河北雄县地热田钻井地温测量及地温场特征.pdf

书书书 年 月 地 质 科 学 （ ） ： ： 河北雄县地热田钻井地温测量 及地温场特征 李卫卫 ， 饶 松 ， 唐晓音 ， 姜光政 ， 胡圣标 孔彦龙 ， 庞菊梅 王建存 （ 中国科学院地质与地球物理研究所 北京 ； 中国科学院大学 北京 ； 中国石化集团新星石油公司 北京 ） 摘 要 根据研究区 口井的实测井温资料及前人的研究成果，开展了雄县地区地温场分 析，对雄县地热田地温场的特点取得了以下认识：雄县地热田的盖层以传导热传递方式为 主，热储层中源于供暖期热水生产和回灌引起的地下水受迫对流的影响，以对流热传递为 主；不同静井时间的重复测温结果显示，静井时间的长短和井内流体的运移方式（ 抽水或回 灌） 控制了井内温度的分布及井内温度的动态变化：静井时间增加则测得的温度在中性点上 下呈反向变化；生产井和回灌井的测温曲线存在明显不同；雄县热田第四系底部的温度为 ，容城凸起为 ；雄县热田第三系底部温度为 ， 容城凸起为 。雄县地热田盖层内的地温梯度为 之间，平均为 ；容城凸起的井地温梯度为 ，平均为 。雄县地热田 内盖层导热流值变化为 的范围。 关键词 雄县地热田 钻井地温测量 地温梯度 生产井 回灌井 地温场 中图分类号： 文献标识码：文章编号： （ ） 书书书 中国石化集团新星石油公司合作项目“ 我国典型地热田成因分析、资源评价与优化开采研究” （ 编号： ） 资助。 李卫卫，女， 年 月生，硕士研究生，构造地质学和地热学专业。 ： 收稿， 改回。 节能减排和能源短缺使得地热资源的开发利用日益得到人们的重视（ ， ；汪集等， ；庞忠和等， ；郭世炎等， ） 。河北省牛驼镇凸 起地热田作为我国中低温地热开发利用的示范区，其热储类型主要为基岩岩溶裂隙热 储，具有储量大，可回灌等重要特点，是华北地区具有代表性的地热田。雄县地热田位 于牛驼镇凸起南侧，是该区的典型热田代表区。 早在 世纪 年代进行石油普查和勘探时就在该区发现了地下热水，并对该区域 进行了相关的研究。陈墨香等（ ） 和陈墨香（ ） 研究表明牛驼镇凸起地热异常的 形成机制是正常热背景下形成的，凹凸相间的格局使得热流值的分布有高有低。早期的 研究主要着重于地热田区域构造范围内的形成机制，及其与周边不同构造单元的地热对 比研究，测温井点相对较少，研究具有区域代表性。在前人研究基础上，本文利用牛驼 期李卫卫等：河北雄县地热田钻井地温测量及地温场特征 镇凸起和容城凸起新增的 口地热井的重复钻井测温数据，对雄县地热田的现今地温 场特征做了进一步的分析和研究。 地质背景 雄县的大地构造位置为中朝准地台（ 级） 华北盆地（ 级） 内的冀中凹陷（ 级） 的 北部。雄县大部分范围属于牛驼镇凸起，其北临廊坊固安凹陷，西临容城凸起，东南为 霸县凹陷，南侧和西南分别为饶阳凹陷和高阳低凸起。牛驼镇凸起的边界均为断裂构 造。包括牛东断裂、大兴断裂、容城断裂和牛南断裂 （ 图 ） 。 图 雄县区域构造位置和地质背景图 区域内新生界随凸起和凹陷的分布呈披盖式沉积，第四系松散层和上第三系砂岩、 砾岩和泥岩近乎水平，下第三系砂岩、砾岩和泥岩倾角平缓。由于第三系地层和第四系 松散沉积层热导率低，孔隙度较小，因此主要为地热田的盖层。下伏地层为白垩系、侏 罗系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系、青白口系、蓟县系和长城系灰岩，以及太古宙 变质岩。