北京地下熱水勘探中井溫測量的應用

北京地下熱水勘探中井溫測量的應用

在北京的熱勘探中，所有開挖項目都需要地球物理勘探。測量的方法包括:視電阻率梯度、視電阻率電位、自然電位、自然伽瑪、井溫、井徑,形成了一套完整的地熱測井系列,為北京的地下熱水勘探、開發(fā)、評價、提供了可靠依據(jù),積累了豐富的資料。1調整后的地層溫度首先進行了面積性的井溫普查,對于正在施工的鉆孔全部進行井溫測量,對于過去的水井、有條件的補測井溫,從而獲得了面積性的地溫資料。在鉆孔中測得一條隨深度變化的井溫曲線并不困難,但要測得一條能反映真實地溫狀況的井溫曲線卻不容易。這是因為在鉆井過程中,泥漿循環(huán)和鉆具磨擦使鉆孔周圍巖層的溫度場受到破壞,導致鉆孔溫度向著均一化的方向變化;停鉆以后泥漿同地層進行熱交換,井溫向天然溫度場恢復,但要達到與原始地溫平衡,則需要較長的時間。圖1是一熱水井三次不同時間的測溫曲線,曲線(1)是1978年10月9日第一次測溫,曲線(2)是1978年10月27日第二次測溫,曲線(3)是1979年3月22日第三次測溫。圖中可以明顯地看到,三次測溫曲線的地熱梯度一次比一次大;850米以上瞬時井溫比實際地溫高,隨著恢復時間的延長溫度降低,愈來愈接近實際地溫;850米以下瞬時井溫比實際地溫低,隨著恢復時間的延長溫度升高,愈來愈接近實際地溫;在850米左右三次測溫數(shù)值基本相同,井溫和地層溫度相平衡,此處所測井溫最接近實際地溫。所以我們在這個區(qū)域所做的等溫線圖就選850米左右深度的井溫測量值。1.1地下水的補給、地溫梯度北京西部與西山相連,接近補給區(qū),基巖地下水為巖溶裂隙水,主要為奧陶系灰?guī)r承壓水。由鉆孔測溫可知,地溫梯度很低,每百米不超過0.5度,最低的鉆孔地溫梯度為0.1℃/hm。此種測溫曲線反映了地下水補給區(qū)的特征:西部山區(qū)地下水側向活動強烈,地下水的補給、逕流、排泄條件都十分良好。低溫的地下水在流動過程中把巖體的熱量帶走,從而降低了地溫,形成了西部低溫區(qū)(圖2)。1.2地下熱水的溫度與圍巖的溫度分布北京東南城區(qū)地溫梯度明顯地增高,根據(jù)井溫曲線做出的等地溫梯度圖(圖3)可以明顯地圈出熱異常區(qū)。單孔的井溫數(shù)值和成井后實際出水溫度值,反映出東南城區(qū)地下熱水是深部凹陷形成時期的封存水,或在遙遠的地質年代里、地下水在徑流過程中受巖溫加熱后補給熱儲層的,屬地下水交替不強烈型,地下水的溫度與圍巖的溫度已達到平衡。在保證地熱井成井質量完好的前題下,熱水井出水溫度應等于或高于巖層溫度,表現(xiàn)出地下熱水排泄區(qū)的井溫、水溫特征。2地層熱導率分析北京地區(qū)的地熱測井系列測量的參數(shù)包括:電阻率、自然電位、自然伽瑪、井溫、井徑。圖4是一眼地熱井比較標準的測井曲線圖,從井溫曲線上可以看到,鐵嶺組白云巖段地溫梯度為1.6℃/hm,洪水莊組頁巖段地溫梯度為2.5℃/hm,霧迷山組白云巖段地溫梯度為1.5℃/hm。