论VCT大地电磁成像深层构造探测仪在地热资源勘探定井中的应用

mt-vct · 发表于 2020-7-17 01:16

论VCT大地电磁成像深层构造探测仪

在地热资源勘探定井中的应用

寇伟寇通

郑州地象科技有限公司，河南郑州 450000

摘要：地热资源开发利用已成热点，成功与否的关键在于能否精准勘探定井。属于MT大地电磁物探法的VCT成像深层构造探测仪的探测深度和精度领先于同行，近几年成功应用于地热资源勘探定井。

关键词：VCT物探技术，地热资源，勘探定井

地热资源储量丰富，它属于大自然赐予之物，取之不尽用之不竭。由于地热资源本身没有成本，只存在开发成本，地热能已经成为最为热门新能源，地热资源的开发利用热潮正在兴起。然而，虽然目前地热勘查和钻探技术渐趋成熟，但在实践中仍有半数以上凿井施工的地热井不成功，为了不使得几百万元的投资打水漂，其中不少凿井不达标后抽水再加热，对外宣称打出了温泉水。目前情况是热衷于地热资源开发利用的投资者多，真正下决心投资勘探凿井者少，其中地热勘探就存在许多技术性问题需要认识和解决。

一、开发地热资源对物探的基本要求

1、地热开发的基本要求。甲方开发地热资源的目的是为了替代现有的不可再生能源进行供热用水，打一口2000米左右深度的地热井要花费几百万元，所以甲方在物探方结束勘探工作后肯定要问：在甲方所在区域是否有可开发的地热资源，地热水层所在深度、需要凿井深度，凿井后大约的出水量和温度是多少？所以，在物探结束后的报告中一定要说明白甲方区域内是否能够开发地热资源，若是可以开发的话井位定在何处，有一定热度的含水层有几层、大约在多深，成井后井口出水温度最低有多少度、每小时最少出多少吨水。物探方只有把这些说清楚了，甲方才好决定是否投资凿井。

2、对物探设备的基本要求。一般开发商对于物探方法知之甚少，面对众多自夸能力强、成功率高的物探单位究竟如何评判，关键要看其使用的物探设备是否满足地热勘探要求的基本性能：（1）实际探测深度最少达到2000米，这是对地热勘探设备的最基本要求。就现有地热物探方法来看，勘探深度达到2000米以上的主要物探方法有大地电磁法（MT、AMT、CSAMT）、地震勘探法；（2）探测分层细度最好是在20米之内，分层间距大了就看不清含水裂隙、容易漏掉含水层。一般时间域的物探设备（如磁力仪、重力仪、瞬变电磁法仪）只能透视勘探、不能深度分层，只适合寻找大的构造、框定靶区范围；频率域的物探设备可以根据不同频率达到的深度分层，具体分层细度视仪器性能而定。（3）线剖面上的探测点间距最好是在20米之内，板内大的断裂构造并不多，探测点间距大了就看不出或看不清规模小的断裂。目前地热勘探使用较多的MT、CSAMT方法由于单点布线时间较长，一般探测点间距为50米左右，做的细时为30米、粗时会为100米。探测点间距大小与仪器无关、完全由人为控制，关键是看物探人员是否为甲方负责、是否偷工减时。我见过一个地热物探报告，使用可控源大地电磁法（CSAMT）探测了2条线仅用7个探测点，就判断出2条断裂，定了一个地热井位，真是匪夷所思。

3、对物探结果的基本要求。

一是要求物探分析严谨、清楚明白，原则上是找不到断裂构造不要定井，看不明白断裂构造的特征不要定井，深层含水裂隙不连贯不要定井，搞不清楚地热水补给关系及空间位置不要定井。二是不要全篇套话，交代清楚，探测结论要肯定地说是否找到了地热构造、是否可以定井施工凿井，而不要只是说有可能存在热储、建议钻探一个试验孔等不负责任的结论。三是确定井位一定要交代清楚预测含水层的数量、大小、深度位置，建议固井深度、凿井深度，预测可能的井口出水温度和出水量、最低出水温度和最少出水量，要让甲方清楚凿井可能的结果和风险，帮助其分析利弊以做出合理决策。