地热田范围内主要是蓟县系雾迷山组灰岩，由于其具有较大的孔裂隙空间和较 高的热导率，为热流体的储存和热传导提供了有利条件，是雄县地热田的主要储层。 根据研究区域热流的估算值可知（ 陈墨香等， ） ，牛驼镇凸起热异常是在正常地 温背景下形成的。冀中凹陷内部凹凸相间的构造格局和断裂分布为热流的传导提供了 有利条件。研究区周边的凹陷区有巨厚的低热导率沉积层，阻碍了热流的传导。而牛驼 马敬业，蔡洪涛，董金声 河北省牛驼镇地热田勘查报告 省地矿局第三水文地质工程地质大队地热分 队 刘久荣，王树芳 河北省雄县地热资源评价报告 北京：北京市地质工程勘察院 地 质 科 学 年 镇凸起区的高热导率地层为热流的运移提供了有利条件，从而导致了热流向凸起区聚集。 牛驼镇凸起是冀中凹陷一个显著的次级正向构造，是一个单断块翘起和抬起升高， 后期遭受强烈剥蚀的凸起。周围控边断裂有牛东断裂、大兴断裂和容城断裂，除此之外 周边还有许多小型断裂。其中雄县地热田是牛驼镇凸起南部的一个高热异常区。雄县 区域位置图及研究范围如图 所示。 图 雄县地热田地理位置及钻井地温测量井分布范围 测温数据分析 本次测井工作于 年 月和 月份 次进行，分别是在供暖停止 个月和 个 月后进行了生产井和回灌井地温测量，目的是观测不同静井时间和生产状态下井下温度 分布特征。共测井 口次，其中可用数据共有 口次。为了研究水位的动态变化及不 同时间内井温的恢复情况，间隔 个月后重测了 口井，以便于进行对比研究。测温数 据可以直观的显示出水位面和温度随深度的变化情况，我们将本次所测地热井进行了统 计分析，结果如表 。 井温资料 将测温数据进行了井斜、外界干扰等因素的校正之后，得出本次地温测井的结果如 图 所示。其中断线表示的是容城凸起的热井，实线和点线分别代表雄县地热田的不同 静井时间的两次地温测量结果。由全区钻井的测温曲线分析可知，在 左右以浅， 第四系和上第三系明华镇组所显示的温度深度曲线是一致的，反映两套地层的岩性组 成与结构相似，而进入 以深的蓟县系雾迷山组后，曲线发生了明显的变化，所以 期李卫卫等：河北雄县地热田钻井地温测量及地温场特征 书书书 表 雄县地热井测温结果 一次测井测温深度 水位 井底温度 二次测井测温深度 水位 井底温度 武装部井 太阳城 阳光尚城 武装部 温泉花园 温泉花园 胡台 盛唐 绿源 胡家台 盛唐 泰和 盛唐 滨河井 太阳城 容城井测温深度 水位 井底温度 金百瑞井 金台 温招 金台 农发行 领秀 世纪城 井 领秀 世纪城东井 世纪城东南 世纪城西北 世纪城西南 此时将第四系和上第三系明华镇组地层统一视为该研究区的盖层是合理的。 从测温曲线可以看出， 以浅，温深曲线呈线性，表现为传导型地温的特点； 以深，地温梯度较上部层段减小了很多。原因是该深度段进入蓟县系雾迷山组的 灰岩、白云岩岩系，是地热田的岩溶热储层段，该段的岩石热导率高，更重要的是受到 供暖期高强度抽水或回灌作用的影响，使得下部储层内温度受到较大扰动，在较短的静 井时间内，不足以达到平衡。这里特别需要强调的是，由于储层的巨大体积空间，受到 热扰动后热恢复时间不同于井筒内热扰动后的热恢复时间。因此观测到的热水开采层 内的温度依然较为均一，即地温梯度较小。而回灌井中，冷水的注入，使得深部储层的 温度明显降低。总体来说，雄县地热田地热井的温度要比容城地区的地热井的温度高。 单井分析 利用测温数据进行了单井的温度深度曲线绘制，并计算了盖层及相关钻井的热储 层的地温梯度。