北京地下熱水勘探中井溫測量的應(yīng)用

北京地下熱水勘探中井溫測量的應(yīng)用

在北京的熱勘探中，所有開挖項(xiàng)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?zé)釡y井系列,為北京的地下熱水勘探、開發(fā)、評價(jià)、提供了可靠依據(jù),積累了豐富的資料。1調(diào)整后的地層溫度首先進(jìn)行了面積性的井溫普查,對于正在施工的鉆孔全部進(jìn)行井溫測量,對于過去的水井、有條件的補(bǔ)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(shí)地溫狀況的井溫曲線卻不容易。這是因?yàn)樵阢@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(dǎo)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(jìn)行熱交換,井溫向天然溫度場恢復(fù),但要達(dá)到與原始地溫平衡,則需要較長的時(shí)間。圖1是一熱水井三次不同時(shí)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?zé)崽荻纫淮伪纫淮未?850米以上瞬時(shí)井溫比實(shí)際地溫高,隨著恢復(fù)時(shí)間的延長溫度降低,愈來愈接近實(shí)際地溫;850米以下瞬時(shí)井溫比實(shí)際地溫低,隨著恢復(fù)時(shí)間的延長溫度升高,愈來愈接近實(shí)際地溫;在850米左右三次測溫?cái)?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(shí)際地溫。所以我們在這個(gè)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(bǔ)給、地溫梯度北京西部與西山相連,接近補(bǔ)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(bǔ)給區(qū)的特征:西部山區(qū)地下水側(cè)向活動(dòng)強(qiáng)烈,地下水的補(bǔ)給、逕流、排泄條件都十分良好。低溫的地下水在流動(dòng)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?cái)?shù)值和成井后實(shí)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(shí)期的封存水,或在遙遠(yuǎn)的地質(zhì)年代里、地下水在徑流過程中受巖溫加熱后補(bǔ)給熱儲(chǔ)層的,屬地下水交替不強(qiáng)烈型,地下水的溫度與圍巖的溫度已達(dá)到平衡。在保證地?zé)峋删|(zhì)量完好的前題下,熱水井出水溫度應(yīng)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(dǎo)率分析北京地區(qū)的地?zé)釡y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?zé)峋容^標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)率有關(guān),不同巖層的熱導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)巖層的熱導(dǎo)率實(shí)測白云巖的熱導(dǎo)率為3.64w/m·k～6.57w/m·k,頁巖的熱導(dǎo)率為1.26w/m·k～2.81w/m·k。由此可見,鉆孔停鉆并靜止一段時(shí)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(dá)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(huì)以明顯的低阻異常顯示出來。區(qū)分泥質(zhì)與非泥質(zhì)地層,以自然伽瑪曲線最為明顯,充填泥質(zhì)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(zhì)充填和非泥質(zhì)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(jià)值,但因?yàn)槌鞘懈蓴_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(yīng)用測井資料來分析地層構(gòu)造比較直觀、準(zhǔn)確,小湯山熱田一地?zé)峋臏y井曲線就是個(gè)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(fù),說明這里有一個(gè)小斷層,斷距不大,上盤上升,下盤下降。3熱平衡方程應(yīng)用計(jì)算北京城區(qū)熱田在構(gòu)造上處于北京凹陷的東南,主要熱儲(chǔ)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?zé)峋?大部分進(jìn)行混合取水。為了進(jìn)一步搞清每一層的出水量,我們應(yīng)用溫度測井資料對這兩大熱儲(chǔ)層的出水量進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)熱平衡原理,兩個(gè)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(zhì)量好的地?zé)峋?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(jì),符合熱平衡方程應(yīng)用條件。我們對六口混合取水的熱水井,進(jìn)行計(jì)算求得兩個(gè)熱儲(chǔ)層的出水量。設(shè)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(shí)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(jì)算結(jié)果見表1:綜合分析上表計(jì)算結(jié)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(chǔ)層的地下熱水,熱水井應(yīng)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(yùn)動(dòng)著的地下水是熱傳遞的最主要因素,地?zé)徙@孔在鉆進(jìn)過程中,裂隙破碎帶往往會(huì)發(fā)生泥漿漏失。