东海陆架盆地西湖凹陷今地温场：基于更新井数据库与测井约束热导率预测的定量约束

《Frontiers in Earth Science》：Present-day thermal regime of the Xihu Sag, East China Sea Shelf Basin: constraints from an updated well database and logging-derived thermal conductivity

　　

大陆边缘裂陷盆地以高度变化的今大地热流为特征，反映了差异性的岩石圈伸展过程。东海陆架盆地（East China Sea Shelf Basin）位于多板块汇聚边界，代表了新生代裂陷作用产生异常高热状态的特殊构造背景，但这一高热状态迄今缺乏系统记录。本项研究提出了一套基于测井数据的工作流程来预测热导率，并构建了东海陆架盆地西湖凹陷（Xihu Sag）的更新地热数据库。研究人员汇编了102口井的温度测量数据及21个新采集岩心样品的热导率数据，并利用反向传播（BP）神经网络补充了62口井的测井预测热导率。井底温度（BHT）采用Waples方法进行校正，并与钻杆试井（DST）温度进行了交叉验证。结果表明：地温梯度变化范围为25.7 °C至39.8 °C/km（均值34.0 °C ± 3.5 °C/km），自西部斜坡带（31.4 °C/km）向中央背斜带（38.0 °C/km）呈向东递增趋势；热流值变化范围为44至82 mW/m2（均值63 ± 8 mW/m2），东部背斜带可达73 mW/m2。观测到的东向递增地温梯度受深部岩石圈减薄与基底形态引起的热折射双重控制。本研究为西湖凹陷提供了系统更新的地热数据库，并为类似裂陷盆地的热状态表征提供了可复现的工作流程。

**西湖凹陷今地温场研究解读**

**一、研究背景与科学问题**

西湖凹陷位于东海陆架盆地东北部，是该盆地中规模最大、沉积厚度最大且最具油气勘探前景的富烃凹陷。近年来，随着多个大型厚层低渗—致密砂岩气田的发现，凹陷内深层低渗—超低渗天然气储层领域重新激发了勘探关注。然而，深层烃源岩生烃演化过程以及储层致密化与油气充注之间的时序关系等关键问题仍认识不清，显著制约了勘探推进，而这些过程与地温场密切相关。沉积盆地地温场研究是油气资源评价和油气成藏过程研究的基础，大地热流（heat flow）是理解沉积盆地今地温场、重建盆地构造—热演化历史、烃源岩热演化和生烃历史的关键参数。

西湖凹陷地处欧亚板块、太平洋板块与菲律宾海板块汇聚边界，新生代多期裂陷作用产生了异常高的热状态。前人在该区已开展开拓性工作，获得了15口井的热流数据和104块岩心的热导率数据，但数据仍相对稀疏，难以完整刻画今地温场的空间展布特征。此外，由于油气井取心率有限，基于岩心样品的热物性测量难以反映热导率随深度的连续变化。前人研究表明，岩石热导率主要与岩性、孔隙度和岩石组构相关，而油气井的测井数据可反映这些岩石特征，因此可借助测井数据预测井中热导率随深度的变化。据此，本研究旨在：（1）建立适用于西湖凹陷的基于测井数据的热导率预测工作流程，并利用实测岩心数据验证其精度；（2）利用102口经温度校正的井数据更新地温梯度和热流数据库；（3）阐明今地温场的分布特征及其主控因素。

**二、研究方法概述**

本研究采用了多方法融合的技术路线，主要关键技术方法包括：（1）利用Hot Disk 2500S热常数分析仪对来自11口井的21块岩心样品开展干态和饱和态热导率测量，并对测量值依次进行饱和校正、原位温度校正（采用Sekiguchi校正公式）以及各向异性校正（砂岩统一取校正系数1.1）；（2）基于Goutorbe等（2006）和Jiang等（2012）建立的BP神经网络模型，以声波时差、密度、补偿中子、电阻率和自然伽马5类测井响应为输入参数，对62口井进行热导率预测；（3）采用Waples方法对井底温度（BHT）进行校正，并以钻杆试井（DST）温度为基准进行独立验证；（4）采用热阻法（Bullard方法）计算井的平均热导率，进而由平均地温梯度和平均热导率的乘积计算热流值。

**三、主要研究结果**

**3.1 热导率测量与预测**

21个岩心样品的干态热导率为2.65–3.61 W/(m·K)（均值3.1 ± 0.3 W/(m·K)），饱和态热导率为3.1–5.0 W/(m·K)（均值4.1 ± 0.3 W/(m·K)），总体上随深度增加而增大。对7口既有测井数据又有取样样品的井进行验证，13个样品的预测误差为1.4%–14.9%，其中10个样品预测误差低于10%，整体平均预测误差（定义为|λ_w,T,a?λ_BP|/λ_w,T,a）约为6.9%，显著低于岩石热导率测量15%的最大允许误差限，表明该热导率预测模型适用于西湖凹陷研究区。基于测井数据，进一步计算了各层组的平均热导率：三潭组仅1口井数据（1.5 W/(m·K)），柳浪组为1.71 ± 0.06 W/(m·K)，玉泉组为1.92 ± 0.22 W/(m·K)，龙井组为2.07 ± 0.17 W/(m·K)，花港组为2.28 ± 0.20 W/(m·K)，平湖组为2.3 ± 0.20 W/(m·K)，宝石组为2.29 ± 0.19 W/(m·K)，各层组热导率总体随深度呈递增趋势。

