井溫測井數據在湖北中深層地熱勘查中的多效應用

張祎然， 梁學堂， 全浩理*， 劉 磊， 金 端， 倪 倩

(1.湖北省地質局 地球物理勘探大隊，湖北 武漢 430056； 2.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430034)

地熱能作為一種優質的清潔能源，被廣泛應用于供暖、制冷、發電等領域，還將在節能減排、鄉村振興中發揮更多作用[1-2]。近年來，中深層地熱能的應用需求十分旺盛，尤其是城市地區，帶動地熱井數量逐年快速增加。測井作為一種常用的物探手段，在地熱勘查中發揮了重要作用[3-4]。然而在實際地熱勘查中，測井會出現較多問題，例如地熱井中地層多見破碎，電阻率、聲波等參數在連通和非連通孔隙中的響應特征較為相似[5]，給涌水層識別帶來一定的干擾；在巖性較為復雜的層段，常規參數響應變化較大[6]，增加了數據處理難度，影響目標層識別效率。此外，地熱井多為清水鉆進，成井易垮塌，為保證井壁完整且水量供給充足，成井時往往采取花管固井技術，即使用多孔眼的PVC塑料管或鋼制套管對井身進行加固處理，確保成井后依然能夠正常使用，因此部分地熱井的后期數據采集是在有套管的情況下完成的，自然電位、聲波時差、電阻率等常規測井響應特征均會出現不同程度的失真[7]，從而影響涌水層識別的準確性，甚至不能作為涌水層識別的依據。同時，在地熱田、地熱供暖等應用場景下，單個工區的鉆井數較多，如果采取標準測井序列，則存在成本較高、數據采集與處理周期較長、受環境制約程度較大等問題。

井溫測井是一種常規測井手段，其利用鉆井內溫度隨深度的變化規律來研究地質構造、尋找礦產資源以及檢查鉆孔技術狀況，在綜合測井資料解釋中，一般作為輔助資料來進行測井解釋[8-9]。大量測井生產實踐表明，將井溫測井數據進行合理處理，獲得井溫監測曲線及其梯度變化曲線，可以實現目標層識別等目的，甚至定性評價其規模[10-16]。特別是對于復雜條件和較大規模應用場景下的地熱井測井工作，當其他常規測井手段難以有效發揮作用或成本較高時，井溫測井更具便捷、高效、經濟等優勢。

鑒于此，本文以湖北省兩處中深層地熱井為例，總結在不同監測模式和監測環境下，充分應用井溫測井數據解決地溫梯度讀取、高溫及涌水層識別、裂隙觀測、套管查漏等實際生產問題的方法，為地熱勘查開發中提高井溫測井數據利用率并降低測井工作成本提供新思路。

1 井溫測井方法

1.1 井溫測井原理

井溫測井是地熱勘查中的規定項目，在施工過程中一般會優先對井溫進行監測，具有設備簡單、響應穩定、數據直觀、定位準確、經濟便捷等優點。井溫監測的主要工作原理是在橋式電路中接入一對溫感電阻，通過測量由溫度導致電阻變化引起的電壓差異來得到環境溫度[17]。井溫引起電阻變化的規律為：

RT=R0[1+α(T-T0)]

(1)

式中：T為儀器的測試溫度，℃；T0為儀器的初始溫度，℃；α為電阻絲的溫度系數，1/℃；RT為溫度T對應的電阻，Ω；R0為溫度T0對應的電阻，Ω。

則電阻的變化值ΔR為：

ΔR=RT-R0=R0α(T-T0)

(2)

電阻的變化會轉化為電壓變化，可得：

(3)

式中：ΔU為溫度由T0變化到T時的電位差，V；I為電流強度，A；k為儀器常數，表示電阻變化一個單位量時溫度的變化值，℃/Ω。

根據上述計算公式可知，井溫受地層結構、壓力、井液等外部環境因素的影響極小。在實際工作中，井溫測井主要獲取的是當前深度的井液溫度，通過動態和靜態井溫監測，可以提取能反映環境特征的有效信息。

1.2 井溫監測模式

1.2.1靜態井溫監測

靜態井溫監測的主要目的是獲取當地地溫梯度，識別溫度異常層段。地殼從地表到深部的溫度逐漸升高，在理想狀態下(地層未被擾動，無溫度異常顯示時)，地殼淺表地溫曲線近似直線，稱為地溫梯度線，其斜率基本固定，即地溫與深度的關系為線性函數關系。不同的地區具有不同的地溫梯度，以此作為井溫監測曲線異常解釋的基本模型。

進行靜態井溫監測時，需要使井筒處于關閉狀態，通過隔水、閉管等方式減緩井內液體涌動，靜置超過24 h后方可進行監測。監測時以下行測量數據為準，得到的井液溫度受涌水等環境因素影響程度小，因此該溫度近似于測量點對應深度的地溫，從而直觀地反映地溫變化情況。

