深部地热勘查方法在北京地区应用的探讨

 摘要:以北京地区深部地热勘查为例,对现有的一些地热勘查物探方法认真客观地加以总结,对所谓的新方法的应用效果加以评价,提出了适合不同地质构造背景的几种综合物探方法组合及合理的地热勘查程序建议,可供实际勘查工作中参考借鉴。

 

  关键词:地热勘查;物探方法;北京地区.

 

  北京地下蕴藏有丰富的地热资源,地热勘探已有几十年的历史。由于北京地区有地热分布的区域大部分均有第四系覆盖,且地质构造非常复杂,故此物探方法在地热勘探前期勘查中显得尤为重要。在地热勘探前期中应用的传统的物探方法有重力勘探、磁法勘探、直流电阻率测深、人工地震勘探等。

 

  这些方法从理论到实践均较为成熟,在地热勘探中发挥了一定作用。近几年我们先后研发或引进多种物探方法,这些方法包括:微动测深、可控源音频大地电磁测深(CSAMT)、大地电磁测深(MT)、连续(阵列)大地电磁测深剖面(DPEM)、大地电磁场岩性探测系列。

 

  利用常规的一些物探手段,已经成功地为多个地热田的开发进行了前期论证工作,累计定井几十眼,成功率在90%以上,热储层深度、水量、水温、预测准确率在70%以上。但是随着城市建设的发展,城市遍布各种电缆及地下管网,建筑林立,加之勘探深度的加深,常规的物探方法很难开展,物探方法勘查精度大大降低。再者近几年涌现了一些所谓新方法、新技术,由于未能对其在地热勘探领域有效性加以系统研究,盲目应用,导致物探解释推断误差过大,以至增加了钻探风险,造成了较大的损失。

 

  1 各种物探方法有效性分析.

 

  通过与已知钻井资料详细对比,分析各种物探方法在北京地热资源前期勘查中的应用效果,深入讨论北京城区物探工作的特点,总结出在北京地区有效的地热物探方法是重力、磁法、直流电阻率测深以及微动测深、大地电磁测深、可控源音频大地电磁测深等方法,其理由是:这些方法经过国内外长期研究,理论比较成熟,并且长期用于国内外的地热和石油勘探领域,并建立了一套完善的技术规范;这些方法成井效率较高,虽然也有失误,但失误原因较清楚,只要加以重视即可避免;通过总结,今后若能将北京地区全部钻孔资料整理出来物探解释精度还能进一步改善和提高。

 

  大地电磁场岩性探测类方法从理论到实践均不很成熟,应用效果较差,在地热勘查中对地质推断产生了误导,造成了一定的损失。对于这类方法还需加大研究力度,不断探索。

 

  1.1 微动测深方法.

 

  该方法根据地层横波波速特征,对不同时代、岩性地层加以划分[3]。自1995年以来,在北京应用该方法进行地热勘查,地热井前期可行性论证工作,与其他物探方法结合,综合解释推断,取得了较好的应用效果。先后完成了/来广营至望京地区地热物探勘查工作0、/沙河至白浮地区地热资源调查项目0以及/北京城区地热资源潜力调查项目0。在帝京花园、花乡、来广营、计委培训中心、北京市地质勘察技术院、北京大学等地热井可行性论证工作中投入了该方法,经实际钻探验证,该方法解释推断精度在?10%以内O。图1是在丰台某小区地热井前期勘查工作所做的微动测深勘探成果与钻井实际揭露成果对比资料。由图可见勘探结果与实钻结果吻合很好在此地区利用微动测深方法较准确地推断了/良乡)前门0断裂位置,为井位选择与设计起到了重要作用,经钻井验证成功地打出一眼高温(88e)高产(2 000 m3/d)的地热井,开辟了1个新的地热田。通过10个已知地热井资料与微动测深解释推断资料对比统计分析,可以认为:微动测深方法解释推断误差较小,最小误差为0. 6%,平均误差为?6.

