物探技术在地热井勘探中的实践探析_朱超杰.pdf

物探技术在地热井勘探中的实践探析 朱超杰 1,2，郑建烽1,2 （1. 河南省煤田地质局物探测量队 ， 河南 郑州 450009； 2. 河南省地质物探工程技术研究中心 ，河南 郑州 450009 ） 摘要 为探明区域赋水情况， 确定地热井的位置， 本文以吉林省白山市抚松县松江河镇西北方位的 勘探区为工程背景， 通过音频大地电磁法结合直流电测深法对该区域进行探测， 根据岩性确定出凿井 深度， 并推测了的地热井的出水温度， 结合区域布置测线的视电阻率情况， 最终确定出了该区域地热 井的位置与相关参数。 关键词 地热井勘探 ； 音频大地电磁法 ； 直流电测深法 ； 视电阻率 中图分类号 P631.81文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0172- 04 Practical Analysis of Geophysical Prospecting Technology in Geothermal Well Exploration ZHUchaojie1,2， ZHENG Jianfeng1,2 （1. Geophysical SurveyBrigade ofHenan Coal GeologyBureau ， Zhengzhou 450009 , China; 2. Henan Geological and Geophysical Exploration EngineeringTechnologyResearchCenter ， Zhengzhou 450009 , China ） Abstract In order to determine the location of geothermal wells, this paper takes the northwest of Songjiang River Town, Fusong County, Baishan City, Jilin Province as the engineeringbackground, through the audiomagnetotelluric combined with direct current bathymet- ric to detect the area, according to the lithology to determine the drilling depth, and speculated the geothermal wells water temperature and water, combined with the regional layout of the survey line of apparent resistivity, finally determined the location of geothermal wells and related parameters. Keywords Geothermal well exploration ; audiomagnetotelluric ; direct current sounding ; apparent resistivity 1工程概况 设计勘探区位于吉林省白山市抚松县松江河 镇的西北方位， 区域面积 0.15km2。区内晚古生代、 中生代， 新生代地层均有不同程度出露， 主要出露 新生界侏罗纪地层， 勘探区所属区域内由新到老的 主要地层特征如表 1 所示 2勘探方法确定 通过对勘探区域的地球物理特征进行分析， 确 定出该区域新生界玄武岩、 侏罗系凝灰岩与岩浆岩 的地层表现分别为低阻、 中阻和高阻。在地层裂隙 带充水、 断层破碎带含水区域范围内， 由于水体的 导电性能， 致使该区域的水体与围岩出现了较为明 显的电性差异 （含水地带在电性上主要表现为低阻 异常， 一般称之为低阻异常区） ， 这是利用用电磁法 进行水文地质探测的基本前提，基于这一特点， 本 文拟通过音频大地电磁法 （CSAMT ）结合直流电测 深法对设计勘探区域进行探测与分析。 