开发地热资源勘探定井须知的几个基本概念

mt-vct · 发表于 2023-8-7 17:12

开发地热资源勘探定井须知的几个基本概念

郑州地象科技有限公司寇伟 13903832188

这几年在与找我们做地热勘探定井的甲方签订合同之前，都会免费为甲方做一个开发地热资源的预可行性研究报告，让甲方了解项目区的地质岩性及其赋水性，确定是否存在开发地热资源的（隐伏）断裂构造等地质条件，圈出勘探靶区范围由甲方确认是否可以施工，预估开发地热井可能会达到的效果，在甲方清楚了解开发地热井的可行性及风险后再做决定。

这几天给一个客户做地热勘探定井项目的预可行性研究，感觉有必要在预可研报告中先列出开发地热资源勘探定井的几个基本概念让客户充分认知，这样才能清楚了解我们的研究目标和程序，确认研究成果的科学性。

1、地核是一个由地壳和地幔层包裹着的“大火球”

地球内部蕴藏着由放射性物质衰变作用等原因所产生巨大的热能，这种热能传播到地表或传至地壳浅层，就形成了人类可以开发利用的地热资源。地球表面上可看到的火山喷出熔岩的温度高达1200oC～1300oC，可知上地幔软流层热液高温传导至地壳后开始逐渐降温，至地表时降至常温，只有个别地方出现地热异常和出露温泉。一般定义：温度高于 150℃的地热称为高温地热，温度在90～150℃之间的称为中温地热，温度在25～90℃之间的称为低温地热。由于不同地区地下各深度层的压强、温度、构造都不同，地壳浅层地热增温率亦有一定差异，一般都在1.5—3℃/百米之间。

2、地壳浅层遍布着规模不等的断裂带

岩体受构造应力作用发生变形，一旦超过其可承受强度就会使岩体的连续性和完整性遭到破坏，近而产生各种大大小小的断裂带（裂缝），形成断裂构造。断裂构造是地壳中最常见的构造形式，在地壳中分布很广，无论是山区丘陵还是平原盆地，地表显露的无论是新生界还是早至太古界地层，都有断裂构造的存在，只不过断裂构造的大小不同、深浅不一。由于地质构造运动作用的复杂性和多样性，裂缝（断裂）的形态不一、规模不等；即使是同一裂缝上由于所受作用力的不同，可能在不同区段、部位的张开宽度、扭曲程度、破碎规模等都不相同，所谓的张性、张扭性、压性和压扭性断裂构造都是局部的、相对的。

3、地表水通过断裂构造形成的渗水通道在深层汇聚成含水层

现时可用的地热资源基本上都是以水为媒介从地下将其带到地面上的。断裂带内发育较好的裂隙与孔隙形成热储和热流的通道，一方面大气降水和地表水通过断裂带渗入到深部富集，成为地热水的主要补给源；另一方面经过深部热岩的不断循环加热向上传导，在构造内从深至浅逐渐对其上聚水层加热。有些会在地压作用下在某一地势低凹处沿断裂带上涌至地表或浅部，或出露成温泉，或显示出地热异常。所以说，在陆地任何区域都存在可以开发利用的地热资源，只要是在断裂构造内凿井都能采集到地热水，只不过是出水量和出水温度不同罢了。一般而言，断裂破碎带越宽、破碎岩石块越大，透水量和蓄水量就会越大；断裂向下延伸的深度越深、热水循环量越大，抽出地热水的温度就越高。

4、在层状热储发育的盆地平原地区也存在断裂构造

凹陷盆地中心地带的地势低陷，地壳厚度明显低于陆地的平均值，受深部地温场的影响致使区内地温异常，地温梯度多在3℃/100米左右，易形成层状热储分布的地热田。沉积盆地型中低温地热资源的主要特征：一是属于层状热储分布，二是面积相对较大，三是多为中低温地热资源。例如：在河北、河南、天津、安徽等地不少区域地下1000--2000米深度内为新近系馆陶组地层，馆陶组为河流—浅湖相含砾砂岩，岩性颗粒较粗、有效孔隙度较高、赋水性较好，属于典型的大面积分布层状热储层。然而，并非是钻井只要碰到馆陶组就能够成井，一是馆陶组地层厚薄不一、起伏不定，只有层厚蓄水多的位置出水量才大、层位深的地方出水温度才会高；二是只有在裂隙发育的断裂构造内，馆陶组地层的赋水性和流动性较好、补给供水条件好，出水量才会大。所以，即使是在盆地平原地区存在孔隙裂隙水发育较好的岩层，也是在断裂构造内地表水向下渗透量大、沿断裂带流体运移通畅、断裂带两侧同层渗透赋水较多，地热井的成井温度和出水量明显受断裂构造控制。

