大兴安岭地区呼中镇地热资源勘探定井案例——MT-VCT大地电磁镜像测深探测仪应用案例

mt-vct · 发表于 2021-8-8 19:17

大兴安岭地区呼中镇地热资源勘探定井案例

郑州地象科技有限公司

2019年7月郑州地象科技有限公司（乙方）受黑龙江省地球物理地球化学勘查院（甲方）委托，在大兴安岭区呼中镇甲方项目区域内开展地热资源勘查工作。乙方与甲方人员一起在呼中镇经过几天的勘探工作，清楚了解项目区及周边大范围内地下地质构成和含水分布，找出了有一定规模的含水断裂构造，然后在剖面图显示V形含水断裂构造的中心位置确定了地热井孔位。该井设计凿井深度2000米或2400米，甲方因资金问题钻井深度仅为1600米，出水量仅有4.5方/小时，出水温度280C，是乙方近几年所定地热井中效果最差的一口地热井，但也是大兴安岭地区迄今为止最成功的一口地热井，若是打到设计深度的话出水量和水温应该更好。

　　一、项目区地质概况及地热地质条件分析

　　1、本次地热资源勘查地为大兴安岭的新林区呼中镇，地处大兴安岭伊勒呼里山北麓，无霜期仅有80多天，年平均气温－4．3℃，每年达到－40℃的天气就有一个月左右，素有“中国最冷小镇”之称。

图1 勘查区域位置及地貌图

　 2、大兴安岭中生代火山岩整体上呈北东向带状展布，为典型的陆相火山喷发产物。勘查区内浅层为第四系Qh2al，之下应为白垩世伊列克得组K1y地层，然后是白音高老期组J3b，其下是否存在晚侏罗世塔木兰沟组J3t尚无定论，基底究竟为中元古代兴华渡口群、还是震旦纪倭勒根群，未查阅到有关资料。

　　3、白垩世伊列克得组K1y地层的岩性为气孔-杏仁状、渣状、角砾状玄武粗安岩、粗安岩，粗安质、玄武粗安质碎屑岩。晚侏罗世白音高老期组J3b的地层岩性为酸性火山岩，岩性为英安岩、英安流纹岩及其火山碎屑岩、流纹岩。基底岩层兴华渡口群的岩性为片岩、片麻岩、变粒岩、大理岩，或是倭勒根群的熔岩、千枚岩。总之，从上到下火山岩地层岩性的赋水性都较差。

　　4、呼中镇四面环山，中部为呼玛河河谷，地表水文地质条件较好。由于地下第四系地层仅有几十米左右，再向下都是火山岩地层，含水裂隙不够发育，若非有断裂构造形成含水破碎带（层），深部不会存有能够有一定出水量的含水裂隙和含水层。

　　5、勘查区地热资源为断控型地热资源，只要存在一定规模的断裂构造，就具有形成地热资源需要的导热导水通道和热储空间两个基本条件。由于勘查区火山岩地层岩性赋水性差，即使是在断裂构造内的含水裂隙发育就不会很好、破碎带含水层蓄水也不会多，成井后的出水量就不会很大。另外，大兴安岭地区处于严寒地带，整体地温梯度值会明显低于正常地区，出水温度也会明显低于其它地区，对勘查区内开发利用地热资源会形成一定的难度和风险性。

图2 勘查区域25万:1地质图

图3 勘查区域5万：1地质图

　　二、勘查区勘探设计与实施

本次勘查工作是在搜集地热地质、物探资料的基础上，投入先进有效的大地电磁成像深部构造探测方法，并遵循由已知推测未知、循序渐进的思路，逐步缩小勘查靶区，最终确定拟钻井位。

　　1、本次勘探定井工作使用的是MT-VCT-4000M大地电磁成像深层构造探测仪，探测深度4000米，纵向分辨率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。一个探测点的采样时间仅1分钟，探测速度很快。横向分辨率（点间距）均设定为5米。因只用1个高灵敏度电磁探头即可采集大地电磁场全频域信号，操作者一人肩挎探测仪、一手提探头边走边探测，一天可测300多点。

