地热井温度测井在热储层分析中的应用

张松，郝伟林，胡先才，吴儒杰，孙国强

（1.核工业北京地质研究院 中核集团地热勘查技术研究中心，北京 100029；2.中核坤华能源发展有限公司，浙江 杭州 311113）

温度测井是地球物理测井中的一项重要工作，在地质领域具有广泛应用。通过温度测井，可以获得井内温度曲线，而井温曲线的各种形态，有助于分析地质构造特征［1］。在油气勘探领域，温度曲线可以较好地识别出水层位置［2］、进行油田产层预测［3］、定位渗漏通道［4］。在地热勘查领域，通过连续多年温度监测，可以发现生产与回灌对热储层的影响［5］；可以通过温度测井获得热田温度场特征，研究储热构造［6］、追溯热流体运移、径流路径［7-8］。

谷露地热田是西藏那曲—尼木地热带上的高温热田，前人围绕谷露热田的构造特征、水文水化学、物化探异常、泉华特征和成因模式等开展了大量的研究工作［9-14］。在热田勘查中，同样开展了大量的温度测井工作［8］。通过研究这些温度测井结果发现，对于受断裂控制的高温热田中的基岩裂隙型热储，其热储层（含水层）并非一层，而是由多个断裂控制的热储层组成的，且每一个储层的温度、涌水量均有所差异。要获得某一段单层出水量，前人常通过专门的装置进行分层抽水试验来获取［15-17］。但是，对于温度超过150 ℃的高温地热井，目前国内市面上还没有相关的设备。采用国外设备，造价高昂，在地热资源勘查初级阶段难以承受。

本次工作中，对谷露地热田ZK1301 地热钻井进行了系统的恢复温度测量、流温测量和井口温压测量。通过精细的数据分析，根据能量守恒定律，提出了一种可以通过测井数据来计算井内不同位置热储层出水量的方法。

1 地质概况

1.1 基础地质概况

谷露地热田地表大部分被第四系覆盖，主要为冲洪积物、冰水堆积物与泉华。热田范围内，第四系厚度约为50 m 左右。热田中部被第四系硅质泉华覆盖，形成泉华台地、泉华丘和喷气孔等泉华地貌。泉华呈粒状结构、胶状结构等多种结构，角砾状构造，主要矿物为蛋白石，蛋白石矿物中的SiO2含量最高达97.48 %［18］。热田西南部1 km 及东南部4 km以外见中侏罗统马里组的石英砂岩、灰岩与砂岩互层、碳质页岩等，马里组岩石普遍发生了弱的变质作用。热田范围内，部分钻孔钻遇马里组的碳质页岩，厚度约为100 m。热田西侧山坡见少量侵入岩出露，主要岩性为花岗闪长岩、花岗斑岩（图1）。热田外围见大面积粗粒斑状黑云母二长花岗岩与花岗闪长岩。该区花岗岩与花岗闪长岩形成时间距今约为11Ma［19］。

图1 谷露地热田地质图［8］Fig.1 Geological map of Gulu Geothermal Field［8］

热田断裂构造主要包括SN 向、EW 向、NE向与NW 向4 组。SN 向断裂构造包括F4-2与F4-3断裂；EW 向断裂包括F1-1与F1-3断裂；NE向断裂为F2-2、F2-6、F2-7和F2-8等断裂；NW 向的断裂包括F3-3、F3-4和F3-5等断裂。在上述断裂中，SN 向F4-2断裂是热田范围内最重要的断裂。与SN 向断裂相比，NE 向断裂的规模相对较小。泉华中的NE 向裂隙可能是盆地基岩中NE 向断裂的反映［11］。

1.2 钻孔岩性特征

截至2021 年，在谷露热田共实施了三口探采结合井以及13 个测温孔（图1）。其中，已实施ZK1301 探采结合井井深686 m，钻井中采集的岩屑特征表明，该井第四系厚度为51m，由第四系冲洪积的砂砾石、泉胶砾岩等组成；从51 m 至井底均为蚀变花岗闪长岩，花岗闪长岩普遍发育硅化、黄铁矿化、黏土化、绿泥石化和碳酸盐化蚀变，不同位置蚀变强度和蚀变矿物组合略有差异。

1.3 井身结构

ZK1301 井为三开井身结构。二开套管下至200 m，三开至井底，裸眼完井。由于在200 m 以浅有套管阻隔，这部分的热储层被封闭在了套管之外，无法通过温度测井获得热储的相关信息。后续放喷试验过程中，由于套管的阻隔，在200 m以浅的热储层也无流体的溢出。

