基于沉积相特征的深部水文地质结构模型构建

王建军，陈 兵，刘延锋，欧 健

(1. 中国地质大学环境学院，武汉 430074；2. 湖南省地质矿产勘查开发局四〇二队，长沙 410014)

0 引 言

近年来，随着CO2地质储存、废液的深部埋存、地热资源以及深层卤水资源开发等研究进展，深部水文地质学的研究逐渐受到重视[1,2]，特别是深部含水层的刻画及水文地质要素对CO2储存的影响[3-5]。深部水文地质条件研究是CO2地质储存工程的重要组成部分，涉及储量评价、运移、储存安全性等过程[6]，而含水介质的三维结构及其空间显示是深部水文地质条件研究重要内容之一，它很好地显示了关键含水层或弱透水层的分布，可为专题水文地质工作提供科学基础。用于三维地质结构建模的工具软件很多，如GOCAD(Geological Object Computer Aided Design)、MineSight、GMS(Groundwater Modeling System)、Petrel等[7-12]，其中GMS软件因具有良好的图形界面、直接显示水文地质结构三维空间展布形态和空间组合特征，并能进行地下水流和溶质运移的数值模拟，在水文地质领域受到广泛应用[10,13-15]。由于地下深部条件复杂，水文地质研究程度比较低，资料难以获取，在研究中可借助地质和油气地质的成果进行深部水文地质条件研究。沉积相是油气地质分析中常用资料，它反映了沉积环境及在该环境中形成的沉积物或沉积岩的综合，控制着储层的空间展布，反映了地层的水力性质，是区分含水岩组的一个重要依据[16]。因此，将地质资料、钻孔数据与沉积相特征结合起来进行含水介质分析，构建水文地质结构模型，显示含水介质的空间展布形态，可为CO2深部咸水层储存容量评价、场地选择以及工程安全性评价等提供基础。

鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地，蕴含着丰富的油气资源，多项大型煤化工项目的开展为CO2地质储存提供了直接碳源。其地质条件稳定，沉积厚度大，沉积盖层发育完整，为CO2地质储存工程提供了有利的储存环境，并已开展了深部咸水层CO2注入示范工程[17-21]。本文以鄂尔多斯盆地为研究对象，利用GMS软件及其中的MODFLOW模块，结合沉积相特征分析含水层空间分布特征，构建盆地深部三维水文地质结构模型，重点刻画适宜CO2储存的800～3 500 m深度内含水介质的空间展布[22-24]。

1 研究区地质条件

1.1 地质特征

鄂尔多斯盆地位于我国西北地区东部，东经106°20′～110°30′，北纬35°～40°30′，面积25万km2，跨陕、甘、宁、晋、内蒙五省，属黄河中游(图1)。盆地位于华北地台西部，中寒武世徐庄期开始在前寒武纪结晶基地上发育沉积盆地，是一个稳定沉降、坳陷迁移、扭动明显的多旋回沉积型克拉通类含能源盆地。盆地构造活动以整体升降运动为主，形成坡度宽、低幅度隆起、低角度平缓单斜地层，总体上呈东部翘起向西部倾斜的区域性斜坡面貌[18,25,26]。根据现今构造形态，结合盆地演化历史，鄂尔多斯盆地划分为伊盟隆起、渭北隆起、西缘逆冲带、晋西挠褶带、天环坳陷和陕北斜坡等六个构造单元(图1)。盆地主要发育周缘断裂和基底断裂，除西缘逆冲带断裂构造比较发育外，其他构造单元均相对比较稳定，CO2地质储存安全性高[27]。

图1 鄂尔多斯盆地地质图Fig.1 Geologic map of Ordos Basin

盆地基底由太古界及下元古界变质岩组成，在大地构造制约下，经历了海相-海陆过渡相-陆相的发展过程。研究区沉积厚度巨大，沉积盖层发育比较完整，主要有中上元古界、下古生界海相碳酸盐岩、上古生界-中生界的滨海相、海陆过渡相和陆相碎屑岩，为CO2地质储存提供了比较有利的储存环境(图2和图3)。

