Micropore structure and physical property of geothermal reservoir of Wumishan Formation in Beijing area
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摘要:
以北京地区中元古界蓟县系雾迷山组碳酸盐岩地热储层为研究对象，通过扫描电镜(SEM)和薄片鉴定，划分了样品微观孔隙类型，借助MATLAB图像处理技术，定量化表征微裂缝密度和尺寸发育特征; 联合毛管力测试与低温液氮吸附实验，定量化雾迷山组白云岩微-介-宏孔体积分布; 分析宏观孔渗测试结果，认为微裂缝越发育、透气孔越多、孔喉均质性越好，孔渗越大的微观-宏观作用规律，并拟合了孔渗经验关系式; 建立了基于测井资料划分有利开发层段的方法。雾迷山组白云岩基质孔隙连通性较差，微裂隙与溶蚀孔洞提供了主要渗流通道; 整体孔隙分布频率随孔径整体呈正态分布，最可能几率孔径分布于50~60 nm。研究成果可为华北地区雾迷山组地热资源开发提供基础数据支撑。
Abstract:Taking the carbonate geothermal reservoir in Wumishan Formation of Mesoproterozoic Jixian System in Beijing as the research object, the micro-pore types of samples are classified with SEM visualization and slice identification, and the density and size development characteristics of micro fractures are quantified with the help of MATLAB image processing technology.The micro-medium-macro pore volume distribution of dolomite in Wumishan Formation is quantified by combining capillary force test and low-temperature liquid nitrogen adsorption experiment.Based on the macro porosity and permeability test results, the analysis concluded that the more developed microfractures, the more gas permeable pores and the better pore throat homogeneity, the greater the influence law of porosity and permeability, and the empirical relationship between porosity and permeability is fitted.Finally, a method of dividing favorable development intervals based on logging data is established.The results show that the connectivity of matrix pores of dolomite in Wumishan Formation is poor, and micro fractures and dissolution pores provide the main seepage channels.The overall pore distribution frequency is normally distributed with the pore size, which distributes at 50~60 nm most likely.The research results can provide basic data support for the development of geothermal resources in the Wuzhishan Formation in North China.
