地热资源勘探定井的目标、方法及论证 张孟才 寇伟 寇通
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1.黑龙江省904水文地质工程地质勘察院，黑龙江 哈尔滨 150028
2.郑州地象科技有限公司，河南 郑州 450000
摘要：地热资源是与地球同在的取之不尽用之不竭的可再生清洁能源，深部断裂构造热水型地热资源是目前开发利用的重点，因深部含水地热构造有限、一两千米深度凿井费用很高，成功与否的关键在于精准勘探定井。
关键词：地热资源，断裂构造，勘探定井，VCT成像技术
一、地热资源勘探的必要性
开发利用地热资源的前提是在待开发的目的园区内要有地热资源可以被开发。方圆几百公里以内没有温泉或打成的地热井，不代表在园区内没有可开发的地热资源；附近几十公里或几公里处有温泉或打成的地热井，不代表在园区内就可以打出地热水。园区内有没有可被开发的地热资源，关键是要看是否存在形成地热资源的地质构造。即使是园区内地下深部有地热水资源，因受限于地热资源勘探能力和准确性，以往开发地热资源的实际效果并不理想，有的是根本没有打出地热水，白白浪费了几百万元的投资；有的是出水温度低于30℃，要加热后才能利用；有的是地热水量太少，利用价值不高。因此，使用先进物探设备对园区进行全面详细的地热资源勘探至关重要。
二、有关地热资源的几个概念
要开发利用地热资源，首先要厘清有关地热资源的几个概念：一是地热资源产生于地球内部地热能，与地球同在，是取之不尽用之不竭的；二是因断裂形成地下储有大量热能蓄水层热水型地热资源，是当前开发利用的主要地热资源；三是并非只在板块边缘和板内沉积盆地才会形成地热资源，板内断裂构造形成的中低温地热资源才是我们开发利用的重点；四是要清楚在地壳浅层断裂构造无处不有、分布很广，只是断裂构造的大小不同、深浅不一而已；五是根据地热产生地温梯度2～3℃/100米，只要取到足够深度的水就是地热水，关键是要取到地下深部的水；六是板块内找地热水就是要找相对较大较深的含水张性断裂构造和深部含水层。
三、断裂构造型地热资源的形成与特征
岩体受构造应力作用发生变形，一旦超过其可承受强度就会使岩体的连续性和完整
性遭到破坏，近而产生各种大大小小的断裂，形成断裂构造。断裂构造是地壳中最常见的构造形式，在地壳中分布很广，无论是高山深谷还是丘陵平原，地表显露的无论是新生界还是早至太古界地层，都有断裂构造的存在，只不过断裂构造的大小不同、深浅不一。在这些断裂构造中只有张性和张扭性断裂构造的断裂面属于张开的，有可能沟通地表径流和风化壳中的地下水，成为地热流体通过循环流动通道，并在断裂深部富集地下热水。一般而言，断裂破碎带越宽、破碎岩石块越大，透水量和蓄水量就会越大；断裂延伸的深度越深、热水循环量越大，打出地热水的温度就越高。
四、断裂构造的电磁反应
在压性结构面上，由于岩石强烈的挤压摩擦及产生出的高热量，导致岩石结构致密、介质表面烧结后硬度增大，对于电磁波的折射率变小、吸收特性变差，到达地表后剩余的电磁波能量值较高，测值相对较大。张性断裂有着良好的张开程度，地下水常沿这类断裂流动、排泄。当地下水沿断裂缝隙向深部向渗透时，遇到阻水的压性断裂层面时，会改变径流条件，充斥断裂层内形成地下热水的富集，致使其沿着张性断裂或压性断裂的相对启开部分向上运移。由于水对于电磁波的折射率很大、吸收衰减特性好，导致到达地表后剩余的电磁波能量值很少，测值明显变低。基于水对电磁波能量值的吸收衰减明显高于一般介质，在地表探测到的电磁波剩余能量值亦明显低于固态介质的测值，所以对于含水层和含水裂隙的电磁反应是最敏感的，而且测值始终是明显的低值。
五、地热资源勘探的目标