　 2、按照乙方发明的谷歌地球大范围搜索低高程点连线查找隐伏断裂方法，通过标定低高程坐标点连线后得出几个结论：一是呼中镇内勘查区除了在西侧山下沿呼玛河为低高程点之外，在勘查区的中部及中东部存在明显的低高程低凹带，应为南北向主隐伏断裂构造带内多条裂缝在地表显现的痕迹；二是在勘查区北部由低高程连线判断出的隐伏断裂带附近区域，出现多片低坐标点等高异常区块；三是观察地质图发现，在呼中镇西侧地层为两片侵入岩地层中间夹有一片晚侏罗世白音高老期组J3b地层，其宽度约400米的喇叭口冲向勘查区并向勘查区东侧延伸露出痕迹，而其穿过勘查区地带恰恰与多片低坐标点等高异常区块重合。

图4 勘查区内低高程异常区隐伏断裂构造图

　　3、为印证通过低高程连线找出的隐伏断裂带及地质分析结果，我们在呼中镇北部侵入岩之间喇叭口处设计一条基本上贯穿西东向的初步勘探线路，沿小路探测了1-1线和1-2线计325点。根据对2个剖面图分析得知，在所测线路西中段确实存在明显的从浅至深多个V形含水裂隙叠加的断裂构造，为了印证该断裂构造的赋水性及确定构造中心聚水区位，我们又在北80米沿西东向对西中段进行了2线125点的并行探测，因勘探条件限制就没有再在另一侧并行勘探了。在呼中镇内共探测了450个探测点，每个测深点都包含了自地面到地下4000米深度的567个分层信息，全部探测数据约有25.52万个。

图5 呼中镇内勘查区地热资源VCT探测线路图

　　三、对地球物理勘探结果的推断解释

　　1、虽然地质图上没有标明、但实际上沿南北流向呼玛河的隐伏断裂带非常明显，同时通过观察地质图发现，在呼中镇西侧地层为两片侵入岩地层中间夹有一片晚侏罗世白音高老期组J3b地层，其宽度约400米的喇叭口冲向勘查区并向勘查区东侧延伸露出痕迹，应该是历史上曾经在该区域发生过东西向的剧烈构造运动的结果，而其穿过勘查区的地带恰恰与多片低坐标点等高异常区块重合，也足以证实了该区域为多次地质运动交汇区形成的破碎构造异常区。

　　2、地质资料显示呼中镇处在晚侏罗至早白垩燕山中晚期岩浆喷发活动形成的火山岩地层之上，在勘查区域浅层为第四系Qh2al，之下可能为晚侏罗世白音高老期组J3b，也有可能为早白垩世伊列克得组K1y。从剖面图分析结果来看，240米深度之上地层赋水性较好，240—1000米之间地层含水裂隙发育尚可，有可能为白垩世伊列克得组K1y地层，岩性为气孔-杏仁状、渣状、角砾状玄武粗安岩、粗安岩，粗安质、玄武粗安质碎屑岩；而1000米之下地层测值明显变高、含水裂隙逐渐稀少变薄，应该是进入晚侏罗世白音高老期组J3b为酸性火山岩，岩性为英安岩、英安流纹岩及其火山碎屑岩、流纹岩。

　　3、从区域地质资料和谷歌地形图上来看，勘查区内应该存在明显的断裂构造。按照乙方发明的谷歌地球大范围搜索低高程点连线查找隐伏断裂方法，在勘查区内不光存在南北向主断裂构造，而且从勘查区西侧侵入岩开口开始到镇东侧的宽达一公里左右范围内有多个等值低高程异常区块，在勘查区北部形成了较宽的断裂构造异常区，从1线和2线MT-VCT成像剖面图上都可看出这些地方确实都在断裂构造内。