2 温度测井

2.1 测温设备

由于谷露热田为高温热田，目前已探获的井内最高温度为189.4 ℃。普通测温设备无法在此温度下正常工作，需要采用耐高温的测温设备。本次采用的测温设备为中核坤华能源发展有限公司研制的RD 600-C 型高温温压测井仪。该仪器主要技术参数如下：最大工作温度350 ℃，可在此温度下持续工作5 h；最大工作压力80 MPa；最高工作电流15 mA；工作电压介于8～12V 之间。压力测量范围介于0～80 MPa 之间，最小分辨率0.006 MPa；温度测量范围介于0～350 ℃之间，温度精度为±0.1 ℃。

2.2 测温方法

2.2.1 静温测量

完井后的温度测量由于受到井筒开放路径的影响，会引起不同储层之间的对流，导致所测得的温度与原始温度存在一定差异［20］。为了减少这这种影响，笔者采用恢复温度的测量方法。探采结合井实施完成后，先在井筒内注入足量的冷水对井筒和热储层进行冷却，一般注入量不小于井筒容积的两倍。之后，进行注水后0 和24 h 恢复温度测量（静温测量），由于热储层的恢复速度比井筒不含热储的地方恢复速度更快，由此可以获得不同热储层的温度。需要注意的是，在静温测量过程中，井口需要处于完全封闭的状态，采用防喷装置将测温仪器下入井内。测量过程中，井口全程保持封闭，不能发生溢流，否则会导致井内热储层涌水，使得井筒一定范围内温度均一化。

2.2.2 流温测量

完成静温测量后，开启井口阀门，进行放喷。在放喷一段时间等井口的温度、压力较为稳定后，进行流温测量。流温测量过程中，井口保持开放放喷的状态。流温测量过程中，对井口的温度、端压进行记录。流温测量过程中，尽可能将井口阀门完全打开，使得井内热水可以从侧向阀门（放喷管线中）自由涌出。测温仪器从顶部阀门入井，同样需要加装防喷装置。

谷露热田ZK1301 井的静温与流温测量结果如图2 所示。

图2 谷露地热田ZK1301 井代表性测温曲线图Fig.2 Temperature logging curve of ZK1301 in Gulu Geothermal Field

3 热储层分析与计算

3.1 计算原理

谷露地热田的热储类型为受断裂控制的带状热储（基岩裂隙型热储）。钻井过程中，通常会钻遇不同温度、不同水量的多个热储层。在地热井完井后，先注入足量的冷水对井筒和热储层进行冷却，然后进行注水后0 和24 h 恢复温度测量（静温测量），由于热储层的恢复速度比井筒不含热储的地方恢复速度更快，由此可以获得不同热储层本层位的温度。在进行流温测量时，可以获得每个热储层的位置以及热储层上部和下部热流体的温度。在知道放喷过程中地热流体发生闪蒸前的流量、温度的条件下，结合测量获得的最上部热储层的温度，依据能量守恒定律，可以反推最上部热储层的出水量。依次类推，可以进一步推算所有热储层的出水量。

根据能量守恒定律，井口附近高温地热流体所含的总能量（E总）等于各个含水层所含能量之和。虽然地热流体在井筒内从深部向浅部运移过程中，会与围岩发生热交换，损失部分能量。但是，由于西藏地热井普遍较浅，这种能量交换相对较小，可以忽略。此外，随着放喷时间的增加，能量交换会逐渐达到平衡。因此，在计算含水层涌水量时，暂不考虑地热流体在运移过程中与围岩之间发生的能量交换。如果有多个含水层，则每个含水层所含能量分别为E1、E2、E3、E4…En。则根据能量守恒定律，E总=E1+E2+E3+E4…+En。

3.2 数据获取

3.2.1 流量数据

流量数据通过地热井放喷试验获得。常用计算流量的方法为詹姆斯端压法。放喷试验的持续时间不少于3 d。测量井口温度、压力、蒸汽量、水流量，计算汽水比、干度，获得连续稳定的相关数据。詹姆斯端压法计算汽水总流量公式［21］：

式中：Qm—汽水混合物总量，t·h-1；Pc—排放管端压（绝对压力），kg·cm-2，近似于bar①：1 bar=105 Pa；h0—热流体的焓，kJ·kg-1；D—排放管直径，cm；

3.2.2 流温数据

流温是指地热井在放喷过程中，井筒内流动的地热流体的温度。通过对地热井流温测量，可以获得地热井内多个参数。如：井筒内的地热流体的最终混合温度（T0）、某一含水层涌水段以上的混合温度、某一含水层涌水段以下的混合温度。如果存在多个含水层，则流温曲线从井底到井口会表现为阶梯状（图2）。由于测量流温时，地热井处于放喷过程中，井筒内流体高速流动，所以此时没法测量单个含水层的准确温度。