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随着全球经济的飞速发展，世界各国对能源的需求不断加大，同时油气、煤炭等常规能源与环境保护之间的矛盾也日益凸显，地热能作为一种清洁、零碳排放、可持续开发利用的能源类型受到重视。北京市作为全球仅有的6个地热资源丰富的首都之一，在地热清洁能源开发利用方面处于全国前列。中元古界蓟县系雾迷山组碳酸盐岩地热储层是北京主要的热储层，具有分布范围广、厚度大、地层缺失少等特点，但是由于其孔隙结构复杂、非均质性强，导致开采量、回灌量区域差异性大[1-6]。孔隙结构直接影响地热储层对地热流体资源的储集能力及地热流体的渗流能力，是决定热储层生产能力和回灌能力的关键[7]。因此，明确雾迷山组地热储层微观孔隙结构特征，对深入认识储层物性条件、提高地热资源开发利用效率至关重要。
目前，关于雾迷山组孔隙结构的研究已经取得了部分进展。在孔喉特征研究方面，雾迷山组碳酸盐岩的宏观储集空间可分为裂缝性储集体和孔洞型储集体，其中溶蚀孔洞最发育[8]; 微观上孔隙类型可划分为孔-洞-缝复合型、裂缝-孔隙型和孔隙型3种类型，雾迷山组以孔-洞-缝复合型为主，是蓟县系物性最好的地层[9]; 成岩过程中微生物对孔隙类型的影响主要表现为有机质孔、粒间溶蚀孔洞、沿纹层边界发育的溶蚀孔洞缝、粒内溶蚀孔等形式[10]。在孔隙结构与地热储层孔渗特征相关性研究方面，由于北京雾迷山组埋深较大(顶板埋深2000~4000 m)，孔渗特征受高应力状态下孔隙结构的变化影响[11]，其影响程度与原生孔隙形态相关[12]。碳酸盐岩地热储层原生孔隙复杂，类型多，孔隙结构与孔渗特征的相关性研究还处于探索阶段，张浩[13]利用神经网络模型，探索了碳酸盐岩伪毛管压力曲线与渗透率之间的估算模型。关于雾迷山组孔隙结构的研究主要集中在孔隙类型定性描述及划分上，鲜有雾迷山组地热储层微观孔隙类型、孔径分布等孔隙结构特征的精细表征，及其对孔渗特征的影响研究报道。
本文通过扫描电镜(SEM)，定性描述了岩石微观孔隙类型; 借助Matlab图像处理技术，二值化薄片测试结果，定量化探究了裂缝发育特征; 利用毛管力测试实验计算得到孔隙和喉道直径分布特征，并以低温液氮吸附实验为补充，定量化研究雾迷山组地热储层孔径分布规律; 最后对比宏观孔隙度和渗透率特征，分析微观孔隙结构对宏观物性的影响关系。
1. 区域地热地质概况
研究区北京市平原区(包括延庆盆地)位于永定河、温榆河、潮白河等河流形成的向南东倾斜的冲洪积平原上，延庆盆地镶嵌于西北部山区中。按地质构造单元理论划分，北京地区处于中朝准地台的北部，跨燕山台褶带中西段和华北断坳西北隅2个构造单元[14-15]。由于受多次地质构造运动影响，区内断裂发育，燕山运动晚期与以升降为主的喜马拉雅山运动都形成了较大规模的断裂，包括北东向、北北东向的南口山前断裂、八宝山断裂、黄庄-高丽营断裂、良乡-前门-顺义断裂、南苑-通县断裂、礼贤断裂带、夏垫断裂等; 北西向、北北西向的南口-孙河断裂、二十里长山断裂、永定河断裂等; 近东西向的皮各庄断裂、桐柏断裂等(图 1)，为地热资源的运移和聚集提供了有利条件。
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图 1 北京市平原区主要断裂分布图Figure 1. Distribution map of major faults in the plain area of Beijing以往钻探揭露区内地层分布有第四系(Q)、新近系(N)、白垩系(K)、侏罗系(J)、石炭系—二叠系(C-T)、奥陶系(O)、寒武系()、青白口系(Qn)和蓟县系(Jx)。蓟县系雾迷山组是区内分布面积最广的地热储层，也是中新元古界沉积厚度最大的地层，在北京厚度一般大于2000 m。天津市蓟县二十里铺—洪水庄一线为雾迷山组的沉积中心，完整出露于地表。该组自上而下分为4段，上部为灰白色、灰色硅质白云岩夹少量燧石条带白云岩、紫灰色泥质白云岩、角砾状硅质白云岩; 中下部为褐灰色、深灰色纹层状白云岩、细晶白云岩与燧石条带白云岩互层。
2. 实验方法及样品
2.1 实验样品选取
本次选取天津市蓟县二十里铺—洪水庄一线的雾迷山组白云岩剖面露头岩石为实验样品，为确保实验的准确性，样品选取参考《天津市区域地质志》[16]中关于雾迷山组各小层岩性的划分标准，尽量包括所有典型岩性。本次选取蓟县系雾迷山组四段7块、三段5块、二段3块、一段1块样品(表 1)。
