浅析北京通州地区雾迷山组热储微观特征

孔祥军

摘 要：为解析通州地区蓟县系雾迷山组热储层的微观结构，本文通过显微镜观测、X射线衍射测试和扫描电镜分析，对研究区内的白云岩岩石学特征、矿物成分特征和空隙结构进行表征。结果表明，研究区内的蓟县系雾迷山组以粉晶白云岩为主，粒径集中在0.01～0.085mm，大小相对均一，分选较好，多为自形—半自形晶体，白云石的菱形晶体结构明显，同时燧石条带较为发育，可见粒径不均的隐晶质细小颗粒;其次为他形镶嵌结构的泥晶白云岩，粒径多小于0.005mm;此外还有少量粒径为0.1～0.25mm的细晶白云岩，主要为自形—半自形晶体结构。白云岩中主要矿物为白云石，含量约为72.8%～98.9%，其次为石英和长石，其中的黏土矿物含量较低，对白云岩的孔隙度和渗透率的影响有限。蓟县系雾迷山组白云岩的微观空隙结构以次生孔隙为主，孔径较大，多是由于后期的热流体溶蚀白云石的结果，原生孔隙的孔径相对较小，可能主要是在成岩阶段形成。

关键词：微观特征;晶体结构;矿物成分;空隙类型

中图分类号：P314    文献标识码：A   文章编号：1007-1903（2019）04-0030-07

Abstract： In order to analyze the microscopic characteristics of geothermal reservoirs from Wumishan Formation in Tongzhou of Beijing， the article researches the characteristics of the petrology， mineral composition and pore structure of dolostones by microscope observation， X-ray diffraction and scanning electron microscope analysis. The result indicates that dolostones of Wumishan Formation are mainly composed of crystal powder dolomite， which grain sizes are from 0.01mm to 0.085mm， meanwhile the dolomite grains are mainly composed of idioplasmic-hypidiomorphic texture with the developed obvious rhombic structure and chert bands; sometimes aphanitic fine particles can be seen. The micrites with the grain sizes less than 0.005mm， are characterized by the allotriomorphic mosaic texture. Fine-grained dolostones with the idioplasmic-hypidiomorphic texture can be found in the Wumishan Formation， which grain sizes are from 0.1mm to 0.25mm. Dolostones of Wumishan Formation are mainly composed of dolomites（72.8%-98.9%）， secondly quartz and feldspar. Just a few clay minerals could appear in the dolostone， having limited influence on the porosity and permeability of the dolostone. Microscopic vacuity structure in dolostone of Wumishan Formation， Jixian System is dominated by secondary pores with the bigger sizes， which is resulted from the dolomite being corroded by later thermal fluid; however， the primary pores have the smaller sizes， probably forming in the diagenesis stage.

Keywords： Microscopic features; Crystal texture; Mineral composition; Pore type

0引言

近年來，随着地热资源清洁可再生的特点被不断认识，国家和各级地方政府也在不断加大对地热资源开发利用的支持力度，尤其是北京地区，由于具有特殊的地理位置，开展地热资源的开发利用具有重要意义。北京地区具有十大地热田，总面积为2760km2，年可开采热量约为1.7×1016J（北京市国土资源局，2006），地热资源丰富，但对热储层成因机理的认识仍处于相对空白阶段，仅在延庆盆地有初步研究（北京市地热研究院，2017）。研究区处于双桥地热田范围内，热田面积约为339km2，截至目前，已在该热田范围内钻凿成功了多眼地热井，热储层主要为蓟县系雾迷山组，但由于上覆盖层较薄，热储温度相对较低。为厘清研究区内蓟县系雾迷山组热储层的微观结构，本文通过显微镜观测、X射线衍射测试和扫描电镜分析对研究区内的热储层岩石学特征、矿物成分和空隙结构进行表征（其中所分析的样品均属于蓟县系雾迷山组，重点集中在了二段和三段），详细探究了蓟县系雾迷山组热储层的显微特征，为今后开展北京地区蓟县系雾迷山组热储层的成因机理研究奠定理论基础。

1 地质概况

研究区位于华北断拗（II级构造单元）大兴迭隆起（III级构造单元）东北部（图1），其基底以中、上元古界及下古生界为主，按其内部隆坳的幅度和强度、基底岩系和新生界的结构差异，可进一步划分为两个IV级构造单元，即牛堡屯-大孙各庄迭凹陷和黄村迭凸起，构造较为复杂（北京市地质矿产局，1991）。