二、VCT大地电磁成像深层构造探测仪的原理及架构

由于目前可用于地热资源勘探的物探设备绝大部分都是进口欧美的，价值都在百万元之上，加之勘探时间长、占用人工多，用其勘探地热资源、定地热井的费用自然也就较高，然而效果却并不十分理想。随着对深部地热资源勘探需求和地热井投资的不断增长，对地热勘探的准确性要求也在不断提高，新兴地球物理勘探手段的引入和研发将成为必然。由郑州地象科技有限公司近几年研发成功并具有理论创新的VCT大地电磁场成像深层构造探测仪，经过不断探索和积累地热资源勘探定井经验，实践证明完全可以替代进口物探设备，独立承担地热资源勘探定井任务，而且其探测密度更大、速度更快、分辨率更高、定井效果更好。

VCT大地电磁成像深层构造探测仪（以下简称VCT）是由郑州地象科技有限公司创新研发的地球物理勘探设备，与MT同属于天然场源的大地电磁法物探仪，但是在理论、架构、应用上都有很大的差异。为了便于大家了解其理论创新和应用特点，仅概略性地列述如下：

（1）VCT的有效场源是来自于地球内部的导电流体和静磁场的相互作用产生的动态电磁场，VCT与MT采集的都是天然场源信号，区别在于VCT的场源在地下、MT的场源在天上。

（2）由于地磁场源相对稳定、向地面辐射的电磁波所穿过的介质层固定不变，所以VCT采集的只是有小幅值瞬时变化的动态地磁场信号，与气候、时间、地域无关，一致性高。

（3）VCT认为场源各频率电磁波整体性经过地壳层衰减后携带介质信息到达地表，各个频率的衰减程度基本相同，若不考虑采集器硬件限制，探测深度可以通达地壳之下。

（4）VCT是通过采集电磁波到达地面后剩余能量的序列数值，得知不同地层介质对于电磁波的吸收和衰减特性，它们表征的是不同地层介质相对的电磁特性、而不是介质电阻率。

（5）VCT认为由于大地电磁场形成电磁波垂直传播到地表，电磁波的电场和磁场在交替传播过程中所携带的地层信息是一样的，都可用以独立表征各地层介质的电磁特性。

（6）VCT认为由于电磁波能量包传播的递进特征，在地表采集的任一频率的信号值所对应的正是该频率电磁波递进到地表时某一个波长振幅点能量值，不存在测值会随着电磁场变化周期和时间点不同产生变化的问题。

（7）VCT认为同一频率下连续不断的电磁波叠加后形成两倍于振幅的峰峰值包络线内递进的能量包，在地表每一刻采集的都是该频率电磁波传递到地面时的最大能量值。

（8）VCT仅采用一个垂直于地面的电磁传感器在地表采集自下而上的电磁波能量序列值，来直接表征大地由浅至深介质的电磁反应特性，视地表之上所有电磁信号均为干扰而屏蔽之。

（9）VCT认为电磁波穿过固定不变的地壳混合介质层到达地面后的剩余能量值符合镜像法的唯一性定理要求，每个频率的测值与地下相应波长深度层的电磁波能量值互为镜像关系。

（10）VCT认为深度层只与频率有关，每一个频率点都对应着一个固定的波长（深度层），不随介质的电磁特性差异而改变。由此建立了频率（波长）与深度的固定对应关系表。

（11）VCT仅采用一个高性能感应式磁感应器（探头）放在地面上采集大地电磁场辐射到地表上的电磁波剩余能量值，在水泥地、岩石上、山林、田间、冻土上都可以施工操作。

（12）VCT把地表之上所有电磁信号都视为干扰信号，从探头到采集板采取多种措施将其屏蔽掉，抗干扰能力强，在离5万伏高压线10米、离22万伏高压线30米处能够正常探测。

（13）VCT单点采集时间随探测深度和分层细度而增加，探测深度在1000米之内时需要3--15秒、在4000米之内时需要1--2分钟。采集速度快就可以实现点间距几米的密集性勘探。

（14）VCT按照均匀分层原则、根据探测用途来选择分层细度及频点。探测深度几十米时可以细分到隔0.1米/层，勘探地热、石油矿藏深度达5000米时也可以细分到隔1米/层。

