地熱井溫度測井在熱儲層分析中的應用

張松，郝偉林，胡先才，吳儒杰，孫國強

（1.核工業(yè)北京地質研究院 中核集團地熱勘查技術研究中心，北京 100029；2.中核坤華能源發(fā)展有限公司，浙江 杭州 311113）

溫度測井是地球物理測井中的一項重要工作，在地質領域具有廣泛應用。通過溫度測井，可以獲得井內溫度曲線，而井溫曲線的各種形態(tài)，有助于分析地質構造特征［1］。在油氣勘探領域，溫度曲線可以較好地識別出水層位置［2］、進行油田產(chǎn)層預測［3］、定位滲漏通道［4］。在地熱勘查領域，通過連續(xù)多年溫度監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)與回灌對熱儲層的影響［5］；可以通過溫度測井獲得熱田溫度場特征，研究儲熱構造［6］、追溯熱流體運移、徑流路徑［7-8］。

谷露地熱田是西藏那曲—尼木地熱帶上的高溫熱田，前人圍繞谷露熱田的構造特征、水文水化學、物化探異常、泉華特征和成因模式等開展了大量的研究工作［9-14］。在熱田勘查中，同樣開展了大量的溫度測井工作［8］。通過研究這些溫度測井結果發(fā)現(xiàn)，對于受斷裂控制的高溫熱田中的基巖裂隙型熱儲，其熱儲層（含水層）并非一層，而是由多個斷裂控制的熱儲層組成的，且每一個儲層的溫度、涌水量均有所差異。要獲得某一段單層出水量，前人常通過專門的裝置進行分層抽水試驗來獲?。?5-17］。但是，對于溫度超過150 ℃的高溫地熱井，目前國內市面上還沒有相關的設備。采用國外設備，造價高昂，在地熱資源勘查初級階段難以承受。

本次工作中，對谷露地熱田ZK1301 地熱鉆井進行了系統(tǒng)的恢復溫度測量、流溫測量和井口溫壓測量。通過精細的數(shù)據(jù)分析，根據(jù)能量守恒定律，提出了一種可以通過測井數(shù)據(jù)來計算井內不同位置熱儲層出水量的方法。

1 地質概況

1.1 基礎地質概況

谷露地熱田地表大部分被第四系覆蓋，主要為沖洪積物、冰水堆積物與泉華。熱田范圍內，第四系厚度約為50 m 左右。熱田中部被第四系硅質泉華覆蓋，形成泉華臺地、泉華丘和噴氣孔等泉華地貌。泉華呈粒狀結構、膠狀結構等多種結構，角礫狀構造，主要礦物為蛋白石，蛋白石礦物中的SiO2含量最高達97.48 %［18］。熱田西南部1 km 及東南部4 km以外見中侏羅統(tǒng)馬里組的石英砂巖、灰?guī)r與砂巖互層、碳質頁巖等，馬里組巖石普遍發(fā)生了弱的變質作用。熱田范圍內，部分鉆孔鉆遇馬里組的碳質頁巖，厚度約為100 m。熱田西側山坡見少量侵入巖出露，主要巖性為花崗閃長巖、花崗斑巖（圖1）。熱田外圍見大面積粗粒斑狀黑云母二長花崗巖與花崗閃長巖。該區(qū)花崗巖與花崗閃長巖形成時間距今約為11Ma［19］。

圖1 谷露地熱田地質圖［8］Fig.1 Geological map of Gulu Geothermal Field［8］

熱田斷裂構造主要包括SN 向、EW 向、NE向與NW 向4 組。SN 向斷裂構造包括F4-2與F4-3斷裂；EW 向斷裂包括F1-1與F1-3斷裂；NE向斷裂為F2-2、F2-6、F2-7和F2-8等斷裂；NW 向的斷裂包括F3-3、F3-4和F3-5等斷裂。在上述斷裂中，SN 向F4-2斷裂是熱田范圍內最重要的斷裂。與SN 向斷裂相比，NE 向斷裂的規(guī)模相對較小。泉華中的NE 向裂隙可能是盆地基巖中NE 向斷裂的反映［11］。