研究区及周边地区内主要发育的断裂构造包括南苑-通县断裂、张家湾断裂和燕郊断裂等，切割了研究区内的蓟县系雾迷山组热储，从而起到了导热导水的作用。主要褶皱有通州向斜和张家湾背斜（图2）。

根据区域地质资料及相关的钻井地质资料，研究区内及附近地层由老至新主要发育蓟县系、青白口系、寒武系和第四系，各地层简单描述如下：

蓟县系（Jx）：主要分布张家湾背斜的核部，研究区东南部发育该系地层，该套地层是组成北京城区地热田（含热田扩大部分）的主要热水储集层。主要发育铁岭组（Jxt）、洪水庄组（Jxh）和雾迷山组（Jxw），其中铁岭组（Jxt），岩性为灰白色白云岩夹少量黑色页岩，视厚度为300m左右，与下覆地层整合接触;洪水庄组（Jxh），岩性以黑色页岩为主，视厚度为100m左右，与下覆地层整合接触;雾迷山组（Jxw），主要为碳酸盐相沉积，岩性以灰白色燧石条带白云岩为主，在断裂附近岩溶裂隙较发育，是本区良好的热储层，在全区内均有分布。在小圣庙南侧靠近燕郊断裂的地区，雾迷山组白云岩与上覆第四系直接不整合接触，自南东至北向方向埋深逐渐加大，顶板埋深约为450～1500m，厚度巨大，最大视厚度超过为3300m。雾迷山组根据岩性特征可以划分4段（北京市地质矿产局，1991），根据研究区内的实际钻探成果显示（北京市地质勘察技术院，2017），该区内主要钻遇雾迷山组三段，区内的多数地热井均以此层段作为热储层开发利用地热资源。

青白口系（Qn）：张家湾背斜的两翼均有发育，研究区的西北部位张家湾背斜西北翼，该套地层呈北东向长条状分布，主要包括景儿峪组（Qnj）、龙山组（Qnl）和下马岭组（Qnx）。其中景儿峪组（Qnj）主要由紫红色、蛋青色和黄绿色泥灰岩组成，视厚度为76m左右，与下覆地层整合接触;龙山组（Qnl）为黄绿色砂岩，视厚度约为104m，与下覆地层平行不整合接触;下马岭组（Qnx）主要发育黑色页岩及泥岩，视厚度为344 m左右，与下伏地层平行不整合接触。

寒武系（∈）：主要发育在通州向斜的核部，即分布于本区西北部，主要岩性为泥质白云质灰岩，鲕状灰岩、竹叶状灰岩、黄褐色泥质条带状灰岩和紫红色页岩等，与下伏地层不整合接触，根据周边钻井揭露地层，视厚度在172～218 m。

第四系（Q）：岩性以河流相的砂卵砾石及粘土为主，总体其厚度自西北向东南有加厚的趋势，厚度大致在300～500m之间变化。

2 岩石学特征

根据实际钻探资料显示（北京市地质勘查技术院，2017），研究区内的热储层主要为蓟县系雾迷山组，以白云岩为主，叠层石、燧石条带发育。本文对井下岩心和岩屑利用Zeiss AxioscopeA1 A Pol偏光显微镜进行镜下薄片鉴定，将雾迷山组白云岩主要划分为粉晶白云岩、石英粉晶白云岩、石英泥晶白云岩、粉晶—泥晶白云岩、叠层石粉晶白云岩、泥晶白云岩、燧石条带粉晶白云岩、中晶—细晶白云岩、细晶—粉晶白云岩等类型，其岩石学特征如下：

（1）粉晶白云岩

粉晶白云岩镜下特征显示白云石粒径多为0.02～0.06mm，多为半自形晶体，少部分为它形晶体，具有白云石菱形晶体特征，多为嵌晶结构，在正交偏光镜下显示高级白干涉色（图3A）。

（2）石英粉晶白云岩

图3B显示，石英粉晶白云岩：白云岩粒径多集中在0.11～0.095mm，少數白云石晶粒介于0.11～0.14mm，白云石晶形多为自形—半自形，含量约占80%，多成基底式胶结结构，正交偏光镜下显示高级白干涉色，插入石膏试板后不变色。石英颗粒粒径约为0.03～0.187mm，多为次棱角状—次圆状，分选较差，磨圆一般，在正交偏光镜下显示一级黄白干涉色，含量约占20%。

（3）石英泥晶白云岩

在正交偏光镜下（图3C），白云岩粒径小于0.005mm，多成它形镶嵌结构，正交偏光镜下显示高级白干涉色，插入石膏试板后不变色。石英颗粒粒径约为0.03～0.246mm，多为次棱角状—次圆状，分选较差，磨圆也一般，含量约占26%。

