论山区地热勘探定井特点及经验

mt-vct

           论山区地热勘探定井特点及经验

                 郑州地象科技有限公司   寇通  寇伟

摘要：“好山好水好风光”，旅游风景区大都是在山谷里。为了增加景区特色、吸引更多的游客，大多数风景区都有开发地热温泉井的需求，但是在山谷中打地热井的成功率却很低，打2000多米的深井不见热水几百万元投资就打水漂了，导致众多景区因投资风险过大望而却步。所以，在投资开发地热资源凿井施工之前，必须通过有效的物探手段搞清楚区域内地下深层究竟是否有断裂构造及赋水性、凿井出水量有多少及温度有多高，这样才会心中有数、尽可能降低投资风险。

关键词：地热勘探，温泉，断裂构造

一、关于地热资源的几个概念

一是地热资源是产生于地球内部的地热能，取之不尽用之不竭的；二是并非只在板块边缘和板内沉积盆地才会形成地热资源，板内断裂构造形成的中低温地热资源才是我们开发利用的重点；三是板块内地壳浅层断裂构造无处不有，只是大小不同、深浅不一而已；四是断裂构造内发育较好的含水裂隙形成地表水下渗通道，使深层蓄水层成为热水型地热资源，也是当前可开发利用的主要地热资源；五是根据地热产生平均2～3℃/100米的地温梯度，只要能取到足够深度的水就是地热水；六是板块内找地热水就是要找相对较大较深的含水张性断裂构造和深部含水层。

二、影响山区地热井出水量和水温的三个因素

山区不可能有沉积盆地型地热田，只能存在断裂控制型地热资源。地壳浅层遍布大大小小的裂缝，使地表水顺裂缝下渗形成径流和风化壳中的含水层。较宽大的裂缝形成深大断裂构造，其构造内发育的含水裂隙成为地热流体循环流动的通道，并在断裂深部富集形成蓄热含水层。 “逢沟必断”是前人对地质断裂构造的总结，有山就有沟谷，有沟谷就有断裂，但是否存在可以开发的地热资源，具体要从三方面来考察：一是断裂构造规模，一般在要开发地热资源的山谷内肯定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，断裂规模越大，地热异常区域越大；断裂越深，地热水温度越高；断裂越宽越长，地热水保有量就越大。二是地层岩性，断裂构造内具有较好赋水性的岩层包括由粗中细砂、卵石、碎石、砾石等粒间空隙形成的含水地层，由半坚硬的微弱胶结的碎屑岩中孔隙孔洞中含水地层，由灰岩、白云岩等碳酸盐岩类裂隙溶洞带性含水地层，这些地层岩溶孔隙度高或裂隙发育程度好、同层连通性好、渗透率高，形成含水层的规模大，深层聚水量大。三是地温异常，地球内部就是一个“大火炉”，它与地壳浅层盛满裂隙水“锅”的距离越近、“火”的热度就越高，“锅”内水被加热的温度自然就高，若是中浅层有相对隔水保温的岩层给“锅”再加个“盖”水温就会更高；是否存在地温异常主要取决于高热度岩层与深层地热水距离的远近、构造运动后是否留存有地热带、地壳岩层的厚薄等因素而定。断裂构造大小，决定了地表水下渗并形成热水层的深度；地层岩性赋水性好或差，决定了断裂构造内含水层的规模及蓄水量；地温梯度的高低，决定了地下不同深度含水层的水温以及成井后出水温度的高低。

三、山区勘探地热资源定井的关键及实施要点

地热资源勘探的目的就是寻找较大断裂含水构造、在最佳位置凿井深层取水。根据地热水增温机理，只要断裂足够大、含水层足够深、深部地温足够热，地热水温就会明显高出同深度地温值。所以，能否抽取出温度足够高的地热水，关键是要找到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,在断裂构造内含水裂隙V形聚水中心定井。一般在山区实施地热勘探定井时的程序及要点：

