北京地區(qū)深部地熱勘查技術進展

北京地區(qū)深部地熱勘查技術進展

北京地下資源豐富，熱勘探已有幾十年歷史。由于北京地區(qū)有地熱分布的區(qū)域大部分均有第四系覆蓋,且地質構造非常復雜,故此物探方法在地熱勘探前期勘查中顯得尤為重要。在地熱勘探前期中應用的傳統(tǒng)的物探方法有重力勘探、磁法勘探、直流電阻率測深、人工地震勘探等。這些方法從理論到實踐均較為成熟,在地熱勘探中發(fā)揮了一定作用。近幾年我們先后研發(fā)或引進多種物探方法,這些方法包括:微動測深、可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)、大地電磁測深(MT)、連續(xù)(陣列)大地電磁測深剖面(DPEM)、大地電磁場巖性探測系列。利用常規(guī)的一些物探手段,已經成功地為多個地熱田的開發(fā)進行了前期論證工作,累計定井幾十眼,成功率在90%以上,熱儲層深度、水量、水溫、預測準確率在70%以上。但是隨著城市建設的發(fā)展,城市遍布各種電纜及地下管網(wǎng),建筑林立,加之勘探深度的加深,常規(guī)的物探方法很難開展,物探方法勘查精度大大降低。再者近幾年涌現(xiàn)了一些所謂新方法、新技術,由于未能對其在地熱勘探領域有效性加以系統(tǒng)研究,盲目應用,導致物探解釋推斷誤差過大,以至增加了鉆探風險,造成了較大的損失。1地表巖性探測類方法應注意的問題通過與已知鉆井資料詳細對比,分析各種物探方法在北京地熱資源前期勘查中的應用效果,深入討論北京城區(qū)物探工作的特點,總結出在北京地區(qū)有效的地熱物探方法是重力、磁法、直流電阻率測深以及微動測深、大地電磁測深、可控源音頻大地電磁測深等方法,其理由是:這些方法經過國內外長期研究,理論比較成熟,并且長期用于國內外的地熱和石油勘探領域,并建立了一套完善的技術規(guī)范;這些方法成井效率較高,雖然也有失誤,但失誤原因較清楚,只要加以重視即可避免;通過總結,今后若能將北京地區(qū)全部鉆孔資料整理出來物探解釋精度還能進一步改善和提高。大地電磁場巖性探測類方法從理論到實踐均不很成熟,應用效果較差,在地熱勘查中對地質推斷產生了誤導,造成了一定的損失。對于這類方法還需加大研究力度,不斷探索。1.1應用成果與實測對比該方法根據(jù)地層橫波波速特征,對不同時代、巖性地層加以劃分。自1995年以來,在北京應用該方法進行地熱勘查,地熱井前期可行性論證工作,與其他物探方法結合,綜合解釋推斷,取得了較好的應用效果。先后完成了“來廣營至望京地區(qū)地熱物探勘查工作”、“沙河至白浮地區(qū)地熱資源調查項目”以及“北京城區(qū)地熱資源潛力調查項目”。在帝京花園、花鄉(xiāng)、來廣營、計委培訓中心、北京市地質勘察技術院、北京大學等地熱井可行性論證工作中投入了該方法,經實際鉆探驗證,該方法解釋推斷精度在±10%以內1。圖1是在豐臺某小區(qū)地熱井前期勘查工作所做的微動測深勘探成果與鉆井實際揭露成果對比資料。由圖可見勘探結果與實鉆結果吻合很好。在此地區(qū)利用微動測深方法較準確地推斷了“良鄉(xiāng)—前門”斷裂位置,為井位選擇與設計起到了重要作用,經鉆井驗證成功地打出一眼高溫(88℃)高產(2000m3/d)的地熱井,開辟了1個新的地熱田。通過10個已知地熱井資料與微動測深解釋推斷資料對比統(tǒng)計分析,可以認為:微動測深方法解釋推斷誤差較小,最小誤差為0.6%,平均誤差為±6.9%。其解釋精度較高,對其合理利用與其他物探方法綜合解釋推斷定會取得滿意的測深成果。1.2csamt方法該方法由人工向地下供入音頻諧變電流建立電磁場,通過儀器在地面接收從地下反饋來的帶有地層特征的信息,根據(jù)不同時代、巖性地層電性特征達到勘查目的。該方法橫向、縱向分辨率均較高。通過9眼已知地熱鉆井資料與方法解釋推斷資料對比統(tǒng)計得知,目的層(薊縣系)推斷誤差較小平均為7.8%(劉延忠等,2001)。該方法在東高地、大東流、良鄉(xiāng)西營、北苑等地熱井前期勘查工作中對井位的選擇與鉆井設計發(fā)揮了很好的作用。