（4）泥晶白云岩

泥晶白云岩颗粒细小，较为致密，镜下白云石晶粒的粒径多小0.005mm，多数白云石晶体显示出明显的它形镶嵌粒状结构，正交偏光下显示出高级白干涉色（图3D）。

（5）叠层石粉晶白云岩

叠层石粉晶白云岩是一种由明暗相间的基本纹层所构成的岩石类型（图3E）。暗层为富藻纹层，以粉晶白云石为主，藻类组分多，有机质含量高;明层为贫藻纹层，一般白云石晶粒较暗层粗，有机质含量少或者不含有机质。上述两种基本纹层交互出现，构成不同的几何形态，表现出不同的外貌特征。根据基本纹层的构造特征，可再细分出层状、波状、锥状、柱状叠层石白云岩。镜下白云石晶粒大小为0.02～0.1mm，重结晶作用明显，晶粒为半自形—它形，部分晶粒显示出特征的白云石菱形结构，正交偏光下显示高级白干涉色，其中的粗粉晶晶粒大小约为0.050～0.1mm，细粉晶晶粒大小约为0.02～0.05mm，以细粉晶含量占优，粗粉晶白云石和细粉晶白云石呈明显的亮暗纹层相间的条带状分布，显示出特征性的叠层石纹层特征。

（6）燧石条带粉晶白云岩

图3F显示，在正交偏光镜下白云石粒径约为0.07～0.21mm，多为半自形—它形晶体，彼此间呈镶嵌接触镶嵌结构，含量约占85%。燧石多为隐晶质，颗粒细小，彼此间呈镶嵌紧密接触，多成带状与粉晶白云岩接触，或漂浮于粉晶白云岩基质中，含量约占35%。

（7）细晶—粉晶白云岩

镜下粉晶白云石粒径约为0.04～0.098mm，多为自形—半自形晶体，具有白云石菱形晶体特征（图3G），含量约占70%，细晶白云石晶粒约为0.11～0.21mm，多为它形晶体结构，含量约占30%。

（8）细晶白云岩

在正交偏光镜下（图3H），细晶白云岩粒径多集中在为0.11～0.25mm，白云石晶形多为半自形—它形，含量约占75%;中晶白云石颗粒粒径约为0.25～0.387mm，多为它形，含量约占25%。正交偏光镜下白云石晶粒显示高级白干涉色，插入石膏试板后不变色。

3 矿物成分特征

热储层的矿物成分对于储层结构具有重要的影响，尤其是其中的粘土矿物含量多少在一定程度上会影响热储层孔隙度和渗透率的大小（李阳等，2017）。粘土矿物是指粒度小于2μm的具有层状结构的硅酸盐矿物，具有颗粒细微、比较面积巨大和存在特征性的结构层间域等特征，使之具有吸附性、膨胀性、可塑性和离子交换等特殊性能，这些粘土矿物有很强的吸水膨胀率，遇矿化度低的淡水等发生膨胀，体积可增大30倍以上，堵塞孔隙和吼道，降低岩层的孔隙度和渗透率，是对储层伤害最大的水敏性粘土矿物，或者部分粘土矿物具有酸敏性，能够与钻井液中的HCL等酸液作用容易产生沉淀，而造成储层伤害（张玄奇，2003）。常见的粘土矿物主要包括高岭石族、伊利石族、蒙脱石族、蛭石族以及海泡石族等矿物（赵璐璐等，2015）。

本文利用X-射线衍射光谱仪（D/MAX-2400）对研究区内的蓟县系雾迷山组白云岩样品进行矿物成分测定（表1），结果表明，蓟县系雾迷山组白云岩中的主要矿物为白云石，含量为72.8%～98.9%;其次为石英，含量为1.0%～20%;部分样品中含有长石，主要为钾长石和斜长石;仅有其中的两個样品中含有粘土矿物，含量分别为5.3%和19.1%，其中的粘土矿物主要包括蒙皂石、伊蒙混层、伊利石、高岭石、绿泥石和绿蒙混层等（表2）。