 

  9%。其解释精度较高,对其合理利用与其他物探方法综合解释推断定会取得满意的测深成果。

 

  1.2 可控源音频大地电磁测深。

 

  该方法由人工向地下供入音频谐变电流建立电磁场,通过仪器在地面接收从地下反馈来的带有地层特征的信息,根据不同时代、岩性地层电性特征达到勘查目的。该方法横向、纵向分辨率均较高。通过9眼已知地热钻井资料与方法解释推断资料对比统计得知,目的层(蓟县系)推断误差较小平均为7. 8% (刘延忠等, 2001)。该方法在东高地、大东流、良乡西营、北苑等地热井前期勘查工作中对井位的选择与钻井设计发挥了很好的作用。如在东高地地热井前期工作中,由于其有较高的横向分辨率,查明了该地区的断裂构造,确定了凸凹相间的构造格局,为选择井位提供了依据,使该井获得较理想的出水温度与出水量,开辟了又一个地热新区。图2为CSAMT推断结果与实际钻孔对比,从该方法推断电阻率直方图上可以看出,自上而下可分为3个电阻率层,对应第四系为低阻层,对应奥陶、寒武系及青白口系为中阻层,对应蓟县系为高阻层。这说明用此方法划分存在电阻率差异的地层,尤其是确定具有高电阻率的热储层蓟县系,是十分有效的。

 

  1.3 大地电磁测深方法。

 

  该方法基本原理与可控源音频大地电磁测深方法类似,只是利用的场源为天然场源。该方法一般不宜在北京这样电磁干扰严重的城市工作。但是在北京的实践表明:在个别地区(远离城区)以及个别时段(例如夜间),尚能观测。通过人工资料处理与编辑,还可进一步压制干扰。如在槐树岭、南宫、马甸的地热井前期勘查中取得了比较好的成果。图3为该方法推断成果实际钻孔对比。从图中电阻率直方图可以发现自上而下分为2个主要电阻率层,上1)第四系; 2)奥陶系; 3)寒武系; 4)青白口系; 5)蓟县系铁岭组;      1)第四系; 2)白垩系; 3)白垩系夏庄组;6)蓟县系洪水庄组; 7)蓟县系雾迷山组4)白垩系坨里组; 5)蓟县系雾迷山组部低阻层对应第四系及白垩系,下部高阻层对应蓟县系。此方法在克服电磁干扰的前提下,确定热储层蓟县系也是比较有效的。通过对6口井的资料计算统计,地层界面推断误差为8. 7%O,已达到物探精度要求。

 

  1.4 大地电磁场岩性探测类方法。

 

  此类方法皆以天然电磁场为场源,只是数据采集、处理分析手段各有不同,近几年才在北京地热勘查领域应用,分别是:阵列岩性探测、大地电磁岩性探测、大地电场岩性探测、大地频谱测深等。

 

  (1)阵列岩性探测。该方法投入北京地区地热勘查时间较晚,做了许多已知井实验,但所做的工作均在成井后进行的,不具有说服力。再者若将此结果与那些成井前作出推断的物探方法同样加以评价,这样做有失公允。在此不对该方法进行评价,有待今后在实践中对其逐步认识。

 

  (2)大地电磁岩性探测。由于观测的天然场与大地电磁测深方法为同一场源,包含有地下信息,数据采集频点较密,振幅跳跃有的与地下信息有关,仔细辨别,也会发现有意义的异常。但该方法仍然存在着一些问题:①重复观测一致性不好,方法原理上没有解决天然电磁场随时间变化和电磁干扰等技术问题,振幅跳跃,大部分反映了天然电磁场随时间变化的电磁干扰,容易被误导;②此方法仪器只观测二次场,这种说法是缺乏依据的。在天然电磁场随时间变化问题和人文电磁场干扰没有解决,采用微分只能放大观测信息中的干扰信号;③解释标志与实践不吻合,只有观测者自己能解释。

