張祎然， 梁學(xué)堂， 全浩理*， 劉 磊， 金 端， 倪 倩

(1.湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊，湖北 武漢 430056； 2.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430034)

地?zé)崮茏鳛橐环N優(yōu)質(zhì)的清潔能源，被廣泛應(yīng)用于供暖、制冷、發(fā)電等領(lǐng)域，還將在節(jié)能減排、鄉(xiāng)村振興中發(fā)揮更多作用[1-2]。近年來，中深層地?zé)崮艿膽?yīng)用需求十分旺盛，尤其是城市地區(qū)，帶動地?zé)峋當(dāng)?shù)量逐年快速增加。測井作為一種常用的物探手段，在地?zé)峥辈橹邪l(fā)揮了重要作用[3-4]。然而在實際地?zé)峥辈橹?，測井會出現(xiàn)較多問題，例如地?zé)峋械貙佣嘁娖扑?，電阻率、聲波等參?shù)在連通和非連通孔隙中的響應(yīng)特征較為相似[5]，給涌水層識別帶來一定的干擾；在巖性較為復(fù)雜的層段，常規(guī)參數(shù)響應(yīng)變化較大[6]，增加了數(shù)據(jù)處理難度，影響目標(biāo)層識別效率。此外，地?zé)峋酁榍逅@進(jìn)，成井易垮塌，為保證井壁完整且水量供給充足，成井時往往采取花管固井技術(shù)，即使用多孔眼的PVC塑料管或鋼制套管對井身進(jìn)行加固處理，確保成井后依然能夠正常使用，因此部分地?zé)峋暮笃跀?shù)據(jù)采集是在有套管的情況下完成的，自然電位、聲波時差、電阻率等常規(guī)測井響應(yīng)特征均會出現(xiàn)不同程度的失真[7]，從而影響涌水層識別的準(zhǔn)確性，甚至不能作為涌水層識別的依據(jù)。同時，在地?zé)崽?、地?zé)峁┡葢?yīng)用場景下，單個工區(qū)的鉆井?dāng)?shù)較多，如果采取標(biāo)準(zhǔn)測井序列，則存在成本較高、數(shù)據(jù)采集與處理周期較長、受環(huán)境制約程度較大等問題。

井溫測井是一種常規(guī)測井手段，其利用鉆井內(nèi)溫度隨深度的變化規(guī)律來研究地質(zhì)構(gòu)造、尋找礦產(chǎn)資源以及檢查鉆孔技術(shù)狀況，在綜合測井資料解釋中，一般作為輔助資料來進(jìn)行測井解釋[8-9]。大量測井生產(chǎn)實踐表明，將井溫測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行合理處理，獲得井溫監(jiān)測曲線及其梯度變化曲線，可以實現(xiàn)目標(biāo)層識別等目的，甚至定性評價其規(guī)模[10-16]。特別是對于復(fù)雜條件和較大規(guī)模應(yīng)用場景下的地?zé)峋疁y井工作，當(dāng)其他常規(guī)測井手段難以有效發(fā)揮作用或成本較高時，井溫測井更具便捷、高效、經(jīng)濟等優(yōu)勢。

鑒于此，本文以湖北省兩處中深層地?zé)峋疄槔?，總結(jié)在不同監(jiān)測模式和監(jiān)測環(huán)境下，充分應(yīng)用井溫測井?dāng)?shù)據(jù)解決地溫梯度讀取、高溫及涌水層識別、裂隙觀測、套管查漏等實際生產(chǎn)問題的方法，為地?zé)峥辈殚_發(fā)中提高井溫測井?dāng)?shù)據(jù)利用率并降低測井工作成本提供新思路。

