西安纳托利亚卡瓦克勒德雷高焓地热田热结构的构造控制：基于井位的综合三维建模的启示

《Journal of African Earth Sciences》：Structural Controls on the Thermal Architecture of the Kavakl?dere High-Enthalpy Geothermal Field, Western Anatolia: Insights from Integrated Well-Based 3D Modelling

　　摘要卡瓦克勒德雷地热田（KGF）位于门德雷斯变质核杂岩体东侧盖迪兹地堑东部，西阿纳托利亚地区，校正后的井底温度可达287°C，但此前尚未在统一的地质-热力学框架内进行评估。本研究将12口深井（710–3420米）的岩性地层学、构造位置、校正温度和流量数据整合到一个井孔约束的三维地质-热力学-能源框架中，该框架旨在用于早期评估，而非作为校准的储层模型。地热梯度范围为69至135°C/km，均高于约40–50°C/km的区域参考值；在筛选电导率2.5 W m?1 K?1下，它们对应的表观传导热流当量约为173–337 mW m?2，由梯度推导的200°C等温线深度在中央构造走廊约为1.9–2.5公里。最高梯度出现在浅层上涌井中，而中央走廊则结合了中等偏高的梯度和观测到的最高产能，表明热异常与生产能力应分别评估。储层温度和生产能力与相对于解释断层交汇处的构造位置有关，此外也与深度有关，尽管这种关联通过井尺度实例进行了说明，而非定量检验。对11口有流量数据的井进行的井口筛选计算得出约166 MWt和16.6 MWe；这些是标称井口当量，而非可采储层容量的估计值。该框架为构造引导的远景评估、回注规划和梯级利用提供了透明基础，并指出了在数据有限的伸展地热系统中减少勘探不确定性所需的地球物理和水力数据。引言尽管自1990年代以来进行了密集钻探，卡瓦克勒德雷地热田（KGF）尚未在一个统一框架内进行评估，该框架整合其地质结构、温度分布和能源潜力。在油田开发早期阶段缺乏这种综合表征，代表了一个关键的科学和实践空白：没有这样的框架，钻探决策可能主要受深度指导，而非广泛认为控制伸展地热系统中流体流动和温度的构造控制因素。本研究通过为KGF提出首个综合三维地质-热力学-能源模型来解决这一空白，明确地将岩性地层架构、断层几何、热异常分布和基于井口的能源潜力联系在一个解释框架内。研究结果直接关系到在综合建模价值最大的阶段——即下一次钻探活动承诺之前——减少勘探不确定性。三维地质建模已从纯粹的可视化工具演变为地热储层表征的基本组成部分。在当代地热研究中，三维模型不仅应表示岩性架构，还应整合构造控制、热分布、渗透性通道，以及最终面向决策的输出，如构造引导的地热远景和资源评估（Siler等，2018, 2019）。这一转变反映了地热研究向综合、多学科工作流程的更广泛转变，结合了地质学、地球物理学、储层工程和不确定性感知解释。这种综合方法在构造控制的地热系统中尤为关键，其中渗透性和流体流动主要由断层架构而非单纯地层控制。在伸展构造环境中，包括盆地与山脉省和西阿纳托利亚，生产性地热系统通常与断层交汇处、叠接斜坡和伸展拉分带相关，这些增强了裂缝渗透性和流体循环（Moeck, 2014; Siler等，2019）。近期研究进一步表明，即使在高温系统中，由于构造分隔和对流热传输，温度分布可能显著偏离简单的深度依赖趋势（Aksu等，2025）。西阿纳托利亚是全球最活跃的伸展地热省之一，在门德雷斯变质核杂岩体（MMCC）内拥有众多高温系统。该区域的地热梯度显著超过全球大陆平均值，受地壳减薄、升高的热流和沿主要断层系统的深部大气降水循环驱动（Bozkurt, 2003; Erkan, 2015）。