表 1 实验样品编号及坐标Table 1. Number and coordinates of the experimental samples取样编号 经度 纬度 取样编号 经度 纬度 Jxw4-1 E117° 23′ 24.9″ N40° 06′ 47.0″ Jxw3-2 E117°24′ 23.2″ N40°06′ 57.6″ Jxw4-2 E117° 23′ 33.0″ N40° 06′ 52.5″ Jxw3-3 E117°24′ 21.5″ N40°07′ 03.3″ Jxw4-3 E117° 23′ 35.2″ N40° 06′ 52.2″ Jxw3-4 E117°24′ 24.4″ N40°07′ 04.9″ Jxw4-4 E117° 23′ 42.4″ N40° 06′ 50.9″ Jxw3-5 E117°24′ 29.7″ N40°07′ 15.0″ Jxw4-5 E117° 23′ 44.1″ N40° 06′ 51.4″ Jxw2-1 E117°24′ 25.79″ N40°07′ 18.92″ Jxw4-6 E117° 23′ 51.8″ N40° 06′ 51.4″ Jxw2-2 E117°24′ 36.11″ N40°07′ 25.43″ Jxw4-7 E117° 24′ 00.0″ N40° 06′ 52.4″ Jxw2-3 E117°24′ 41.86″ N40°07′ 38.06″ Jxw3-1 E117°24′ 14.7″ N40°06′ 59.1″ Jxw1-1 E117°24′ 44.00″ N40°07′ 57.62″ 2.2 实验方法
首先借助OLYMPUS BA-2显微镜对雾迷山组白云岩切片进行薄片观测，判断岩石岩性、矿物类型、定量化各组分含量、观察微观孔隙类型及结构、划分孔隙结构等[17]，并利用MATLAB图像处理技术，二值化薄片图像(阈值统一为0.46时，面孔率与实测孔隙度最接近)，提取微裂缝信息。扫描电镜可清晰观测岩石的主要孔隙类型，本次实验选用TESCAN VEGAⅡ型扫描电子显微镜对实验样品微观孔隙类型进行识别，分辨率为3.5 nm，放大倍数4~105倍。其次根据毛管力曲线进汞阶段变化反应孔隙特征，退汞阶段变化反应喉道信息的特征[18]，开展毛管力曲线测试，并反演得到孔喉直径频率分布直方图，实验设备为9510-IV型压汞仪，最高测试压力50 MPa，可精确测量最小孔径为15 nm。另外，选用Quadrasorb SI比表面测定仪开展低温液氮吸附实验，低温液氮吸附比表面-孔径分布测试实验通过让吸附质分子吸附在待测粉末样品表面，根据吸附量的多少来评价待测粉末样品的比表面积孔隙分布大小[19]，本次实验条件为90℃加热1 h、350℃加热5 h。最后制作φ 25 mm×50 mm的圆柱实验样，选用Ultrapore-200A氦孔隙仪及ULTRA-PERMTM200渗透率仪进行孔隙度和渗透率测试，综合表征地热储层宏观物性特征。
3. 微观孔隙结构特征
3.1 岩性及粒度组成
雾迷山组以泥粉晶白云岩为主(图版Ⅰ)，白云岩矿物含量最丰富(平均81.91%)，夹杂硅质(9.14%)、泥铁质白云岩(3.77%)，部分存在有机质、黄铁矿、磁铁矿(共5.18%)等。不同大小的晶体颗粒含量表现为泥晶(66.3%)＞粉晶(13.5%)＞细晶(12.25%)＞中晶(5.6%)＞粗晶(2.35%)。
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图版Ⅰa.纹层状硅质岩; b.泥晶云岩; c.泥晶云岩; d.细-中细晶残余藻云岩; e.泥晶云岩; f.藻屑泥晶云岩; g.泥晶云岩; h.细晶云岩; i.泥晶(藻)云岩; j.泥晶(藻)云岩; k.含泥铁质粉晶云岩; l.亮晶核形石藻云岩; m.含泥铁质含砂粉泥晶云岩; n.纹层状泥晶含硅质云岩; o.泥粉晶藻云岩; p.泥晶硅质岩图版Ⅰ.3.2 孔隙类型
根据Loucks等[20]提出的孔隙形貌-产状分类方案，实验岩样以粒间孔、粒内孔为主，部分可见溶蚀孔洞、微裂隙(图版Ⅱ)。
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图版Ⅱa、b.Jxw4-1粒间孔; c、b.Jxw4-4粒内孔; e、f.Jxw3-1微裂隙; g、h.Jxw3-5溶蚀孔; i、j.Jxw2-3粒间孔; k、l.Jxw1-1微裂缝图版Ⅱ.四段以泥粉晶结构为主，结构较致密，部分岩样孔隙-微孔隙发育，较致密处泥粉晶间微孔隙多小于1μm，少量1~15 μm，局部孔隙-微孔隙发育处多为1~20 μm，少量20~50 μm。
