閩南沿海地區(qū)鉆孔實測熱流值及深部溫度預測

許益青

(福建省閩南地質大隊，漳州，363000)

大地熱流是地下熱能在地殼表層的綜合反映，是表征地球內部熱狀態(tài)的重要參數(shù)，地殼深部溫度是干熱巖開發(fā)選址中首先考慮的因素[1-3]。根據(jù)地區(qū)實測熱流值、熱導率、生熱率等數(shù)據(jù)對地殼深部溫度進行預測，其結果能夠為閩南沿海地區(qū)干熱巖靶區(qū)的選址提供參考。

近年來，閩南沿海(特別是沿海旅游城市)為了開發(fā)利用中深部的地熱資源，陸續(xù)施工了5口千米鉆孔進行干熱巖勘察開發(fā)和隱伏地熱調查(圖1)，鉆孔位置的選擇根據(jù)地球物理解譯及有關資料研究[4-6]進行確定，5口千米深鉆孔分別位于東山縣樟塘村，龍海市隆教鄉(xiāng)白塘灣、紅星村，龍海市東泗鄉(xiāng)清泉林場，詔安新村，鉆孔深度分別為2 014.3 m、2 000.37 m、1 259.13 m、4 002.96 m，1 200 m。依據(jù)五口鉆孔的系統(tǒng)測溫數(shù)據(jù)、實測巖石樣品熱物性參數(shù)，分別計算地溫梯度及熱流值，并對鉆孔深部可能鉆遇溫度進行了預測。

圖1 閩南沿海施工深孔位置及地質簡圖Fig.1 Deep hole position and geological diagram in the construction of southern Fujian province1—全新統(tǒng)；2—更新統(tǒng)；3—佛曇組；4—石牛山組上段；5—石牛山組下段；6—南園組；7—長林組；8—漳平組上段；9—漳平組下段；10—梨山組；11—焦坑組；12—文賓山組；13—大坑村組；14—溪口組；15—燕山晚期第一階段第四次侵入；16—燕山晚期第一階段第三次侵入；17—燕山晚期第一階段第二次侵入；18—燕山晚期第一階段第一次侵入；19—燕山早期第三階段第四次侵入；20—燕山早期第三階段第三次侵入；21—燕山早期第三階段第二次侵入；22—燕山早期第三階段第一次侵入；23—地質界線；24—實測性質不明斷層；25—深大斷裂；26—施工深孔位置

1 鉆孔位置

1.1 龍海東泗清泉林場鉆孔

鉆孔位置為山間盆地地形，地表覆蓋第四系及火山巖蓋層，下伏燕山期花崗巖。鉆孔西北側地表熱異常顯示強烈，其西北側約17 km為漳州地熱田，東南側約9 km為龍海東泗松嶺溫泉。選址的依據(jù)主要基于深部地球物理勘探認為東南沿海存在地幔上隆，在漳州地熱田下部存在低速體，推測存在高溫巖體，進而通過地面調查結合地球物理勘探及施工條件綜合確定(圖2)。

圖2 龍海東泗清泉林場鉆孔選址概念模型Fig.2 Conceptual model of drilling site selection in Qingquan Forest Farm of Dongsi village,Longhai city

1.2 詔安新村鉆孔

鉆孔位于詔安西潭鄉(xiāng)南側山間盆地無蓋層的花崗巖區(qū)域。鉆孔選址時通過臨近溫泉分布特征及構造延伸方向關系分析，并根據(jù)地球物理勘察分析確定的。在鉆孔淺層測溫時圈定了一條北東向的地溫異常帶(7 m測溫等值線，最高水溫24.36℃)，2015年施工一淺孔(100 m)，孔底溫度約32.65℃，最高水溫24.36 ℃，同時通過地球物理勘察及構造延伸關系的推測，基本確定新村一帶存在明顯的地熱異常。

1.3 隆教紅星村鉆孔和白塘灣鉆孔

兩孔均位于龍海隆教鄉(xiāng)西南側。周邊發(fā)育北西向F1、F2斷裂(圖3)在地表上有比較清晰的反映，構造痕跡以相對密集的構造裂隙組成為主，沿帶伴隨有花崗斑巖及石英脈侵入，在地貌上構成明顯的北西向負地形。北西向斷裂的地熱顯示明顯，在F1斷裂的西北側發(fā)育有湯頭溫泉。其中隆教紅星村鉆孔位于F2斷裂的延伸區(qū)域，白塘灣鉆孔位于F1斷裂的延伸區(qū)域。