在 以浅，井温受浅部地表水的扰动比较严重，线性关系不好；但 在 热井的线性关系良好，反映了传导型地温场的特点，随着深度的增加温 度呈线性增加； 以深，是岩溶热储层，虽然还是线性增加关系，但是地温梯度明 显降低，原因在于岩溶储层岩性为灰岩、白云岩，这类岩石的热导率明显高于新生代的 砂泥质沉积岩（ 倍以上） 。同时，静井时间较短，下部岩溶储层的热水受到前期扰动 （ 抽水或回灌） 作用仍然存在，使得温度较为均一。雄县地热田的地温梯度为 ，平均为 。容城井则为 ，平均为 地 质 科 学 年 图 雄县地热井温深曲线 （ 图 ） 。 图 中展示的是不同的静井时间所得到的温度深度曲线，实线表示 月份进行的 第一次测温，断线是 月份进行的第二次测温，即再经 月静井时间后的测温结果。 其中绿源井的两次测温时间间隔为 个月，胡台 井、盛唐 井和太阳城 井的测温间 隔为 个月。显然，两次测温结果表现为“ 跷跷板” 形状。即存在一定深度的中性点，中 性点处代表真实的地层温度。中性点之下，第二次测温时的温度高于第一次测温数据， 中性点之上，则相反。原因在于井液的循环是自下而上的，井底段井液与地层的温度相 差最大，地层降温最多，向上运移过程中井液被周围地层加热，井液与周围地层温度差 逐渐变小，地层降温也逐渐减小，直到井液温度与地层温度相同的平衡点。再向上，热 的井液反而加热冷的地层，使地层温度升高。所以出现此现象（ 汪集， ） 。 图 显示的是生产井产量与回灌井回灌量随时间的变化，由图可见， 月到 月呈 上升趋势，月到 月中旬的为高峰期，月中旬到 月底呈下降趋势，测温的时间段是 在停止生产或回灌的 个月和 个月后进行的，就盖层中的井筒而言，已有足够的静井时 间，但对于抽水和回灌的储层而言，这一热恢复时间尚不足以使储层内的温度得以恢复。 图 显示的是生产井和回灌井温深曲线差异，实线代表生产井，断线代表回灌 井，两者的主要差别在进入热储之后的温度变化。生产井温度在进入热储之后是缓慢的 增加，地温梯度较小，但是回灌井显示的是温度降低，原因是外部回灌的冷水进入具有 大孔隙的岩溶储层后，温度恢复较上部井筒中水柱（ 井筒较下部岩溶储层，体积小得多） 期李卫卫等：河北雄县地热田钻井地温测量及地温场特征 图 雄县地热田盖层内钻井温度深度曲线（ ） 和雄县容城地热田盖层和储层内钻井温度深度曲线（ ） ； 地 质 科 学 年 图 雄县部分钻井两次测温结果比较 图 测温时间与抽水或回灌量随时间的变化关系图 期李卫卫等：河北雄县地热田钻井地温测量及地温场特征 的温度恢复慢，因为井筒中水柱体积小，受热面积大，周期地层都可以加热，但是下部 岩溶储层中冷水的体积要大得多，温度恢复要慢得多，所以相同时间下，上部井筒的水 温可能与周边的地温达到平衡，但是下部岩溶储层的水温仍然很低，从而出现温度下降 的情况。 图 井温恢复示意图 生产井回灌井温深曲线差别； 生产井温度恢复曲线； 回灌井温度恢复曲线 图 表示生产井的温度恢复曲线，是温度恢复过程，随着静井时间的增 加，下部的温度逐渐接近地层的真实温度，曲线呈“ 跷跷板” 形状。图 显示的是回灌 井温度恢复曲线，是温度恢复过程，与生产井的温度恢复过程类似，地层中存 在一个平衡点，也是形成“ 跷跷板” 形状：平衡点处代表真实的地层温度。平衡点之下， 静井时间越长，井温越高，越接近地层温度。平衡点之上，相反。因为，井液的循环是 自下而上的，井底的井液与地层的温度相差最大，地层降温最多，向上运移过程中井液 被周围地层加热，井液与周围地层温度差逐渐变小，地层降温也逐渐减小，直到井液温 度与地层温度相同的平衡点。