图6 勘查区推断隐伏断裂构造及异常区示意图

4、从勘查区2条MT-VCT成像剖面图上都可以观察到，在240米之上含水裂隙发育较好，聚水层段较多、较厚，测值大于4的黄色块几乎没有，说明岩层赋水性好、硬度不是很大；240--1000米深度层范围内黄色块开始零散出现、测值小于1的蓝色块减少且含水裂隙明显变窄，岩层赋水性尚好；1000--2000米深度层范围内的黄色高值色块明显增多，含水裂隙发育变差、连续性不好，但在V形构造内仍然存在几层明显的聚水层；2000--3000米深度层范围内黄色块比例明显变大，测值超过6的红色块开始出现，说明岩层变得更硬，同时含水裂隙发育更差、更薄、聚水层段更少；3000--4000米深度层范围内红色块明显增多、岩层硬度更大，在构造内仍可看到含水裂隙及较小的聚水层，说明该断裂构造的规模和深度都比较大。

　　5、观察分析项目区勘探的2条线路的MT-VCT成像剖面图，都可以明显看出断裂构造的存在，含水裂隙都明显从两侧山脚向居中位置倾斜，在1线85--120点和2线25--55点范围内形成V形断裂构造中心，所显现的断裂构造带走向为北北西向断裂，与谷歌地球大范围搜索低高程点连线查找到的隐伏断裂和异常区完全吻合，断裂构造内地下含水裂隙发育较好。

　　6、通过1线和2线对比分析，两个剖面图上显示的断裂构造形态和位置一致性很好，以没有电磁干扰且地理位置更适合打井的2线为基础选点定井，确定2线33点为定地热井的相对较好的首选位置、2线46点作为备选定井位置。

　四、地热井孔位选择及对含水层深度、水温、水量的推测

　　1、确定最佳钻井孔位的原则

（1）800米之下含水裂隙发育较好，有较厚较宽的含水层；

（2）位居张性断裂的中间，以防钻井施工偏斜错开含水层；

（3）井孔尽可能多经过几个富集的含水层，尽可能增大出水量；

（4）优选深度在800—2000米的含水富集层段，确保出水温度。

　　2、地热井孔位的选择

　　根据区内详细勘探的2条线路的探测结果综合对比分析后，选择2线33点定井主要缘于几个因素：一是断裂构造明显，含水裂隙从两侧向中间聚集在深度3000米之上形成多处明显的V字形构造；二是2线与1线在VCT成像剖面图上显示的断裂构造形态和中心位置与预先分析判断的走向一致、中心向东偏移60米，均可证实该井位处在断裂构造中心；三是该断裂构造内的含水裂隙聚水情况较好，在1000-2400米深度范围内存在几层厚度较大的含水裂隙V形汇聚层，能够保证此处凿井在1000米之下能够有一定的出水量，并且出水温度有保障。

　 3、钻井可能遇到的含水裂隙层深度范围

　　从2线剖面图上可以看到在33点孔位凿井时可能遇到的含水裂隙层及所在深度范围。由于深层凿井难免会有程度不等的偏移，施工过程中实际遇到的含水层深度可能会与预测深度层有所差异，现将其列出仅供施工时参考。

　　从剖面图显示出700米之下可能遇到的含水裂隙层及其相对含水性评价：

700—825米，含水层较好； 910—1005米，含水层较好；

1065—1170米，含水层较好； 1220—1235米，含水层较薄；

1280—1300米，含水层较薄； 1320—1380米，含水层一般；

1460—1530米，含水层一般； 1585—1610米，含水层较薄；

1690—1725米，含水层较薄； 1865—1880米，含水层较薄；

1935—1970米，含水层一般； 2130—2190米，含水层一般；

2280—2350米，含水层一般。

　　4、拟凿井孔深度设计

　以西东向探测2线33点左右剖面图显示结果为主要参考依据，结合井位邻近的1线剖面图显示的含水裂隙情况，拟定凿井深度在穿过深部1935--1970米或2280--2350米含水层后，再下钻30--50米至2000米或2400米终孔。因该区域自上而下都属于火山岩地层，深层含水裂隙发育不是很好，要确保出水量足够成井的前提下尽可能提高出水温度，建议一开凿井深度定为800米、下管后用水泥固井。凿井完成后要根据测井各参数值、各个含水层实际温度综合分析后，再行决定实际取水段。

