張松，郝偉林，胡先才，吳儒杰，孫國強

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團地熱勘查技術(shù)研究中心，北京 100029；2.中核坤華能源發(fā)展有限公司，浙江 杭州 311113）

溫度測井是地球物理測井中的一項重要工作，在地質(zhì)領域具有廣泛應用。通過溫度測井，可以獲得井內(nèi)溫度曲線，而井溫曲線的各種形態(tài)，有助于分析地質(zhì)構(gòu)造特征［1］。在油氣勘探領域，溫度曲線可以較好地識別出水層位置［2］、進行油田產(chǎn)層預測［3］、定位滲漏通道［4］。在地熱勘查領域，通過連續(xù)多年溫度監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)與回灌對熱儲層的影響［5］；可以通過溫度測井獲得熱田溫度場特征，研究儲熱構(gòu)造［6］、追溯熱流體運移、徑流路徑［7-8］。

谷露地熱田是西藏那曲—尼木地熱帶上的高溫熱田，前人圍繞谷露熱田的構(gòu)造特征、水文水化學、物化探異常、泉華特征和成因模式等開展了大量的研究工作［9-14］。在熱田勘查中，同樣開展了大量的溫度測井工作［8］。通過研究這些溫度測井結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于受斷裂控制的高溫熱田中的基巖裂隙型熱儲，其熱儲層（含水層）并非一層，而是由多個斷裂控制的熱儲層組成的，且每一個儲層的溫度、涌水量均有所差異。要獲得某一段單層出水量，前人常通過專門的裝置進行分層抽水試驗來獲?。?5-17］。但是，對于溫度超過150 ℃的高溫地熱井，目前國內(nèi)市面上還沒有相關(guān)的設備。采用國外設備，造價高昂，在地熱資源勘查初級階段難以承受。

本次工作中，對谷露地熱田ZK1301 地熱鉆井進行了系統(tǒng)的恢復溫度測量、流溫測量和井口溫壓測量。通過精細的數(shù)據(jù)分析，根據(jù)能量守恒定律，提出了一種可以通過測井數(shù)據(jù)來計算井內(nèi)不同位置熱儲層出水量的方法。

1 地質(zhì)概況

1.1 基礎地質(zhì)概況

谷露地熱田地表大部分被第四系覆蓋，主要為沖洪積物、冰水堆積物與泉華。熱田范圍內(nèi)，第四系厚度約為50 m 左右。熱田中部被第四系硅質(zhì)泉華覆蓋，形成泉華臺地、泉華丘和噴氣孔等泉華地貌。泉華呈粒狀結(jié)構(gòu)、膠狀結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)，角礫狀構(gòu)造，主要礦物為蛋白石，蛋白石礦物中的SiO2含量最高達97.48 %［18］。熱田西南部1 km 及東南部4 km以外見中侏羅統(tǒng)馬里組的石英砂巖、灰?guī)r與砂巖互層、碳質(zhì)頁巖等，馬里組巖石普遍發(fā)生了弱的變質(zhì)作用。熱田范圍內(nèi)，部分鉆孔鉆遇馬里組的碳質(zhì)頁巖，厚度約為100 m。熱田西側(cè)山坡見少量侵入巖出露，主要巖性為花崗閃長巖、花崗斑巖（圖1）。熱田外圍見大面積粗粒斑狀黑云母二長花崗巖與花崗閃長巖。該區(qū)花崗巖與花崗閃長巖形成時間距今約為11Ma［19］。

圖1 谷露地熱田地質(zhì)圖［8］Fig.1 Geological map of Gulu Geothermal Field［8］

熱田斷裂構(gòu)造主要包括SN 向、EW 向、NE向與NW 向4 組。SN 向斷裂構(gòu)造包括F4-2與F4-3斷裂；EW 向斷裂包括F1-1與F1-3斷裂；NE向斷裂為F2-2、F2-6、F2-7和F2-8等斷裂；NW 向的斷裂包括F3-3、F3-4和F3-5等斷裂。在上述斷裂中，SN 向F4-2斷裂是熱田范圍內(nèi)最重要的斷裂。與SN 向斷裂相比，NE 向斷裂的規(guī)模相對較小。泉華中的NE 向裂隙可能是盆地基巖中NE 向斷裂的反映［11］。