**3.2 井温数据校正与地温梯度**

研究人员汇编了111口井的温度测量数据，经质量筛选后保留102口井用于计算（井温70 °C–210 °C，深度1500–5200 m）。BHT数据采用Waples方法进行校正，浅于3500 m的井段采用Waples和Ramly（2001）基于马来盆地标定的公式（f_s=1.699?0.1462ln(TSC)?0.572z^0.075），3500–6500 m深度采用Waples等（2004）基于墨西哥湾深井DST温度标定的修正方程。利用24口同时具有BHT和DST数据的井进行独立验证，84个有效数据点的校正后BHT与参考温度相关系数R2=0.87，均方根误差RMSE=10.3 °C，平均绝对误差MAE=8.2 °C。在地温梯度层面，由校正BHT得到的梯度较DST得到的梯度平均偏高1.2 °C ± 1.5 °C/km（相对约6%），该偏离在研究区近似均匀，不影响地温场的空间分布格局。最终获得的102个地温梯度范围为25.7 °C至39.8 °C/km，均值34.0 °C ± 3.5 °C/km，自西部斜坡带（31.4 °C ± 2.5 °C/km）、中央背斜带西部（34.2 °C ± 1.8 °C/km）至中央背斜带南部和北部（38.0 °C ± 1.8 °C/km）呈显著向东递增趋势。

**3.3 热流计算与不确定性评估**

基于平均地温梯度（G）与平均热导率（λ）的乘积（Q = G × λ），计算了102口井的热流值。西湖凹陷热流范围为44–82 mW/m2，均值63 ± 8 mW/m2。西部斜坡带热流变化较大（46–77 mW/m2），均值61 ± 7 mW/m2；中央背斜带西部均值增至67 ± 5 mW/m2；中央背斜带南、北部的均值进一步达到73 ± 5 mW/m2。通过标准误差传播分析，地温梯度的相对不确定度约为6%（由24口井验证直接约束），平均热导率的相对不确定度约为7%（主要来自BP神经网络模型的平均预测误差6.9%），热流值的合成相对不确定度约为9%，对应±6 mW/m2。与前期发表数据对比，本次获得的均值地温梯度和热流分别与先前区域均值偏差约4%和10%，相互吻合良好，支持了BP预测与温度校正联合工作流程的可靠性。

**四、讨论与结论**

西湖凹陷今地温场具有“东高西低”的空间分布格局，平均热流63 ± 8 mW/m2。该热状态高于渤海湾盆地（约59–65 mW/m2，地温梯度约31.6 °C/km），而低于南海北部珠江口盆地和琼东南盆地（背景热流71.8 ± 13.6 mW/m2，地温梯度可达约42 °C/km），在东部中国新生代裂陷盆地中处于过渡位置。西湖凹陷平均热流接近全球大陆平均值（约65 mW/m2），并落入北海等经典被动陆缘裂陷盆地的热流范围（60–80 mW/m2），但其显著的东向递增梯度与被动陆缘类比的差异反映了活动陆缘裂陷体系的特定构造格局。这一分布格局受深部与浅部双重因素叠加控制：深部岩石圈减薄和软流圈上涌提供主控作用，西湖凹陷岩石圈厚度显著薄于内陆地区，地壳伸展系数1.1–2.4，地幔热流贡献达73%–79%，平均热岩石圈厚度仅约66 km，呈“冷壳—热幔”结构；浅部基底形态则通过热折射效应放大东向递增梯度，基底深度差约2–4 km，结合地堑充填物与基底隆起间的热导率差异，热折射将热流向中央背斜带构造高部位汇聚。

研究获得的关键结论为：（1）西湖凹陷地温梯度范围为25.7 °C至39.8 °C/km，均值34.0 °C ± 3.5 °C/km，自西部斜坡带（31.4 °C/km）经中央背斜带西部（34.2 °C/km）至中央背斜带南部和北部（38.0 °C/km）显著递增；（2）热流范围为44–82 mW/m2，均值63 ± 8 mW/m2，自西部斜坡向东逐渐增高，中央背斜带南、北部均值达73 mW/m2；（3）今地温场呈“东高西低”空间格局，反映了深部岩石圈减薄（主控）与基底形态热折射（次级放大）的叠加效应；（4）经21块岩心样品验证（平均误差6.9%），基于BP神经网络的测井热导率预测为取心率有限的盆地提供了可复现的方法；更新的热流数据库建立了西湖凹陷迄今最大规模的地热系统数据集。