浅析地热井施工中岩性识别与地层划分——以姚家园公园地热井为例

牛升晟,李 钫

0 前言

姚家园村经济合作社在北京市朝阳区姚家园公园西北侧实施了1眼地热井，以开发利用地热资源。为了更准确地掌握该区地层及岩性的变化规律，为后期地热开发积累更为翔实和准确的地质资料，以本次勘查为例，详细讨论了本次地热开发中所揭露岩石的地质年代和岩性归属，判定岩性，精准划分地层。本次地层划分的方法包括岩屑现场识别法、实验室岩矿鉴定法、对照测井曲线划分法，并辅以钻探过程中钻进情况的变化对地层岩性钻进难易程度情况的反映，论证对地层划分的合理性。为更进一步掌握北京城区京东地热田和天竺地热田的地层岩性的变化规律、在以后勘探钻孔中规避地质风险有重要的意义（刘成龙等，2006）。

1 岩屑的现场识别与地层年代的初步划分

现场用放大镜及肉眼观察，根据岩屑的颜色、色率及常见岩石辨别经验，并辅以钻探情况的变化，判定由上至下、由新到老地层的分布情况。

1.1 第四系（Q）

揭露深度0～320m为第四系沉积物，包括褐灰色砂质粘土，中砂粗砂，局部含有杂色的角砾，圆砾。该段地层在钻进过程中，在正常钻进条件下钻效高，Φ445m牙轮钻头平均每小时进尺2～3m，造浆基本不用添加人工粘土，由钻效及泥浆携带物推断该段为第四系沉积物。

1.2 第三系（R）

（1）揭露深度320～564m，以红褐色与褐灰色泥岩、砂砾岩互层为主，局部含杂色角砾岩和圆砾岩，之所以推断该段为第三系是因为该段钻进过程中泥浆所携带上来的岩屑以红色胶结物为主，钻效较以前明显降低，这一点可以判断该段沉积物较第四系沉积物固结程度高，该段地层所形成的气候条件干燥，所以颜色发红（吴梦源等，2012），以此作为现场划分依据。

（2）揭露深度564～728m，第三系灰黑色泥岩、玄武岩，局部含少量杂色砾岩。其中570～594m、610～649m及678～728m段岩石较为坚硬，钻效低，钻进效率为0.6～0.8m/h，在钻进过程中有跳钻现象，从泥浆携带上来的岩屑观察为黑色致密状，比重较大的玄武岩。由此推断这三段玄武岩为第三纪时期地球内部岩浆喷发所形成的。

1.3 白垩系（K）

（1）揭露深度728～1035m，灰黑色粉砂岩、泥岩、泥灰岩及砾岩，在钻进过程中可钻性比较差，出现过钻头被泥糊住的情况。

（2）揭露深度1035～1060m，紫红色安山岩及凝灰岩，黄褐色粗砂及中砂岩，其中在钻进过程中1040～1045m段发生严重漏失情况，从泥浆携带上来的岩屑看，岩屑磨圆度好，粒径0.1～1mm，以中粗砂为主。由此推断该段存在导水构造，中粗砂随地下水流动而迁运。

（3）揭露深度1060～1127m，灰黑色泥岩及泥灰岩。

1.4 侏罗系（J）

揭露深度1127～2084m，该段以安山岩、英安岩、粉砂质泥岩为主，其中在1368～1378m、1403～1407m、1638～1644m发生漏失，在漏失段粉砂质泥岩含量比较高，在钻进过程中该段地层钻效低，岩石的硬度和强度均比上面的地层高，安山岩屑在放大镜下，显晶矿物特征比较明显（例如长石、角闪石和石英），色率比较高（达30～35），说明该安山岩中含铁镁质的矿物含量相对较高。

