苏南花岗岩地区地热资源勘探技术研究

张进平，何铁柱，王雨石，蒋贞贞，丁海峥，郭金华（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

苏南花岗岩地区地热资源勘探技术研究

张进平，何铁柱，王雨石，蒋贞贞，丁海峥，郭金华
（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

文章简要叙述了我国地热资源开发的历史与现状。苏南地区正处于地热快速发展阶段，本文以江苏省溧阳市戴埠镇戴南村的一眼1788.18m地热井的勘探为例，详细阐述了花岗岩地区的深部地热资源的开发利用，必须要充分分析区域地质构造以及地热地质条件，合理布置地球物理勘探，综合解译物探成果。物探的关键是深部地层是否有节理裂隙发育，可控源音频大地电磁测深技术是行之有效的前期勘查方法，判断断层的位置和走向。地热井施工采用先期成井工艺，坚硬地层结合螺杆钻进技术，增大钻探效率，目的层钻孔直径为216mm，三开裸眼终孔成井，洗井采用焦磷酸钠和草酸浸泡，大功率空压机物理洗井，效果较好。此地热井为今后花岗岩地区构造裂隙地热资源的勘探提供参考。

花岗岩；地热资源；构造裂隙；物理探测

0　引言

我国地热资源分布广泛，种类繁多，资源量相对较为丰富（蔺文静等，2013）。自1960年李四光提出大规模开发地热资源，到90年代走向成熟，取得了举世瞩目的成就。近20年来，我国地热直接利用总量更是连续保持世界第一的地位，盆地型的地热资源如雨后春笋般被勘探开发，在东北、华北、苏中、关中一带均开发出了较为理想的中低温地热资源（≤150℃）（庞忠和等，2014）。江苏省处于中国东部沿海高热流地热异常带，特殊的构造位置造就了江苏丰富的地热资源，不仅有温泉、浅层地温能和中浅层地热水，而且深层干热岩资源也极为丰富（廖志杰等，2015；杜建国等，2012；江苏省地质调查研究院，2006-2011）。据初步估算，江苏可分为16个地热资源远景区，7个地热资源预测区，面积39500km2，在1000～3000m深度内，预测地热可采资源量折合标准煤 56亿吨（地热水温度按65℃计算）（徐立，2014），预测年可采资源量0.56亿吨。这其中，有相当一部分赋存在花岗岩地区。花岗岩质地坚硬而难以被腐蚀和风化，若没有构造裂隙的存在，岩石发育完整，其透水性和含水性较差，一般视为隔水层，所以构造裂隙水是花岗岩地区的主要含水类型。我国的地热深井多数在深部的碳酸岩以及砂岩常规含水层取水，由于深部花岗岩构造复杂难以准确判断和钻井工艺的影响，花岗岩地区勘探地热资源的成功率很低。

江苏省溧阳市地处苏、浙、皖结合部，位于苏锡常“金三角”的西南端，研究区南山花园度假酒店处于溧阳天目湖旅游度假区与南山竹海生态旅游区之间，在大地构造上属于下扬子地块的溧阳火山岩盆地之戴埠火山盆地。地层出露不全，花岗岩地层较为发育（江苏省地质矿产局，1997；江苏省地方志编纂委员会，1999；江苏地矿局，1991）。

1　地热地质及物探

1.1区域地热地质

研究区地层隶属于扬子地层区，区域内地层出露不全，中志留世以前地层未见，中志留世晚期—晚泥盆世早期地层有出露，石炭系、二叠系和下三叠统为火山岩地层掩盖，早—中侏罗世、晚白垩世晚期—渐新世地层缺失。地质构造上位于溧阳火山岩盆地之戴埠火山岩盆地东南侧，东侧为宜兴-张渚褶皱山区。地质构造属于下扬子地块的溧阳火山岩盆地之戴埠火山盆地（图1）。北东向和北东东向断裂发育，勘探区靠近金坛-如皋断裂。溧阳火山岩盆地本身是受构造控制且沉积了较厚的火山岩地层，控制火山岩盆地断裂有可能成为沟通深部热源的通道。加强了与深部热源的沟通，同时也导致深部含水层富水性增强。本区位于岩浆活动强烈带，由于岩体的侵入，使得区内地层遭到严重破坏，完整性差，增强了地下地层结构的复杂性（葛云等，2013；郭金华等，2014；地质部南京地质矿产研究所，1981）。