5、地热水增温梯度受地壳厚度与断裂构造控制

地表凹陷形成盆地是由于地慢隆起所致，地慢上隆（下凸）对应其上的盆地凹陷（上凹），二者之间地壳双向减薄；深大断裂和地堑亦为幔汁突破岩石圈上侵、使下地壳被热侵蚀减薄（下凸），而在地表形成裂缝、使上地壳机械减薄（上凹）。这两种构造形态都会导致地壳变薄、地温梯度增大。在相同地壳厚度地区，断裂构造规模越大，地表水沿构造内裂隙下渗越深，高温热源加热构造深部蓄水形成热对流，使得由深至浅逐层加热、同深度聚水层的水温明显高于围岩地温，断裂构造内水的增温梯度明显增大。因此，无论是在地热正常或是在地热异常区域，只要是在赋水性好的断裂构造内钻取地热水，其出水温度和出水量都会明显高于同区域断裂构造外所钻地热井。

6、隐伏断裂往往比地质图所标断裂带更为重要

地热勘探定井首先是要找规模较大的张性断裂，山谷河流沟壑下的隐伏断裂，往往比地质图所标断裂带更为重要。在地质图上标注的断裂带，有的可能是两种岩性不同岩层的分界（断层），有的属于同类岩性岩层错位形成的（正、逆）断层，有的可能是观察到较窄的岩层间的破碎层（带），这些都有可能被标注为断裂带。通常在做勘探项目前期资料分析时，查看地质图了解地层岩性和断裂带分布很重要，但只能是作为参考，而不能作为地热勘探设计的依据。因为即使是精细到五万分之一的地质图，与实际的地形地貌也并不一定吻合。而那些山谷、河流、沟壑因观察不到明显的地层分界等断裂特征，在地质图上很少标注为断裂带，但实际上它们下面很有可能隐伏着后期地质活动形成的张性断裂。

7、通过低高程点连线查找隐伏断裂带

在地壳浅层遍布着大大小小的断裂带，经过长达几万年、几亿年岁月地壳的运动变迁，这些断裂带大多都隐埋于地下看不出明显痕迹，但类似山川河流、大的沟壑等一些稍大的断裂构造还是会在地表留下明显的痕迹。在平原、盆地、丘陵、戈壁等区域实地勘查时很难发现隐伏断裂的痕迹，而通过卫星地图仔细观察高程数值的变化并标出相对低高程点，就可以查找到隐伏的断裂带。我们在做地热勘探之前，首先要做预可行性研究，通过查看地形地貌，用蓝线标出所有的低高程点连线，分析存在有一定规模、长度较大的隐伏断裂，并将主次断裂交汇区域、异常构造区域圈定为重点勘探靶区。

8、选择多层V形含水裂隙构造深层赋水性好的位置定地热井

断裂带就是地质活动形成的裂缝，随着裂缝的开裂会拉动两侧地层向中间倾斜，两侧被拉伸错位的地层间就会出现大大小小许多裂缝，形成了小的断裂和很多的裂隙，这些地层间的裂隙都会随着原有地层从两侧向断裂中心倾斜汇聚，这些因原有地层被斜向拉动错开导致在岩性不同的分层面和孔隙裂隙发育地层形成斜向破碎的含水裂隙层，会分别从构造两侧向中心汇聚形成V形含水裂隙构造。而在构造中心区段，裂缝凹陷被碎裂的岩石堆填，沿断裂带会形成破碎更多、裂隙发育更好的含水层。若从上至下存在多个相对居中的V形含水裂隙构造，就可以确定它是一个张性断裂构造，每个V形谷底都会存在一个沿断裂带连通的含水通道，在断裂构造中心位置钻井就能够确保成井。

9、钻井深度与成井温度和出水量之间的关系

勘探地热定井要尽可能找大的断裂构造，地下裂缝肯定都是上宽下窄呈V形张开的，只有宽度大的断裂构造的深度才能足够大；宽度小的断裂构造的深度有限，构造内蓄水空间也不可能大。含水层所在深度越大、水温就越高，所以钻井深度要足够深，才能抽取到深部含水层较高温度的热水。在钻井深度一定的情况下，固井深度越深，其上较低水温含水层的水下不去，出水温度就会提高；由于深度越大、构造越窄、含水裂隙赋水性越差，随着固井深度的加深，出水温度虽然提高了，但出水量则会相应减少。出水温度与出水量是呈反比关系的，究竟是要提高水温还是要多出水，在钻井结束甲方拿到测井报告后须根据实际情况做出决定。

2023年8月7日