地層的地溫梯度與巖石的熱導率有關,不同巖層的熱導率不同,但是這種差異一般并不是很大,在沒有外來干擾的情況下,鉆孔中不同巖層段的地溫梯度和巖層的熱導率的乘積為一常數(shù)。ΔT1λ1=ΔT2λ2??=ΔTiλi=常數(shù)ΔΤ1λ1=ΔΤ2λ2??=ΔΤiλi=常數(shù)式中:ΔT:地溫梯度;λ:相應巖層的熱導率實測白云巖的熱導率為3.64w/m·k～6.57w/m·k,頁巖的熱導率為1.26w/m·k～2.81w/m·k。由此可見,鉆孔停鉆并靜止一段時間后的井溫曲線能反映出不同的地溫梯度,鐵嶺組和霧迷山組白云巖之間的隔層洪水莊組頁巖是區(qū)內(nèi)很好的保溫層。電阻率和自然伽瑪測井曲線是劃分地層必不可少的兩條基本曲線。電阻率曲線高低阻分明,白云巖視電阻率值高達上千歐姆米,而頁巖的電阻率值只有100～200歐姆米,在裂隙破碎帶上電阻率也會以明顯的低阻異常顯示出來。區(qū)分泥質與非泥質地層,以自然伽瑪曲線最為明顯,充填泥質的裂隙破碎帶自然伽瑪以高值反映出來。所以電阻率與自然伽瑪綜合分析確定泥質充填和非泥質充填的破碎帶效果很好。自然電位是一條反映地層滲透性的測井曲線,用來劃分含水層有很好的參考價值,但因為城市干擾因素較多,要測得一條沒有干擾的自然電位曲線比較困難。井徑測量直接反映出鉆孔的孔徑大小,除對鉆井施工提供數(shù)據(jù)外,對地層劃分、區(qū)分滲透性層與非滲透性層、劃分裂隙破碎發(fā)育段,都有明顯效果。應用測井資料來分析地層構造比較直觀、準確,小湯山熱田一地熱井的測井曲線就是個很好的例子。在圖5可以看出有兩段明顯相同的測井曲線的自然伽瑪和電阻率數(shù)值大小、曲線形狀、厚度都基本一樣,它反映了由于斷層作用造成的地層重復,說明這里有一個小斷層,斷距不大,上盤上升,下盤下降。3熱平衡方程應用計算北京城區(qū)熱田在構造上處于北京凹陷的東南,主要熱儲層為中上元古界薊縣系鐵嶺組和霧迷山組的白云巖。鐵嶺組厚度為220～350米,霧迷山組目前尚未揭穿。揭露這兩大含水層組的地熱井,大部分進行混合取水。為了進一步搞清每一層的出水量,我們應用溫度測井資料對這兩大熱儲層的出水量進行了計算。根據(jù)熱平衡原理,兩個互相接觸的物體在趨向熱平衡狀態(tài)的過程中,如果與其他的物體沒有熱交換,那么原來溫度高的物體所放出的熱量Q1和原來溫度低的物體所吸收的熱量Q2大小相等,符號相反。其熱平衡方程為:Q1+Q2=Q。對于成井質量好的地熱井,地下熱水經(jīng)過井管流到井口的熱量損失較小,可以忽略不計,符合熱平衡方程應用條件。我們對六口混合取水的熱水井,進行計算求得兩個熱儲層的出水量。設鐵嶺組白云巖含水層出水量為X,霧迷山組白云巖含水層的出水量為Y、是欲求的未知量。鐵嶺組白云巖的溫度值t1和霧迷山組白云巖的溫度值t2都可在井溫曲線上取得,井口出水溫度t和出水量Q在抽水時測得。根據(jù)熱平衡原理列出方程:tx+ty=tQx+y=Qtx+ty=tQx+y=Q解方程求得x和y,六口井計算結果見表1:綜合分析上表計算結果可以看到:①鐵嶺組白云巖揭穿厚度為218～326米,溫度為40.5℃～45℃,霧迷山組白云巖揭露厚度為41.5～227米,溫度為46.5℃～53.5℃。