三段以泥粉晶结构为主，整体结构较致密，泥粉晶间微孔隙多小于1 μm，部分1~5 μm，少量大于5 μm; 粒晶间微孔隙多小于1 μm，部分1~5 μm，少量5~10 μm，部分样品局部可见200 μm的溶蚀孔。
二段以泥粉晶结构为主，局部微孔隙发育，泥粉晶间微孔隙多小于1 μm，部分1~3 μm，少量大于3 μm。
一段为泥粉晶结构，结构较致密，局部微孔隙较发育，见微裂缝、硅质胶结、重晶石，常见泥粉晶间微孔隙多小于1 μm，部分1~2 μm，少量2~7 μm，偶见微裂缝7~15 μm。
3.3 裂缝发育特征
统计16块样品各10 mm×10 mm范围内的裂缝宽度和裂缝条数，统计以裂缝原始尺寸为准，不考虑后期充填。雾迷山组裂缝发育不均匀，裂缝密度为1~7条/cm2，宽度分布较广，最大缝宽超过250 μm，最小不足2 μm。雾迷山组整体微裂缝发育，包括构造缝、缝合缝、溶蚀缝等，裂缝以硅质、白云石全充填或半充填为主(图 2、图 3)。
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图 2 微裂缝分布特征a—Jxw4-5微观裂缝类型及分布; b—Jxw4-5微观裂缝二值化图; c—Jxw3-2微观裂缝类型及分布; d—Jxw3-2微观裂缝二值化图Figure 2. Distribution characteristics of microfractures![]()
图 3 雾迷山组白云岩微裂隙发育条数及宽度分布范围Figure 3. Distribution range of microfracture number and width of dolomite in the Wumishan Formation3.4 孔径分布特征
3.4.1 毛管力曲线测试法
对蓟县系雾迷山组一至四段16块岩样孔喉直径分布规律进行分析(图 4)。蓟县系雾迷山组孔隙直径主要集中在0.1 μm，喉道主要集中在0.015~0.02 μm。其中，四段孔喉直径主要集中在0.092 μm处，喉道直径分布范围广，计算孔喉体积占进汞孔隙体积的87.507%;三段孔喉直径主要集中在0.065 μm处，喉道主要集中在0.016 μm，计算孔喉体积占进汞孔隙体积的53.348%;二段孔喉直径主要集中在0.028 μm，喉道直径主要集中在0.0154 μm处，此时孔隙与喉道区分不明显，表明二段物性较差，计算孔喉体积占进汞孔隙体积的37.48%;一段孔喉直径主要集中在0.015 μm，喉道直径集中在0.015 μm，此时喉道为主要渗流通道，物性差，计算孔喉体积占进汞孔隙体积的21.49%。从对比结果可以看出，孔喉特征分布四段与三段较好，二段与一段较差。
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图 4 雾迷山组各段孔喉分布图Figure 4. Pore-throat distribution of each section in the Wumishan Formation3.4.2 低温液氮吸附实验
总结蓟县系雾迷山组白云岩16块样品低温液氮吸附曲线，根据曲线特征可以分为3种类型。
第一种类型(图 5，类型Ⅰ-a)包括样品Jxw4-1、Jxw3-5、Jxw2-1、Jxw2-3，吸附线和解吸线基本稳定且接近平行，相对压力(p/p0)在0.1~0.8之间时，曲线平缓，而在0.8~1.0之间时吸附体积急剧上升，回滞环很小，在相对压力0.8处脱附线与吸附线重合，无明显拐点，根据Kelvin公式，该类型在小于10 nm的微孔隙中主要为一端封闭的不透气性孔(楔形孔、锥形孔、圆柱形孔)，在大于10 nm的孔隙中主要为两端开放的透气孔，包括平行板狭缝型毛细孔和圆柱形孔。该类型在雾迷山组二、三、四段都有分布，结合平均孔径分布可以看出，该类型岩性多以两端开放的透气孔为主。
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图 5 四类低温液氮吸附曲线形态及平均孔径分布Figure 5. Four types of cryogenic liquid nitrogen adsorption curve morphology and average pore size distribution第一种类型(图 5，类型Ⅰ-b)包括Jxw4-2、Jxw4-3、Jxw4-6、Jxw3-1、Jxw3-2，与第一种类型的区别在于，该类型在相对压力0.5处脱附线与吸附线重合，无明显拐点，根据Kelvin公式，该类型在小于4 nm的微孔隙中主要为一端封闭的不透气性孔(楔形孔、锥形孔、圆柱形孔)，在大于4 nm的孔隙中主要为两端开放的透气孔，包括平行板狭缝型毛细孔和圆柱形孔。结合平均孔径分布，该种类型主要分布在雾迷山组三、四段，平均孔径大于4 nm，说明该类型各岩样孔隙以圆柱形或狭缝状两端开口的透气孔为主。