在这一构造框架内，盖迪兹地堑构成主要地热走廊，包含多个生产性油田，包括克孜勒代雷、阿拉谢希尔和卡瓦克勒德雷。土耳其2019年全球地热发电装机容量排名前五，总装机容量超过1500 MWe（Richter, 2020），凸显了持续进行油田级表征和开发的战略重要性。尽管卡瓦克勒德雷油田位于西阿纳托利亚，但其构造背景直接与更广泛的非洲-欧亚汇聚框架相关。爱琴海-安纳托利亚地区的伸展构造由非洲板块向北俯冲至欧亚边缘之下以及希腊板块后撤驱动（McClusky等，2000; Jolivet和Brun, 2010）。这一地球动力学背景将门德雷斯变质核杂岩体，进而卡瓦克勒德雷，置于非洲-欧亚相互作用带的北部边缘。与JAES的相关性超越了地理邻近性：非洲和环地中海地区的许多地热省也是构造控制的、未完全表征的，且由稀疏的井孔控制开发。这里使用的工作流程——联合解释井孔温度、岩性地层学、构造位置、地热梯度和筛选级能源指标——提供了一种可转移的方式，用于优先考虑后续的地球物理、水力和钻探调查，而不将稀疏数据集视为完全校准的储层模型。这种比较是方法论的，而非声称东非裂谷、阿特拉斯系统和西阿纳托利亚具有相同的储层特性。先前对油田的研究主要集中于系统的个别方面，包括地质填图和基于井的热数据（?im?ek, 2012; ?zdemir等，2017）以及发电和梯级利用潜力的预可行性评估（Jeotermal Ara?t?rma ve Tesisler A.?. ve Orme Jeotermal A.?., 2013），但尚未系统地将这些数据集与构造控制和储层尺度解释相结合。这一空白意义重大，因为现代地热开发不仅需要识别高温区，还需要清晰了解渗透性架构、钻探风险和长期可持续性。没有这种整合，即使高温系统也可能遭遇井位布置低效、过早热突破或压力枯竭，正如邻近地热田所观察到的那样（Aydin和Akin, 2021）。因此，本研究为卡瓦克勒德雷地热田开发了一个综合的、井孔约束的地质-热力学-能源框架。科学依据在于，早期地热评估需要将温度幅度与岩性地层架构和构造位置一起解释：在渗透性和水力连通性不确定的情况下，单独的高井底温度或高地热梯度并不能确定可持续产能。卡瓦克勒德雷提供了一个合适的测试案例，因为12口深井在密集油田开发掩盖早期构造-热筛选价值之前，采样了一个高温伸展系统。因此，本研究解决了一个特定领域的知识空白，以及一个与数据有限地热省相关的更广泛方法论问题：井孔约束数据集能在多大程度上支持合理的温度和远景筛选，而不过度陈述储层尺度的确定性？目标如下：(i) 定义岩性地层和构造框架；(ii) 表征校正井底温度和地热梯度的空间分布；(iii) 评估深度解释储层温度的程度，并检查构造位置作为额外解释因素；(iv) 使用温度梯度、梯度推导的等温线深度和表观热流当量在筛选级别估算地热潜力，并在有流量数据的情况下独立量化基于井口的热和电当量；以及 (v) 提供不确定性感知的基础，用于构造引导的评估、回注规划和后续动态储层研究。该方法的意义在于明确区分基于梯度的地下热筛选和基于流量的井口功率筛选，从而保留可用数据中的信息，同时避免当前数据集无法支持的储层容量声明。本研究的三维部分指的是在井孔约束网格内对地层顶面和温度的空间插值（第3.3节），这是表格结果、基于井的图件以及下文呈现的近似构造相关剖面（图8）的基础。图8根据未公开的MASPO Energy Inc.地下地质报告（Jeotermal Ara?t?rma ve Tesisler A.?. ve Orme Jeotermal A.?., 2013）中的井位和井相关图数字化而来，而非来自测量的井口坐标或映射断层数据集；因此，它保留了近似的相对井位和地层顶面深度，但非度量精确，也不扩展到完全地理定位的三维构造视图。