再向上，热的井液反而加热冷的地层，使地层温度升高。 所以出现上述现象（ 胡圣标等， ） 。 地温场特征 根据实测钻井温度编制了地热田第四系底板 （ 图 ） 和第三系底板 （ 图 ） 的等温线 图。部分缺少钻井的区域则根据搜集到的相邻构造区钻井的测温数据，在假定纯传导条 件下，根据恒温带深度 和温度 推算得到。 第四系底板的温度为 ，高值区在热田的中央位置，容城井温度分布 则为 ，相对牛驼镇凸起内的地热井温度低约 （ 图 ） 。 第三系底板的温度为 ，高值区亦在热田的中央位置，容城井则为 地 质 科 学 年 图 雄县热田等温线（ 第一次测温结果） 第四系底板等温线； 第三系底板等温线 图 雄县热田盖层地温梯度等值线图 ，相对牛驼镇凸起内的地热井温度低约 （ 图 ） 。 地温梯度是指单位深度内温度的变化率，可以反映地温随深度的变化率。在该地区 根据实际测得的温度数据，计算了每一口井的地温梯度值，计算方法（ 肖卫勇等， ） 如下： 期李卫卫等：河北雄县地热田钻井地温测量及地温场特征 恒 恒 其中：表示地温梯度，表示计算层段底部的温度， 恒表示恒温带的温度，表示计算 层段底部深度， 恒表示恒温带的深度。 本次测温结果显示，上部 或者 左右受浅部地层水的扰动，无法用此方 法计算，所以选取无浅层地下水扰动的井段分别计算盖层的地温梯度和储层的地温梯 度，盖层地温梯度的计算方式如下： 表示盖层底部的深度， 表示盖层中无地下水扰动时的深度； 表示盖层底部的温度， 表示无浅层地下水扰动时相应深度的温度。和 依据不同井的情况取值不同。 同理储层的地温梯度计算公式如下： 底 底 底、分别表示储层的底、顶板的温度，底、分别表示储层底、顶板的深度。依据上 述公式计算结果如表 所示： 书书书 表 雄县地热田地温梯度计算结果统计表 井名 井名 胡台 太阳城 胡台 太阳城 盛唐 武装部 金百瑞 盛唐 绿源 盛唐 绿源 温泉花园 世纪城 井 农发行 世纪城西南井 温招 世纪城东井 金台 世纪城东南井 金台 世纪城西北井 领秀 由表 可知，所有地热井的第四系和第三系的地温梯度是相似的，而下部岩溶热储 的地温梯度则极小，这源于前已述及的储层的高热导率岩性，尤其是开采和回灌过程中 热对流引起的热扰动。结合所计算的地温梯度值绘制了雄县地热田的盖层地温梯度等 值线图 （ 图 ） 。 显然，热田的 西 南 部 具 有 高 的 地 温 梯 度 值，雄 县 热 田 盖 层 地 温 梯 度 为 ，平均为 。容城井则为 ，平均为 。 雄县热田为高值区。 结合牛驼镇凸起的地质剖面图分析，高地温梯度的位置正好是牛驼镇凸起的最高位 地 质 科 学 年 图 冀中凹陷热流图 置，说明等值线的分布随高热导率基岩面的起伏而变化，凸起高点区是地温梯度高值 区。结合相关的研究资料显示：牛驼镇位于两凹夹一凸的构造格局中，其中廊坊固安 凹陷的盖层地温梯度为 ，地温梯度的低值区在柳泉地区（ ） 与凹陷的深凹槽相对应。霸县断阶为 ，霸县凹陷的中心也是地温梯度的 低值区所在。本次研究的井位都位于牛驼镇凸起内部，其盖层的地温梯度普遍大于 ，比两凹陷地区要大得多（ 陈墨香， ；阎敦实等， ） 。正是因为该区为 高热导率基岩隆起部位，并且下部元古界的灰岩储层经过淋滤、风化，形成了热水储集 的场所，下部和侧向热流向隆起区汇聚从而在牛驼镇凸起区形成了热异常区（ 陈墨香， ） 。 