如在東高地地熱井前期工作中,由于其有較高的橫向分辨率,查明了該地區(qū)的斷裂構造,確定了凸凹相間的構造格局,為選擇井位提供了依據(jù),使該井獲得較理想的出水溫度與出水量,開辟了又一個地熱新區(qū)。圖2為CSAMT推斷結果與實際鉆孔對比,從該方法推斷電阻率直方圖上可以看出,自上而下可分為3個電阻率層,對應第四系為低阻層,對應奧陶、寒武系及青白口系為中阻層,對應薊縣系為高阻層。這說明用此方法劃分存在電阻率差異的地層,尤其是確定具有高電阻率的熱儲層薊縣系,是十分有效的。1.3觀測系統(tǒng)的應用該方法基本原理與可控源音頻大地電磁測深方法類似,只是利用的場源為天然場源。該方法一般不宜在北京這樣電磁干擾嚴重的城市工作。但是在北京的實踐表明:在個別地區(qū)(遠離城區(qū))以及個別時段(例如夜間),尚能觀測。通過人工資料處理與編輯,還可進一步壓制干擾。如在槐樹嶺、南宮、馬甸的地熱井前期勘查中取得了比較好的成果。圖3為該方法推斷成果實際鉆孔對比。從圖中電阻率直方圖可以發(fā)現(xiàn)自上而下分為2個主要電阻率層,上部低阻層對應第四系及白堊系,下部高阻層對應薊縣系。此方法在克服電磁干擾的前提下,確定熱儲層薊縣系也是比較有效的。通過對6口井的資料計算統(tǒng)計,地層界面推斷誤差為8.7%1,已達到物探精度要求。1.4北京地熱勘探應用此類方法皆以天然電磁場為場源,只是數(shù)據(jù)采集、處理分析手段各有不同,近幾年才在北京地熱勘查領域應用,分別是:陣列巖性探測、大地電磁巖性探測、大地電場巖性探測、大地頻譜測深等。(1)成井前后對于我國使用的固體法,也很難準確界定,這也與激發(fā)人們對于工作的能力有失公允該方法投入北京地區(qū)地熱勘查時間較晚,做了許多已知井實驗,但所做的工作均在成井后進行的,不具有說服力。再者若將此結果與那些成井前作出推斷的物探方法同樣加以評價,這樣做有失公允。在此不對該方法進行評價,有待今后在實踐中對其逐步認識。(2)次場觀測的必要性由于觀測的天然場與大地電磁測深方法為同一場源,包含有地下信息,數(shù)據(jù)采集頻點較密,振幅跳躍有的與地下信息有關,仔細辨別,也會發(fā)現(xiàn)有意義的異常。但該方法仍然存在著一些問題:①重復觀測一致性不好,方法原理上沒有解決天然電磁場隨時間變化和電磁干擾等技術問題,振幅跳躍,大部分反映了天然電磁場隨時間變化的電磁干擾,容易被誤導;②此方法儀器只觀測二次場,這種說法是缺乏依據(jù)的。在天然電磁場隨時間變化問題和人文電磁場干擾沒有解決,采用微分只能放大觀測信息中的干擾信號;③解釋標志與實踐不吻合,只有觀測者自己能解釋。(3)目的層解釋深度誤差此方法參加統(tǒng)計的有6口井井旁勘查資料:JR-92、JR-95、JR-73、十三陵、湯熱-49、航三院地熱井。目的層解釋深度誤差平均為19.9%(劉延忠等,2001)。此方法存在的最大問題:①重復觀測一致性不好;②此方法處理出來的3條曲線,理論上說不清楚;③從解釋標志劃分出許多含水層,符合的較少,不符和的較多,若與地質資料結合不好,將會被誤導。(4)巖性探測類方法此方法參加統(tǒng)計的井旁資料有:香山地熱井、航三院地熱井、SR-4、JR-93、十三陵、JR-94、JR-92、木樨園地熱井、JR-84等。其推斷熱儲層深度平均誤差為:25.4%1,是巖性探測類幾種方法中誤差最大的。該方法在航三院(地處云崗)地熱井鉆井前推斷目的層深度誤差達600m(大地電場巖性探測法在此之前進行過探測,與實鉆誤差大達1184m),使鉆井不得不由設計的3620m加深到4120m才終孔。該方法不僅造成了很大的深度風險,而且由于其誤導,更為遺憾的是錯過了在此井南側約1km處最佳井位選擇,這口井已經報廢(圖4)。該方法主要問題:①儀器是北京大學研制的Ⅰ、Ⅱ型儀器,性能與方法存在不少問題;②由于曲線較亂,解釋標志很難與實際吻合。上述各方法對熱儲層薊縣系具體解釋推斷誤差見表1。2地面?zhèn)燃氋|材料通過對大量已知鉆孔前期投入的各種新方法的有效性對比分析,北京地區(qū)地熱勘查效果較好的新方法是微動測深、可控源音頻大地電磁測深以及大地電磁測深和連續(xù)(陣列)電磁剖面測量等。這些方法理論成熟,并經多年國內外應用,取得了較好的應用效果,解決了許多地質難題。