當存在地溫異常層段時，井溫監測曲線會在宏觀上表現為一條弧線，當該段井溫梯度低于正常地溫梯度時，井溫監測曲線表現為負弧線；當該段井溫梯度高于正常地溫梯度時，井溫監測曲線則表現為正弧線(圖1)。

圖1 井溫監測曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of well temperature monitoring curve

1.2.2 動態井溫監測

動態井溫監測是指井液處于動態循環時的溫度監測，人工注入井液、抽水和井內液體自涌時進行的井溫監測都屬于動態井溫監測。由于井液處于動態擾動時，會造成井內上下溫差縮小，井內液體溫度不能反映測量點對應深度的真實地溫。影響動態井溫的因素主要有流體溫度差異、流體性質變化、機械能加熱等。

(1) 流體溫度差異。是指自涌或注入的流動流體與地溫存在差異時，會在涌水點或注入點形成溫度干擾，整體影響井溫及其梯度值。

(2) 流體性質變化。常見的井內流體為氣、液兩種形式，在壓力增加或釋放時，流體密度發生變化會出現放熱和吸熱現象[17]。以地層高壓氣體為例，其釋放時體積膨脹，會吸收大量井液熱量，形成低溫異常。

(3) 機械能加熱。是指液體流動或擾動時產生的機械加熱現象。裸眼井流體動能較大時，與管壁摩擦會小幅度提高井溫；部分隨鉆測試時也會因為機械施工造成井液溫度暫時升高，實際測量時應盡量避免該現象出現。

在常規地熱勘查時，動態井溫監測的情況為井內液體自涌、隨鉆監測等，本文僅對井內液體自涌情況下的井溫監測數據進行分析。發生井內液體自涌時，涌水層之上的井溫會受到較大影響，即井溫梯度減小，井溫監測曲線斜率降低；而由于涌水層之下沒有流出通道，下涌水量較少，會導致下方的井溫及其梯度變化較小，且井溫與真實地溫呈現固定幅度變化。由此可見，涌水層具有類似隔溫帶的作用，使其上、下方的井溫監測曲線在涌水層位置出現拐點并產生“臺階”(圖1)。

2 井溫測井數據的應用

2.1 鉆井概況

本文以宜昌ZK01和武漢DRJ01兩口地熱勘探井為研究對象。

ZK01井井深512 m，探測地層主要為寒武系，探測目的為尋找深部導水斷層。該井揭露巖性主要為泥頁巖和灰巖，巖心較完整，無明顯破碎層段。全井地溫梯度較高，平均為3.3℃/100 m，高于當地平均值。該井無自涌水，最大日涌水量<200 m3/d。測井目的是通過常規測井識別高溫層，揭示井溫隨深度變化的特征。

DRJ01井井深850 m，探測地層主要為震旦系，探測目的在于尋找深部導水斷層和主力涌水層。該井揭露巖性較單一，主要為片麻巖，巖心不完整，井壁多見破碎，多處出現垮塌掉塊，因此在0～200、365～436 m段采用鋼制實管護壁，在436～485 m段采用鋼制花管護壁。全井地溫梯度較低，平均為1.2℃/100 m，低于當地平均值。該井自涌水量較大，最大日涌水量為1 560.67 m3/d。測井目的是通過常規測井識別涌水層，揭示溫度場分布規律，但該井井口和多段井身涌水，導致電性、波速等測井參數均受到一定影響，進而影響了涌水層識別的可靠性。

2.2 高溫層識別

進行靜態井溫監測后，可以繪制出該井的靜態井溫監測曲線；然后將井溫按一定間隔進行梯度計算，可獲得地溫梯度變化曲線。計算公式如下：

(4)

式中：m為深度間距，m；Tn、Tn+m分別為井深n、n+m處的井溫測量值，℃；Tg為測量點以m為深度間距的等效地溫梯度，℃/100 m。

如果某一層段出現溫度異常，則地溫梯度變化曲線會偏離全井平均地溫梯度曲線，對應溫度異常層段呈現“幾”字形突起，具有直觀的指示效果。

以ZK01井為例，該井未見導水斷層，全井水量較少，但是該井地溫梯度較高，全井平均地溫梯度為3.3℃/100 m。繪制的靜態井溫監測曲線相對于全井參考地溫梯度線，呈現出兩段正弧線(圖2)，只能大致判斷井深250～375、445～500 m段可能存在高溫層，無法精確定位。然后參照公式(4)，取m=10 m計算等效地溫梯度，繪制地溫梯度變化曲線(圖2)，發現該曲線上出現2處顯著的“幾”字形突起，代表高溫層分布于井深300～310、450～470 m段。高溫層的精確識別對后期深部熱源追蹤有較好的指導意義。

該案例表明，在中深層地熱勘查中，開展靜態井溫監測能夠有效獲得該區地溫梯度；通過地溫梯度變化曲線能夠有效識別高溫層。當工區靜態井溫監測數據量足夠多時，還能分析工區溫度場空間分布情況，為后期區域性評價提供參考資料。