图1　苏南地区区域构造位置图Fig.1 South of Jiangsu regional structure map注释：①郯庐断裂②嘉山-响水断裂③确山-肥东断裂④六合-江浦断裂⑤江南断裂⑥金坛-如皋断裂⑦休宁断裂⑧湖苏断裂⑨德兴-歙县断裂⑩江山-绍兴断裂

1.2地球物理勘查

根据区域地质条件及地层的岩性特征，研究区采用可控源音频大地电磁测深（CSAMT法）的方法进行地球物理勘查工作。

可控源音频大地电磁测深（CSAMT）最大优点是横向分辨率高，可灵敏的发现断层，在地电条件较有利时，亦有较好的纵向分辨率，较适宜花岗岩地区的地热勘测（刘延忠等，2004）。研究区野外工作先后使用美国Zonge公司生产的GDP-32Ⅱ和加拿大凤凰公司生产的V8多功能电法仪进行探测，GDP-32Ⅱ原始数据测量出来后，用不同参数，邀请不同专家进行了二次解译，以检查数据解译的可信度，两次解译结果较一致。在这基础上圈定出异常地段，用V8进行了验证，验证了20线1000～2050点、30线1050～2050点、40线1000～2050点、50线1000～2050点，共计4.15km（图2）。

通过4条剖面的可控源音频大地电磁测深的2次测量、3次解译，基本了解了本区深部地层及地质构造特征。

根据可控源音频大地电磁测深资料分析，结合邻区地质资料推断，反演电阻率断面图上反映了3000m以浅大致分为两个大的电性层（图3）。第一层深度0～10m，中低电阻层，电阻率值1000Ωm以下，厚度10m左右，为第一电性分层，推断为第四系地层。第二层深度10～3000m，中高电阻层，电阻率值1000Ωm以上，厚度较大，为第二电性分层，推断为侏罗系地层或中生代侵入岩。

在电阻率断面图上横向上出现电阻率突变或纵向上见陡立的低阻异常一般是判断断层存在的主要标志。反演电阻率断面图上存在这些电阻率横向突变带，被推断由断层产生。4条测线共出现了多处很明显的电阻率横向突变带，可能为断裂的反映。本次勘查推断出了F1、F2两条断裂，F1、F2断裂走向北北西，倾向南西（图4、图5）。

F1、F2断裂：走向北北西，倾向南西，与区域内北西向观山—长山断裂性质较一致，应是该断裂在研究区的一部分或观山—长山断裂的次级断裂（江苏省地质调查研究院，2001）。

图2　研究区地球物理勘查解译结果图Fig.2 Interpretation of geophysical exploration study area results

图3　CSAMT勘查20线反演电阻率及地质解译断面Fig.3 20 CSAMT survey line inversion resistivity and geological interpretation section

图4　CSAMT-1500m电阻率分布面Fig.4 CSAMT-1500m resistivity distribution surface

图5　CSAMT-2000m电阻率分布面Fig.5 CSAMT-2000m resistivity distribution surface

根据研究区物理探测成果及区域地热地质条件，确定了RLDN1、RLDN2两眼地热井井位（图2），最后施工选取RLDN1井位进行钻探。CSAMT勘查反演断面上，RLDN1井位处纵深1000～3000m存在一个相对低阻带，推测为富水断裂破碎带反映。该点位于F1断裂的南西侧不远，是深部热流向上运移的有利地带。本区1000m以浅存在地层为侏罗系火山岩、花岗岩、闪长岩，裂隙不发育，有较好地热盖层。1000m以下地层，推测断裂构造发育，是较好的地热储层。