1.2 鉆孔巖性特征

截至2021 年，在谷露熱田共實施了三口探采結(jié)合井以及13 個測溫孔（圖1）。其中，已實施ZK1301 探采結(jié)合井井深686 m，鉆井中采集的巖屑特征表明，該井第四系厚度為51m，由第四系沖洪積的砂礫石、泉膠礫巖等組成；從51 m 至井底均為蝕變花崗閃長巖，花崗閃長巖普遍發(fā)育硅化、黃鐵礦化、黏土化、綠泥石化和碳酸鹽化蝕變，不同位置蝕變強度和蝕變礦物組合略有差異。

1.3 井身結(jié)構(gòu)

ZK1301 井為三開井身結(jié)構(gòu)。二開套管下至200 m，三開至井底，裸眼完井。由于在200 m 以淺有套管阻隔，這部分的熱儲層被封閉在了套管之外，無法通過溫度測井獲得熱儲的相關(guān)信息。后續(xù)放噴試驗過程中，由于套管的阻隔，在200 m以淺的熱儲層也無流體的溢出。

2 溫度測井

2.1 測溫設備

由于谷露熱田為高溫熱田，目前已探獲的井內(nèi)最高溫度為189.4 ℃。普通測溫設備無法在此溫度下正常工作，需要采用耐高溫的測溫設備。本次采用的測溫設備為中核坤華能源發(fā)展有限公司研制的RD 600-C 型高溫溫壓測井儀。該儀器主要技術(shù)參數(shù)如下：最大工作溫度350 ℃，可在此溫度下持續(xù)工作5 h；最大工作壓力80 MPa；最高工作電流15 mA；工作電壓介于8～12V 之間。壓力測量范圍介于0～80 MPa 之間，最小分辨率0.006 MPa；溫度測量范圍介于0～350 ℃之間，溫度精度為±0.1 ℃。

2.2 測溫方法

2.2.1 靜溫測量

完井后的溫度測量由于受到井筒開放路徑的影響，會引起不同儲層之間的對流，導致所測得的溫度與原始溫度存在一定差異［20］。為了減少這這種影響，筆者采用恢復溫度的測量方法。探采結(jié)合井實施完成后，先在井筒內(nèi)注入足量的冷水對井筒和熱儲層進行冷卻，一般注入量不小于井筒容積的兩倍。之后，進行注水后0 和24 h 恢復溫度測量（靜溫測量），由于熱儲層的恢復速度比井筒不含熱儲的地方恢復速度更快，由此可以獲得不同熱儲層的溫度。需要注意的是，在靜溫測量過程中，井口需要處于完全封閉的狀態(tài)，采用防噴裝置將測溫儀器下入井內(nèi)。測量過程中，井口全程保持封閉，不能發(fā)生溢流，否則會導致井內(nèi)熱儲層涌水，使得井筒一定范圍內(nèi)溫度均一化。

2.2.2 流溫測量

完成靜溫測量后，開啟井口閥門，進行放噴。在放噴一段時間等井口的溫度、壓力較為穩(wěn)定后，進行流溫測量。流溫測量過程中，井口保持開放放噴的狀態(tài)。流溫測量過程中，對井口的溫度、端壓進行記錄。流溫測量過程中，盡可能將井口閥門完全打開，使得井內(nèi)熱水可以從側(cè)向閥門（放噴管線中）自由涌出。測溫儀器從頂部閥門入井，同樣需要加裝防噴裝置。

谷露熱田ZK1301 井的靜溫與流溫測量結(jié)果如圖2 所示。

圖2 谷露地熱田ZK1301 井代表性測溫曲線圖Fig.2 Temperature logging curve of ZK1301 in Gulu Geothermal Field

3 熱儲層分析與計算

3.1 計算原理

谷露地熱田的熱儲類型為受斷裂控制的帶狀熱儲（基巖裂隙型熱儲）。鉆井過程中，通常會鉆遇不同溫度、不同水量的多個熱儲層。在地熱井完井后，先注入足量的冷水對井筒和熱儲層進行冷卻，然后進行注水后0 和24 h 恢復溫度測量（靜溫測量），由于熱儲層的恢復速度比井筒不含熱儲的地方恢復速度更快，由此可以獲得不同熱儲層本層位的溫度。在進行流溫測量時，可以獲得每個熱儲層的位置以及熱儲層上部和下部熱流體的溫度。在知道放噴過程中地熱流體發(fā)生閃蒸前的流量、溫度的條件下，結(jié)合測量獲得的最上部熱儲層的溫度，依據(jù)能量守恒定律，可以反推最上部熱儲層的出水量。依次類推，可以進一步推算所有熱儲層的出水量。