3.2.3 静温数据

静温测量是在闭井状态下进行的地热井内的温度测量。通过闭井后不同时间的测量，可以获得地热井内的恢复温度。为了防止井内已有地热流体的干扰，在进行恢复温度测量前，会在井内注入适当的冷水。之后进行不同时间的温度测量。根据经验，常选取闭井后0 和24 h 的静温测量数据进行井内含水层温度的分析。如果有更长时间恢复温度的数据，如48 或72 h 的静温测量数据，可以用此代替24 h 的静温数量。随着恢复时间的增长，获得的热储层的温度也更加准确。

3.3 热储层位置判断

由图2 不同时间的测温曲线不难发现，在0 h 恢复温度曲线（注入冷水后立即进行温度测井获得的温度曲线）上的峰值或低值与井内的热储层有关。如果井内不存在涌水层或漏失层，那井内应为一条斜率基本不变的曲线。而涌水层或漏水层的存在，使得注入冷水后的曲线发生了明显变化。峰值可能是井内热储涌出所导致的高温，低值可能是部分冷水注入井内裂隙中引起井内温度降低。而在流温曲线上，每一个温度发生突变的位置，即为井内地热流体涌出的位置。静温曲线与流温曲线相互印证后，认为该钻孔共揭露到7 个热储层，其位置从上到下分别是：375～388 m、458～482 m、526～540 m、554 m、568～578 m、596～602 m和609～613 m。

3.4 热储层涌水量计算

热储层涌水量计算公式主要包括以下几个参数：

Q0—井筒内地热流体的总流量，t·h-1；T0—井筒内地热流体混合后的最终温度，℃；H0—井筒内地热流体混合后的焓值，kJ·kg-1；Q1—第1 段含水层涌水量，t·h-1；T1—井筒内第1 段含水层的平均温度，℃；H1—井筒内第1 段含水层的焓值，kJ·kg-1；Q0-1—井筒内第1 段含水层之下地热流体的总流量，t·h-1；T0-1—井筒内第1 段含水层之下地热流体混合后的最终温度，℃；H0-1—井筒内第1 段含水层之下地热流体混合后的焓值，kJ·kg-1。

在上述参数中，Q0通过放喷试验计算获得，Q0=Qm；T0、T0-1两个参数主要通过流温测量直接获得；T1通过静温测量获得。在知道对应温度后，H0、H1和H0-1三个参数可以通过查表获得［20］；Q1与Q0-1两个参数为未知参数。需要注意的是，T0要用流温测量过程中，最上部一段温度的温度数据，不能采用井口的温度数据。

根据能量守恒定律，上述参数遵循以下关系：

因此，可以推导出Q1=Q0×（H0－H0-1）/（H1－H0-1）

由此，可以计算出第1 个含水层的涌水量。以此类推，可以计算出其他含水层的涌水量。

3.5 应用实例

结合西藏某地热田地热井的勘查实例，对该井不同含水层的水量进行计算。

从该地热井放喷试验过程中，通过井口温度压力测量，测得该井的汽水总量Qm=200 t·h-1。因此，Q0=Qm=200 t·h-1。从流温曲线来看，该井井深370 m至地表无明显的阶梯，表明在370 m以上无涌水层。在385 m 处的温度T0=161.6 ℃，对应的H0=682.4 kJ·kg-1。在375～388 m 为第1含水层涌水段，根据0 h 的测温曲线，该段最高温度T0=174 ℃，对应的H1= 736.7 kJ·kg-1。在388 m 以下为井筒内第1 段含水层涌水段之下均匀地热流体，其温度T0-1=160.8 ℃，对应的焓值H0-1=678.9 kJ·kg-1。根据计算公式Q1=Q0×（H1－H0-1）/（H0－H0-1），可计算出第1 段含水层涌水量为12 m3·h-1。

同样，根据上述公式和原理，可以计算出该井其他涌水段的涌水量。结果如下：

第2 段含水层涌水量为Q2=26 m3·h-1；第3 段含水层涌水量为Q3=13 m3·h-1；第4 段含水层涌水量为Q4=82 m3·h-1；第5 段含水层涌水量为Q5=35 m3·h-1；第6 段含水层涌水量为Q6=16 m3·h-1；第7段含水层涌水量为Q7=13 m3·h-1。

3.6 结果验证

根据计算结果，结合地热井的总流量及理论模型，对计算结果的可靠性进行验证。根据上述结果，该地热井中所有涌水量之和应该与地热井总涌水量一致。即Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7。