2.1直流电测深 直流电测深法简称电测深， 又名电阻率垂向测 深， 是一种常规的直流电法。电测深以岩矿石的导 电性差异为基础， 用以分析电性不同的岩层沿垂向 分布情况， 通过在同一点上逐次扩大电极距， 使探 测深度逐渐加大， 从而得到观测点处电阻率沿垂直 方向由浅到深的变化情况[1]。工程实践活动中， 主要 用于探测水平或倾角不超过 200产状的不同电性层 的分布， 诸如地层断裂带， 含水破碎带等。 表 1地层特征表 2.2可控源音频大地电磁法 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 界系统厚度 （m ）岩性描述 新生界 第三系 第四系 上更新统 250- 700 灰 - 灰黑色致密玄武岩及气孔状玄武 岩， 夹杂有砂砾岩 中生界侏罗系 上统1938 灰、 灰绿及黄色凝灰质角砾岩、 砾岩、 砂 岩及页岩 中统1537安山岩夹安山角砾岩、 凝灰岩 下统1171 灰、 黑灰泥岩、 页岩、 粉砂岩夹安山岩及 其凝灰岩 上古 生界 二叠系 上统101 赤紫色细 - 粗粒砂岩、 夹青灰及黑色砂 页岩 下统104灰 - 灰白色砂岩夹灰、 紫色页岩及煤线 石炭系 上统82灰 - 黑色砂岩、 页岩， 夹 6 层煤 中统223杂色砂页岩夹 3- 4 层灰岩透镜体 下古 生界 奥陶系中统504 灰 - 黑灰色厚层灰岩，夹薄层貂皮灰 岩、 泥质灰岩 下统390 灰色中 - 薄层泥灰岩、竹叶状灰岩、 夹 紫色及黄色页岩 寒武系 上统161 灰色中 - 薄层灰岩夹钙质粉砂岩、 泥灰 岩、 竹叶状灰岩 中统148中 - 厚层鲕状灰岩 下统68 砖红色页岩， 夹中薄层灰岩， 角砾状灰 岩 上元 古界 震旦系 中统678 中 - 薄层灰岩夹泥灰岩及钙质页岩、 粉 砂岩 下统304杂色粉砂岩夹薄层石英砂岩， 含海绿石 172 ChaoXing 可控源音频大地电磁法简称 CSAMT 法，具有 如下特点 1） 工作效率高。 CSAMT 测量装置利用一个偶极 发射， 可以完成在 4 个大扇形区域内的观测、 测量 作业； 2） 勘探深度范围大。通过工程实践数据显示， CSAMT 法的最小勘探深度在 20m 左右，最大勘探 深度高达 3km 左右； 3） 地形影响小。 CSAMT 法对观测数据作归一化 处理， 易于校正， 大大地降低了地形对试验结果的 影响性； 4） 高阻层的屏蔽作用小。由于 CSAMT 法使用 的是交变电磁场， 因而它可以穿过高阻层甚至是高 阻薄层[3]， 较之直流电测深， CSAMT 法能更好地反映 高阻层下的地质体的情况。 3工程实践 3.1测线布置 在试验勘探区域分别进行 CASMT 测线、瞬变 电磁电法测线以及地质雷达测线的布置， 各勘探方 法的测网布置参数如下 CASMT 测线 在试验勘探区共布置 10 条测线， 编号为 CSAMT1～CSAMT10， 沿地震测线的水平、 垂 直方向分别布置一条测线， 测线长度分别为 2400m、 1400m， 测线编号为 CSAMT8、 CSAMT10， 在 CSAMT8 测线北边布置 1 条长度为 900m 平行测线，测线编 号为 CSAMT9，沿 CSAMT8 测线南边布置 7 条长度 为 900m 的 平 行 测 线 ， 测 线 编 号 为 CSAMT1 ～ CSAMT7， 各测线的间距与点距均为 50m， 共计布置 CASMT 测点 230 个。 CSAMT 测量野外装置布设示意图如图 1 所示。 图 1CSAMT 测量野外装置示意图 瞬变电磁电法测线 在试验勘探区共布置 9 条 瞬变电磁电法测线，分别与编号为 CSAMT1～ CSAMT9 测线重合， 各测线长度均为 900m， 线距与 点距分别为 50m、 25m， 共计布置测点 333 个。 地质雷达测线 在试验勘探区共布置 9 条地质 雷达测线， 各测线与瞬变电磁电法测线的布置完全 相同， 各测线的长度、 线距分别为 900m 和 50m， 共 计布置测线长度为 8100m。 