根據(jù)能量守恒定律，井口附近高溫地熱流體所含的總能量（E總）等于各個含水層所含能量之和。雖然地熱流體在井筒內(nèi)從深部向淺部運移過程中，會與圍巖發(fā)生熱交換，損失部分能量。但是，由于西藏地熱井普遍較淺，這種能量交換相對較小，可以忽略。此外，隨著放噴時間的增加，能量交換會逐漸達到平衡。因此，在計算含水層涌水量時，暫不考慮地熱流體在運移過程中與圍巖之間發(fā)生的能量交換。如果有多個含水層，則每個含水層所含能量分別為E1、E2、E3、E4…En。則根據(jù)能量守恒定律，E總=E1+E2+E3+E4…+En。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

3.2.1 流量數(shù)據(jù)

流量數(shù)據(jù)通過地熱井放噴試驗獲得。常用計算流量的方法為詹姆斯端壓法。放噴試驗的持續(xù)時間不少于3 d。測量井口溫度、壓力、蒸汽量、水流量，計算汽水比、干度，獲得連續(xù)穩(wěn)定的相關(guān)數(shù)據(jù)。詹姆斯端壓法計算汽水總流量公式［21］：

式中：Qm—汽水混合物總量，t·h-1；Pc—排放管端壓（絕對壓力），kg·cm-2，近似于bar①：1 bar=105 Pa；h0—熱流體的焓，kJ·kg-1；D—排放管直徑，cm；

3.2.2 流溫數(shù)據(jù)

流溫是指地熱井在放噴過程中，井筒內(nèi)流動的地熱流體的溫度。通過對地熱井流溫測量，可以獲得地熱井內(nèi)多個參數(shù)。如：井筒內(nèi)的地熱流體的最終混合溫度（T0）、某一含水層涌水段以上的混合溫度、某一含水層涌水段以下的混合溫度。如果存在多個含水層，則流溫曲線從井底到井口會表現(xiàn)為階梯狀（圖2）。由于測量流溫時，地熱井處于放噴過程中，井筒內(nèi)流體高速流動，所以此時沒法測量單個含水層的準確溫度。

3.2.3 靜溫數(shù)據(jù)

靜溫測量是在閉井狀態(tài)下進行的地熱井內(nèi)的溫度測量。通過閉井后不同時間的測量，可以獲得地熱井內(nèi)的恢復溫度。為了防止井內(nèi)已有地熱流體的干擾，在進行恢復溫度測量前，會在井內(nèi)注入適當?shù)睦渌?。之后進行不同時間的溫度測量。根據(jù)經(jīng)驗，常選取閉井后0 和24 h 的靜溫測量數(shù)據(jù)進行井內(nèi)含水層溫度的分析。如果有更長時間恢復溫度的數(shù)據(jù)，如48 或72 h 的靜溫測量數(shù)據(jù)，可以用此代替24 h 的靜溫數(shù)量。隨著恢復時間的增長，獲得的熱儲層的溫度也更加準確。

3.3 熱儲層位置判斷

由圖2 不同時間的測溫曲線不難發(fā)現(xiàn)，在0 h 恢復溫度曲線（注入冷水后立即進行溫度測井獲得的溫度曲線）上的峰值或低值與井內(nèi)的熱儲層有關(guān)。如果井內(nèi)不存在涌水層或漏失層，那井內(nèi)應為一條斜率基本不變的曲線。而涌水層或漏水層的存在，使得注入冷水后的曲線發(fā)生了明顯變化。峰值可能是井內(nèi)熱儲涌出所導致的高溫，低值可能是部分冷水注入井內(nèi)裂隙中引起井內(nèi)溫度降低。而在流溫曲線上，每一個溫度發(fā)生突變的位置，即為井內(nèi)地熱流體涌出的位置。靜溫曲線與流溫曲線相互印證后，認為該鉆孔共揭露到7 個熱儲層，其位置從上到下分別是：375～388 m、458～482 m、526～540 m、554 m、568～578 m、596～602 m和609～613 m。

3.4 熱儲層涌水量計算

熱儲層涌水量計算公式主要包括以下幾個參數(shù)：

Q0—井筒內(nèi)地熱流體的總流量，t·h-1；T0—井筒內(nèi)地熱流體混合后的最終溫度，℃；H0—井筒內(nèi)地熱流體混合后的焓值，kJ·kg-1；Q1—第1 段含水層涌水量，t·h-1；T1—井筒內(nèi)第1 段含水層的平均溫度，℃；H1—井筒內(nèi)第1 段含水層的焓值，kJ·kg-1；Q0-1—井筒內(nèi)第1 段含水層之下地熱流體的總流量，t·h-1；T0-1—井筒內(nèi)第1 段含水層之下地熱流體混合后的最終溫度，℃；H0-1—井筒內(nèi)第1 段含水層之下地熱流體混合后的焓值，kJ·kg-1。