第二种类型(图 5，类型Ⅱ)包括样品Jxw4-4、Jxw4-7、Jxw3-4、Jxw2-2、Jxw1-1，该类型相对压力在0.1~0.8之间时，曲线缓慢上升，相对压力大于0.8后，曲线迅速上升。脱附曲线与吸附曲线形成明显回滞环，在相对压力0.5处，出现明显拐点，脱附曲线迅速下降，在相对压力0.45左右处与吸附曲线重合。该类型曲线在雾迷山组各段都有分布，孔隙类型以细径广体的水墨瓶孔为主，根据Kelvin公式，小于3.3 nm的孔隙主要为一端封闭的圆柱形孔，大于3.3 nm的孔隙主要为水墨瓶状孔。结合平均孔径分布，该类型各岩样孔隙以水墨瓶状孔为主。
第三种类型(图 5，类型Ⅲ)包括样品Jxw4-5、Jxw3-3，为其他曲线类型。Jxw4-5吸附曲线与脱附曲线基本平行，在相对压力为0.8~1.0处，吸附曲线迅速上升，存在回滞环，但无明显脱附曲线拐点，在相对压力0.7附近，脱附曲线与吸附曲线重合，在相对压力0.5处，脱附曲线与吸附曲线出现交叉，相对压力小于0.5处，脱附曲线小于吸附曲线，结合该岩样平均孔径，孔隙类型由两端透气的微孔和中孔构成。Jxw3-3吸附曲线在0.1~0.8相对压力区间，基本平稳，在0.8~1.0相对压力区间，曲线迅速上升; 脱附曲线在0.9~0.4相对压力区间，线性下降，在0.4~0.1相对压力区间，缓慢线性降低，逐渐与吸附曲线重合，该类型具有较大的回滞环，但无明显脱附曲线拐点。结合孔径分布，该类型岩样以两端开口的墨水瓶或狭缝中孔为主。
综合3种类型，雾迷山组以第一种类型为主(9块样品)，孔隙类型以两端开口的透气中孔为主，孔隙形状包括圆柱状孔、狭缝状孔、水墨瓶状孔。
3.4.3 孔喉分布精细表征
由低温液氮测试的微孔和介孔、毛管力测试的宏孔共同形成雾迷山组白云岩不同孔径分布-孔隙体积图(图 6)。对比雾迷山组一至四段共16块岩心的测试结果，雾迷山组基质最可能几率孔径在50~60 nm附近，部分裂缝发育岩样，存在100 nm以上孔隙。雾迷山组白云岩储层基质整体较致密，相对于基质孔隙，天然裂缝、溶蚀孔洞可提供更加有效的地热水流动通道。
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图 6 雾迷山组白云岩孔隙结构精细表征Figure 6. Fine characterization of the pore structure of dolomite from the Wumishan Formation对于单个岩样而言，半对数孔径分布曲线表现出正态分布的特征，四段和三段岩心多以单峰形态为主，对应岩心孔径单一，均质性较好; 二段和一段岩样表现出多峰特征，表明岩心内部孔隙结构复杂，非均质性强。
4. 综合物性特征
在孔隙结构特征描述的基础上，为进一步表征岩石宏观物性特征，开展了孔隙度、渗透率测试(表 2)。
表 2 雾迷山组白云岩孔隙度、渗透率测试结果Table 2. Porosity and permeability test results of dolomite in the Wumishan Formation样品编号 峰值个数 峰值孔径/nm 对应孔隙体积/cm3 孔隙度/% 渗透率/mD Jxw4-1 1 64.73 0.089 9.1 5.12 Jxw4-2 2 15.05 0.011 0.8 0.0047 35.72 0.010 Jxw4-3 1 42.84 0.025 1.3 0.0341 Jxw4-4 2 3.75 0.007 1.3 0.05 52.02 0.052 Jxw4-5 1 37.20 0.028 2 0.6919 Jxw4-6 1 46.44 0.032 10.6 0.0146 Jxw4-7 1 137.82 0.298 8.4 26.3 Jxw3-1 1 64.74 0.021 1.1 0.0136 Jxw3-2 1 37.05 0.012 0.8 0.01 Jxw3-3 1 35.30 0.015 0.5 0.0111 Jxw3-4 3 4.14 0.019 9.5 0.029 64.74 0.132 316.99 0.100 Jxw3-5 1 64.73 0.010 0.5 2.86 Jxw2-1 3 15.05 0.043 8.6 0.0624 28.22 0.064 