3.2施工参数 通过在试验勘探区进行可控源音频大地电磁 法的初步试验， 确定出较为合适的施工参数如下 频段 7680～1H z 电极距 20m 发射电流 16A 收发距 12km 通过加密频点对勘探区域进行测量， 共计测量 加密的频点 40 个，各加密频点的频率分别为 7680， 6400， 5120， 3840， 3072， 2560， 1920， 1536， 128 0， 1024， 853.3333， 640， 512， 426.67， 341.33， 256， 21 3.33， 170.67， 128， 106.67， 85.33， 64， 53.33， 42.67， 3 2， 26.67， 21.33， 16， 13.33， 10.67， 8， 6.67， 5.33， 4， 3.3 3， 2.67， 2， 1.67， 1.33， 1 3.3放样成果 本次勘探的勘探工程量见表 2。 表 2勘探工程量 本次勘探共对 201 个 CSAMT 测点、 5 个直流电 测探点进行测量放样， 对两种探测方式进行测点评 级， 得到的测点评定等级见表 3。 表 3测点评定等级表 4数据整理与分析 4.1 数据处理 4.1.1资料预处理 由于勘探环境的复杂性与观测的误差性， 个别 频点的数据会出现非正常的跳跃， 特别是处在高压 线区域范围内的测点， 由于磁场的影响， 在频率为 50Hz 的区域附近，出现了较为频繁的数据波动， 在 绘制原始视电阻率曲线时，为保证数据的可靠性， 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 CSAMT 测线CSAMT 试验点CSAMT 测点电测探点 842015 勘探方法甲级测点 乙级测点 检查点 检查误差备注 CSAMT法1772462.99满足设计和规范要求 直流电测探法4114.73满足设计和规范要求 173 ChaoXing 需根据相邻测点大地电磁测深曲线的特征对曲线 作圆滑处理， 舍掉畸变的频点， 保留高质量的频点 数据[4]。 4.1.2反演成图 为保证反演拟合粗糙度的最小化， 实现数据的 精确化处理， 本次勘探作业选用 MtSoft2D 反演软件 对区域获取的地质数据进行反演， 反演最终经计算 作出 Bostick 反演、 Occam 反演、非线性共轭梯度等 视电阻率反演断面图[5]。模型的初始模型为平滑模 型， 该模型能够较好地拟合观测数据， 合理地反映 地质体及构造的地电特征。 4.2数据分析 对获取的勘探数据进行反演处理， 绘制出的局 部测线 CSAMT 视电阻率断面如图 2 所示。 （a ） 1200 测线视电阻率断面图 （b ） 1160 测线视电阻率断面图 图 2CSAMT 视电阻率断面图 图 2 所示的 CSAMT 视电阻率断面图中， 横、 纵 坐标分别代表测点号与标高， 单位为千米， 图中通 过红色～黄色～青色～蓝色的过渡代表视电阻率 值由高到低的变化过程。结合区域地质构造情况， 把视电阻率值在 0～300Ω m 之间、浅部标高在 100m 以上的区域解释为对新生界玄武岩的反映； 把视电阻率值在 300～1000Ω m 之间、 中部标高在 100～- 900m 之间的区域解释为对侏罗系凝灰岩 的反映。把视电阻率值大于 1000Ω m、 深部标高在 - 900m 以下的区域解释为对花岗岩的反映。 图 2 （a ） 为 1200 测线视电阻率断面图， 该测线 布置在测区主楼北 10m 左右， 近东西向布置。从视 电阻率断面图看， 1200 测线的横向电阻率值相对连 续， 纵向电阻率值呈现由低到高的变化趋势。 图 2 （b） 为 1160 测线视电阻率断面图， 该测线 布置在测区主楼南侧。从视电阻率断面图看， 1200 测线的横向电阻率值相对连续， 纵向电阻率的表示 颜色由浅至深，电阻率值呈现由低到高的变化趋 势， 在该测线大点号位置附近断面图的等值线上出 现了扭曲凹陷的低阻异常， 可解释为对相对富水的 反映。 