要意义。