由于有80余米厚的洪水莊組頁巖保溫隔層,霧迷山組的溫度比鐵嶺組的溫度高4℃～10℃;②鐵嶺組含水層出水量占總出水量的17%～43%,霧迷山組含水層出水量占總出水量的57%～83%,鐵嶺組白云巖揭穿的厚度大于霧迷山白云巖揭穿的厚度1.05～7.7倍,由此可見霧迷山組含水層的出水量大于鐵嶺組含水層的出水量;③為合理開采鐵嶺組和霧迷山組熱儲層的地下熱水,熱水井應分別取鐵嶺組或霧迷山組的熱水,一般不要混合取水。4井溫曲線異常大小運動著的地下水是熱傳遞的最主要因素,地熱鉆孔在鉆進過程中,裂隙破碎帶往往會發(fā)生泥漿漏失。由于泥漿的溫度低于熱儲層的溫度,在泥漿漏失的地方會形成一個低溫帶,在井溫曲線上以負異常反映出來,這就是成井后地下熱水的出水位置。泥漿溫度一年四季隨氣溫變化有所不同,據(jù)12眼井統(tǒng)計為6℃～12℃,與熱儲層的溫度有幾十度差異,只要有一定的漏失量就會在井溫曲線上反映出低溫異常,低溫異常段所對應的其它測井曲線必然是裂隙破碎帶的反映。圖6是一眼地熱井熱儲層井段的測井曲線。在大段的白云巖地層中,測井曲線綜合解釋結果準確地反映出裂隙破碎帶的位置,井溫曲線的負異常證實了這一大段白云巖是漏失段。該井成井后抽水試驗出水量1200m3/d。熱儲層的出水量與井溫曲線反映漏失層厚度的關系,一般是漏失段(即裂隙破碎帶)厚度愈大出水量愈大,我們可以根據(jù)井溫曲線估計出水量。表2繪出了十二眼熱水井井溫曲線負異常段的厚度與實測出水量的關系。此表比較明顯地說明了漏失段(即裂隙破碎帶)愈厚出水量愈大。由于地熱鉆孔的鉆井過程是比較復雜的,對井溫曲線的影響因素很多,對于井溫曲線沒有負異常顯示的鉆孔,只要測井綜合解釋有一定厚度的裂隙破碎帶存在,成井后一定會有很好的出水量。其原因是:(1)泥漿漏失量的大小除直接受熱儲層的破碎裂隙發(fā)育程度影響外,還與泥漿堵漏工作有關。當堵漏工作做得好時,漏失很快被堵住,當堵漏工作做得不好時,泥漿漏失量愈大,出現(xiàn)的井溫負異常愈大;(2)泥漿的溫度冬天低,夏天高,泥漿與地層溫差大小也影響井溫曲線負異常的大小;(3)測溫時間的影響,漏失堵好后馬上測溫,異常就明顯,而鉆進很長時間后測溫,異常明顯程度就差。綜上所述,估計出水量除根據(jù)井溫曲線異常大小外,主要根據(jù)綜合測井解釋反映的裂隙破碎帶發(fā)育程度,泥質充填狀況等。一般測井曲線反映裂隙破碎帶有一定厚度且無泥質充填,出水量就沒問題。還有一點需要強調的是,出水量受成井工藝影響很大,洗井好壞也直接影響出水量大小。有的熱水井測井解釋水量很好,但開始抽水結果并不好,通過一兩次甚至三四次洗井后才達到理想的出水量。目前,地熱測井已成為地熱鉆井工藝中必不可少的一步工序。在我們所測的百余眼水井中根據(jù)測井資料分析可以成井的鉆孔,洗井后全部達到出水要求(只有一鉆孔因垮塌,含水層段被埋住,出水量未達到要求)。5地層剖面的地層對比地下熱水是一個良好的載熱體,隨著地下水的流動對周圍熱場會有明顯的影響。