我們建議在今后的地熱勘查中,根據(jù)不同地質構造背景、區(qū)域物性特征,盡可能應用這些物探方法。按照合理的工作程序開展工作,解釋推斷時要充分參考區(qū)域地質構造情況,且不可就物探而物探,孤立地解釋分析。北京平原區(qū)過去做過面積性的重力勘查、航磁勘查(地面磁勘查)、直流電阻率測深等工作,這些資料目前仍是重要的基礎資料。北京地區(qū)重力勘探數(shù)據(jù)受干擾最小,工作條件受限制也少。應借助已知鉆孔資料及地層密度特征,做進一步的定量解釋。重新處理中必須把新生界密度界面影響剝去,直接找尋熱儲層界面。北京平原區(qū)侏羅系(磁性地層)廣泛分布,它的厚度與分布是地熱勘查中必須考慮的因素,因此應用航空磁測資料研究北京平原區(qū)火山巖的分布與厚度是一項重要技術措施。直流電阻率測深資料有必要進行再處理,利用現(xiàn)有的先進的反演軟件,對這些資料再處理解釋,利用統(tǒng)計的北京地區(qū)各時代地層測井電阻率進行地層縱向劃分。地面物探眾多方法中不外乎有2大類工作方式。一類為位場法的測量,另一類是可以立體測量不同深度物理場的方法,簡稱測深法。位場法一般測的是天然場源,如重力、磁法、放射性等。它接收的是穩(wěn)定的場值,在1個測點上只有1個數(shù)值。它一般要用地面上多個觀測點(1個區(qū)域)才能反映出物理場的分布特征。在1條線上的觀測值組成剖面曲線,由多條平行的剖面可以組成平面數(shù)據(jù)。測深方法一般要建立1個變化的人工場(少數(shù)利用變化的天然場),在原地布1個接收系統(tǒng)就可以了解到不同深度的物理量,即得到1條垂向剖面。每一種單一的物探方法,都有其局限性以及應用物性前提。從理論上來講,其理論推導均是建立在特定的理想化的邊界條件基礎上而得來,實際地下地質構造狀況與理論邊界條件有時相去甚遠,這時物探方法的應用效果可想而知了。任何一種物探方法在城市中開展,其觀測數(shù)據(jù)均會受到外界干擾信號影響,同時客觀地理環(huán)境影響、觀測質量不高、計算偏差、物性前提不充分等因素,這些都會使單一物探方法解釋推斷產生誤差。采用單一的物探方法進行解釋推斷得出的結論是片面的,有時誤差較大。如香熱-1井、航三院井、槐樹嶺井、JR-105等,均只采用一種物探方法,解釋誤差較大。香熱-1井只采用了“大地頻譜”方法,該方法本身就是一種不成熟的方法,該井前期推斷熱儲層深度誤差達23%;航三院井也只采用了“大地頻譜”方法,推斷誤差為16%;JR-92井只采用了DPEM方法,該方法解釋的電阻率界面十分清楚,地質設計時推斷熱儲層埋深未采用此方法解釋界面深度數(shù)值,若當時投入了另外一種測深方法,2種方法相互印證,會得出相對正確的結論,該井推斷誤差為23%。由此可見單一物探方法解釋推斷是不行的。為了減小物探推斷誤差,除了提高單方法本身的能力外,采用多方法組合勘探是必要的。多種方法組合在一起,可以相互彌補,取長補短。以不同的物性前提來論證同一目標物,會得到合理、客觀的推斷結論。地熱物探工作應由多方法組合完成,特別是要根據(jù)地質任務合理選擇不同類方法(平面測量和測深方法)進行組合。這2類中的具體方法的選擇則要考慮目的層的物理前提。這個物理前提就是目的層與其他地層的物性差異。這種差異要足夠大才能反映到物理場中,被儀器觀測到。如在坨里豐臺凹陷中,第三系、白堊系都是低電阻率巖層,而基底碳酸鹽巖都是高電阻率,兩者之間物性差異明顯,電磁類方法的效果就比較好。如果在凸起上,第四系下存在中生界侏羅系及古生界地層而熱儲層為薊縣系,他們之間電阻率差異不明顯,這時用電磁類方法將不會取得好的效果。這時就要利用巖石的其他物性差異,選擇另一種方法進行分析。如應用微動測深方法,根據(jù)波速差異進行地層劃分。根據(jù)北京地區(qū)的區(qū)域地質構造情況,對于不同地質構造單元推薦如表2所列的方法組合。3做好資料收集和解釋工作地熱物探工作的開展必須遵循一套合理、有效的工作程序,才能保證工作質量,做出正確的解釋推斷結論,減少鉆井風險,避免損失。筆者認為正確的工作程序應該如下。(1)接受工作任務后,先要到實地踏勘,了解工區(qū)概況。(2)收集已有的資料,對資料進行詳細論證分析,明確工區(qū)附近的地質構造背景。收集工作區(qū)地層物性資料。