1、了解地形地貌地质概况。先通过百度百科等网络资料了解甲方所在地的基本情况；再通过国家地质资料馆的地质图库，查阅项目区及周边的地层年代群组、岩性；然后利用谷歌地球等卫星地图从宏观角度出发由远至近查看项目区周围山脉山谷河流走向及汇集情况，结合地质情况找出断裂带或隐伏走向、与项目区的联系。

2、通过地表低高程点判断谷内断裂带走向。按照作者发明的通过谷歌地球大范围搜索低高程点连线查找隐伏断裂方法，不仅在平原地区查找隐伏断裂带卓有成效，在宽度达几公里的较大山谷内也可以通过查找低高程点连线的走向位置，有目标地垂直于隐伏断裂中心设计勘探线路以缩小靶区、减少盲目性；即使是几百米的山谷，也可以将查找到的低高程点连线位置与几条横截山谷探测的剖面图上显示断裂中心位置相对照，印证所找断裂构造的准确性。

3、实地勘查横切断裂走向进行探测。在山谷内不能沿谷设计勘探线路，而是要横切山谷探测。只有垂直于断裂走向探测形成剖面图，才能看到完整的断裂构造形态、含水裂隙走向与倾角、聚水层的大小；沿谷而行很难通过含水裂隙V形聚合判断出断裂构造，所见含水层宽度亦并非真实；即使是地质图上红色实线标明的与山谷垂直的断裂带，若是没有一定宽度的山沟与山谷交汇，一般都是早期运动形成的含水性差的压性断裂带或断层。

4、通过多剖面分析找出断裂构造中心位置及走向。在谷内勘探不仅仅是要找出断裂构造，而是要通过多条并行勘探线路形成的剖面图找出各自的断裂构造中心点，将其连接后观察分析其在项目区的走向、破碎含水较好的区域以及可打井施工的区块，选择其中最佳位置定井。若是选定位置不方便打井，可在两侧选择可打井的区块再并行探测定井。

5、确定最佳钻井孔位的原则：⑴800米之下含水裂隙发育较好，有较厚较宽的含水层； ⑵位居含水裂隙V形集聚层的中间，以防钻井施工偏斜错开含水层；⑶井孔尽可能多经过几个相对富集的含水层，尽可能增大出水量；⑷优选深度在1000—2500米的含水相对富集层段，确保出水温度。

四、山区地热勘探定井的难点

1、判断断裂容易，欲知有水难。两山夹一谷、谷内肯定有断裂。无论用什么方法勘探，结果肯定是两侧山上测值较高、谷内测值较低，但是谷内断裂构造的大小、深浅、赋水性以及断裂中心在哪里却不好由两高一低来判断。

2、山谷一般较为狭窄、两侧山高无路，探测人员很难攀爬施工布线。尤其是使用AMT（MT）大地电磁法对称4点布极距离最少50米很难实现，采用缩小极距、浅埋电极等不合规操作勉强布极，采集数据的可信度和可用度都不会高。

3、甲方欲打地热井投资温泉项目的旅游区或开发商基本上都是要锦上添花，山谷土地有限，谷内房屋设施较多、很难布线勘探；沿谷肯定会有10--110KV的高压线及380V供电网，电磁干扰过大，大多数物探设备都很难避开进行勘探；另外还有公路上车辆不断、产生低频震荡，也会影响深层勘探结果。

五、用于山区地热勘探定井物探方法的局限性

山区地热勘探对物探设备的基本要求：一是实际探测深度最少达到2000米，探测深度达不到靠模糊推测肯定要失败；二是测深要有分层且间隔最好是在20米之内，分层间距大了就看不清含水裂隙走向和连续性、容易漏掉含水层；三是线剖面上的探测点间距最好是在20米之内，山谷内深大断裂构造并不多，探测点间距大了就看不出断裂构造中心、聚水层。