在上述參數(shù)中，Q0通過放噴試驗計算獲得，Q0=Qm；T0、T0-1兩個參數(shù)主要通過流溫測量直接獲得；T1通過靜溫測量獲得。在知道對應溫度后，H0、H1和H0-1三個參數(shù)可以通過查表獲得［20］；Q1與Q0-1兩個參數(shù)為未知參數(shù)。需要注意的是，T0要用流溫測量過程中，最上部一段溫度的溫度數(shù)據(jù)，不能采用井口的溫度數(shù)據(jù)。

根據(jù)能量守恒定律，上述參數(shù)遵循以下關(guān)系：

因此，可以推導出Q1=Q0×（H0－H0-1）/（H1－H0-1）

由此，可以計算出第1 個含水層的涌水量。以此類推，可以計算出其他含水層的涌水量。

3.5 應用實例

結(jié)合西藏某地熱田地熱井的勘查實例，對該井不同含水層的水量進行計算。

從該地熱井放噴試驗過程中，通過井口溫度壓力測量，測得該井的汽水總量Qm=200 t·h-1。因此，Q0=Qm=200 t·h-1。從流溫曲線來看，該井井深370 m至地表無明顯的階梯，表明在370 m以上無涌水層。在385 m 處的溫度T0=161.6 ℃，對應的H0=682.4 kJ·kg-1。在375～388 m 為第1含水層涌水段，根據(jù)0 h 的測溫曲線，該段最高溫度T0=174 ℃，對應的H1= 736.7 kJ·kg-1。在388 m 以下為井筒內(nèi)第1 段含水層涌水段之下均勻地熱流體，其溫度T0-1=160.8 ℃，對應的焓值H0-1=678.9 kJ·kg-1。根據(jù)計算公式Q1=Q0×（H1－H0-1）/（H0－H0-1），可計算出第1 段含水層涌水量為12 m3·h-1。

同樣，根據(jù)上述公式和原理，可以計算出該井其他涌水段的涌水量。結(jié)果如下：

第2 段含水層涌水量為Q2=26 m3·h-1；第3 段含水層涌水量為Q3=13 m3·h-1；第4 段含水層涌水量為Q4=82 m3·h-1；第5 段含水層涌水量為Q5=35 m3·h-1；第6 段含水層涌水量為Q6=16 m3·h-1；第7段含水層涌水量為Q7=13 m3·h-1。

3.6 結(jié)果驗證

根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合地熱井的總流量及理論模型，對計算結(jié)果的可靠性進行驗證。根據(jù)上述結(jié)果，該地熱井中所有涌水量之和應該與地熱井總涌水量一致。即Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7。

通過本方法，計算出的Q0=197 m3·h-1；實際該井汽水混合物總量Qm=200 m3·h-1。兩者基本一致，表明本方法較為可靠。

4 討論

4.1 熱儲層特征及分析

谷露熱田ZK1301 井揭露到了多個熱儲層，這些熱儲層的位置、溫度與水量特征為：第一熱儲層位于375～388 m，出水溫度約為174℃，出水量約為12 m3·h-1；第2 熱儲層位于458～482 m，出水溫度約為164℃，出水量約為26 m3·h-1；第3 熱儲層位于526～540 m 之間，出水溫度約為163℃，出水量約為13 m3·h-1；第4熱儲層位于554 m，出水溫度約為161℃，出水量約為82 m3·h-1；第5 熱儲層位于568～578 m，出水溫度約為161℃，出水量約為35 m3·h-1；第6 熱儲層位于596～602 m，出水溫度約為158 ℃，出水量約為16 m3·h-1；第7 熱儲層位于609～613 m，出水溫度約為157 ℃，出水量約為13 m3·h-1。

上述熱儲層中，溫度最高的熱儲層位于375～388 m，出水溫度約為174 ℃；水量最大的熱儲層位于554 m，出水量約為82 m3·h-1。根據(jù)各個熱儲層溫度、涌水量及之間的距離遠近等因素，可以將上述熱儲層進行合并為3 個熱儲層，分別為位于375～388 m 的第1 熱儲層；位于458～482 m 的第2熱儲層；位于526～613 m的第3 熱儲層。按照合并后的熱儲層劃分方式，從溫度與水量來看，第3 熱儲層溫度在161 ℃左右，合計水量約為159 m3·h-1，對該井的產(chǎn)能貢獻最大。