1.4 東山樟塘鉆孔

東山島位于平潭—東山北東向深大斷裂帶與上杭—云霄大斷裂帶的交會處，周邊陸域地熱活動較為強烈。通過野外地面調查，陳岱鎮(zhèn)至望絲山一帶北西向構造裂隙發(fā)育，海灣見有一組呈北西走向的礁石在灘涂分布，推測鉆孔周邊存在一組北西走向斷裂F1，傾向北東(圖4)。在F1斷裂的北側出露有陳岱院前溫泉，東山樟塘鉆孔位置則位于該F1斷裂的延伸方向樟塘村一帶的低洼地帶。

2 實測大地熱流值

2.1 鉆孔熱流計算段

2.1.1 考慮因素

鉆孔熱流值是在假設熱傳遞符合一維穩(wěn)態(tài)熱傳導情況下計算，閩南沿海地區(qū)施工的深鉆孔熱流計算段的選擇：①選擇不受流體對流影響的地段；②盡量避開淺部地下水活動強烈?guī)?，避開受承壓水頂托擾亂的層段；③選取巖性較均一的井段，盡可能采集較多的巖石樣品；④選擇停鉆時間最長，測溫數(shù)據(jù)近似為穩(wěn)態(tài)的井段。

2.1.2 熱流計算段選擇

圖3 龍海隆教紅星村、白塘灣鉆孔構造略圖 Fig.3 Hole structure sketch in Hongxing Village and Baitang Bay of Longjia town, Longhai city1—全新統(tǒng)海積層；2—更新統(tǒng)殘積層；3—佛曇組； 4—三疊系焦坑組；5—燕山晚期第一階段第二次侵入； 6—地質界線；7—實測或性質不明斷層；8—斷層代號； 9—施工鉆孔位置

圖4 東山樟塘鉆孔位置構造略圖 Fig.4 Sketch of drilling position structure in Zhangtang town, Dongshan county1—全新統(tǒng)；2—梨山組；3—三疊系焦坑組；4—燕山早期第三階段第一次侵入；5—燕山早期第三階段第二次侵入；6—燕山早期第三階段第四次侵入；7—地質界線；8—實測或性質不明斷層；9—深大斷裂；10—斷層代號；11—施工鉆孔位置

隆教紅星村鉆孔：鉆探揭露除表層上部21.15 m為玄武巖殘積黏性土及半固結的通體風化含漂礫卵石層與砂層外，其余為粗粒黑云母花崗巖，巖石新鮮完整，偶見裂隙，巖芯采取率高?？咨?90.27～790.77 m段發(fā)育有垂直張性裂隙，861.05 m發(fā)育一近水平裂隙，孔深1 176.03～1 177.33 m裂隙發(fā)育。分別在鉆進至760 m、790 m、1 000 m、終孔后進行系統(tǒng)測溫。因此根據(jù)地層揭露情況，選擇巖性均一、構造裂隙不發(fā)育的，停鉆時間最長，鉆孔溫度與深度相關性最好(圖5-a)，近似穩(wěn)態(tài)的200～760 m段作為熱流計算段。

隆教新華都白塘灣鉆孔：鉆探揭露地層0～4 m為第四系；4～92 m為玄武巖、泥巖互層；其下為裂隙不發(fā)育或者充填裂隙的花崗巖。100 m以深鉆孔溫度與深度間有較好的線性關系，呈現(xiàn)傳導型增溫特點(圖5-b)，因此選擇100～1 850 m作為熱流計算段。

東山樟塘鉆孔：鉆探揭露除表層上部46 m為第四系松散堆積物及花崗巖殘積黏性土外，其余為黑云二長花崗巖，間斷取芯的巖石新鮮完整。200 m以深鉆孔溫度與深度間有較好的線性關系(圖5-c)，呈現(xiàn)傳導型增溫特點，因此選擇200～1 950 m作為熱流計算段。

東泗清泉林場鉆孔：鉆探揭露的覆蓋層厚度為36 m，其下為整塊的黑云母花崗閃長巖體。500 m以深鉆孔溫度與深度間有較好的線性關系(圖5-d)，呈現(xiàn)傳導型增溫特點。因此選擇停鉆144 h， 499～3 997 m作為熱流計算段。

詔安新村鉆孔：鉆探揭露地層均為較為完整的花崗巖巖體，裂隙不發(fā)育。200～720 m增溫明顯，線性相關性高于720 m至孔底(圖5-e)，故選擇停鉆時間最長，近似穩(wěn)態(tài)的200～720 m作為熱流計算段。

圖5 鉆孔測溫曲線圖Fig.5 Temperature measurement curve of the drill hole.