1 井溫測井方法

1.1 井溫測井原理

井溫測井是地?zé)峥辈橹械囊?guī)定項目，在施工過程中一般會優(yōu)先對井溫進(jìn)行監(jiān)測，具有設(shè)備簡單、響應(yīng)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)直觀、定位準(zhǔn)確、經(jīng)濟便捷等優(yōu)點。井溫監(jiān)測的主要工作原理是在橋式電路中接入一對溫感電阻，通過測量由溫度導(dǎo)致電阻變化引起的電壓差異來得到環(huán)境溫度[17]。井溫引起電阻變化的規(guī)律為：

RT=R0[1+α(T-T0)]

(1)

式中：T為儀器的測試溫度，℃；T0為儀器的初始溫度，℃；α為電阻絲的溫度系數(shù)，1/℃；RT為溫度T對應(yīng)的電阻，Ω；R0為溫度T0對應(yīng)的電阻，Ω。

則電阻的變化值ΔR為：

ΔR=RT-R0=R0α(T-T0)

(2)

電阻的變化會轉(zhuǎn)化為電壓變化，可得：

(3)

式中：ΔU為溫度由T0變化到T時的電位差，V；I為電流強度，A；k為儀器常數(shù)，表示電阻變化一個單位量時溫度的變化值，℃/Ω。

根據(jù)上述計算公式可知，井溫受地層結(jié)構(gòu)、壓力、井液等外部環(huán)境因素的影響極小。在實際工作中，井溫測井主要獲取的是當(dāng)前深度的井液溫度，通過動態(tài)和靜態(tài)井溫監(jiān)測，可以提取能反映環(huán)境特征的有效信息。

1.2 井溫監(jiān)測模式

1.2.1靜態(tài)井溫監(jiān)測

靜態(tài)井溫監(jiān)測的主要目的是獲取當(dāng)?shù)氐販靥荻?，識別溫度異常層段。地殼從地表到深部的溫度逐漸升高，在理想狀態(tài)下(地層未被擾動，無溫度異常顯示時)，地殼淺表地溫曲線近似直線，稱為地溫梯度線，其斜率基本固定，即地溫與深度的關(guān)系為線性函數(shù)關(guān)系。不同的地區(qū)具有不同的地溫梯度，以此作為井溫監(jiān)測曲線異常解釋的基本模型。

進(jìn)行靜態(tài)井溫監(jiān)測時，需要使井筒處于關(guān)閉狀態(tài)，通過隔水、閉管等方式減緩井內(nèi)液體涌動，靜置超過24 h后方可進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測時以下行測量數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，得到的井液溫度受涌水等環(huán)境因素影響程度小，因此該溫度近似于測量點對應(yīng)深度的地溫，從而直觀地反映地溫變化情況。

當(dāng)存在地溫異常層段時，井溫監(jiān)測曲線會在宏觀上表現(xiàn)為一條弧線，當(dāng)該段井溫梯度低于正常地溫梯度時，井溫監(jiān)測曲線表現(xiàn)為負(fù)弧線；當(dāng)該段井溫梯度高于正常地溫梯度時，井溫監(jiān)測曲線則表現(xiàn)為正弧線(圖1)。

圖1 井溫監(jiān)測曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of well temperature monitoring curve

1.2.2 動態(tài)井溫監(jiān)測

動態(tài)井溫監(jiān)測是指井液處于動態(tài)循環(huán)時的溫度監(jiān)測，人工注入井液、抽水和井內(nèi)液體自涌時進(jìn)行的井溫監(jiān)測都屬于動態(tài)井溫監(jiān)測。由于井液處于動態(tài)擾動時，會造成井內(nèi)上下溫差縮小，井內(nèi)液體溫度不能反映測量點對應(yīng)深度的真實地溫。影響動態(tài)井溫的因素主要有流體溫度差異、流體性質(zhì)變化、機械能加熱等。

(1) 流體溫度差異。是指自涌或注入的流動流體與地溫存在差異時，會在涌水點或注入點形成溫度干擾，整體影響井溫及其梯度值。

(2) 流體性質(zhì)變化。常見的井內(nèi)流體為氣、液兩種形式，在壓力增加或釋放時，流體密度發(fā)生變化會出現(xiàn)放熱和吸熱現(xiàn)象[17]。以地層高壓氣體為例，其釋放時體積膨脹，會吸收大量井液熱量，形成低溫異常。