64.74 0.029 Jxw2-2 5 15.05 0.012 4.5 0.1137 28.22 0.014 64.73 0.017 137.87 0.037 317.12 0.012 Jxw2-3 5 7.20 0.010 3.6 1.62 14.56 0.031 18.35 0.014 46.97 0.004 196.08 0.007 Jxw1-1 5 9.11 0.014 1.8 0.0937 22.00 0.021 47.64 0.064 126.74 0.026 317.66 0.041 对比雾迷山组孔隙度、渗透率，两者相关性差(图 7)，孔径分布、孔喉类型、裂缝和溶蚀孔洞对孔隙度、渗透率都有较大影响。
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图 7 雾迷山组各段孔渗特征分区图Figure 7. Characteristic zoning map of porosity and permeability relationship of each section in the Wumishan Formation(1) Jxw4-1、Jxw4-7孔隙度、渗透率大，微裂缝发育，峰值孔径分别为64.73 nm和137.81 nm，对应孔隙体积较大，孔径均质性好，Jxw4-1为两端开口的透气孔，Jxw4-7以水墨瓶状口为主，同时2组岩样天然裂缝发育，提供了主要储集空间和渗流通道。
(2) Jxw4-6、Jxw3-4、Jxw2-1表现为孔隙度大、渗透率低的特征，对比微观孔喉结构特征和孔喉分布图，Jxw2-1和Jxw3-4都具有3个峰值，孔径非均质性强，但峰值孔径对应的孔隙体积都较大，对孔隙度贡献较大; Jxw4-6孔径分布为单峰特征，孔径均质性较好，峰值孔径46 nm，且孔隙体积较小，但微裂隙发育，对孔隙贡献较大。孔隙类型为两端开口的透气孔和一端开口的墨水瓶孔，连通性较差，未能提供有效渗流通道。
(3) Jxw4-5、Jxw3-5、Jxw2-3表现为孔隙度低、渗透率较低的特点。Jxw2-3孔径分布具有多峰特征，孔径非均质性强，主要孔径集中在14.56 nm，孔径小，孔隙体积整体较小，孔隙度较小，该组样品孔隙类型为两端开放的透气孔，具有一定的渗流能力; Jxw3-5、Jxw4-5孔径分布为单峰特征，峰值孔径分别为64.73 nm和37.20 nm，对应孔隙体积小，但对比裂缝发育特征，2组样品微裂缝发育，提供了主要的渗流通道。
(4) Jxw4-2、Jxw4-3、Jxw4-4、Jxw3-1、Jxw3-2、Jxw3-3、Jxw2-2、Jxw1-1表现为低孔低渗的特征，为雾迷山组岩样的主要孔渗特征类型。整体裂缝尺寸小，且不发育，多峰孔径分布占50%，主要孔径较小或主要孔径对应的孔隙体积较小，孔隙类型为一端封闭的透气孔或墨水瓶状孔。
整体上，孔隙度和渗透率关系图(图 7)右上表现为裂缝/溶蚀孔洞型渗流特征，左下为基质孔隙型孔渗特征。依据碳酸盐岩储层划分方法[21]，蓟县系雾迷山组白云岩储层为中等-差储层，天然裂缝和溶蚀孔洞提供了主要的储集空间和渗流通道。
因此，在实际生产中，优选孔、渗条件好的裂缝发育层段为主要产层，对节约开发成本、提高开发效率至关重要。但由于碳酸盐岩地热储层非均质性强，利用测井资料求取孔隙度的方法较多，渗透率求取方法非常少，且具有很强的区域适用性，目前针对北京地区雾迷山组碳酸盐岩地热储层，尚未见到利用测井资料求取渗透率的关系式。在对本次实验数据处理的基础上，发现渗透率与孔渗乘积的开方数线性相关(图 8)，拟合出适用于北京地区雾迷山组岩石的孔渗经验关系，该关系式将有助于现场利用测井曲线解释地热储层孔隙度、渗透率参数：
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图 8 渗透率与孔渗乘积的开方数关系曲线Figure 8. Relationship curve of permeability vs.open square of pore-permeability multiplication product√kϕ=0.5666k+0.5678 (1) 式中：k为渗透率(mD); φ为孔隙度(%)。
在地热井开发过程中，利用测井资料，结合上述经验公式，可解释得到地层孔隙度、渗透率垂向分布，并结合图 7，判断各个层段裂缝、溶蚀孔洞的发育程度，进而划分有利开发层段。
5. 实际案例分析