从宏观上来看，地下热水的出现多是张性断裂与其主干压性断裂联合作用的结果。若是勘探范围足够大、线路足够长时，在探测剖面图上就可以观察到主干压性或压扭性及其影响带上次级张性断裂构造；若是勘探范围有限，就不可能把相距较远的两种构造都在一个剖面图上反映出来。因此，我们应用物探方法在板内区域勘探地热资源时没有必要非要找到高值的压性断裂构造，应该明确我们勘探寻找的目标就是地下深部的含水层。而找水的关键就是寻找控制地下热水的张性断裂构造，即通过物探方法对含水的张性断裂构造的明显反映，寻找基岩裂隙、构造裂隙、断裂破碎带,结合园区水文地质条件判断其富水性，再进一步探明构造带的宽度、延深、产状及水源补给和赋水条件,从而实现寻找赋存于断裂构造中的断裂带脉状裂隙水的目的。
六、国内外可用于地热勘探的物探方法简述
目前国内物探单位拥有的各种物探设备各有所长，每一种物探方法都有各自的优点
和缺点，都很难完全满足地热资源勘探的要求，一般都采用综合物探方法进行地热资源勘探工作。目前可用以进行深部地热资源勘探的物探方法主要是：高精度磁法，属于时间域综合地质勘探，可以探测地下异常但属于透视法不能探明异常的深度；高分辨率地震勘探，主要用于石油勘探，对于水的敏感性不高且成本太高；瞬变电磁法，也属于时间域透视勘探，因需要对大地放电故探测深度有限，且结果存在信息多解性；MT大地电磁法，属于频率域勘探法但可用频点少、深度层有限，需要拉长线埋电极耗时耗工易受干扰；CSAMT可控源音频大地电磁测深法，是目前地热勘探最常用、效果相对较好的物探方法，需要在靶区6--10公里以外大功率对地放电，一次放电可探测点数受配备接收仪限制、且最多可探测四十多个频点深度层，效率低、成本高、间距大、探测点数少。这些都是价格不菲的高端进口设备，由于单点勘探时间较长、占用人工较多，一方面导致勘探地热资源定地热井的费用过高，另一方面导致探测线路少、50米左右的点间距过大而影响对地下构造的准确判断。
七、VCT大地电磁成像深部构造探测仪简介
由郑州地象科技有限公司研发生产的VCT-4000M大地电磁场成像地热探测仪，可探测地下深度为4000米，2000米以上每隔5米探测一层，2000—3000米每隔10米探测一层，3000—4000米每隔15米探测一层，是目前国内外分层最细、探测速度最快的地热资源物探设备。该仪器还具有以下优势：（1）3公斤重的单电磁感应探头移动方便，可任意放在岩石、马路上甚至是浅水中探测；（2）单点测得4000米深、567层的数据仅需1分钟，点间距一般设定为5--10米，一天可测300-400个探测点；（3）独创的可自动生成的线剖面色块数据二维CT成像图，可以直观看到含水裂隙和断层构造的位置、走向、宽度、深度等，通过多条线路、点间距5米精细探测，即可实现精准定井。经过近几年不断探索和积累地热资源勘探经验，实践证明VCT成像深部构造探测仪完全可以替代高端进口物探设备，独立承担地热资源勘探定井任务，不光是可以精确定位深部断层构造的位置和大小，而且还可以清晰辨识断裂构造的性质，利用其对水的高敏感性特点找出较深、较宽大的含水断裂裂构造。勘探速度快、探测密度大，对地下构造看得清清楚楚，定井精准成井率高。
八、VCT大地电磁成像剖面图分析方法
对VCT成像剖面图显现的断裂构造解释：VCT成像剖面图的纵向代表深度（5-- 4000米）、横向为每个探测点下水平连接的各个深度层。每个探测点都对应一列纵向深度数据，可以观察该探测点至上而下各深度层点测值的变化；观察每个横向深度层，可以看