图2 鄂尔多斯盆地地层柱状图Fig.2 Stratigraphic column of Ordos Basin

1.2 沉积相特征

沉积环境是一个以沉积作用为主的自然地理单元，通常分为大陆环境、过渡环境和海洋环境三大类。沉积相是沉积环境及在该环境中形成沉积物或沉积岩的综合，分析不同沉积环境下沉积物特征及分布规律对预测油气远景和勘探起着重要作用，在石油地质领域受到广泛应用[16,29,30]。沉积环境和沉积相控制着储层的空间展布，并反映地层的水力性质，可作为划分含水层和弱透水层的一个重要依据。

鄂尔多斯盆地主要沉积地层为古生界、中生界和新生界沉积岩系，盆地的构造演化导致不同地层沉积模式存在差异。下古生界主要以海相碳酸盐岩沉积为主；上古生界主要为海陆交互相沉积；中生界主要以河流相、河湖相和湖泊沼泽相沉积为主。晚石炭世太原期，盆地自北往南发育冲积平原相、三角洲相、潮坪-泻湖-障壁岛和浅海陆棚，呈现海陆过渡沉积体系(图4)。早二叠世下石盒子期，研究区进入陆相湖盆演化阶段，从北往南依次出现冲积平原、三角洲平原、三角洲前缘和浅湖四个沉积环境(图5)。晚三叠世延长期，盆地为一大型淡水内陆湖泊，经历了湖盆扩张-收缩的漫长过程，沉积相分布略呈环带状(图6)。早侏罗世，湖盆发育比较完整，西缘发育河流沼泽相，盆地内发育湖沼相与滨浅湖相，湖盆中心发育小范围浅湖相(图7)。

图3 地层结构剖面图(据李国玉等[28]修改)Fig. 3 Geological profile of the stratigraphic structure

图4 晚石炭世太原期沉积相图(据何自新等[31]修改)Fig.4 Sedimentary facies map of the Late Carboniferous Taiyuan Period

图5 早二叠世下石盒子期沉积相图(据何自新等[31]修改)Fig.5 Sedimentary facies map of the Early Permian Xiashihezi Period

图6 晚三叠世延长期沉积相图(据石油地质志[17]修改)Fig.6 Sedimentary facies map of the Late Triassic Yanchang Period

图7 早侏罗世沉积相图(据石油地质志[17]修改)Fig.7 Sedimentary facies map of the Early Jurassic

影响CO2深部咸水层地质储存的关键物性参数有孔隙度和渗透率[32]，依据沉积相分区对钻井实测孔隙度和渗透率进行统计(表1)。由表1可以看出，除少数钻井外，随着深度增加，孔隙度和渗透率逐步降低趋势明显。在同期地层中，河流相的孔隙度和渗透率大，三角洲相次之，冲积扇相最小。这与针对沉积模式与生储油岩沉积类型得出河流相储集油气最多，三角洲相次之，扇三角洲相和冲积扇相最低以及浅水区利于储集岩发育，能量较低相对深度较大的海域或湖区利于生油岩形成的结论相符[16]。由于研究区为整个鄂尔多斯盆地，面积大，而部分沉积相的分布面积小，因此根据孔隙度、渗透率和沉积相发育规模等对沉积相进行合并，将研究区沉积相类型综合为河流相、三角洲相、冲积扇相、湖泊相、沼泽相、障壁海岸、陆棚沉积和陆地等八类，作为沉积相空间特征分析基础(表2)。

2 水文地质结构模型构建

2.1 数据来源与处理

(1)本次研究共收集到200余个钻孔地层数据资料，包括各地层的厚度和底界高程；由于钻孔不能控制整个盆地，在钻孔间隔较大的地区、钻孔分布密度小的边界附近以及深大断裂两侧，依据地层产状、出露和地层厚度，补充部分钻孔数据以控制地层的分布(图1)。

(2)研究深度范围内盆地沉积地层自下而上依次为本溪组(C2b)、太原组(C3t)、山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、上石盒子组(P2sh)、石千峰组(P2s)、三叠系(T)、早侏罗世(J1)、中侏罗世(J2)、早白垩世(K1)、古近系-新近系(E-N)和第四系(Q)。利用MAPGIS数字化沉积相分布图[17,31]，利用GIS中的点区相交分析，为各钻孔附加沉积相属性。