1.2 鉆孔巖性特征

截至2021 年，在谷露熱田共實施了三口探采結合井以及13 個測溫孔（圖1）。其中，已實施ZK1301 探采結合井井深686 m，鉆井中采集的巖屑特征表明，該井第四系厚度為51m，由第四系沖洪積的砂礫石、泉膠礫巖等組成；從51 m 至井底均為蝕變花崗閃長巖，花崗閃長巖普遍發(fā)育硅化、黃鐵礦化、黏土化、綠泥石化和碳酸鹽化蝕變，不同位置蝕變強度和蝕變礦物組合略有差異。

1.3 井身結構

ZK1301 井為三開井身結構。二開套管下至200 m，三開至井底，裸眼完井。由于在200 m 以淺有套管阻隔，這部分的熱儲層被封閉在了套管之外，無法通過溫度測井獲得熱儲的相關信息。后續(xù)放噴試驗過程中，由于套管的阻隔，在200 m以淺的熱儲層也無流體的溢出。

2 溫度測井

2.1 測溫設備

由于谷露熱田為高溫熱田，目前已探獲的井內最高溫度為189.4 ℃。普通測溫設備無法在此溫度下正常工作，需要采用耐高溫的測溫設備。本次采用的測溫設備為中核坤華能源發(fā)展有限公司研制的RD 600-C 型高溫溫壓測井儀。該儀器主要技術參數(shù)如下：最大工作溫度350 ℃，可在此溫度下持續(xù)工作5 h；最大工作壓力80 MPa；最高工作電流15 mA；工作電壓介于8～12V 之間。壓力測量范圍介于0～80 MPa 之間，最小分辨率0.006 MPa；溫度測量范圍介于0～350 ℃之間，溫度精度為±0.1 ℃。

2.2 測溫方法

2.2.1 靜溫測量

完井后的溫度測量由于受到井筒開放路徑的影響，會引起不同儲層之間的對流，導致所測得的溫度與原始溫度存在一定差異［20］。為了減少這這種影響，筆者采用恢復溫度的測量方法。探采結合井實施完成后，先在井筒內注入足量的冷水對井筒和熱儲層進行冷卻，一般注入量不小于井筒容積的兩倍。之后，進行注水后0 和24 h 恢復溫度測量（靜溫測量），由于熱儲層的恢復速度比井筒不含熱儲的地方恢復速度更快，由此可以獲得不同熱儲層的溫度。需要注意的是，在靜溫測量過程中，井口需要處于完全封閉的狀態(tài)，采用防噴裝置將測溫儀器下入井內。測量過程中，井口全程保持封閉，不能發(fā)生溢流，否則會導致井內熱儲層涌水，使得井筒一定范圍內溫度均一化。

2.2.2 流溫測量

完成靜溫測量后，開啟井口閥門，進行放噴。在放噴一段時間等井口的溫度、壓力較為穩(wěn)定后，進行流溫測量。流溫測量過程中，井口保持開放放噴的狀態(tài)。流溫測量過程中，對井口的溫度、端壓進行記錄。流溫測量過程中，盡可能將井口閥門完全打開，使得井內熱水可以從側向閥門（放噴管線中）自由涌出。測溫儀器從頂部閥門入井，同樣需要加裝防噴裝置。

谷露熱田ZK1301 井的靜溫與流溫測量結果如圖2 所示。

圖2 谷露地熱田ZK1301 井代表性測溫曲線圖Fig.2 Temperature logging curve of ZK1301 in Gulu Geothermal Field

3 熱儲層分析與計算

3.1 計算原理

谷露地熱田的熱儲類型為受斷裂控制的帶狀熱儲（基巖裂隙型熱儲）。鉆井過程中，通常會鉆遇不同溫度、不同水量的多個熱儲層。在地熱井完井后，先注入足量的冷水對井筒和熱儲層進行冷卻，然后進行注水后0 和24 h 恢復溫度測量（靜溫測量），由于熱儲層的恢復速度比井筒不含熱儲的地方恢復速度更快，由此可以獲得不同熱儲層本層位的溫度。在進行流溫測量時，可以獲得每個熱儲層的位置以及熱儲層上部和下部熱流體的溫度。在知道放噴過程中地熱流體發(fā)生閃蒸前的流量、溫度的條件下，結合測量獲得的最上部熱儲層的溫度，依據(jù)能量守恒定律，可以反推最上部熱儲層的出水量。依次類推，可以進一步推算所有熱儲層的出水量。