綜合考慮，選出了以上5口鉆孔熱流計算段(表1)。

表1 閩南沿海地區(qū)深鉆孔熱流計算段

2.2 測熱導率

根據(jù)不同巖性段采取不同深度處的巖石送往華東理工大學做巖石熱導率測試，測試統(tǒng)計結果(表2)。由于閩南沿海地區(qū)施工的鉆孔揭露基巖主要為花崗巖，巖性比較單一，此類巖類熱導率的偏差很小，因此在鉆孔熱流計算段內直接采用計算段內實測的樣品熱導率算術平均值。

表2 閩南沿海地區(qū)深鉆孔巖石熱導率測試統(tǒng)計結果

Table 2 Statistical results of thermal conductivity test of deep drilling rock in the coastal areas of southern Fujian

鉆孔位置巖石取樣個數(shù)(件)巖石熱導率(W/m·K)最大值最小值平均值東泗清泉林場254.542.063.0014隆教紅星村33.093.273.18隆教新華都白塘灣33.552.573.183詔安新村142.643.723.196東山樟塘52.083.622.9488

2.3 地溫梯度

熱流計算段內的地溫梯度采用最小二乘法[7]求取，線性回歸方程式：

T(z)=T0+GZ

式中：T0為回歸直線與溫度坐標T的截距，當無其他因素干擾時，T0等于恒溫帶的溫度；G為回歸直線的斜率，即熱流計算段內的地溫梯度。

上述鉆孔熱流計算段內的線性回歸方程式、地溫梯度取值(表3)。

表3 鉆孔熱流計算段內地溫梯度計算結果

Table 3 Calculation results of temperature gradient in the interior of drilling heat flow calculation section

鉆孔位置熱流計算段(m)線性回歸方程式及相關系數(shù)(R2)地溫梯度(℃/km)東山樟塘200.00～1950.00Y=0.01998X+20.06R2=0.99620.0隆教新華都白塘灣100.00～1850.00Y=0.01976X+24.19R2=0.998619.8東泗清泉林場499.00～3997.00Y=0.02175X+18.81R2=0.99521.8隆教紅星村200.00～760.00Y=0.017017X+25.57R2=0.99917.0詔安新村200.00～720.00Y=0.0301X+27.008R2=0.98930.1

2.4 熱流值計算

根據(jù)熱流密度計算公式q=-λdT/dz，計算鉆孔所在位置的大地熱流值，并按溫度數(shù)據(jù)和巖石熱導率數(shù)據(jù)的來源和質量對熱流值進行分類，得出熱流值及分類結果(表4)。

表4 閩南沿海地區(qū)地區(qū)實測熱流值

備注：根據(jù)數(shù)據(jù)質量和特點將熱流值分為A、B、C、D四類。其中A、B類數(shù)據(jù)質量較高，C類數(shù)據(jù)質量較低或質量不明，D類數(shù)據(jù)為地熱異常區(qū)內測試結果，不具有區(qū)域代表性的數(shù)據(jù)。

總體來看，閩南沿海地區(qū)鉆孔的地溫梯度變化幅度大(17.0～30.1℃/km)，平均地溫梯度為20.3℃/km，低于大陸地區(qū)平均值(25～30℃/km)；花崗巖熱導率的偏差很小(2.95～3.196 W/m·K)，平均熱導率為3.11 W/m·K；計算出的熱流值為54.06～96.2 mW/m2，平均值為63.2 mW/m2，略低于全球大陸地區(qū)熱流平均值[8]65 mW/m2。但實測的熱流值受到地形起伏、地下水活動及數(shù)據(jù)分布等各因素的影響，無法反映區(qū)域地溫場的全貌，區(qū)域熱流值需要通過其他方法進行估算。

3 鉆孔深部溫度預測結果

3.1 一維(垂向)穩(wěn)態(tài)模型

該模型只考慮溫度在垂向上的傳導而忽略對流的影響，基于熱傳導方程[9]：

(1)

式中：熱導率K(T)是溫度T的函數(shù)，放射性生熱率A(z)是深度的函數(shù)。相應的邊界(z=0)條件為：

T(O)=T0

(2)