2　地热井钻探施工

2.1钻探施工概述

研究区地热井设计深度2000m，钻探施工选用TSJ-3000型钻机。在施工过程中采用正循环钻进，泥浆为低固相优质泥浆，粘度为45s，出水段采用低粘度泥浆钻进。针对花岗岩岩性较硬，第三次开钻使用螺杆技术，增加钻进效率，保证施工质量。成井深度1788.18m。

2.2井管装置及井身结构

地热井采用先期成井工艺，一开使用Φ445mm牙轮钻头，钻至300.30m，下入Φ339.72mm石油用无缝钢管，下入深度0～300.30m，使用42.5R优质水泥27t固井，水泥上返至地面；二开使用Φ311mm牙轮钻头，钻进深度达900.07m，下入Φ244.5mm石油用无缝钢管，下入深度268.23～900.07m，总长631.84m，与表层套管重叠32.07m，使用42.5R优质水泥24t固井，水泥全部封固Φ244.5mm技术套管；三开使用Φ216mm牙轮钻头，钻进深度至1788.18m终孔，裸眼终孔。

2.3地层验证

根据可控源音频大地电磁测深资料分析，电阻率分为两层：浅部为第四系地层，深部为侏罗系地层或有中生代侵入岩。

实际施工钻遇地层：5m以浅为第四系粘土以及砂砾层，5～1788.18m为侏罗系火山角砾岩、闪长岩、花岗岩以及花岗斑岩等为主的地层。钻遇地层与物探解译结果相比较，地层划分基本相同。

通过物理探测与与实际钻探综合对比分析，可控源音频大地电磁测深解译对岩性相对单一的地层划分有一定的参考价值。

2.4地质构造验证

根据可控源大地音频电磁测深解译，研究区附近发育两条北北西走向的断裂，地热井井位纵深1000 m以深存在一相对低阻电性带，两侧电性不连续，为构造破碎带的反映。

综合测井资料显示，孔内存在两处地层裂隙较为发育的层段，第一段1225～1236m，破碎带厚10.50m；第二段1285～1313m，破碎带厚26.25m。在钻探施工过程中，水文地质观测发现在1230～1248m处，泥浆漏失36m3，漏失一直延续到深度1330m处，总计漏失泥浆100m3左右，这一层段应该是深部断裂、裂隙和节理发育的表征。地热井的实际钻探、测井解译情况与可控源大地音频电磁测深解译基本一致，进一步验证了该物探方法对断裂构造判断的有效性（图6）。

图6　实钻测井（1200～1350m段）与CSAMT解译对比示意图Fig.6 Real-drilling （1200～1350m above） and CSAMT interpretation schematic comparison

3　洗井作业

洗井作业是地热井勘探过程中的关键步骤，有效的洗井方案及精心的施工作业有利于地热资源的勘探成功（增瑞祥等，2003）。

根据该地热井的实际情况，采用针对性的洗井方法：首先用清水由上至下分层替清孔内泥浆，直至井内返出的浆液接近于清水。在裸眼井段替浆过程中，视泵压表现，采取逐步加深、自上而下的方法，确保替浆彻底与操作安全。替浆完成后，采用8‰的焦磷酸钠浸泡裸眼段破坏泥皮，浸泡24h后采用高压喷头和钢刷冲刷井壁，从上到下循环替出孔内药液。替清药液后，再次向孔内注入8‰的焦磷酸钠，继续浸泡裸眼段24h，接下来采用高压喷头和钢刷冲刷井壁，从上到下循环替出孔内药液。压风机负压洗井，将风管下入孔内850m处，观察地热水上涌间隔时间的变化，上水前后压力变化以及出水时间、水温等变化。48h达到水清砂净后停止洗井，观察动水位变化，并测量静水位，再下入热水潜水泵试水，记录水温、水量、水位及水质浑浊度的变化。