北京城市副中心某地热井钻探目的层为蓟县系雾迷山组(2030~2501.80 m)，测井项目包括电阻率、自然电位、井温、声波时差及自然伽马测井。依据测井资料及公式(1)，解释得到A井目标层段孔隙度、渗透率，并借助图 9对目标层段裂缝发育程度进行综合评价。以裂缝发育程度为标准，对目标层段进行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类划分：Ⅰ类裂缝层1层，共10.4 m，占2.20%;Ⅱ类裂缝层1层，共10.3 m，占2.18%;Ⅲ类裂缝层8层，共35.7 m，占7.57%。测井整体解释目标层段平均渗透率3.56 mD，孔隙度3.69%，其中有利开发层段为Ⅰ、Ⅱ类地层，该组裂缝层段在钻井过程中同样表现出明显漏失(图 9)，证明优选方法准确可行。
该井开采方式为全目标层段笼统开采，抽水试验显示，目标井初始井口出水温度为46℃，降深11.36 m时单位出水量为53.12 m3/(d·m)。为进一步提高产能，激活优势层段，在测井解释的基础上，对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类裂缝层段进行酸化压裂重点改造。改造后，井口出水温度48℃(提高了2℃)，降深10.09 m时单位出水量87.92 m3/(d·m)(提高了65.51%)，取得了理想的改造效果。本次应用结果证明，储层微观孔隙结构特征是决定地热储层生产能力的关键，利用测井资料解释储层孔渗条件，结合孔隙度与渗透率分布图版划分裂缝发育层段，可以准确判断有利生产层段，有助于精准改造储层，提高地热井生产能力。
6. 结论
通过研究北京地区雾迷山组碳酸盐岩地热储层微观孔隙结构特征，精细划分了储层微观孔隙类型，阐明了微观孔隙结构对宏观孔隙度、渗透率的影响关系，建立了依据测井资料划分优势开发层的方法，取得如下结论。
(1) 雾迷山组碳酸盐岩微观孔隙包括粒间孔、粒内孔及微裂隙3种类型。粒间孔和粒内孔发育，尺寸多小于1 μm，但基质孔隙间连通性较差。微裂隙以半充填或全充填构造缝、缝合缝形式发育，与溶蚀孔洞构成地热水主要渗流通道。孔隙形态以两端开口的透气中孔为主，孔隙形状包括圆柱状孔、狭缝状孔、水墨瓶状孔。
(2) 雾迷山组地热储层属于中等-差储层，基质孔径分布范围广。孔隙体积分布频率随孔径整体呈正态分布，最可能几率孔径分布于50~60 nm范围; 部分岩样表现出多峰形态，孔隙结构复杂，非均质性强，其中雾迷山组二段和一段较四段和三段强，建议优选三段、四段为地热资源主要开发层段。
(3) 绘制了雾迷山组白云岩孔隙度与渗透率分布图，天然裂缝、溶蚀孔洞对孔隙度、渗透率贡献显著，天然裂缝或溶蚀孔洞越发育，孔隙度、渗透率越好。该图有助于根据孔渗条件判断储层裂缝发育程度。
(4) 拟合得到雾迷山组碳酸盐岩地热储层孔隙度与渗透率经验关系式，并建立了基于测井数据、经验关系式、孔渗分布图版的裂缝层段划分方法。该方法在北京城市副中心地热井得到成功应用，为地热储层认识和精准改造、降低传统笼统改造成本、提高地热资源开发效率提供了非常重要的依据。
致谢: 在研究过程中得到中国石油大学(北京)、北京市华清地热开发集团有限公司、任丘市杰创石油科技有限公司的大力支持，在撰写过程中得到中国石油大学(北京)葛洪魁教授、盛茂教授、徐泉教授、王兴、徐鹏等的指导和帮助，并得到《中国矿产地质志·北京卷浅层地热能资源专题资料搜集与研编》项目的资助，在此一并表示感谢。 -
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图 1 北京市平原区主要断裂分布图
Figure 1. Distribution map of major faults in the plain area of Beijing
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图版Ⅰ
a.纹层状硅质岩; b.泥晶云岩; c.泥晶云岩; d.细-中细晶残余藻云岩; e.泥晶云岩; f.藻屑泥晶云岩; g.泥晶云岩; h.细晶云岩; i.泥晶(藻)云岩; j.泥晶(藻)云岩; k.含泥铁质粉晶云岩; l.亮晶核形石藻云岩; m.含泥铁质含砂粉泥晶云岩; n.纹层状泥晶含硅质云岩; o.泥粉晶藻云岩; p.泥晶硅质岩
图版Ⅰ.
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图版Ⅱ
a、b.Jxw4-1粒间孔; c、b.Jxw4-4粒内孔; e、f.Jxw3-1微裂隙; g、h.Jxw3-5溶蚀孔; i、j.Jxw2-3粒间孔; k、l.Jxw1-1微裂缝
图版Ⅱ.