4 孔隙结构特征

蓟县系雾迷山组之所以能够成为北京地区最主要的热储层之一（北京市地质矿产勘查开发局，2010），其最主要的特征就是具有丰富的能够储存地下流体的储集空间，而地下流体则是地热能的载体。碳酸盐岩储集空间主要包括孔隙、溶洞和裂缝等类型（傅海成等，2006）。为了表征蓟县系雾迷山组白云岩的微观结构特征和空隙类型，本文利用LEO1450VP型扫描电子显微镜对研究区内的井下白云岩样品进行显微观测，结果显示蓟县系雾迷山组白云岩多呈现出片状、鳞片状或粒状结构（图4A、图4B、图4C），部分样品中可以看到白云岩清晰的菱形晶体结构（图4D），因为蓟县系雾迷山组白云岩中燧石条带发育，在扫描电子显微镜下可以清晰地看到粒状的石英（隐晶质的燧石）与菱形的白云石晶体的共生关系（图4E），结晶条件好的石英（隐晶质的燧石）多显示出明显的六方双锥晶体结构，呈粒状，晶体结构较完整（图4F）。

通过对蓟县系雾迷山组白云岩进行扫描电子显微镜观测实验，显微镜下的白云岩孔隙主要包括原生孔隙和次生孔隙，原生孔隙主要包括晶内和晶间孔隙，其孔径相对较小，主要集中在0.41～2.18nm。晶内孔隙多发育在白云石晶体内，孔隙相对较小，但普遍发育，边缘较为平直，且多垂直层面发育（图5A）;晶间孔隙则相对较大，形状不规则，边缘也较为平直（图5B），多是由于胶结作用导致白云石晶体形成时因晶格变小导致不同晶体之间存有孔隙。此外，工作区内的白云岩还普遍发育次生孔隙，多是由于后期的热流体溶蚀白云石的结果，这部分次生孔隙不规则，没有平直的边缘，边缘较为圆滑（图5C，5D），孔隙直径约为1.41～4.22nm，虽然白云石被溶蚀，但仍可以看出白云石的原生晶体结构。

5 结论

通过对研究区内的蓟县系雾迷山组显微特征研究，深入分析了热储层的岩石学特征、矿物成分特征和空隙结构，主要取得以下结论。

（1）研究区的蓟县系雾迷山组白云岩粉晶白云岩为主，粒径主要为0.01～0.085mm，大小相对均一，分选较好，重结晶作用明显，多为自形—半自形晶体，白云石的菱形晶体结构明显，同时燧石条带较为发育，可见燧石颗粒，多为隐晶质细小颗粒，粒径不均;其次为泥晶白云岩，粒径多小于0.005mm，多为他形镶嵌结构;此外还有少量的细晶白云岩，粒径大小多为0.1～0.25mm，主要为自形—半自形晶体结构。

（2）区内白云岩中的主要矿物为白云石，含量约为72.8%～98.9%，其次为石英和长石，仅个别样品中含有粘土矿物，白云岩中的粘土矿物矿物含量较低，揭示工作区内作为热储层的蓟县系白云岩的孔隙度和渗透率受粘土矿物的影响有限，可能主要受控于热储层的结构。

（3）蓟县系雾迷山组白云岩的微观空隙结构主要发育了原生孔隙和次生孔隙，原生孔隙的孔径相对较小，较为规则，可能主要是在成岩阶段形成;次生孔隙普遍发育，不规则，孔径较大，多是由于后期的热流体溶蚀白云石的结果。

参考文献

北京市地质矿产局， 1991. 北京市区域地质志[M]. 北京： 地质出版社.

北京市国土资源局， 2006. 北京市地热资源2006—2020年可持续利用规划[R].

北京市地质矿产局， 北京市地热研究院， 2010. 北京地热[M]. 北京： 中国大地出版社.

北京市地质勘察技术院， 2016. 延庆县西北部发展区地热资源勘查评价报告[R].

北京市地热研究院， 2017. 北京市延庆区西北部发展区地热资源勘查评价（二期）报告[R].

北京市地质勘察技术院， 2017. 通州某建设新区深部地热资源勘查与示范报告[R].

傅海成， 张承森， 赵良孝， 等， 2006. 塔里木盆地轮南奥陶系碳酸盐岩储层类型测井识别方法[J]. 西安石油大学学报（自然科学版）， 21（5）： 38-41.

李阳， 李树同， 牟炜卫， 等， 2017. 鄂尔多斯盆地姬塬地区长6段致密砂岩中黏土矿物对储层物性的影响[J]. 石油天然气科学， 28（7）： 1043-1053.

张玄奇， 2003. 低渗地层堵塞特征及解堵技术研究[J]. 西安石油学院学报（自然科学版）， 18（4）： 45-48.

赵璐璐， 洪汉烈， 殷科， 等， 2015. 成都盆地红土沉积物中黏土矿物的特征及其古气候指示意义[J]. 地质科技情报， 34（3）： 80-86.