 

  (3)大地电场岩性探测。此方法参加统计的有6口井井旁勘查资料: JR-92、JR-95、JR-73、十三陵、汤热-49、航三院地热井。目的层解释深度误差平均为19. 9% (刘延忠等, 2001)。此方法存在的最大问题:①重复观测一致性不好;②此方法处理出来的3条曲线,理论上说不清楚;③从解释标志划分出许多含水层,符合的较少,不符和的较多,若与地质资料结合不好,将会被误导。

 

  (4)大地频谱测深法。此方法参加统计的井旁资料有:香山地热井、航三院地热井、SR-4、JR-93、十三陵、JR-94、JR-92、木樨园地热井、JR-84等。其推断热储层深度平均误差为: 25. 4%O,是岩性探测类几种方法中误差最大的。该方法在航三院(地处云岗)地热井钻井前推断目的层深度误差达600 m(大地电场岩性探测法在此之前进行过探测,与实钻误差大达1 184 m),使钻井不得不由设计的3 620 m加深到4 120 m才终孔。该方法不仅造成了很大的深度风险,而且由于其误导,更为遗憾的是错过了在此井南侧约1 km处最佳井位选择,这口井已经报废(图4)。该方法主要问题:①仪器是北京大学研制1)古近系; 2)白垩系一段; 3)蓟县系雾迷山组②由于曲线较乱,解释标志很难与实际吻合。

 

  上述各方法对热储层蓟县系具体解释推断误差见表1。

 

  2 地热勘查物探方法组合。

 

  通过对大量已知钻孔前期投入的各种新方法的有效性对比分析,北京地区地热勘查效果较好的新方法是微动测深、可控源音频大地电磁测深以及大地电磁测深和连续(阵列)电磁剖面测量等。这些方法理论成熟,并经多年国内外应用,取得了较好的应用效果,解决了许多地质难题。我们建议在今后的地热勘查中,根据不同地质构造背景、区域物性特征,尽可能应用这些物探方法。按照合理的工作程序开展工作,解释推断时要充分参考区域地质构造情况,且不可就物探而物探,孤立地解释分析。

 

  北京平原区过去做过面积性的重力勘查、航磁勘查(地面磁勘查)、直流电阻率测深等工作,这些资料目前仍是重要的基础资料。

 

  北京地区重力勘探数据受干扰最小,工作条件受限制也少。应借助已知钻孔资料及地层密度特征,做进一步的定量解释。重新处理中必须把新生界密度界面影响剥去,直接找寻热储层界面。

 

  北京平原区侏罗系(磁性地层)广泛分布,它的厚度与分布是地热勘查中必须考虑的因素,因此应用航空磁测资料研究北京平原区火山岩的分布与厚度是一项重要技术措施。

 

  直流电阻率测深资料有必要进行再处理,利用现有的先进的反演软件,对这些资料再处理解释,利用统计的北京地区各时代地层测井电阻率进行地层纵向划分。

 

  地面物探众多方法中不外乎有2大类工作方式。一类为位场法的测量,另一类是可以立体测量不同深度物理场的方法,简称测深法。位场法一般测的是天然场源,如重力、磁法、放射性等。它接收的是稳定的场值,在1个测点上只有1个数值。它一般要用地面上多个观测点(1个区域)才能反映出物理场的分布特征。在1条线上的观测值组成剖面曲线,由多条平行的剖面可以组成平面数据。测深方法一般要建立1个变化的人工场(少数利用变化的天然场),在原地布1个接收系统就可以了解到不同深度的物理量,即得到1条垂向剖面。

 

  每一种单一的物探方法,都有其局限性以及应用物性前提。从理论上来讲,其理论推导均是建立在特定的理想化的边界条件基础上而得来,实际地下地质构造状况与理论边界条件有时相去甚远,这时物探方法的应用效果可想而知了。

 