通過對測溫曲線形態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，該井溫度在620 m 出現(xiàn)溫度倒轉(zhuǎn)后，又繼續(xù)升溫，且之后無明顯的含水層出現(xiàn)。因此，認為該井在620 m附近穿過了F4-2斷裂破碎帶。結(jié)合斷裂在地表出露的位置計算，認為F4-2斷裂帶在此處的傾角為63°。上述對熱儲層位置與斷裂產(chǎn)狀的認識對后續(xù)探采結(jié)合井的部署具有重要的指導意義。

4.2 熱儲層與斷裂關(guān)系

已有工作表明，谷露熱田的F4-2斷裂及一系列NE 向斷裂對熱流體的運移具有一定的控制左右，斷裂交匯處巖石較為破碎，是熱流體運移的有利通道［8］。但是，對于斷裂與熱儲層之間的準確位置關(guān)系缺乏詳細闡述。根據(jù)本次測井獲得流溫曲線（圖2），可以發(fā)現(xiàn)，在620 m以深，溫度呈緩慢降低的趨勢，沒有出現(xiàn)因為井內(nèi)涌水出現(xiàn)的溫度臺階，表明沒有新的涌水層出現(xiàn)；而在注水后0 h 的恢復溫度曲線中，在620 m 以深表現(xiàn)為緩慢增溫趨勢，表明在注水的過程中，注入的冷水對此段無明顯影響，表明此段巖石較為完整，不存在明顯斷裂。如果該井中的7 層熱儲主要受到F4-2斷裂控制，那該斷裂可能從該井620 m 附近經(jīng)過。也就是說，ZK1301 井在620 m 深的位置穿過了F4-2斷裂（圖3）。根據(jù)鉆井與F4-2斷裂地表位置關(guān)系，結(jié)合鉆井在深部穿過斷裂的準確位置，可以計算斷裂的產(chǎn)狀。該井與F4-2斷裂的水平距離約為339 m，以此計算，F(xiàn)4-2斷裂在該井西側(cè)的傾角約為63°。

圖3 谷露地熱田ZK1301 井與斷裂關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship between drilling ZK1301 and fault in Gulu Geothermal Field

4.3 局限性分析

該方法在建立過程中，并未考慮地熱流體與圍巖（或井壁）之間的熱交換，會導致計算結(jié)果存在一定誤差。由于谷露地熱井流量較大，該誤差可以忽略。為了減小誤差，可以在適當延長放噴時間后進行測溫，使得井內(nèi)熱流體與圍巖之間進行充分的熱交換。

在地熱井內(nèi)，可能存在部分涌水量較小，或者溫度與井筒內(nèi)基本一致的含水層。由于測井方法的局限性，這些含水層的涌水量無法通過該方法計算。這也是為什么計算結(jié)果與實際測量結(jié)果存在一定誤差的原因之一。

該方法在使用過程中，對于每個熱儲層的溫度，采用的是24 h 或更長時間的井內(nèi)恢復溫度來代替。事實上，由于井筒內(nèi)的水存在熱傳導和熱對流，導致選取的熱儲層的溫度與實際熱儲層的溫度存在一定的偏差，這就導致最終計算出來的熱儲層的涌水量存在一定誤差。與分層抽水試驗相比，該方法精確度不高，只能算是一種半定量的推算。

5 結(jié) 論

1）根據(jù)地熱井恢復溫度測量、流溫測量和井口溫壓測量數(shù)據(jù)，結(jié)合能量守恒原理，可以對地熱井內(nèi)的熱儲層的位置和每個熱儲層的出水量進行半定量計算。

2）谷露熱田ZK1301 井可以細分為7 層熱儲。可將上述熱儲層進行合并為3 個，分別為位于375～388 m 的第1熱儲層；位于458～482 m的第2 熱儲層；位于526～613 m 的第3 熱儲層。其中，第3 熱儲層溫度在161 ℃左右，合計水量約為159 m3·h-1，對該井的產(chǎn)能貢獻最大。

3）根據(jù)ZK1301 鉆井揭露到的熱儲層的位置計算，F(xiàn)4-2斷裂在ZK1301 井西側(cè)的傾角約為63°。