根據(jù)能量守恒定律，井口附近高溫地熱流體所含的總能量（E總）等于各個含水層所含能量之和。雖然地熱流體在井筒內從深部向淺部運移過程中，會與圍巖發(fā)生熱交換，損失部分能量。但是，由于西藏地熱井普遍較淺，這種能量交換相對較小，可以忽略。此外，隨著放噴時間的增加，能量交換會逐漸達到平衡。因此，在計算含水層涌水量時，暫不考慮地熱流體在運移過程中與圍巖之間發(fā)生的能量交換。如果有多個含水層，則每個含水層所含能量分別為E1、E2、E3、E4…En。則根據(jù)能量守恒定律，E總=E1+E2+E3+E4…+En。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

3.2.1 流量數(shù)據(jù)

流量數(shù)據(jù)通過地熱井放噴試驗獲得。常用計算流量的方法為詹姆斯端壓法。放噴試驗的持續(xù)時間不少于3 d。測量井口溫度、壓力、蒸汽量、水流量，計算汽水比、干度，獲得連續(xù)穩(wěn)定的相關數(shù)據(jù)。詹姆斯端壓法計算汽水總流量公式［21］：

式中：Qm—汽水混合物總量，t·h-1；Pc—排放管端壓（絕對壓力），kg·cm-2，近似于bar①：1 bar=105 Pa；h0—熱流體的焓，kJ·kg-1；D—排放管直徑，cm；

3.2.2 流溫數(shù)據(jù)

流溫是指地熱井在放噴過程中，井筒內流動的地熱流體的溫度。通過對地熱井流溫測量，可以獲得地熱井內多個參數(shù)。如：井筒內的地熱流體的最終混合溫度（T0）、某一含水層涌水段以上的混合溫度、某一含水層涌水段以下的混合溫度。如果存在多個含水層，則流溫曲線從井底到井口會表現(xiàn)為階梯狀（圖2）。由于測量流溫時，地熱井處于放噴過程中，井筒內流體高速流動，所以此時沒法測量單個含水層的準確溫度。

3.2.3 靜溫數(shù)據(jù)

靜溫測量是在閉井狀態(tài)下進行的地熱井內的溫度測量。通過閉井后不同時間的測量，可以獲得地熱井內的恢復溫度。為了防止井內已有地熱流體的干擾，在進行恢復溫度測量前，會在井內注入適當?shù)睦渌?。之后進行不同時間的溫度測量。根據(jù)經(jīng)驗，常選取閉井后0 和24 h 的靜溫測量數(shù)據(jù)進行井內含水層溫度的分析。如果有更長時間恢復溫度的數(shù)據(jù)，如48 或72 h 的靜溫測量數(shù)據(jù)，可以用此代替24 h 的靜溫數(shù)量。隨著恢復時間的增長，獲得的熱儲層的溫度也更加準確。

3.3 熱儲層位置判斷

由圖2 不同時間的測溫曲線不難發(fā)現(xiàn)，在0 h 恢復溫度曲線（注入冷水后立即進行溫度測井獲得的溫度曲線）上的峰值或低值與井內的熱儲層有關。如果井內不存在涌水層或漏失層，那井內應為一條斜率基本不變的曲線。而涌水層或漏水層的存在，使得注入冷水后的曲線發(fā)生了明顯變化。峰值可能是井內熱儲涌出所導致的高溫，低值可能是部分冷水注入井內裂隙中引起井內溫度降低。而在流溫曲線上，每一個溫度發(fā)生突變的位置，即為井內地熱流體涌出的位置。靜溫曲線與流溫曲線相互印證后，認為該鉆孔共揭露到7 個熱儲層，其位置從上到下分別是：375～388 m、458～482 m、526～540 m、554 m、568～578 m、596～602 m和609～613 m。

3.4 熱儲層涌水量計算

熱儲層涌水量計算公式主要包括以下幾個參數(shù)：

Q0—井筒內地熱流體的總流量，t·h-1；T0—井筒內地熱流體混合后的最終溫度，℃；H0—井筒內地熱流體混合后的焓值，kJ·kg-1；Q1—第1 段含水層涌水量，t·h-1；T1—井筒內第1 段含水層的平均溫度，℃；H1—井筒內第1 段含水層的焓值，kJ·kg-1；Q0-1—井筒內第1 段含水層之下地熱流體的總流量，t·h-1；T0-1—井筒內第1 段含水層之下地熱流體混合后的最終溫度，℃；H0-1—井筒內第1 段含水層之下地熱流體混合后的焓值，kJ·kg-1。