（15）VCT独创性地以测值及相应色块将测点各层连成行、垂直向下各深度层为列构成CT彩色成像剖面图，依靠大数据高分辨率直观地描绘出地下介质层的电磁结构。

三、VCT大地电磁成像深层构造探测仪性能与应用特点

1、地热资源勘探项目使用的VCT大地电磁成像深层构造探测仪

目前常用于地热资源勘探的是VCT-4000M深层构造探测仪，其性能指标：单点探测时间只有56秒钟，若设定点间距5米时，4个小时就可以探测形成200点、1000米长的剖面线，探测速度非常快。每个探测点的探测深度为4000米，显示地层介质信息的层间隔：0—2000米深度内隔5米/层，2000—3000米深度内隔10米/层，3000—4000米深度内隔15米/层。

还有一款分层更细的精密型VCT-4000M深层构造探测仪：有效探测深度4000米，单点探测时间110秒， 0—3000米内的分层间隔细度都是5米/层，3000—4000米深度内隔10米/层，主要用于定井深度超过2000米的项目。

2、VCT探测仪应用于地热勘探的优势及特点

（1）硬件技术领先。拥有独创的大地电磁物探理论及装置（已申报发明专利）、高灵敏度磁感应探头、高品质低噪声抗干扰性强的数据采集电路板，确保采集数据真实可靠。

（2）不受地形限制。地热勘探定井多在可能存在较大断裂构造的山区丘陵地带，VCT只需一人肩挎仪器手提磁感应探头，不用布线和插埋探针，可在水泥地、岩石、山林中随意探测。

（3）抗干扰性能强。VCT不受季节、时间、地域限制，在冰雪上、泥水中、5万伏高压线下仍旧可以正常探测，在22万伏高压线外30米也可以正常工作。

（4）利于大范围勘探。VCT具有任意放置探头、单点测时少、移动方便等优点，可以在大范围内沿设定线路进行初探，快速查找断裂构造位置，框定靶区后开展细探定井工作。

（5）自动出图CT成像。选择“点纵深分析”、“深度层分析”、“线剖面分析”功能键后一键自动出图，可以显示出所有的探测点纵深柱状图、各深度层柱状图和线剖面图。

（6）大数据清晰展现地下构造。可将定井区块按网状切割成图详细勘察分析，凭借大数据清楚掌握地下断裂构造和含水裂隙位置和走向、含水层分布等情况，确定最佳位置定井。

四、隐伏地热构造特点及物探目标

以往多数地热勘探论证成果认为，板块内岩溶热水的形成与出露一般都是受压扭性断裂与张扭性断裂的双重控制。受主压应力作用形成的压性断裂面是受应力最大的结构面，因此断裂深、规模大；而张性断裂有着良好的张开程度，地下热水常沿这类断裂流动、排泄。在压性断裂与张性断裂交汇处，岩石破碎，裂隙发育，会形成热水上升的良好通道，所以地下热水的出现，多是张性断裂与其主干压性断裂联合作用的结果。由于在压性结构面的两侧，因岩石挤压强烈，岩石结构致密，岩石的电阻率或电位值变高。因此，在板内区域寻找地下热水的关键就是通过物探方法对高值压性断裂构造和低值张性断裂构造的明显反映，寻找压性断裂与张性断裂交汇处的基岩裂隙、构造裂隙、断裂破碎带。

根据地质构造的特点和我们应用VCT探测仪在实践中的经验与认识，认为在地壳中深层仍有含水裂隙和赋水层的地质构造必然是较大的张性断裂构造，这种断裂构造在近地表浅层的张启宽度少则几百米、多则几公里，与其关联的同一时期地壳运动形成的压性断裂构造一般相距甚远。若是应用物探方法在板内区域寻找地下热水时，除非是进行几公里以上远距离勘探工作，否则在一条测线上很难同时探测到明显的高值压性断裂构造和低值张性断裂构造，而要找到压性断裂与张性断裂的交汇构造更是不易。