(3) 機械能加熱。是指液體流動或擾動時產(chǎn)生的機械加熱現(xiàn)象。裸眼井流體動能較大時，與管壁摩擦?xí)》忍岣呔疁?；部分隨鉆測試時也會因為機械施工造成井液溫度暫時升高，實際測量時應(yīng)盡量避免該現(xiàn)象出現(xiàn)。

在常規(guī)地?zé)峥辈闀r，動態(tài)井溫監(jiān)測的情況為井內(nèi)液體自涌、隨鉆監(jiān)測等，本文僅對井內(nèi)液體自涌情況下的井溫監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。發(fā)生井內(nèi)液體自涌時，涌水層之上的井溫會受到較大影響，即井溫梯度減小，井溫監(jiān)測曲線斜率降低；而由于涌水層之下沒有流出通道，下涌水量較少，會導(dǎo)致下方的井溫及其梯度變化較小，且井溫與真實地溫呈現(xiàn)固定幅度變化。由此可見，涌水層具有類似隔溫帶的作用，使其上、下方的井溫監(jiān)測曲線在涌水層位置出現(xiàn)拐點并產(chǎn)生“臺階”(圖1)。

2 井溫測井?dāng)?shù)據(jù)的應(yīng)用

2.1 鉆井概況

本文以宜昌ZK01和武漢DRJ01兩口地?zé)峥碧骄疄檠芯繉ο蟆?/p>

ZK01井井深512 m，探測地層主要為寒武系，探測目的為尋找深部導(dǎo)水?dāng)鄬?。該井揭露巖性主要為泥頁巖和灰?guī)r，巖心較完整，無明顯破碎層段。全井地溫梯度較高，平均為3.3℃/100 m，高于當(dāng)?shù)仄骄怠Ｔ摼疅o自涌水，最大日涌水量<200 m3/d。測井目的是通過常規(guī)測井識別高溫層，揭示井溫隨深度變化的特征。

DRJ01井井深850 m，探測地層主要為震旦系，探測目的在于尋找深部導(dǎo)水?dāng)鄬雍椭髁τ克畬?。該井揭露巖性較單一，主要為片麻巖，巖心不完整，井壁多見破碎，多處出現(xiàn)垮塌掉塊，因此在0～200、365～436 m段采用鋼制實管護壁，在436～485 m段采用鋼制花管護壁。全井地溫梯度較低，平均為1.2℃/100 m，低于當(dāng)?shù)仄骄?。該井自涌水量較大，最大日涌水量為1 560.67 m3/d。測井目的是通過常規(guī)測井識別涌水層，揭示溫度場分布規(guī)律，但該井井口和多段井身涌水，導(dǎo)致電性、波速等測井參數(shù)均受到一定影響，進(jìn)而影響了涌水層識別的可靠性。

2.2 高溫層識別

進(jìn)行靜態(tài)井溫監(jiān)測后，可以繪制出該井的靜態(tài)井溫監(jiān)測曲線；然后將井溫按一定間隔進(jìn)行梯度計算，可獲得地溫梯度變化曲線。計算公式如下：

(4)

式中：m為深度間距，m；Tn、Tn+m分別為井深n、n+m處的井溫測量值，℃；Tg為測量點以m為深度間距的等效地溫梯度，℃/100 m。

如果某一層段出現(xiàn)溫度異常，則地溫梯度變化曲線會偏離全井平均地溫梯度曲線，對應(yīng)溫度異常層段呈現(xiàn)“幾”字形突起，具有直觀的指示效果。