这一限制，以及解决该问题所需的数据，在第5.4节中明确说明。章节片段地质和地热背景卡瓦克勒德雷地热田（KGF；约38°25′N，28°21′E，马尼萨省，土耳其西部）位于盖迪兹地堑东段，这是西阿纳托利亚的主要伸展盆地之一（图1）。该区域属于门德雷斯变质核杂岩体（MMCC），一个在渐新世后伸展构造下发展的大型剥露变质岩地体（Bozkurt和Oberh?nsli, 2001; ?ner和Dilek, 2011）。该构造体制受爱琴海板块俯冲驱动数据汇编和质量控制数据集包括MTA和MASPO A.?.于1996年至2013年间钻探的12口地热井，深度从710到3420米。对于每口井，汇编了总深度、校正井底温度（BHT）、井口生产温度、岩性、操作者信息和可用流量数据（MTA, 2011a, 2011b; ?im?ek, 2012; MASPO, 2012, 2013a, 2013b）。井孔地质和渗透性以定性而非定量方式描述：岩性测井将每口井划分为温度-深度行为和热梯度温度-深度图（图4）显示了明显的散点而非单一线性趋势。最高温度不与最深井相关。MAK-14在2750米处达到287°C，而MASPO-3在3420米更深但温度较低为251°C。这种非线性关系表明，深度单独不能完全解释观测到的温度分布；构造位置和流体循环路径作为候选附加因素，在BHT校正之后进行了检验构造控制与深度控制在第4节中显示，热有利性在整个油田广泛存在，而较高的产能集中在一小组井中；本节考虑了可能解释这种对比的地质因素。观测到的井尺度对比——特别是MAK-14和MASPO-3之间，以及较高能量贡献在中央构造走廊中的集中——与相对于解释断层交汇处的构造位置一致，作为额外因素结论本研究利用12口井（710–3420米）的数据，为卡瓦克勒德雷地热田开发了一个综合的、井孔约束的地质-热力学-能源框架。分析设计为早期筛选框架而非校准储层模型，并区分基于梯度的地下热潜力与基于流量的井口功率潜力。主要发现如下：该油田的特征是新近系沉积盖层覆盖在古生界之上CRediT作者贡献声明Sarper ?ztürk：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，监督，方法论，正式分析，概念化。Adil ?zdemir：写作 – 审阅与编辑，可视化，验证，调查，正式分析，数据管理未引用参考文献Jeotermal Ara?t?rma ve Tesisler A.?. ve Orme Jeotermal A.?, 2013.利益冲突声明作者声明，无已知竞争财务利益或个人关系可能影响本报告的工作。数据可用性声明本研究使用的井孔数据汇编自公开出版的技术报告和原始运营商持有的限制性井完井报告。衍生模型输出、热梯度计算和能源筛选结果可应要求从通讯作者处获取。表1、表2、表3、公式（1）、（2）、（3）、（4）以及补充表S5和S10包含所有输入值和假设，以声明在稿件准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术在准备本手稿期间，作者使用生成式AI辅助语言工具仅用于改善英语语言、语法和可读性。作者审阅并编辑了所有建议的修改，并对已发表文章的内容承担全部责任。资金本研究未从任何公共、商业或非营利部门的资助机构获得具体资助。利益冲突声明作者声明，无已知竞争财务利益或个人关系可能影响本报告的工作。致谢作者感谢使用先前的区域研究、技术报告和公共数据集，这些支持了本工作中呈现的地质和地热解释。作者感谢匿名审稿人的建设性意见。Sarper ?ztürk|Adil ?zdemir石油与天然气工程系，伊斯肯德伦技术大学，哈塔伊，土耳其