根据 CSAMT 的视电阻率断面图，抽取标高为 - 600m、 - 1000m、 - 1200m 电阻率值， 绘制出各标高视 电阻率等深切片图如图 3 所示。 （a）- 600m 标高视电阻率等深切片图 （b） - 1000m 标高视电阻率等深切片图 （c） - 1200m 标高视电阻率等深切片图 图 3视电阻率等深切片图 图 3 在所示的视电阻率等深切片图中，横、 纵 坐标分别代表点号与线号， 图中通过蓝色～黄色～ 红色的过渡表示视电阻率值由低到高的变化过程， 通过视电阻率等深切片图中可以看出， - 600m 标高 的低阻区域出现在 1280 线小号点和 1000 线大号点 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 174 ChaoXing 位置。在 - 1000 标高、 - 1200m 标高的平面图中存在 一条北西向的高阻条带， 低阻区域分布在高阻条带 两侧。 4.3勘探成果 通过对本次勘探成果进行分析， 侏罗系上部凝 灰岩厚度近千米， 伴有砂页岩互层， 相当于地热成 矿地质条件中的盖层， 侏罗系底部为厚层状砂砾石 层， 相当于地热成矿地质条件中的含水层， 侏罗系 下部与岩浆岩接触， 温度较高， 相当于热源， 在该地 层中， 基本具备了盖、 储、 通、 源四个条件， 因此， 带 区域可构成层带状热储。 设计勘探区的地温梯度按 2.5℃/100m 计算， 恒 温带温度一般为 14℃，恒温带深度一般为 30m， 由 此计算 1600m 深井的地热温度大约在 54℃左右。 在标高为 - 1000 和 - 1200m 的视电阻率等深切片图 上， 将高阻条带解释为一条北西向断裂构造， 通过 实践打井，在构造东边打设的两口地井出现了地 热， 在构造西边打设的两口地井没有出现地热。结 合这个特点，建议地热井位打设的位置为 1280 线 1100 点和 1120 线大号点两个位置。综合各测线视 电阻率断面图， 解释新生界厚度在 600m 左右， 侏罗 系厚度在 1000m 左右，底部为岩浆岩，预计井深 1600m。 5结论 本次物探工程完成 CSAMT 测线 8 条，直流电 测深测点 5 个，通过对本次采集数据处理解释， 分 析了勘探区内地层的地电信息和地层结构； 优选出 两个井位坐标， 并估算了目的层埋深。结论如下 1） 采用灵敏度高的小线框中心回线装置进行瞬 变电磁探测， 查明了 100m 以内的地电信息， 能较灵 敏的反映浅部不均匀地质体的变化。 2） 采用 CSAMT 探测勘探区深部岩溶裂隙发育 情况， 反演电阻率断面图反映地层电性信息， 反射 系数断面图反映地层变化信息， 分辨率较高。 3） 通过音频大地电磁法结合直流电测深法设计 勘探区进行探测， 基本确定出了该区域地热井的位 置、 井深、 出水温度等相关参数， 为后续地热井的建 设提供了一定理论保证。 参考文献 [1] 郭趋靖.物探技术在地热井勘探中的应用探讨[J].世界有 色金属,2017 （17） 267269. [2] 陈进宝,苏金宝,陈娟,张作宏,杨春光,曹勇.物探方法在江 苏赤山湖地热井勘探中的应用 [J]. 物探与化探,2014,38 （06） 1172- 11751185. [3] 魏新安.物探技术在地热井勘探中的应用探讨[J].山东工 业技术,2017 （11） 280. [4] 李建超,王志豪.CSAMT 法在复杂地质条件区探测中的应 用研究 [J]. 三峡大学学报（自然科学版） ,2019,41 （S1） 57- 60. [5] 周冠一.CSAMT 法在地热勘探中的应用 [J]. 世界有色金 属,2019 （12） 260262. 作者简介 朱超杰 （1983-） ， 男， 河南新乡人， 工程师，2007 年毕业 于长江大学， 现从事地球物理勘探、 测绘、 自然资源相关工 作。 （收稿日期 2019- 12- 23） 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 175 ChaoXing