在上述參數(shù)中，Q0通過放噴試驗計算獲得，Q0=Qm；T0、T0-1兩個參數(shù)主要通過流溫測量直接獲得；T1通過靜溫測量獲得。在知道對應溫度后，H0、H1和H0-1三個參數(shù)可以通過查表獲得［20］；Q1與Q0-1兩個參數(shù)為未知參數(shù)。需要注意的是，T0要用流溫測量過程中，最上部一段溫度的溫度數(shù)據(jù)，不能采用井口的溫度數(shù)據(jù)。

根據(jù)能量守恒定律，上述參數(shù)遵循以下關系：

因此，可以推導出Q1=Q0×（H0－H0-1）/（H1－H0-1）

由此，可以計算出第1 個含水層的涌水量。以此類推，可以計算出其他含水層的涌水量。

3.5 應用實例

結合西藏某地熱田地熱井的勘查實例，對該井不同含水層的水量進行計算。

從該地熱井放噴試驗過程中，通過井口溫度壓力測量，測得該井的汽水總量Qm=200 t·h-1。因此，Q0=Qm=200 t·h-1。從流溫曲線來看，該井井深370 m至地表無明顯的階梯，表明在370 m以上無涌水層。在385 m 處的溫度T0=161.6 ℃，對應的H0=682.4 kJ·kg-1。在375～388 m 為第1含水層涌水段，根據(jù)0 h 的測溫曲線，該段最高溫度T0=174 ℃，對應的H1= 736.7 kJ·kg-1。在388 m 以下為井筒內第1 段含水層涌水段之下均勻地熱流體，其溫度T0-1=160.8 ℃，對應的焓值H0-1=678.9 kJ·kg-1。根據(jù)計算公式Q1=Q0×（H1－H0-1）/（H0－H0-1），可計算出第1 段含水層涌水量為12 m3·h-1。

同樣，根據(jù)上述公式和原理，可以計算出該井其他涌水段的涌水量。結果如下：

第2 段含水層涌水量為Q2=26 m3·h-1；第3 段含水層涌水量為Q3=13 m3·h-1；第4 段含水層涌水量為Q4=82 m3·h-1；第5 段含水層涌水量為Q5=35 m3·h-1；第6 段含水層涌水量為Q6=16 m3·h-1；第7段含水層涌水量為Q7=13 m3·h-1。

3.6 結果驗證

根據(jù)計算結果，結合地熱井的總流量及理論模型，對計算結果的可靠性進行驗證。根據(jù)上述結果，該地熱井中所有涌水量之和應該與地熱井總涌水量一致。即Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7。

通過本方法，計算出的Q0=197 m3·h-1；實際該井汽水混合物總量Qm=200 m3·h-1。兩者基本一致，表明本方法較為可靠。

4 討論

4.1 熱儲層特征及分析

谷露熱田ZK1301 井揭露到了多個熱儲層，這些熱儲層的位置、溫度與水量特征為：第一熱儲層位于375～388 m，出水溫度約為174℃，出水量約為12 m3·h-1；第2 熱儲層位于458～482 m，出水溫度約為164℃，出水量約為26 m3·h-1；第3 熱儲層位于526～540 m 之間，出水溫度約為163℃，出水量約為13 m3·h-1；第4熱儲層位于554 m，出水溫度約為161℃，出水量約為82 m3·h-1；第5 熱儲層位于568～578 m，出水溫度約為161℃，出水量約為35 m3·h-1；第6 熱儲層位于596～602 m，出水溫度約為158 ℃，出水量約為16 m3·h-1；第7 熱儲層位于609～613 m，出水溫度約為157 ℃，出水量約為13 m3·h-1。

上述熱儲層中，溫度最高的熱儲層位于375～388 m，出水溫度約為174 ℃；水量最大的熱儲層位于554 m，出水量約為82 m3·h-1。根據(jù)各個熱儲層溫度、涌水量及之間的距離遠近等因素，可以將上述熱儲層進行合并為3 個熱儲層，分別為位于375～388 m 的第1 熱儲層；位于458～482 m 的第2熱儲層；位于526～613 m的第3 熱儲層。按照合并后的熱儲層劃分方式，從溫度與水量來看，第3 熱儲層溫度在161 ℃左右，合計水量約為159 m3·h-1，對該井的產(chǎn)能貢獻最大。