1.5 长城系（Ch）

揭露深度2084～2605.6m(终孔)，岩性从上到下主要为由厚至薄层的白云岩和白云质灰岩，岩屑外观为白色、灰白色片状。片状厚度0.1～0.5mm。2084～2087m为红黑色的泥质岩，推断该段地层为缺失段地层的剥蚀和风化产物。其中 2216～2230m、2240～2290m、2315～2412m和2569～2572m段泥质成分比较高，现场判定认为该泥质成分为后生泥质白云岩，它充填在基岩导水构造的裂隙和孔隙中。

根据现场钻探班报表记录的钻进数据，绘制出整个钻进过程中的钻时效率曲线图，在图1中，当岩石致密坚硬时，钻进效率明显降低，而当岩土固结程度低，疏松时，钻进效率明显提高。例如在钻遇第三系下伏的基性玄武岩时，钻时效率为0.5m/h，而在第四系中，由于是新近沉积的粘土和砂卵砾石互层，钻时效率平均达2.3m/h。

图1 钻时效率曲线图Fig.1 Drilling ef fi ciency curve

根据钻探班报表的记录，计算出各不同地层的平均钻进速率（吴梦源等，2012），由表1的数据可知，第三系由于下伏有很致密和坚硬的基性玄武岩，平均钻进效率最低（0.7m/h）；侏罗系安山岩较为致密坚硬，平均钻进效率低（0.9m/h）；白垩系由于有机质和泥质含量成分较高，可钻性比较差，平均钻进效率较低（1.2m/h）；长城系白云岩，虽然为沉积岩地层，但由于沉积年代最为久远，固结程度高，平均钻进效率较高（1.5m/h）；第四系为年代最近的沉积岩土层，平均钻进效率高（2.3m/h）。

表1 不同地层钻进平均速率表Tab.1 Average rate of drilling in different formations

2 岩屑岩性的岩矿鉴定结果

2.1 岩矿鉴定结果

本次地热勘查共取岩屑样23件，其鉴定结果如下表2所示，其中第三系岩屑取样4件，白垩系岩屑取样3件，侏罗系岩屑取样8件，长城系岩屑取样8件，每件岩样都做好切片，在正交偏光10*24倍显微镜下对岩屑样做了实验室岩矿鉴定。

表2 实验室岩矿鉴定成果表Tab.2 Rock and Mine Laboratory results of the table

2.2 根据岩矿鉴定结果的推论

（1）将以上实验室岩矿鉴定结果同地层的地质年代划分进行对号入座，NO.1、NO.2、NO.3、NO.4属于第三系，鉴定结果证实了这一划分的合理性。其中NO.2、NO.3、NO.4玄武岩鉴定结果符合白垩纪末期及第三纪早期地球上曾经发生过强烈的构造-岩浆活动，导致大量基性岩浆从地球深部喷出这一结论（舒良树，2013）。

（2）NO.5、NO.6、NO.7属于白垩系，白垩纪属于地球上植被大量发育繁殖的时代，在这个地质年代形成的地层中，有机质含量高，有很多发灰黑色的泥质岩，导致在钻探过程中可钻性较差。

（3）NO.8—NO.15岩样属于侏罗系，侏罗纪时期火山大规模喷发，火山喷发所形成的火成岩中就包括中性的安山岩（SiO2含量占52%～65%），岩矿鉴定结果都以安山岩为主，加之从1127m开始，可钻性变好，地层变硬，提高钻压后可使钻进效率明显提高，泥浆携带上来的岩屑不再含有像白垩系中所含的泥质成分。综合以上岩矿鉴定结果、地质年代特征、钻探经验分析，将1127～2084m划分为侏罗系是合理的。

（4）在钻探至2084m时，岩性突变为红黑色的泥质岩，到2087m穿过该段泥质层，见到白色的白云岩。NO.16（2084～2087m）的鉴定结果为角砾泥质岩，说明在这一地质历史时期，该地区地壳抬升，该段泥质层推断为地壳抬升后被自然外力作用风化和剥蚀的产物。NO.17—NO.23为白云岩，是在长城纪时期干旱滨海环境下沉积形成的地层，该段地层中不但含有固结性较好，硬度高的白云岩，局部还夹有比较破碎，固结程度差的后生泥质白云岩，也有专家认为其为蓟县系，对于它的形成原因，现在地质学界还有不同的说法，推断为在白云岩导水构造裂隙中由于水的冲刷对泥质物的迁运富集而形成。