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图 2 微裂缝分布特征
a—Jxw4-5微观裂缝类型及分布; b—Jxw4-5微观裂缝二值化图; c—Jxw3-2微观裂缝类型及分布; d—Jxw3-2微观裂缝二值化图
Figure 2. Distribution characteristics of microfractures
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图 3 雾迷山组白云岩微裂隙发育条数及宽度分布范围
Figure 3. Distribution range of microfracture number and width of dolomite in the Wumishan Formation
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图 4 雾迷山组各段孔喉分布图
Figure 4. Pore-throat distribution of each section in the Wumishan Formation
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图 5 四类低温液氮吸附曲线形态及平均孔径分布
Figure 5. Four types of cryogenic liquid nitrogen adsorption curve morphology and average pore size distribution
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图 6 雾迷山组白云岩孔隙结构精细表征
Figure 6. Fine characterization of the pore structure of dolomite from the Wumishan Formation
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图 7 雾迷山组各段孔渗特征分区图
Figure 7. Characteristic zoning map of porosity and permeability relationship of each section in the Wumishan Formation
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图 8 渗透率与孔渗乘积的开方数关系曲线
Figure 8. Relationship curve of permeability vs.open square of pore-permeability multiplication product
表 1 实验样品编号及坐标
Table 1 Number and coordinates of the experimental samples
取样编号 经度 纬度 取样编号 经度 纬度 Jxw4-1 E117° 23′ 24.9″ N40° 06′ 47.0″ Jxw3-2 E117°24′ 23.2″ N40°06′ 57.6″ Jxw4-2 E117° 23′ 33.0″ N40° 06′ 52.5″ Jxw3-3 E117°24′ 21.5″ N40°07′ 03.3″ Jxw4-3 E117° 23′ 35.2″ N40° 06′ 52.2″ Jxw3-4 E117°24′ 24.4″ N40°07′ 04.9″ Jxw4-4 E117° 23′ 42.4″ N40° 06′ 50.9″ Jxw3-5 E117°24′ 29.7″ N40°07′ 15.0″ Jxw4-5 E117° 23′ 44.1″ N40° 06′ 51.4″ Jxw2-1 E117°24′ 25.79″ N40°07′ 18.92″ Jxw4-6 E117° 23′ 51.8″ N40° 06′ 51.4″ Jxw2-2 E117°24′ 36.11″ N40°07′ 25.43″ Jxw4-7 E117° 24′ 00.0″ N40° 06′ 52.4″ Jxw2-3 E117°24′ 41.86″ N40°07′ 38.06″ Jxw3-1 E117°24′ 14.7″ N40°06′ 59.1″ Jxw1-1 E117°24′ 44.00″ N40°07′ 57.62″ 
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表 2 雾迷山组白云岩孔隙度、渗透率测试结果
Table 2 Porosity and permeability test results of dolomite in the Wumishan Formation
样品编号 峰值个数 峰值孔径/nm 对应孔隙体积/cm3 孔隙度/% 渗透率/mD Jxw4-1 1 64.73 0.089 9.1 5.12 Jxw4-2 2 15.05 0.011 0.8 0.0047 35.72 0.010 Jxw4-3 1 42.84 0.025 1.3 0.0341 Jxw4-4 2 3.75 0.007 1.3 0.05 52.02 0.052 Jxw4-5 1 37.20 0.028 2 0.6919 Jxw4-6 1 46.44 0.032 10.6 0.0146 Jxw4-7 1 137.82 0.298 8.4 26.3 Jxw3-1 1 64.74 0.021 1.1 0.0136 Jxw3-2 1 37.05 0.012 0.8 0.01 Jxw3-3 1 35.30 0.015 0.5 0.0111 Jxw3-4 3 4.14 0.019 9.5 0.029 64.74 0.132 316.99 0.100 Jxw3-5 1 64.73 0.010 0.5 2.86 Jxw2-1 3 15.05 0.043 8.6 0.0624 28.22 0.064 64.74 0.029 Jxw2-2 5 15.05 0.012 4.5 0.1137 28.22 0.014 64.73 0.017 137.87 0.037 317.12 0.012 Jxw2-3 5 7.20 0.010 3.6 1.62 14.56 0.031 18.35 0.014 46.97 0.004 196.08 0.007 Jxw1-1 5 9.11 0.014 1.8 0.0937 22.00 0.021 47.64 0.064 126.74 0.026 317.66 0.041
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