大地热流特征 大地热流 是反映地球内部热状态的一项物理量，是研究区地温场的基本参数，它 反映了区域热状态和地质构造背景，尤其对研究区地质构造的发展和深部地壳结构特征 具有重要意义，其数学表达式为： 其中，表示该层段的地温度梯度，表示相应地层的岩石热导率。 由于地热田内部无岩石样品，因此我们搜集了北京、天津、河北等附近邻近地区的 岩石的热流值、热导率值。根据相同层位的相关岩性确定了牛驼镇凸起地区的岩石的热 导率。 由于下部基岩热储层存在热对流，所以仅计算研究区盖层内部的热流值。通过对冀 中凹陷内地层的埋深、沉积特征、岩石组成、结构、成分等的研究，估算了盖层内地层 的热导率值为 （ 阎敦实等， ） ，计算了部分热井的热流数值 （ 表 ） 。 期李卫卫等：河北雄县地热田钻井地温测量及地温场特征 因为井位比较集中，所以以牛驼镇凸起区 口井的热流的平均值 作为牛驼 镇凸起中雄县地热田盖层的热流值，计算了容城凸起 口地热井的热流平均值 作为凸起区内盖层的热流值。 书书书 表 雄县地热田热流值计算表（ 第一次测温结果） （ ） 区域井名深度段 地层地温梯度 热流值 牛驼镇 凸起 胡台 金百瑞 盛唐 世纪城 井 太阳城 温泉花园 世纪城东井 容城 凸起 金台 金台 领秀 根据计算的热流值和搜集的冀中凹陷部分热流数据（ 阎敦实等， ；胡圣标等， ；邱南生等， ） 绘制了冀中凹陷热流图 （ 图 ） 。 冀中凹陷的热流值为 ，平均为 。 这一数值可视为 冀中凹陷的区域热流值。与华北地区 的热流平均值相接近，也接近于全球热 流平均值 ，因此属于热流正常区。由所计算到的热流值分析可知：其中有 些热流值高于本区传导热流的上限值 （ 约 ） （ 陈墨香， ） 。高出 的部分热流说明除有传导型热流外还有另一个影响因素，就是深部热水沿断裂带上涌形 成对流型热流。本次的雄县地热田也就是牛驼镇凸起内部就存在这种现象。牛驼镇凸 起区热流值为 ，容城凸起区为 ，高阳低凸起热 流值为 ，周边的霸县凹陷区和廊坊固安凹陷区等为低值区。冀中凹陷 为明显的凹凸相间格局，凸起区为热流高值区，凹陷区为低值区。 研究区的热流值明显高于我国的平均热流值 （ 汪集等， ） ，牛驼镇 凸起的热异常是在正常的地温背景下形成的。由于牛驼镇凸起是冀中凹陷内明显的次 级正向构造区，盖层只有 厚，第三系的沉积岩直接覆盖在元古界灰岩之上， 使得下部的热流向上传导时，优先在具有高热导率的凸起区汇聚（ 热折射作用） ，加上元 古界岩层经历长时间的淋滤、风化作用，形成了高孔、高渗的热储层，有利于热流的传 导，所以形成了华北平原上的高温地热田（ 陈墨香等， ， ；陈墨香， ） 。需 要特别指出的是，由于热流的计算采用的是盖层中的地温梯度，而其下伏热储层中的地 热开采与回灌或多或少会降低盖层中的地温梯度，从而降低盖层中的热流值，因此，稳 态条件下的热流值应该更高些。 结 论 牛驼镇凸起是冀中凹陷内部的显著正向次级构造，遭受强烈的抬升、剥蚀作用之 地 质 科 学 年 后，顶部覆盖较薄的沉积层。加之周边的牛东断裂、容城断裂等控边断层，使得高凸深 凹的构造格局十分明显，且基岩热导率明显高于盖层的热导率，这就为下部热流的向上 运移、侧向热向凸起区的汇聚提供了重要地质条件。 钻井测温曲线显示雄县地热田的盖层中的热传递以传导方式为主，平均地温梯度为 ，而热储层中的热传递由于热水的开采和冷水的回灌受到显著扰动，热对流是 储层内的主要热传递方式，储层地温梯度平均值为 。 就雄县地热田的成因机制而言，它是在中国东部晚中生代岩石圈减薄引起的正常偏 高的区域热背景下，通过高热导率碳酸盐岩基底凸起引起的侧向热汇聚形成热异常，而