就现有物探方法来看，直流电法仪探测深度仅达几百米不适合做地热勘探，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、不能测深分层，只适合寻找大的构造、框定靶区范围，山谷内本身就是靶区基本上不需要。勘探深度达到2000米左右、可分层测深的频率域物探方法主要有大地电磁法的MT、AMT、CSAMT和地震勘探法。高分辨率地震勘探，主要用于石油勘探，对于水的敏感性不强，勘探成本太高，不适合用于山区地热勘探定井。CSAMT可控源音频大地电磁测深法，是早几年地热勘探使用较多的物探方法，因其需要在靶区10公里以外大功率对地放电，一次放电可探测点数受配备接收仪限制、最多可探测四十多个频点深度层，效率低、成本高、间距大、探测点数少，在山区很难部署施工，实际有效探测深度很难达到2000米，现在用者较少。

目前在地热勘探项目中使用较多的是AMT音频大地电磁法，根据国家制定的大地电磁测深法技术规程要求，布设探测点不能在山顶上和山沟里、要远离电磁干扰源（离开厂矿电站2公里以上、高压线500米以上、公路200米以上）；电极应埋入土中20--30厘米、磁棒水平埋入土中30厘米；四个电极对称接收距离50--300米，等等。之所以对使用AMT物探仪提出诸多条件限制，主要还是源于其本身存在着性能缺陷：体积勘探的性质决定了AMT的分辨率不高；频率越低、深度越大，电阻率越高、分辨能力越差；虽然在每个测点上观测时间长、叠加次数多，但低频（深层）的观测误差依然较大；克服电磁噪声干扰能力差，在山谷内电力线路电磁干扰严重情况下很多地方不能勘探、探测数据一致性差；因带噪声数据反演的稳定性较差、反演过程中受人为经验干预等影响，分析结果存在较大的不确定性和多解性。

六、目前在山区勘探定地热井存在的问题

由于山区地热勘探难度大、断控型地热资源难以找到赋水性好的断裂构造中心定井，开发地热凿井失败的比例较大。从作者所见二十多个未成井的前期物探报告及实际打井情况来看，其在山区地热勘探定井中存在几个问题：

1、唯地层论。不少专业地质人员凭借自己的专业知识和经验，过于看重地层岩性的赋水性，认为只要打到某一层裂隙孔隙发育较好的地层肯定就会出水，把在平原地区或盆地定井的经验搬到山区，只要查到深层可能有赋水性好的地层就推定一个深度盲目定点凿井，若是没有这样的地层就一口认定此地没有可开发的地热水资源。

2、依靠水文地质推断。很多情况是地质图上标定的红色实线断裂带近乎垂直于山谷走向，有的是跨山而过、有的是狭窄的山沟与山谷相交，这些大多是早期地壳活动造成地层错动在地表岩石裸露观察到的岩层变化，多为赋水性较差的压性断裂带、或断层接触带，而山谷的形成则是后期地壳运动形成张性断裂的结果。有的勘探人员凭借地质图和实地勘查岩石的变化及倾角，就根据推断出的断裂带的走向和位置来定地热井孔位。

3、远距离勘探连线延伸画出断裂带。由于谷内高压线及供电网密布，AMT或CSAMT方法很难在谷内布点勘探，有些是远离山谷在一公里以外的地方布线勘探，几个或十几个测点就是一条剖面、两三条剖面上的低值点一连就是几个断裂带F，在几个F断裂上都可以任意选点定井。有一个比较奇葩的地热物探报告，使用CSAMT可控源音频大地电磁法探测了7个点就组成了2条剖面，居然还能推断出2条断裂带，定了一个地热井位，打干眼在所难免。

4、几点测深定井。还有使用岩性探测仪和超低频探测仪的定井案例，这些方法原理皆源于大地电磁法，一个点采集数据时间需要几十分钟，测深曲线图与测井图类似。勘探方法是在勘查区内感觉有水的地方做一二十个点测深，看哪个点的含水情况好就定那个点。其问题是多点之间没有形成关联性的线剖面图，看不出断裂构造、含水裂隙的走向、聚水层等情况，仅靠单点测深看赋水性定井的可靠性不高。