其实，地热资源勘探的目的就是寻找深部地下含水构造、在最佳位置凿井深层取水。根据地温增热梯度原理和地热水增温机理，只要断裂足够大、含水层就足够深，围岩地温足够热、地热水温就会高出同深度地温值。所以，能否抽取出足够热度的水，关键是要找到深层含水构造、在恰当位置凿井取到深层的水。因此，地热资源勘探工作目标就是要通过物探方法对开启性断裂构造和含水裂隙的明显反映，寻找含水性和导通性较好的基岩裂隙、构造裂隙、断裂破碎带,探明构造带的宽度、延深、产状及水源补给和赋水条件,从而实现寻找赋存于断裂构造中的断裂带脉状裂隙水的目的。

五、VCT应用于地热勘探定井的工作程序及实施

1、VCT应用于地热资源勘探定井的工作程序

应用VCT大地电磁成像深层构造探测仪开展地热资源勘探定井项目，一般根据勘查区和地质构造特征进行勘探定井的工作程序与内容包括：

（1）在对勘查区域及周边地区开展水文地质调查的基础之上，对勘查区域地热开发进行可行性论证。包括查阅勘查所在区域的地质图、水文地质图及相关资料，分析勘查区地层结构和地质构造特征；利用谷歌地球并结合实地考察地形地貌，宏观分析勘查区水文地质和地热构造情况及特点。

（2）利用VCT大地电磁成像深层构造探测仪在勘查区进行大面积初步勘探工作，找出断裂构造、确定其位置及走向，框定详细勘查探测靶区范围。

（3）对靶区初判断裂构造设计探测线路进行详细探测，找到深部含有地热水的张性断裂构造，查明含水裂隙发育的位置、层数、深度、厚度、走向、构成。

（4）通过综合分析勘查区范围内的地热地质构造，选择地热构造条件优越部位作为钻凿地热井的最佳位置，并为打井施工提供地层参考依据。

（5）根据分析结果列出井孔下可能存在的含水层、深度、规模，设计凿井施工深度，预估地热井出水温度及出水量以及最少出水温度及出水量。

2、VCT地热资源勘探设计及实施

开发地热资源打地热井的前提条件是能够在甲方勘查区域内找到断裂构造且在断裂深层有足以开发使用的地热水，只有确定甲方区域内存在地热地质构造，才能进一步勘探定井、凿井施工打出地热水。所以，进场后先根据甲方勘查区域的实际地形和范围设计初步探测线路。一般来讲，我们会在根据前期资料分析和实地勘查的基础上判断断裂构造可能存在的区间和走向，先设计几条贯通甲方区域、垂直于判定断裂走向的初步勘探线路进行探测，每条线路探测点间距为5—10米/点、最少100个探测点，具体视勘查区面积而定。通过对几条初步探测线路数据生成的线剖面图进行分析，基本上就可以确定有无地热断裂构造。若是初探结果显示由于勘查区面积过小或地质条件限制不存在地热资源构造，就会明确告诉甲方没有必要继续勘探工作；若是勘查区内有深部构造、但含水裂隙发育较差，根据初探结果保守估测钻孔施工深度可能达到的出水量和出水温度及相应的风险，供甲方参考决策是否继续；若是经过初探分析在勘查区内存在较好的地热构造，就可以进一步设计详细勘探计划并实施。

3、分析论证确定地热井位

经过详细探测后，对于探测结果进行综合分析、详实论证，明确打井位置，提出凿井建议。

（1）通过VCT成像分析软件对探测数据进行计算后，形成每条探测线路的VCT彩色成像地质结构剖面图，综合分析掌握勘查区内地质构造的特点，对地热构造做出基本的描述。

（2）确定靶区地热构造存在形式、宽度、延深、产状及水源补给和赋水条件，选择适合定地热井的最佳探测线路，列出等距压缩线剖面图并做出标示。

（3）明确提出最佳钻孔施工的探测点位坐标、终孔深度，列出钻孔点位附近区段的VCT彩色成像剖面图，在图上标出孔位穿过各含水裂隙层的走向、连通、聚集等情况，列出孔位穿过各个含水裂隙层的深度范围、左右宽度、相对赋水分级。

（4）根据孔位含水层情况和甲方意见，设定开始取水深度层和终孔深度，预测主要出水层的个数及所在深度，预报成井后大致的出水量和地热水的温度范围。

参考文献：

【1】张孟才、寇伟、寇通，地热资源物探勘查的几点浅识，工程技术，2017（9）

【2】寇伟、寇通，浅议地热资源常用物探方法及功效，工程技术，2018（1）