北京地下热水勘探中井温测量的应用

北京地下热水勘探中井温测量的应用

在北京的热勘探中，所有开挖项目都需要地球物理勘探。测量的方法包括:视电阻率梯度、视电阻率电位、自然电位、自然伽玛、井温、井径,形成了一套完整的地热测井系列,为北京的地下热水勘探、开发、评价、提供了可靠依据,积累了丰富的资料。1调整后的地层温度首先进行了面积性的井温普查,对于正在施工的钻孔全部进行井温测量,对于过去的水井、有条件的补测井温,从而获得了面积性的地温资料。在钻孔中测得一条随深度变化的井温曲线并不困难,但要测得一条能反映真实地温状况的井温曲线却不容易。这是因为在钻井过程中,泥浆循环和钻具磨擦使钻孔周围岩层的温度场受到破坏,导致钻孔温度向着均一化的方向变化;停钻以后泥浆同地层进行热交换,井温向天然温度场恢复,但要达到与原始地温平衡,则需要较长的时间。图1是一热水井三次不同时间的测温曲线,曲线(1)是1978年10月9日第一次测温,曲线(2)是1978年10月27日第二次测温,曲线(3)是1979年3月22日第三次测温。图中可以明显地看到,三次测温曲线的地热梯度一次比一次大;850米以上瞬时井温比实际地温高,随着恢复时间的延长温度降低,愈来愈接近实际地温;850米以下瞬时井温比实际地温低,随着恢复时间的延长温度升高,愈来愈接近实际地温;在850米左右三次测温数值基本相同,井温和地层温度相平衡,此处所测井温最接近实际地温。所以我们在这个区域所做的等温线图就选850米左右深度的井温测量值。1.1地下水的补给、地温梯度北京西部与西山相连,接近补给区,基岩地下水为岩溶裂隙水,主要为奥陶系灰岩承压水。由钻孔测温可知,地温梯度很低,每百米不超过0.5度,最低的钻孔地温梯度为0.1℃/hm。此种测温曲线反映了地下水补给区的特征:西部山区地下水侧向活动强烈,地下水的补给、迳流、排泄条件都十分良好。低温的地下水在流动过程中把岩体的热量带走,从而降低了地温,形成了西部低温区(图2)。1.2地下热水的温度与围岩的温度分布北京东南城区地温梯度明显地增高,根据井温曲线做出的等地温梯度图(图3)可以明显地圈出热异常区。单孔的井温数值和成井后实际出水温度值,反映出东南城区地下热水是深部凹陷形成时期的封存水,或在遥远的地质年代里、地下水在径流过程中受岩温加热后补给热储层的,属地下水交替不强烈型,地下水的温度与围岩的温度已达到平衡。在保证地热井成井质量完好的前题下,热水井出水温度应等于或高于岩层温度,表现出地下热水排泄区的井温、水温特征。2地层热导率分析北京地区的地热测井系列测量的参数包括:电阻率、自然电位、自然伽玛、井温、井径。图4是一眼地热井比较标准的测井曲线图,从井温曲线上可以看到,铁岭组白云岩段地温梯度为1.6℃/hm,洪水庄组页岩段地温梯度为2.5℃/hm,雾迷山组白云岩段地温梯度为1.5℃/hm。地层的地温梯度与岩石的热导率有关,不同岩层的热导率不同,但是这种差异一般并不是很大,在没有外来干扰的情况下,钻孔中不同岩层段的地温梯度和岩层的热导率的乘积为一常数。ΔT1λ1=ΔT2λ2⋯⋯=ΔTiλi=常数ΔΤ1λ1=ΔΤ2λ2⋯⋯=ΔΤiλi=常数式中:ΔT:地温梯度;λ:相应岩层的热导率实测白云岩的热导率为3.64w/m·k～6.57w/m·k,页岩的热导率为1.26w/m·k～2.81w/m·k。由此可见,钻孔停钻并静止一段时间后的井温曲线能反映出不同的地温梯度,铁岭组和雾迷山组白云岩之间的隔层洪水庄组页岩是区内很好的保温层。电阻率和自然伽玛测井曲线是划分地层必不可少的两条基本曲线。电阻率曲线高低阻分明,白云岩视电阻率值高达上千欧姆米,而页岩的电阻率值只有100～200欧姆米,在裂隙破碎带上电阻率也会以明显的低阻异常显示出来。区分泥质与非泥质地层,以自然伽玛曲线最为明显,充填泥质的裂隙破碎带自然伽玛以高值反映出来。所以电阻率与自然伽玛综合分析确定泥质充填和非泥质充填的破碎带效果很好。