由于施工时泥浆漏失量较大，水质浑浊，研究决定进行第二次洗井，采用草酸浸泡目的层，最大限度的疏通导水构造裂隙，以达到该井的最大出水量。首先在裸眼段打入浓度为4%的草酸，待草酸与地层反应24h后，压风机风管再次下到850m处，压风机负压洗井。与第一次洗井情况不同，喷出的水开始为微绿色的草酸颜色，并携带出大量的岩屑及泥浆成分，证明采用草酸洗井，对导水构造裂隙疏通效果明显，经过压风机洗井41h后，基本达到水清砂净。

4　抽水试验及水质

按照相关规范于2014年11月4日—11月11日进行了抽水试验，选用200QJR20/300型热水潜水泵，采用变频及阀门控制，进行3次降深抽水试验，水头稳定，温度基本恒定。结果见表1。

经内插法确定Q-S曲线类型为直线型（图7），水位降深60m时，涌水量为518.01 m3/d，经计算地热井影响半径为257.38m。水样分析表明，热水水化学类型属SO4-Na型，pH值8.94属中性偏碱性水，氟含量为2.70mg/L（大于2mg/L）达到命名矿水浓度标准，偏硅酸含量为31.1 mg/L（大于25mg/L）达到有医疗价值矿水浓度标准。

图7　地热井抽水试验曲线结果图Fig.7 Geothermal wells pumping test curve results

5　结论

通过在江苏溧阳一带花岗岩地区勘探地热资源，得到如下认识：

（1）中深部地热资源开发必须在充分分析区域地质、构造及地热地质条件的基础上展开，必须布置合理的地球物理勘探，并进行综合解释，才能较大程度降低风险，取得较为可靠的成果。

表1　抽水试验结果表Tab.1 Pumping test results table

（2）位于火山盆地内的花岗岩区的地热资源勘探关键是确定深度是否有节理裂隙的存在，本次在溧阳市的实践证明，可控源音频大地电磁测深技术是花岗岩地区地热井前期勘查的有效方法，同一种方法采用不同的设备勘测，不同专家解译，能进一步增加勘探成果的准确性与可靠性。

（3）地热井在钻进时，必须要采用科学的地热井施工工艺及有效的洗井作业。溧阳市戴埠镇戴南村地热井采用先期成井工艺，三开成井，目的层直径达到216mm，增加了过水断面，增大了出水量。花岗岩质地坚硬，采用螺杆技术钻探，增加了钻探效率，缩短了施工周期；施工过程中采用低粘度泥浆钻进，减少了泥浆对含水层的堵塞，有利于后期洗井。最后，洗井作业是地热井出水量大小的决定性因素，该井采用焦磷酸钠、草酸及大功率压风机进行物理洗井，效果较好。

最后，需要指出的是本文所述花岗岩地区勘探只是一个成功的范例，必须说明在这种地区勘探地热存在一定的风险，尤其是出水量的风险。但另一方面在一定的地层和构造条件下，地下热水利于形成具有一定医疗和理疗价值的地热温泉水，如本次勘探的溧阳市戴埠镇戴南村地热水的氟和偏硅酸分别达到了命名矿水和具有医疗价值矿水浓度标准。

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Research on Geothermal Resource Exploration Technology in Granite Area within Southern Jiangsu Province

ZHANG Jinping， HE Tiezhu， WANG Yushi， JIANG Zhenzhen，DING Haizheng， GUO Jinhua
（Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048）

The history and current situation of the development of geothermal resources in China are described briefly in this paper. Southern Jiangsu Province is in a stage of rapid development of geothermal resource exploration. Based on the exploration of geothermal wells with depth 1788.18m in Liyang city， Jiangsu Province，the main and key processes including the early geophysical exploration， drilling engineering， and the washing well methods are described in the typical granite geothermal exploration. The authors hope that the exploration example in this paper will provide a reference for future mining in granite area of structural fissure geothermal resources exploration.

Granite； Geothermal resources； Structural fracture； Geophysical exploration

P314

A

1007-1903（2016）01-0030-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.007

张进平（1974- ），男，高级工程师，主要从事地热资源勘查与开发研究，浅层地温能开发与利用。Email：zjp10385588@126.com