根据现场对岩屑的识别及实验室岩矿鉴定成果和推论，并结合成井施工的相关技术参数，绘制成井结构示意图（图2）。

图2成井结构示意图Fig.2 Drill formation and well structure diagram

3 根据测井曲线验证划分地层

测井成果包括梯度电阻率、电位电阻率、放射性、自然电位、井温、井斜。本文主要通过前3项指标的变化情况，验证地层划分的合理性。

（1）第四系与第三系交界面处测井指标的变化

测井曲线在300～320m段，梯度电阻率和电位电阻率有一个明显增大的过程，放射性也逐渐变大，这为第四系与第三系界面的划分提供了证据。因为在北京地区，第四系和第三系分界面在测井曲线的反应上，最直接的标志就是梯度电阻率、电位电阻率和放射性值的明显增大。

（2）第三系与白垩系交界面处测井指标的变化

测井曲线320～570m处各项指标变化比较均衡，在614～628m、634～648m、680～690m、700～725m段放射性高，梯度电阻率与电位电阻率也有相对应升高的变化，这一结果证实了在第三系底部存在有喷发玄武岩的推断，因为玄武岩从地球内部喷发成岩，放射性较高，而喷发性火成岩孔隙赋水性差，与沉积地层对比，梯度电阻率与电位电阻率比较高。

（3）侏罗系测井指标的变化

测井曲线1127～1400m、1590～1680m梯度电阻率和电位电阻率呈波浪形变化，放射性大致与梯度电阻率和电位电阻率呈一致变化，说明该段地层在形成过程中曾有多次火山喷发，以致火山喷发时期梯度电阻率、电位电阻率和放射性高；岩浆活动和构造运动相对平静时期这三项指标则比较低。这也符合侏罗纪时期曾发生过频繁的构造-岩浆活动的事实（北京市地质矿产勘查开发局,1991）。

测井曲线1400～1590m梯度电阻率、电位电阻率很低，基本上呈直线变化，放射性却很高，这与火山岩一般情况下电阻率值高的情况相悖。但是在钻进过程中该段地层漏失情况很严重，从1407～1644m泥浆消耗量很大，说明造成该段地层电阻率低的原因是该段地层中存在导水构造，水在导水裂隙中的存在降低了岩石的视电阻率（宾德智等，2002）。

（4）长城系测井指标的变化

测井曲线从2087m开始电阻率呈大起大落变化，放射性则在2090m突然降低后，呈基本稳定的小幅变化，放射性的突然降低支持了2090m以下地层段是在沉积环境形成这一观点（刘久荣等，2002），电阻率的大起大落说明2090m以下段地层破碎，裂隙发育，验证了本次地热勘查任务设计热储层的合理性。通过观察该段测井曲线，可以发现电阻率的低峰值所对应的放射性相对较高，与此相对应地层岩屑编录的泥质成分也较高（李安宁等，2001），对2090m以下的地层，这一现象具有普遍性。

4 结论

根据以上实例所述，我们将地热井勘查中识别岩性、划分地层的方法分为以下3步：

首先，用放大镜等工具对岩屑进行现场识别，根据岩石色率、硬度、致密性、钻时效率曲线及钻进过程中泥浆的消耗情况对地层进行初步划分；其次，在初步划分的基础上，通过对地层分界面和关键点的岩屑取样进行实验室岩矿鉴定，为初步划分提供科学的证据；最后，根据测井曲线中的梯度电阻率，电位电阻率和放射性3项指标的实际变化情况与实验室岩矿鉴定成果的对比，划分出属于不同地质年代和不同岩性的地层。