自然电位是一条反映地层渗透性的测井曲线,用来划分含水层有很好的参考价值,但因为城市干扰因素较多,要测得一条没有干扰的自然电位曲线比较困难。井径测量直接反映出钻孔的孔径大小,除对钻井施工提供数据外,对地层划分、区分渗透性层与非渗透性层、划分裂隙破碎发育段,都有明显效果。应用测井资料来分析地层构造比较直观、准确,小汤山热田一地热井的测井曲线就是个很好的例子。在图5可以看出有两段明显相同的测井曲线的自然伽玛和电阻率数值大小、曲线形状、厚度都基本一样,它反映了由于断层作用造成的地层重复,说明这里有一个小断层,断距不大,上盘上升,下盘下降。3热平衡方程应用计算北京城区热田在构造上处于北京凹陷的东南,主要热储层为中上元古界蓟县系铁岭组和雾迷山组的白云岩。铁岭组厚度为220～350米,雾迷山组目前尚未揭穿。揭露这两大含水层组的地热井,大部分进行混合取水。为了进一步搞清每一层的出水量,我们应用温度测井资料对这两大热储层的出水量进行了计算。根据热平衡原理,两个互相接触的物体在趋向热平衡状态的过程中,如果与其他的物体没有热交换,那么原来温度高的物体所放出的热量Q1和原来温度低的物体所吸收的热量Q2大小相等,符号相反。其热平衡方程为:Q1+Q2=Q。对于成井质量好的地热井,地下热水经过井管流到井口的热量损失较小,可以忽略不计,符合热平衡方程应用条件。我们对六口混合取水的热水井,进行计算求得两个热储层的出水量。设铁岭组白云岩含水层出水量为X,雾迷山组白云岩含水层的出水量为Y、是欲求的未知量。铁岭组白云岩的温度值t1和雾迷山组白云岩的温度值t2都可在井温曲线上取得,井口出水温度t和出水量Q在抽水时测得。根据热平衡原理列出方程:tx+ty=tQx+y=Qtx+ty=tQx+y=Q解方程求得x和y,六口井计算结果见表1:综合分析上表计算结果可以看到:①铁岭组白云岩揭穿厚度为218～326米,温度为40.5℃～45℃,雾迷山组白云岩揭露厚度为41.5～227米,温度为46.5℃～53.5℃。由于有80余米厚的洪水庄组页岩保温隔层,雾迷山组的温度比铁岭组的温度高4℃～10℃;②铁岭组含水层出水量占总出水量的17%～43%,雾迷山组含水层出水量占总出水量的57%～83%,铁岭组白云岩揭穿的厚度大于雾迷山白云岩揭穿的厚度1.05～7.7倍,由此可见雾迷山组含水层的出水量大于铁岭组含水层的出水量;③为合理开采铁岭组和雾迷山组热储层的地下热水,热水井应分别取铁岭组或雾迷山组的热水,一般不要混合取水。4井温曲线异常大小运动着的地下水是热传递的最主要因素,地热钻孔在钻进过程中,裂隙破碎带往往会发生泥浆漏失。由于泥浆的温度低于热储层的温度,在泥浆漏失的地方会形成一个低温带,在井温曲线上以负异常反映出来,这就是成井后地下热水的出水位置。泥浆温度一年四季随气温变化有所不同,据12眼井统计为6℃～12℃,与热储层的温度有几十度差异,只要有一定的漏失量就会在井温曲线上反映出低温异常,低温异常段所对应的其它测井曲线必然是裂隙破碎带的反映。图6是一眼地热井热储层井段的测井曲线。在大段的白云岩地层中,测井曲线综合解释结果准确地反映出裂隙破碎带的位置,井温曲线的负异常证实了这一大段白云岩是漏失段。该井成井后抽水试验出水量1200m3/d。热储层的出水量与井温曲线反映漏失层厚度的关系,一般是漏失段(即裂隙破碎带)厚度愈大出水量愈大,我们可以根据井温曲线估计出水量。表2绘出了十二眼热水井井温曲线负异常段的厚度与实测出水量的关系。此表比较明显地说明了漏失段(即裂隙破碎带)愈厚出水量愈大。由于地热钻孔的钻井过程是比较复杂的,对井温曲线的影响因素很多,对于井温曲线没有负异常显示的钻孔,只要测井综合解释有一定厚度的裂隙破碎带存在,成井后一定会有很好的出水量。其原因是:(1)泥浆漏失量的大小除直接受热储层的破碎裂隙发育程度影响外,还与泥浆堵漏工作有关。