以ZK01井為例，該井未見導(dǎo)水?dāng)鄬?，全井水量較少，但是該井地溫梯度較高，全井平均地溫梯度為3.3℃/100 m。繪制的靜態(tài)井溫監(jiān)測曲線相對于全井參考地溫梯度線，呈現(xiàn)出兩段正弧線(圖2)，只能大致判斷井深250～375、445～500 m段可能存在高溫層，無法精確定位。然后參照公式(4)，取m=10 m計算等效地溫梯度，繪制地溫梯度變化曲線(圖2)，發(fā)現(xiàn)該曲線上出現(xiàn)2處顯著的“幾”字形突起，代表高溫層分布于井深300～310、450～470 m段。高溫層的精確識別對后期深部熱源追蹤有較好的指導(dǎo)意義。

該案例表明，在中深層地?zé)峥辈橹?，開展靜態(tài)井溫監(jiān)測能夠有效獲得該區(qū)地溫梯度；通過地溫梯度變化曲線能夠有效識別高溫層。當(dāng)工區(qū)靜態(tài)井溫監(jiān)測數(shù)據(jù)量足夠多時，還能分析工區(qū)溫度場空間分布情況，為后期區(qū)域性評價提供參考資料。

圖2 ZK01井井溫測井成果Fig.2 Well temperature logging results of ZK01

2.3 涌水層識別

在井內(nèi)液體自涌情況下進(jìn)行井溫動態(tài)監(jiān)測后，可以繪制出該井的動態(tài)井溫監(jiān)測曲線；然后計算井溫梯度值，獲得該井的井溫梯度變化曲線。如果某一層段發(fā)生涌水，則井溫監(jiān)測曲線會出現(xiàn)相應(yīng)的“臺階”，而井溫梯度變化曲線則會出現(xiàn)極大值，呈“∧”形突起。

以DRJ01井為例，該井巖石較為破碎，為防止井壁垮塌并提高鉆進(jìn)效率，分別在0～200、365～436、436～485 m段采用鋼制實管、鋼制實管、鋼制花管進(jìn)行護壁。聲波時差、三側(cè)向電阻率測井結(jié)果顯示，其測井曲線呈鋸齒狀，套管部位無法測量三側(cè)向電阻率(圖3)，說明該井常規(guī)測井效果較差，不能確定主要斷層破碎帶位置，而且存在常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)采集不全等問題。

考慮到該井大量涌水，自涌水量為820 m3/d，對全井進(jìn)行動態(tài)井溫監(jiān)測，獲得了動態(tài)井溫監(jiān)測曲線；然后參照公式(4)方法，按每10 m井深間距計算井溫梯度，繪制井溫梯度變化曲線(圖3)。由圖3可以看出，井溫監(jiān)測曲線上顯示有3處“臺階”，對應(yīng)井溫梯度變化曲線呈現(xiàn)明顯的“∧”形突起，指示在井深620、750、830 m處為涌水層。另外，“∧”形突起的幅度越大，代表涌水量越大。結(jié)合多方資料綜合分析，認(rèn)為750 m處的涌水層為本次鉆井的目標(biāo)斷裂位置和主力涌水層。

該案例表明，在中深層地?zé)峥辈橹?，開展動態(tài)井溫監(jiān)測能夠有效識別涌水層，并根據(jù)井溫梯度變化曲線上突起幅度的大小，定性判斷涌水量的規(guī)模。特別是對于具復(fù)雜條件的地?zé)徙@井，井溫測井?dāng)?shù)據(jù)可以排除干擾，高效識別目標(biāo)層。