由于泥漿的溫度低于熱儲(chǔ)層的溫度,在泥漿漏失的地方會(huì)形成一個(gè)低溫帶,在井溫曲線上以負(fù)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(jì)為6℃～12℃,與熱儲(chǔ)層的溫度有幾十度差異,只要有一定的漏失量就會(huì)在井溫曲線上反映出低溫異常,低溫異常段所對應(yīng)的其它測井曲線必然是裂隙破碎帶的反映。圖6是一眼地?zé)峋疅醿?chǔ)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(jié)果準(zhǔn)確地反映出裂隙破碎帶的位置,井溫曲線的負(fù)異常證實(shí)了這一大段白云巖是漏失段。該井成井后抽水試驗(yàn)出水量1200m3/d。熱儲(chǔ)層的出水量與井溫曲線反映漏失層厚度的關(guān)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(jì)出水量。表2繪出了十二眼熱水井井溫曲線負(fù)異常段的厚度與實(shí)測出水量的關(guān)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?zé)徙@孔的鉆井過程是比較復(fù)雜的,對井溫曲線的影響因素很多,對于井溫曲線沒有負(fù)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(huì)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(chǔ)層的破碎裂隙發(fā)育程度影響外,還與泥漿堵漏工作有關(guān)。當(dāng)堵漏工作做得好時(shí),漏失很快被堵住,當(dāng)堵漏工作做得不好時(shí),泥漿漏失量愈大,出現(xiàn)的井溫負(fù)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(fù)異常的大小;(3)測溫時(shí)間的影響,漏失堵好后馬上測溫,異常就明顯,而鉆進(jìn)很長時(shí)間后測溫,異常明顯程度就差。綜上所述,估計(jì)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(zhì)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(zhì)充填,出水量就沒問題。還有一點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)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(jié)果并不好,通過一兩次甚至三四次洗井后才達(dá)到理想的出水量。目前,地?zé)釡y井已成為地?zé)徙@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(dá)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(dá)到要求)。5地層剖面的地層對比地下熱水是一個(gè)良好的載熱體,隨著地下水的流動(dòng)對周圍熱場會(huì)有明顯的影響。我們可以用溫度測井測得地下水流動(dòng)所造成的鉆孔周圍熱場的變化,了解地下水的流動(dòng)情況。當(dāng)鉆孔揭露了兩個(gè)或兩個(gè)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(bǔ)給時(shí),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(bǔ)給關(guān)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(biāo)準(zhǔn),可以準(zhǔn)確地劃分出地層剖面。872.5米見第一層熱儲(chǔ)層鐵嶺組白云巖和泥質(zhì)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(chǔ)層霧迷山組白云巖。此時(shí)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(zhì)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(gè)層位的正常地溫梯度值應(yīng)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(dòng)造成的,霧迷山白云巖熱儲(chǔ)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(zhì)白云巖流進(jìn)鐵嶺組白云巖50米厚破碎帶中,50℃的熱水在流動(dòng)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(shí)的溫度值吻合。這是一個(gè)高溫?zé)醿?chǔ)層中的熱水補(bǔ)給低溫?zé)醿?chǔ)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(bǔ)給運(yùn)移。有時(shí)由于地?zé)峋删に嚨馁|(zhì)量問題,熱水井上部的冷水漏進(jìn)井中,至使熱水井無法使用。測井可以提供準(zhǔn)確的資料指導(dǎo)封堵冷水的井下作業(yè),堵住冷水,恢復(fù)熱水井的正常使用。6回灌井與熱儲(chǔ)層溫度恢復(fù)關(guān)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(yàn)工作。進(jìn)行回灌試驗(yàn)的熱水井,其熱儲(chǔ)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(shí)水位降深11米,出水量500m3/d?；毓嗬米匀换貪B方式進(jìn)行了三個(gè)多月,單井回灌量為480m3/d。回灌的是第四系冷水,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(shí)間。同時(shí),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(jìn)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(chǔ)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(shí)間恢復(fù)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(dòng)非常緩慢、趨于靜止。證實(shí)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(shí)期的封存水,或在遙遠(yuǎn)的地質(zhì)年代里地下水在逕流過程中受到巖溫加熱后補(bǔ)給熱儲(chǔ)層的。