式中：T0為地表年平均溫度，東部取21℃；K0為現(xiàn)今地表樣品實驗室條件下的實測熱導率值(W/m·k)；q0為地表熱流(mW/m2)。

在此邊界條件下，視地殼生熱率和熱導率隨深度分布形式的不同，一維穩(wěn)態(tài)熱傳導方程可以有下面不同的分析解：

如果A(z)呈指數(shù)形式，即A(z)=A0exp(-Z/D)。D為生熱率隨深度的衰減因子 ( 即地殼生熱率衰減至地表生熱率 1/e(e=2 .718 28)時的深度，東部取上限10 km)；K為常數(shù)根據(jù)“中國大陸地區(qū)大地熱流數(shù)據(jù)匯編”的測試數(shù)據(jù)，東部巖石熱導率均值取為3.104 W/m·k，西部巖石熱導率均值取為3.449 W/m·k；則其分析解為：

T(Z)=T0+q0Z/K+A0DZexp(-Z/D)/K+A0D2(1-exp(-Z/D))/K①

如果將熱導率K視為常量，A(z)隨深度保持恒定或分段常數(shù) ,則其分析解為

T(Z)=T0+q0Z/K-A0Z2/2K②

3.2 模型的單孔校驗

利用分析解①和②分別對閩南沿海地區(qū)鉆孔孔底深度進行校驗，其中隆教紅星村鉆孔及東泗清泉林場鉆孔生熱率為實測(表5)，其余鉆孔根據(jù)所處的水文地質條件參照隆教紅星村鉆孔，得出模型校驗結果(表6)。

表5 巖石生熱率測試結果

表6 閩南沿海地區(qū)深鉆孔孔底溫度與模型估算溫度偏離結果

Table 6 Temperature deviation from temperature and model estimation of the deep hole bottom in the coastal areas of southern Fujian

鉆孔位置鉆孔深度(m)大地熱流(mW/m2)測井深度(m)孔底溫度(℃)熱導率(W/m·K)生熱率(μW/m3)式①估算式②估算T(Z)式①偏離度(%)T(Z)式②偏離度(%)東山樟塘2.01458.91.9561.22.9492.5288.845.2058.3-4.63隆教新華都白塘灣263.01.8561.03.1832.5283.236.3556.3-7.75東泗清泉林場4.00365.32.5881.93.0012.97119.646.0374.0-9.694.00365.33.3595.03.0012.97145.753.4888.3-7.004.00365.34.00109.63.0012.97167.152.44100.0-8.72隆教紅星村1.25954.10.7638.13.182.5245.318.9033.7-11.57詔安新村1.296.20.7247.53.1962.5253.412.4942.5-10.59

注：以上鉆孔均為鉆探至相應深度時的近似穩(wěn)態(tài)測溫；式②采用迭代法[10]計算，迭代層厚度為1 km。

式①計算結果均為正偏離，且偏離幅度離散性很大，從18.9%～53.48%；式②估算值均為負偏離，且偏離度均在-12%以內，因此此次鉆孔深部溫度預測采用式②進行預測。經(jīng)過分析，隆教紅星村深鉆孔受地下水上升運動的影響較大，因此造成偏離度較大。

3.3 深部溫度預測結果

為了預測最后超深井可能鉆遇的溫度，根據(jù)施工的深鉆孔實測熱導率、熱流值和生熱率值利用式②對閩南沿海地區(qū)超深鉆孔可能鉆遇溫度進行預測，熱流值上限取100 mW/m2，下限取50 mW/m2，熱導率取均值3.11 W/m·K，生熱率上下限取值(表7)，繪制1～10 km深度內12條可能的溫度分布曲線(圖6)。

表7 深部溫度計算采用的有關巖石熱物性和地熱參數(shù)

Table 7 Deep temperature calculation used in thermal properties and geothermal parameters of rocks

參數(shù)上限下限地表熱流值(mW/m2)10050熱導率(W/m·K)3.182.95生熱率(μW/m3)2.972.52

圖6 閩南沿海地區(qū)鉆孔深部溫度預測結果Fig.6 Prediction results of deep drilling temperature in the coastal areas of southern Fujian

計算結果顯示，超深井于2 000 m垂直深度上的溫度為51～84℃；4 000 m垂直深度上的溫度為78～143℃；5 000 m垂直深度上的溫度為89～172℃；理論上，只要深部的水文地質條件滿足(合適的部位及深度)，是可以取得具有開發(fā)利用價值的地熱流體，但從干熱巖勘察開發(fā)角度(理論上溫度至少達到150℃)出發(fā)，其勘察深度在5～6 km為宜，同時為了避免淺部地下水徑流的干擾，鉆孔位置宜選擇遠離斷裂或者取斷裂的下盤位置。