圖3 DRJ01井井溫測井成果Fig.3 Well temperature logging results of DRJ01

2.4 套管查漏

在地?zé)崮芾弥?，鉆井多采用套管成井，近年來逐漸興起了全封閉管技術(shù)，即不使用地下水源，在不造成環(huán)境污染的前提下，使用管內(nèi)熱液與環(huán)境進(jìn)行熱量交換的地源熱泵技術(shù)。實際生產(chǎn)中，套管會發(fā)生破損，導(dǎo)致井液漏失和熱損失，降低地?zé)崮芾眯?。套管查漏常采用精度較高的聲波、磁定位技術(shù)，但聲波定位設(shè)備直徑較大，易受到鉆井直徑的限制；磁定位設(shè)備在高磁環(huán)境或非磁性管材中使用受限。兩種技術(shù)測量效率低、成本高，不太適合用于長期且高頻率的管內(nèi)監(jiān)測工作[14]。采用動態(tài)井溫監(jiān)測，可得到井溫監(jiān)測曲線，套管破損點會導(dǎo)致該曲線上出現(xiàn)小突起，指示管漏的大致位置。如果井溫監(jiān)測數(shù)據(jù)精度高，細(xì)微的破碎涌水點也能被識別到。通過井溫監(jiān)測確定管漏的大致位置后，再采用聲波、磁定位技術(shù)等進(jìn)行精確定位和修復(fù)，是更為穩(wěn)妥、高效和經(jīng)濟的工作流程。

以DRJ01井為例，動態(tài)井溫監(jiān)測發(fā)現(xiàn)井溫監(jiān)測曲線對應(yīng)井深48 m處出現(xiàn)一個小突起(圖4)，可能為套管破損點，而后經(jīng)過進(jìn)一步檢查得到確認(rèn)。經(jīng)過修復(fù)后，井溫監(jiān)測曲線變得連續(xù)，表明套管破損成功修復(fù)。

該案例表明，在中深層地?zé)峥辈橹校捎脛討B(tài)井溫監(jiān)測能夠在不動用復(fù)雜設(shè)備的前提下，有效檢查鉆井固井情況，并降低工作成本。

圖4 DRJ01井淺部套管查漏成果Fig.4 Shallow casing leak detection results of DRJ01 well

2.5 裂隙監(jiān)測

水井長期使用以后，裂隙涌水量會發(fā)生變化，若涌水量減小，則指示地下水量和水壓發(fā)生了變化，預(yù)示該地區(qū)有發(fā)生沉降的風(fēng)險。通過定期開展靜態(tài)和動態(tài)井溫監(jiān)測并對比監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，可以有效判別地下裂隙水量變化等情況。通過對比靜態(tài)井溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以確定熱源穩(wěn)定程度，若井溫監(jiān)測曲線結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，則指示導(dǎo)熱物質(zhì)(地層、地下水)的賦存狀態(tài)發(fā)生了變化。通過對比動態(tài)井溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，觀察井溫監(jiān)測曲線臺階位置和井溫梯度變化曲線極值幅度，可以判斷出水位置和水量大小的變化。通過以上手段，可以經(jīng)濟便捷地對生產(chǎn)用水井進(jìn)行監(jiān)測。

3 結(jié)論

井溫測井作為一種成熟的物探手段，在地?zé)峥辈橹芯哂休^高的使用率，充分靈活地應(yīng)用井溫測井?dāng)?shù)據(jù)能有效提高勘查工作效率并降低工作成本。本文總結(jié)了在不同監(jiān)測模式和監(jiān)測環(huán)境下應(yīng)用井溫測井?dāng)?shù)據(jù)的新思路，可便捷地解決地溫數(shù)據(jù)采集、目標(biāo)層識別、水量定性評價、固井檢測等常見的地?zé)峥辈閱栴}。利用靜態(tài)井溫監(jiān)測數(shù)據(jù)和地溫梯度變化曲線，可有效識別高溫層的位置，并準(zhǔn)確采集地溫梯度等數(shù)據(jù)。利用動態(tài)井溫監(jiān)測數(shù)據(jù)和井溫梯度變化曲線，可在復(fù)雜環(huán)境下有效識別涌水層的位置，并定性判斷涌水量的大小。利用動態(tài)井溫監(jiān)測曲線的微小異常，可有效識別套管破損等固井情況。

致謝：感謝湖北省地質(zhì)局地球物理勘探大隊各測井項目組對本文的數(shù)據(jù)支持。