2.2 结构模型可视化

利用GMS软件构建三维模型的方法有3种：①利用Borehole模块构建；②由TINs直接生成模型；③利用MODFLOW模块构建。MODFLOW模块中的Model Checker工具能够处理地层尖灭和缺失问，避免层交叉现象；通过对模型赋属性可以实现属性的空间展布形态，本次选用GMS中的MODFLOW模块构建模型。

表1 鄂尔多斯盆地主要储层不同沉积相孔隙度和渗透率统计Tab.1 Porosity and permeability statistics of different sedimentaryfacies in major reservoirs of Ordos Basin

表2 研究区沉积相对应标识码Tab. 2 Corresponding identification code ofsedimentary facies in study area

建模过程为：①导入研究区边界文件(GMS能够识别的图形文件，如shp格式)，形成模型区域边界；②确定模型剖分网格大小及垂向分层数目；③将各层顶底板高程采用克里金插值法赋到对应MODFLOW模型中；④利用MODFLOW模块对结构模型进行检查，处理层顶、底面交错问题，实现地层尖灭与缺失，建立三维地质结构模型；⑤导入沉积相分区图，将沉积相标识码作为MODFLOW模型中的某一参数属性(本次采用水平渗透系数，Horizon K)赋入模型；⑥对显示方式进行设置，选择Horizon K值作为指标来显示不同沉积相的空间展布(图8和图9)。

图8 研究区三维沉积相空间分布图Fig.8 Three-dimensional spatial distribution maps of sedimentary facies in study area

图9 研究区沉积相剖面图Fig.9 Profile of the sedimentary facies in study area

图8和图9 清晰地显示了不同沉积相空间展布形态。从图8可以看出河流相沉积主要分布在研究区西缘，晚三叠世延长期盆地西缘河流相沉积发育，表明延长组地层出露；研究区北部、东南地区地层亦出露。沉积相模型反映了地层尖灭与缺失现象，这与鄂尔多斯盆地地质特征相符[17,28]。从图9可以看出沉积相空间分布与组合关系，研究区沉积相空间分布具有不均匀性，空间变异性强。河流相沉积主要分布在盆地北部，且两侧沉积厚度较大，中间较小；南部地区分布较少。三角洲相沉积主要分布在盆地北部与西南部分地区，北部分布面积广，沉积厚度较西南部大；陕北斜坡构造单元底部沉积发育。研究区湖泊沉积相广泛发育，上古生界发育的湖泊相泥岩形成区域性封盖层，中生界湖泊相泥岩分布不连续，形成局部盖层；障壁海岸和浅海陆棚沉积主要发生在上古生界本溪期和太原期，研究区底部和西缘地层出露处分布。

沉积相空间展布形态反映了含水介质的空间特征，河流相沉积发育的水下分流河道砂体以及三角洲平原分流河道砂体、三角洲前缘水下河道砂体等储层，储存物性条件好，适宜于CO2地质储存，是有利的储存区域。研究区上古生界湖泊相泥岩形成区域性盖层，为CO2地质储存提供了有利的封存条件。根据上古生界储存物性参数，上古生界砂体储层属于低渗、特低渗透致密型储层，CO2注入难度大，储层容量有限，较不适宜CO2地质储存[31,33,34]。沉积相模型显示了研究区适宜CO2储存的关键储盖层空间展布，为CO2深部咸水层储存工程选址以及储存容量评价提供了基础。

3 结 论

将地质资料、钻井数据和沉积相特征相结合，以沉积相为基础，构建三维水文地质结构模型，克服了传统含水层划分需要大量水文地质参数的缺陷，可用于缺少深部水文地质参数的地区深部水文地质条件分析。

利用GMS软件及其中的MODFLOW模块构建三维水文地质结构模型，能够实现地层尖灭和缺失，避免层交叉现象，准确反映含水介质空间结构，很好地显示了研究区关键储盖层空间展布形态，为鄂尔多斯盆地CO2深部咸水层储存工程选址以及CO2储存容量评价提供了基础。

深部水文地质结构受断裂的影响很大，而且断裂直接影响CO2地质储存、废液深部埋存的安全性，是水文地质分析的重要内容。由于本次研究的尺度大，且受GMS软件限制，本次研究中没有对断层进行精细刻画。要将断裂完美的嵌入模型，可以采用GOCAD、Petrel等专门的三维地质结构建模软件。

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