　 5、地热井出水温度预测

　　根据我们对于勘查区域地球物理特征分析，参考大兴安岭地区有关水文地质资料，地温梯度值为1.4--1.8oC/100m，考虑到较大断裂构造内含水裂隙发育较好、所探测到的含水裂隙通达深度已超过4000米，通过深层水的传导加热并水流上升，使可采深中层水温超过一般估测的地温梯度值。预测在保证凿井深度达到2400米的情况下，预估出水温度约为35度℃左右。

　　6、出水量预测

　　鉴于勘查区内自上而下都属于火山岩地层，深层含水裂隙发育不好，深层地热水出水量不会很好。只是井孔所在位置处在明显的断裂构造内，赋水性比一般完整地层要好，加之井孔穿过几层V形含水断裂构造聚水层，含水层承压高于同层地压会使出水量增大，还是会保证有一定出水量的。根据探测结果显示的可能出水层数量和厚度，取水深度层从800米开始到2400米时，预计拟凿井的出水量大约在5--10方/小时，每天出水量预计在120--240方左右。但是，不排除本项目地热井的开发会有一定的不确定性和风险性。

　五、地热井钻井效果及与勘探结果对比分析

　 1、该井设计凿井深度2000米或2400米，甲方因资金问题钻井深度仅为1600米，出水量仅有4.5方/小时，出水温度280C，钻井效果不理想。虽然已是大兴安岭地区迄今为止最成功的一口地热井，但若是打到设计深度的话出水量肯定会达到7方/小时左右，出水温度应该达到350C左右，才能打成真正的地热井。

　 2、附图一所列为勘探定井第2线33探测点左右、显示深度3600米的MT-VCT成像剖面图，上面红色线标示井孔位，连通在一起的蓝色块为低值含水裂隙和含水层。附图二为凿井深度1600米终孔后的测井解释成果数据表。将测井报告显示水层、低产层的深度和厚度与勘探剖面图显示结果对比分析，可知两者结果基本吻合。

　 3、在勘探之前按照乙方发明的在谷歌地球大范围搜索低高程点连线查找隐伏断裂方法、在勘查区内标出的南北向隐伏断裂构造带位置，与2个MT-VCT成像剖面图上显示的V形断裂构造中心位置相差100米左右，吻合度较高，证实了在勘探之前运用此方法查找隐伏断裂带的有效性和必要性。另外，根据地质资料分析判断，从勘查区西侧侵入岩所夹侏罗系地层豁口开始到镇东侧、形成了大约宽达一公里范围内较宽的东西向断裂构造异常区，这一判断结果由此范围内存在的多个等值低高程异常区块及剖面图显示的破碎赋水情况也得到了证实。

　 4、从勘探剖面图上都可以观察到，大约在240米、1000米、1600米深度出现明显的岩性变层，地层的赋水性及含水裂隙发育情况随之产生明显的变化，尤其是在1000米深度之下黄色高值色块明显增多，含水裂隙变薄、连续性变差。虽然在构造内仍然存在几层明显的V形聚水层，但出水量相对较小，可供今后在火山岩地区定井预测出水量时参考。

　 5、一般地区在200米深度含水层的相对恒温值为15—160C，在类似大兴安岭的低温带地区，应该按照300米深度、相对恒温值130C来估测。根据测井报告显示的井温，1600米时为370C，从300米到1600米实际增温240C，增温梯度为1.850C，说明深部地热水储层的温度并不低，受地上气温的影响不大。与其它地区相比，只是恒温层的深度增加到300米、起始温度降低到130C。

附图一呼中镇地热井2线剖面图，井孔位33点，凿井深度2000米或2400米