我們可以用溫度測井測得地下水流動所造成的鉆孔周圍熱場的變化,了解地下水的流動情況。當鉆孔揭露了兩個或兩個以上含水層,而且各含水層的溫度又有差異,如果有由上往下或由下往上補給時,在井溫曲線上能反映出地溫梯度變小或突然增高的變化,由此可分析出補給關系。圖7是北京東南城區(qū)一眼熱水井成井后的測井曲線圖,視電阻率測井曲線和天然放射性測井曲線都很標準,可以準確地劃分出地層剖面。872.5米見第一層熱儲層鐵嶺組白云巖和泥質白云巖,1198.5米為穩(wěn)定的隔水層洪水莊組頁巖,1275.5米見第二層熱儲層霧迷山組白云巖。此時的井溫曲線不是反映地層的正常地溫梯度,而是由鐵嶺組下段泥質白云巖向下一直到霧迷山組的白云巖破碎帶,為一條增溫率近0.3℃/hm的一條直線,溫度值為50.5℃。在鐵嶺組白云巖近50米厚的破碎層段井溫出現(xiàn)突變,地溫梯度14℃/hm,而這個層位的正常地溫梯度值應該是鐵嶺組1.6℃/hm、洪水莊組2.5℃/hm、霧迷山組1.5℃/hm。這種溫度異常的出現(xiàn)是地下水流動造成的,霧迷山白云巖熱儲層中的50℃的水沿鉆孔上升,經(jīng)過洪水莊組頁巖、鐵嶺組泥質白云巖流進鐵嶺組白云巖50米厚破碎帶中,50℃的熱水在流動過程中把這一段的溫度提高了;而鐵嶺組白云巖破碎帶以上的溫度仍然是41℃,與鉆孔剛一揭露鐵嶺組白云巖時的溫度值吻合。這是一個高溫熱儲層中的熱水補給低溫熱儲層的例子,只有通過測井才能了解到,在這眼表面平靜的熱水井中,一千多米下面發(fā)生著地下水的補給運移。有時由于地熱井成井工藝的質量問題,熱水井上部的冷水漏進井中,至使熱水井無法使用。測井可以提供準確的資料指導封堵冷水的井下作業(yè),堵住冷水,恢復熱水井的正常使用。6回灌井與熱儲層溫度恢復關系在地下熱水的開發(fā)利用過程中,最突出的問題是熱水水位下降大。為了合理開采地下熱水,我院于1980年開展了熱水井的回灌試驗工作。進行回灌試驗的熱水井,其熱儲層在一千米以下、是霧迷山組白云巖,裂隙破碎帶只有一段,由1020米至井底,厚度約三十米。井底溫度52.3℃,抽水時水位降深11米,出水量500m3/d。回灌利用自然回滲方式進行了三個多月,單井回灌量為480m3/d?；毓嗟氖堑谒南道渌?水溫15℃,累積共灌入6萬m3冷水。回灌后約每月測溫一次,共觀測了一年時間。同時,對回灌井附近的熱水井測溫,其出水溫度不變化。根據(jù)回灌后十次測溫曲線繪出成果圖(圖8),分析這些井溫曲線我們可以得出:(1)由于回灌了6萬m315℃的冷水進入白云巖破碎帶中,使裂隙破碎帶溫度降低,出現(xiàn)了反映熱儲層被大量冷水充填造成的低溫異常;(2)井溫曲線反映的低溫異常段和測井解釋的裂隙破碎發(fā)育段1020～1050米相吻合;(3)井溫隨時間恢復曲線反映出溫度回升速度很慢。說明北京東南城區(qū)熱田里的地下熱水水平方向流動非常緩慢、趨于靜止。證實了本文前面所述,北京東南地區(qū)熱田的地下熱水主要是深部凹陷形成時期的封存水,或在遙遠的地質年代里地下水在逕流過程中受到巖溫加熱后補給熱儲層的。