通过本方法，计算出的Q0=197 m3·h-1；实际该井汽水混合物总量Qm=200 m3·h-1。两者基本一致，表明本方法较为可靠。

4 讨论

4.1 热储层特征及分析

谷露热田ZK1301 井揭露到了多个热储层，这些热储层的位置、温度与水量特征为：第一热储层位于375～388 m，出水温度约为174℃，出水量约为12 m3·h-1；第2 热储层位于458～482 m，出水温度约为164℃，出水量约为26 m3·h-1；第3 热储层位于526～540 m 之间，出水温度约为163℃，出水量约为13 m3·h-1；第4热储层位于554 m，出水温度约为161℃，出水量约为82 m3·h-1；第5 热储层位于568～578 m，出水温度约为161℃，出水量约为35 m3·h-1；第6 热储层位于596～602 m，出水温度约为158 ℃，出水量约为16 m3·h-1；第7 热储层位于609～613 m，出水温度约为157 ℃，出水量约为13 m3·h-1。

上述热储层中，温度最高的热储层位于375～388 m，出水温度约为174 ℃；水量最大的热储层位于554 m，出水量约为82 m3·h-1。根据各个热储层温度、涌水量及之间的距离远近等因素，可以将上述热储层进行合并为3 个热储层，分别为位于375～388 m 的第1 热储层；位于458～482 m 的第2热储层；位于526～613 m的第3 热储层。按照合并后的热储层划分方式，从温度与水量来看，第3 热储层温度在161 ℃左右，合计水量约为159 m3·h-1，对该井的产能贡献最大。

通过对测温曲线形态分析发现，该井温度在620 m 出现温度倒转后，又继续升温，且之后无明显的含水层出现。因此，认为该井在620 m附近穿过了F4-2断裂破碎带。结合断裂在地表出露的位置计算，认为F4-2断裂带在此处的倾角为63°。上述对热储层位置与断裂产状的认识对后续探采结合井的部署具有重要的指导意义。

4.2 热储层与断裂关系

已有工作表明，谷露热田的F4-2断裂及一系列NE 向断裂对热流体的运移具有一定的控制左右，断裂交汇处岩石较为破碎，是热流体运移的有利通道［8］。但是，对于断裂与热储层之间的准确位置关系缺乏详细阐述。根据本次测井获得流温曲线（图2），可以发现，在620 m以深，温度呈缓慢降低的趋势，没有出现因为井内涌水出现的温度台阶，表明没有新的涌水层出现；而在注水后0 h 的恢复温度曲线中，在620 m 以深表现为缓慢增温趋势，表明在注水的过程中，注入的冷水对此段无明显影响，表明此段岩石较为完整，不存在明显断裂。如果该井中的7 层热储主要受到F4-2断裂控制，那该断裂可能从该井620 m 附近经过。也就是说，ZK1301 井在620 m 深的位置穿过了F4-2断裂（图3）。根据钻井与F4-2断裂地表位置关系，结合钻井在深部穿过断裂的准确位置，可以计算断裂的产状。该井与F4-2断裂的水平距离约为339 m，以此计算，F4-2断裂在该井西侧的倾角约为63°。

图3 谷露地热田ZK1301 井与断裂关系示意图Fig.3 Relationship between drilling ZK1301 and fault in Gulu Geothermal Field

4.3 局限性分析

该方法在建立过程中，并未考虑地热流体与围岩（或井壁）之间的热交换，会导致计算结果存在一定误差。由于谷露地热井流量较大，该误差可以忽略。为了减小误差，可以在适当延长放喷时间后进行测温，使得井内热流体与围岩之间进行充分的热交换。

在地热井内，可能存在部分涌水量较小，或者温度与井筒内基本一致的含水层。由于测井方法的局限性，这些含水层的涌水量无法通过该方法计算。这也是为什么计算结果与实际测量结果存在一定误差的原因之一。

该方法在使用过程中，对于每个热储层的温度，采用的是24 h 或更长时间的井内恢复温度来代替。事实上，由于井筒内的水存在热传导和热对流，导致选取的热储层的温度与实际热储层的温度存在一定的偏差，这就导致最终计算出来的热储层的涌水量存在一定误差。与分层抽水试验相比，该方法精确度不高，只能算是一种半定量的推算。

5 结 论

1）根据地热井恢复温度测量、流温测量和井口温压测量数据，结合能量守恒原理，可以对地热井内的热储层的位置和每个热储层的出水量进行半定量计算。

2）谷露热田ZK1301 井可以细分为7 层热储。可将上述热储层进行合并为3 个，分别为位于375～388 m 的第1热储层；位于458～482 m的第2 热储层；位于526～613 m 的第3 热储层。其中，第3 热储层温度在161 ℃左右，合计水量约为159 m3·h-1，对该井的产能贡献最大。

3）根据ZK1301 钻井揭露到的热储层的位置计算，F4-2断裂在ZK1301 井西侧的倾角约为63°。