七、VCT大地电磁成像成像深层探测仪在山区勘探地热的优势

VCT大地电磁场成像深层探测仪是由郑州地象科技有限公司研发并具有理论创新的大地电磁物探方法，虽然与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。在山区勘探地热定井VCT比进口国外的综合电磁法仪（V8、GDP32）具有明显优势：基于对大地电磁场源、原理新的不同认知，VCT仅采用一个高性能感应式磁感应器（探头）来垂直于地表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；VCT经过特殊屏蔽处理的磁感应探头、高品质低噪声的数据采集电路板，具有超强的抗干扰性，在离10KV高压线10米、220KV高压线外50米处可以正常探测，确保采集数据真实可靠；使用VCT进行地热资源勘探时一个探测点采集数据时间只要1分钟，半天可测200点，使地面小间距勘探横向高分辨度成为可能；按照镜像理论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，据此建立了吻合度较高的频率（波长）与深度的细分固定对应关系表，至2000米的纵深分辨率精密到5米/层。

目前常用于地热勘探定井的VCT大地电磁成像深层探测仪机型是VCT-4000M：每个探测点的探测深度为4000米，显示地层介质信息的分层间隔：0—2000米深度内5米/层，2000—3000米深度内10米/层，3000—4000米深度内15米/层。

八、VCT用于山区地热勘探判定断裂构造方法

目前使用物探仪进行地热勘探一般都是通过高值点中间夹有较低值点来判定断裂构造的（高中夹低），若是以50或100米的点间距横截山谷勘探的话，山谷两侧山上测点值肯定是高的，几百米的谷内仅有几个测点的值肯定是低的，至于断裂构造的中心在哪里、构造内深层赋水性如何却难以判定。况且一般山谷宽度有限很难布线施工、高压线及供电网密集电磁干扰较大，实际上要横切山谷截取断裂构造进行勘探很难实现。

地热勘探寻找较大断裂含水构造的目的是要找深度可达2000米左右的含水层、在最佳位置凿井取深层地热水。仅仅是通过“高中有低”找到断裂构造，只能说构造内深层有可能蓄有地热水，但并不清楚构造内含水裂隙发育情况、断裂中心位置、深部有几层水及其深度和聚集情况，仅靠找到断裂构造就定井的成功率肯定不高。

VCT勘探地热定井判定断裂构造不需要先找高值再看低值，而是直接查看剖面图上有可能是水的低值蓝色块（0--1），连续斜下渗透的就是含水裂隙，同层聚集的就是含水层，自上而下有多处含水裂隙V形集聚的点位即可判定为断裂构造中心，呈V形聚合的含水裂隙越宽、越长、越深，说明断裂构造规模越大。由于VCT抗干扰能力强、无需拉线埋电极，可以3--5米点间距横截山谷探测；不光能够找到断裂构造中心，而且会通过多个勘探剖面选择地层破碎含水多、钻孔穿过含水层多且深的最佳位置定地热井，以确保地热井的出水量和出水温度。

八、应用VCT在山区地热勘探定井的要点及原则

应用VCT大地电磁成像深层探测仪在山区实施地热勘探定井时，除了按照程序事先了解勘查区的地形地貌地质概况、通过地表低高程点判断谷内断裂带走向、初步设计勘探线路之外，到实地要全面勘查落实后再进行勘探。在整个勘探过程中应把握几个原则：

1、看不明白不定井。原则上是要先找到断裂构造，然后通过多条勘探剖面的分析，把勘查区内断裂构造的大小、中心位置、断裂走向、赋水性等情况搞明白，若是看不明白就要补充勘探，直到看明白、有把握了再定井。

2、选择最佳位置定井。在清楚勘查区断裂构造位置和走向、含水层分布等情况后，选择V形含水构造内破碎聚水较好、供水通道连续性较好、深层可遇含水层较多的位置定井。若是选定位置不便打井，可再并行探测确定井位，不能凭推测定井。

3、明确估测凿井效果。定井报告要明确井孔位置及坐标，要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，并预测成井后井口出水温度和出水量范围、最低出水温度和最少出水量，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。

参考文献：

【1】寇伟 寇通，MT大地电磁法仪与VCT大地电磁成像仪的区别，《工程技术》，2017-12

【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

srxiao

谢谢楼主提供！

zhrongzh

很好的东西，谢谢

huangjb5662

感谢楼主分享经验！