出每一探测点在该深度层的电磁反应数据，通过比较找出异常点。张性断层破碎带上的空隙含水会形成透水性较好的含水裂隙，含水裂隙显示的测值会明显小于同层正常不含水的岩层，一般来讲测值在0--1范围内。压性断层或压扭性断层在板块运动中岩石受热作用会明显变硬，对于电磁波的吸收效应差，自下而上的电磁波经过此层到达地表后的剩余能量值就大，测值肯定会明显高于同层正常岩石，一般来讲测值会大于4或5。通过观察同一剖面图找出断层构造并判定其宽度、深度等，再与其它线路剖面图进行对比分析，就可以对整个园区地下岩层构造形成一个立体的概念，判断出是否存在较大的压性或压扭性断层构造，看出张性断裂形成的含水裂隙发育是否丰富、聚集连通性较好好的含水层所在深度和位置、沿含水裂隙形成的聚水通道在并行的几条线路剖面图上是否都存在和通畅。
九、地热资源勘探定井的工作程序与内容
根据合同要求和勘查区地质构造特征，一般进行地热资源勘探定井的工作程序与内容包括：（1）在对勘查区域及周边地区开展水文地质调查的基础之上，对勘查区域地热开发进行可行性论证；（2）利用VCT大地电磁成像深部构造探测仪进行详细勘查探测，探查勘查区内断裂构造位置、走向、构成，找到深部含有地热水的张性断裂构造；（3）通过综合分析勘查区所属范围内的地热地质构造，选择地热地质条件优越部位作为钻凿地热井的最佳位置，并为打井施工提供地层参考依据；（4）预估地热井出水温度及出水量；（5）提交相关成果报告。
十、地热资源勘探设计及实施
开发地热资源打地热井的前提是深部地层有足以开发使用的水，即要查明甲方园区内是否存在深大断裂构造或宽度较大透水较深的含水裂隙等地热水发育的地质构造，只有确定园区内存在地热地质构造，才能进一步勘探定井、凿井施工打出地热水。所以进场后先要根据甲方园区实际地形和面积设计初步探测线路，一般来讲初步探测要有几条贯通园区的勘探线路，每条线路探测点间距为5—10米/点、最少100个探测点，具体视园区面积而定。通过对几条线路、300—500个探测点形成的线剖面图进行分析，基本上可以确定有无地热地质构造。若是初探结果显示由于园区过小或地质条件限制不存在地热资源构造，就没有必要继续勘探工作；若是园区内深部裂隙发育较差，根据初探结果保守估测钻孔施工深度可能达到的出水量和出水温度及相应的风险，供甲方参考决策是否继续。若是经过初探分析在园区内存在较好的地热构造，就可以进一步设计详细勘探计划并实施。
十一、地热资源勘探分析论证确定地热井位
通过初探确定园区内存在地热地质构造以后，即可以根据初探结果，对确定有地热构造的靶区进行详细勘探，具体线路、剖面数及探测点间距视情况而定。经过详细探测、对于探测结果进行综合分析，作出园区地热资源勘探定井分析报告。报告内容除了按照惯例对甲方园区的地形地貌地质概况进行概述之外，对于园区的地质分析和定井结果要详实论证、结论清楚肯定，应该包括以下内容：
（1）对探测数据进行计算处理后，形成每条探测线路的VCT彩色成像地质结构剖面图，通过综合分析对园区范围内的地质构造，确定园区内地热构造的特点、形态、位置及其赋水特性，对地热构造做出基本的描述；
（2）针对每个剖面图进行分析，确定靶区地热构造存在形式、宽度、延深、产状及水源补给和赋水条件，选择适合定地热井的最佳探测线路并列出等距压缩线剖面图； （3）明确提出最佳钻孔施工的探测点位坐标、终孔深度，列出钻孔点位附近区段显示深度层和数据的VCT彩色成像剖面图，在图上标出孔位穿过各含水裂隙层的走向、连通、聚集等情况，并用文字具体列出孔位穿过各个含水裂隙层的深度范围、左右宽度、相对赋水等级。
（4）根据甲方需求和孔位含水层情况，设定开始取水深度层和终孔深度，预测主要出水层的个数及所在深度，预报成井后大致的出水量和地热水的温度范围。
2017年8月27日
地热资源勘探定井的目标、方法及论证