通過對測溫曲線形態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，該井溫度在620 m 出現(xiàn)溫度倒轉后，又繼續(xù)升溫，且之后無明顯的含水層出現(xiàn)。因此，認為該井在620 m附近穿過了F4-2斷裂破碎帶。結合斷裂在地表出露的位置計算，認為F4-2斷裂帶在此處的傾角為63°。上述對熱儲層位置與斷裂產(chǎn)狀的認識對后續(xù)探采結合井的部署具有重要的指導意義。

4.2 熱儲層與斷裂關系

已有工作表明，谷露熱田的F4-2斷裂及一系列NE 向斷裂對熱流體的運移具有一定的控制左右，斷裂交匯處巖石較為破碎，是熱流體運移的有利通道［8］。但是，對于斷裂與熱儲層之間的準確位置關系缺乏詳細闡述。根據(jù)本次測井獲得流溫曲線（圖2），可以發(fā)現(xiàn)，在620 m以深，溫度呈緩慢降低的趨勢，沒有出現(xiàn)因為井內涌水出現(xiàn)的溫度臺階，表明沒有新的涌水層出現(xiàn)；而在注水后0 h 的恢復溫度曲線中，在620 m 以深表現(xiàn)為緩慢增溫趨勢，表明在注水的過程中，注入的冷水對此段無明顯影響，表明此段巖石較為完整，不存在明顯斷裂。如果該井中的7 層熱儲主要受到F4-2斷裂控制，那該斷裂可能從該井620 m 附近經(jīng)過。也就是說，ZK1301 井在620 m 深的位置穿過了F4-2斷裂（圖3）。根據(jù)鉆井與F4-2斷裂地表位置關系，結合鉆井在深部穿過斷裂的準確位置，可以計算斷裂的產(chǎn)狀。該井與F4-2斷裂的水平距離約為339 m，以此計算，F(xiàn)4-2斷裂在該井西側的傾角約為63°。

圖3 谷露地熱田ZK1301 井與斷裂關系示意圖Fig.3 Relationship between drilling ZK1301 and fault in Gulu Geothermal Field

4.3 局限性分析

該方法在建立過程中，并未考慮地熱流體與圍巖（或井壁）之間的熱交換，會導致計算結果存在一定誤差。由于谷露地熱井流量較大，該誤差可以忽略。為了減小誤差，可以在適當延長放噴時間后進行測溫，使得井內熱流體與圍巖之間進行充分的熱交換。

在地熱井內，可能存在部分涌水量較小，或者溫度與井筒內基本一致的含水層。由于測井方法的局限性，這些含水層的涌水量無法通過該方法計算。這也是為什么計算結果與實際測量結果存在一定誤差的原因之一。

該方法在使用過程中，對于每個熱儲層的溫度，采用的是24 h 或更長時間的井內恢復溫度來代替。事實上，由于井筒內的水存在熱傳導和熱對流，導致選取的熱儲層的溫度與實際熱儲層的溫度存在一定的偏差，這就導致最終計算出來的熱儲層的涌水量存在一定誤差。與分層抽水試驗相比，該方法精確度不高，只能算是一種半定量的推算。

5 結 論

1）根據(jù)地熱井恢復溫度測量、流溫測量和井口溫壓測量數(shù)據(jù)，結合能量守恒原理，可以對地熱井內的熱儲層的位置和每個熱儲層的出水量進行半定量計算。

2）谷露熱田ZK1301 井可以細分為7 層熱儲。可將上述熱儲層進行合并為3 個，分別為位于375～388 m 的第1熱儲層；位于458～482 m的第2 熱儲層；位于526～613 m 的第3 熱儲層。其中，第3 熱儲層溫度在161 ℃左右，合計水量約為159 m3·h-1，對該井的產(chǎn)能貢獻最大。

3）根據(jù)ZK1301 鉆井揭露到的熱儲層的位置計算，F(xiàn)4-2斷裂在ZK1301 井西側的傾角約為63°。