当堵漏工作做得好时,漏失很快被堵住,当堵漏工作做得不好时,泥浆漏失量愈大,出现的井温负异常愈大;(2)泥浆的温度冬天低,夏天高,泥浆与地层温差大小也影响井温曲线负异常的大小;(3)测温时间的影响,漏失堵好后马上测温,异常就明显,而钻进很长时间后测温,异常明显程度就差。综上所述,估计出水量除根据井温曲线异常大小外,主要根据综合测井解释反映的裂隙破碎带发育程度,泥质充填状况等。一般测井曲线反映裂隙破碎带有一定厚度且无泥质充填,出水量就没问题。还有一点需要强调的是,出水量受成井工艺影响很大,洗井好坏也直接影响出水量大小。有的热水井测井解释水量很好,但开始抽水结果并不好,通过一两次甚至三四次洗井后才达到理想的出水量。目前,地热测井已成为地热钻井工艺中必不可少的一步工序。在我们所测的百余眼水井中根据测井资料分析可以成井的钻孔,洗井后全部达到出水要求(只有一钻孔因垮塌,含水层段被埋住,出水量未达到要求)。5地层剖面的地层对比地下热水是一个良好的载热体,随着地下水的流动对周围热场会有明显的影响。我们可以用温度测井测得地下水流动所造成的钻孔周围热场的变化,了解地下水的流动情况。当钻孔揭露了两个或两个以上含水层,而且各含水层的温度又有差异,如果有由上往下或由下往上补给时,在井温曲线上能反映出地温梯度变小或突然增高的变化,由此可分析出补给关系。图7是北京东南城区一眼热水井成井后的测井曲线图,视电阻率测井曲线和天然放射性测井曲线都很标准,可以准确地划分出地层剖面。872.5米见第一层热储层铁岭组白云岩和泥质白云岩,1198.5米为稳定的隔水层洪水庄组页岩,1275.5米见第二层热储层雾迷山组白云岩。此时的井温曲线不是反映地层的正常地温梯度,而是由铁岭组下段泥质白云岩向下一直到雾迷山组的白云岩破碎带,为一条增温率近0.3℃/hm的一条直线,温度值为50.5℃。在铁岭组白云岩近50米厚的破碎层段井温出现突变,地温梯度14℃/hm,而这个层位的正常地温梯度值应该是铁岭组1.6℃/hm、洪水庄组2.5℃/hm、雾迷山组1.5℃/hm。这种温度异常的出现是地下水流动造成的,雾迷山白云岩热储层中的50℃的水沿钻孔上升,经过洪水庄组页岩、铁岭组泥质白云岩流进铁岭组白云岩50米厚破碎带中,50℃的热水在流动过程中把这一段的温度提高了;而铁岭组白云岩破碎带以上的温度仍然是41℃,与钻孔刚一揭露铁岭组白云岩时的温度值吻合。这是一个高温热储层中的热水补给低温热储层的例子,只有通过测井才能了解到,在这眼表面平静的热水井中,一千多米下面发生着地下水的补给运移。有时由于地热井成井工艺的质量问题,热水井上部的冷水漏进井中,至使热水井无法使用。测井可以提供准确的资料指导封堵冷水的井下作业,堵住冷水,恢复热水井的正常使用。6回灌井与热储层温度恢复关系在地下热水的开发利用过程中,最突出的问题是热水水位下降大。为了合理开采地下热水,我院于1980年开展了热水井的回灌试验工作。进行回灌试验的热水井,其热储层在一千米以下、是雾迷山组白云岩,裂隙破碎带只有一段,由1020米至井底,厚度约三十米。井底温度52.3℃,抽水时水位降深11米,出水量500m3/d。回灌利用自然回渗方式进行了三个多月,单井回灌量为480m3/d。回灌的是第四系冷水,水温15℃,累积共灌入6万m3冷水。回灌后约每月测温一次,共观测了一年时间。同时,对回灌井附近的热水井测温,其出水温度不变化。根据回灌后十次测温曲线绘出成果图(图8),分析这些井温曲线我们可以得出:(1)由于回灌了6万m315℃的冷水进入白云岩破碎带中,使裂隙破碎带温度降低,出现了反映热储层被大量冷水充填造成的低温异常;(2)井温曲线反映的低温异常段和测井解释的裂隙破碎发育段1020～1050米相吻合;(3)井温随时间恢复曲线反映出温度回升速度很慢。说明北京东南城区热田里的地下热水水平方向流动非常缓慢、趋于静止。证实了本文前面所述,北京东南地区热田的地下热水主要是深部凹陷形成时期的封存水,或在遥远的地质年代里地下水在迳流过程中受到岩温加热后补给热储层的。