圖2 ZK01井井溫測井成果Fig.2 Well temperature logging results of ZK01

2.3 涌水層識別

在井內液體自涌情況下進行井溫動態監測后，可以繪制出該井的動態井溫監測曲線；然后計算井溫梯度值，獲得該井的井溫梯度變化曲線。如果某一層段發生涌水，則井溫監測曲線會出現相應的“臺階”，而井溫梯度變化曲線則會出現極大值，呈“∧”形突起。

以DRJ01井為例，該井巖石較為破碎，為防止井壁垮塌并提高鉆進效率，分別在0～200、365～436、436～485 m段采用鋼制實管、鋼制實管、鋼制花管進行護壁。聲波時差、三側向電阻率測井結果顯示，其測井曲線呈鋸齒狀，套管部位無法測量三側向電阻率(圖3)，說明該井常規測井效果較差，不能確定主要斷層破碎帶位置，而且存在常規測井數據采集不全等問題。

考慮到該井大量涌水，自涌水量為820 m3/d，對全井進行動態井溫監測，獲得了動態井溫監測曲線；然后參照公式(4)方法，按每10 m井深間距計算井溫梯度，繪制井溫梯度變化曲線(圖3)。由圖3可以看出，井溫監測曲線上顯示有3處“臺階”，對應井溫梯度變化曲線呈現明顯的“∧”形突起，指示在井深620、750、830 m處為涌水層。另外，“∧”形突起的幅度越大，代表涌水量越大。結合多方資料綜合分析，認為750 m處的涌水層為本次鉆井的目標斷裂位置和主力涌水層。

該案例表明，在中深層地熱勘查中，開展動態井溫監測能夠有效識別涌水層，并根據井溫梯度變化曲線上突起幅度的大小，定性判斷涌水量的規模。特別是對于具復雜條件的地熱鉆井，井溫測井數據可以排除干擾，高效識別目標層。

圖3 DRJ01井井溫測井成果Fig.3 Well temperature logging results of DRJ01

2.4 套管查漏

在地熱能利用中，鉆井多采用套管成井，近年來逐漸興起了全封閉管技術，即不使用地下水源，在不造成環境污染的前提下，使用管內熱液與環境進行熱量交換的地源熱泵技術。實際生產中，套管會發生破損，導致井液漏失和熱損失，降低地熱能利用效率。套管查漏常采用精度較高的聲波、磁定位技術，但聲波定位設備直徑較大，易受到鉆井直徑的限制；磁定位設備在高磁環境或非磁性管材中使用受限。兩種技術測量效率低、成本高，不太適合用于長期且高頻率的管內監測工作[14]。采用動態井溫監測，可得到井溫監測曲線，套管破損點會導致該曲線上出現小突起，指示管漏的大致位置。如果井溫監測數據精度高，細微的破碎涌水點也能被識別到。通過井溫監測確定管漏的大致位置后，再采用聲波、磁定位技術等進行精確定位和修復，是更為穩妥、高效和經濟的工作流程。

以DRJ01井為例，動態井溫監測發現井溫監測曲線對應井深48 m處出現一個小突起(圖4)，可能為套管破損點，而后經過進一步檢查得到確認。經過修復后，井溫監測曲線變得連續，表明套管破損成功修復。

該案例表明，在中深層地熱勘查中，采用動態井溫監測能夠在不動用復雜設備的前提下，有效檢查鉆井固井情況，并降低工作成本。

圖4 DRJ01井淺部套管查漏成果Fig.4 Shallow casing leak detection results of DRJ01 well

2.5 裂隙監測

水井長期使用以后，裂隙涌水量會發生變化，若涌水量減小，則指示地下水量和水壓發生了變化，預示該地區有發生沉降的風險。通過定期開展靜態和動態井溫監測并對比監測數據的變化，可以有效判別地下裂隙水量變化等情況。通過對比靜態井溫監測數據，可以確定熱源穩定程度，若井溫監測曲線結構發生變化，則指示導熱物質(地層、地下水)的賦存狀態發生了變化。通過對比動態井溫監測數據，觀察井溫監測曲線臺階位置和井溫梯度變化曲線極值幅度，可以判斷出水位置和水量大小的變化。通過以上手段，可以經濟便捷地對生產用水井進行監測。

3 結論

井溫測井作為一種成熟的物探手段，在地熱勘查中具有較高的使用率，充分靈活地應用井溫測井數據能有效提高勘查工作效率并降低工作成本。本文總結了在不同監測模式和監測環境下應用井溫測井數據的新思路，可便捷地解決地溫數據采集、目標層識別、水量定性評價、固井檢測等常見的地熱勘查問題。利用靜態井溫監測數據和地溫梯度變化曲線，可有效識別高溫層的位置，并準確采集地溫梯度等數據。利用動態井溫監測數據和井溫梯度變化曲線，可在復雜環境下有效識別涌水層的位置，并定性判斷涌水量的大小。利用動態井溫監測曲線的微小異常，可有效識別套管破損等固井情況。

致謝：感謝湖北省地質局地球物理勘探大隊各測井項目組對本文的數據支持。