  任何一种物探方法在城市中开展,其观测数据均会受到外界干扰信号影响,同时客观地理环境影响、观测质量不高、计算偏差、物性前提不充分等因素,这些都会使单一物探方法解释推断产生误差。

 

  采用单一的物探方法进行解释推断得出的结论是片面的,有时误差较大。如香热-1井、航三院井、槐树岭井、JR-105等,均只采用一种物探方法,解释误差较大。香热-1井只采用了/大地频谱0方法,该方法本身就是一种不成熟的方法,该井前期推断热储层深度误差达23%;航三院井也只采用了/大地频谱0方法,推断误差为16%; JR-92井只采用了DPEM方法,该方法解释的电阻率界面十分清楚,地质设计时推断热储层埋深未采用此方法解释界面深度数值,若当时投入了另外一种测深方法, 2种方法相互印证,会得出相对正确的结论,该井推断误差为23%。

 

  由此可见单一物探方法解释推断是不行的。为了减小物探推断误差,除了提高单方法本身的能力外,采用多方法组合勘探是必要的。多种方法组合在一起,可以相互弥补,取长补短。以不同的物性前提来论证同一目标物,会得到合理、客观的推断结论。

 

  地热物探工作应由多方法组合完成,特别是要根据地质任务合理选择不同类方法(平面测量和测深方法)进行组合。这2类中的具体方法的选择则要考虑目的层的物理前提。这个物理前提就是目的层与其他地层的物性差异。这种差异要足够大才能反映到物理场中,被仪器观测到。如在坨里丰台凹陷中,第三系、白垩系都是低电阻率岩层,而基底碳酸盐岩都是高电阻率,两者之间物性差异明显,电磁类方法的效果就比较好。如果在凸起上,第四系下存在中生界侏罗系及古生界地层而热储层为蓟县系,他们之间电阻率差异不明显,这时用电磁类方法将不会取得好的效果。这时就要利用岩石的其他物性差异,选择另一种方法进行分析。如应用微动测深方法,根据波速差异进行地层划分。根据北京地区的区域地质构造情况,对于不同地质构造单元推荐如表2所列的方法组合。

 

  深部地热勘查方法在北京地区应用的探讨表2 不同地质构造单元地热物探方法组合构造划分平面方法测深方法门头沟迭陷褶重力、磁法微动、CSAMT或MT大兴迭隆起重力直流电阻率测深、CSAMT、MT、微动测深坨里-丰台凹陷重力、磁法CSAMT、微动测深后沙峪凹陷重力直流电阻率测深、CSAMT、MT、微动测深东坝凹陷重力直流电阻率测深、CSAMT、MT、微动测深延庆盆地重力、磁法CSAMT、MT、微动测深3 地热物探勘查合理的工作程序地热物探工作的开展必须遵循一套合理、有效的工作程序,才能保证工作质量,做出正确的解释推断结论,减少钻井风险,避免损失。笔者认为正确的工作程序应该如下。

 

  (1)接受工作任务后,先要到实地踏勘,了解工区概况。

 

  (2)收集已有的资料,对资料进行详细论证分析,明确工区附近的地质构造背景。收集工作区地层物性资料。

 

  (3)根据工作目的和已有资料掌握程度,做出合理的工作设计。

 

  (4)选择有效的方法组合,投入足够的工作量,布置合理的测点网度。

 

  (5)认真做好野外数据采集工作,确保数据质量。野外工作顺序,应是先做面积性工作,然后根据所获得的信息,有针对性地投入测深工作。必要时要适当调整工作设计。

 

  (6)建立完善的野外验收程序,严格执行有关技术规范。

 

  (7)室内资料处理要充分严谨,综合解释推断,要根据已有的地质资料,地层物性特征做出合理的地质解释。

 

  (8)进行钻井施工后,一定密切重视钻孔揭示地层情况。及时对物探资料进行总结,使之推断能力不断提高。