物探在共和盆地干熱巖勘查與開發中的應用與成果

梁明星, 楊 毅, 劉東明, 歐 洋,蔣正中, 翟景紅, 王宇航

(1.中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000；2.國家現代地質勘查工程技術研究中心，廊坊 065000)

0 引言

2018年4月自然資源部中國地質調查局將共和盆地干熱巖試驗性勘查開發列入“科技攻堅戰”。2019年3月自然資源部中國地質調查局,正式印發《青海共和盆地干熱巖勘查與試驗性開發科技攻堅戰實施方案》，實施共和盆地干熱巖勘查與開發成為自然資源部“三深一土”戰略的重要支撐[1-3]。2019年部署了“共和盆地恰卜恰干熱巖試驗性開發與評價”二級項目，由中國地質調查局水文地質環境地質中心牽頭，中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所(物化探所)承擔預算分列項目。項目團隊積極響應青海共和盆地干熱巖勘查與試驗性開發科技攻堅戰的重大決策部署，針對共和盆地深部地質結構以及開發場地干熱巖儲層特征不清晰、耐高溫井溫測井儀器有待攻關、干熱巖測井標準規范有待建立等問題，開展了地球物理調查、關鍵技術攻關、標準編制等工作。

地面物探工作以寬頻大地電磁測深為主，面積性覆蓋整個共和盆地東部地區，建立了共和盆地三維電性結構模型；開發場地測井工作以井溫測井和成像測井為主，結合工程綜合測井資料，評價開發場地地溫場和干熱巖儲層特征。通過本項目的實施，基本查明巖石物性特征，建立了開發場地地層物性柱；評價了干熱巖儲層物性特征，支撐干熱巖開發試采；編制了基巖界面埋深等值線圖；基本查明共和盆地及周邊電性結構與深部低阻體，刻畫了共和盆地斷裂幾何特征、青藏高原東北緣縮短變形模式；圈定2處干熱巖有利區，構建了共和盆地地熱地質模型。創新成果表達方式，積極轉化服務應用，研發了耐高溫井溫測井儀器，編制了《干熱巖測井規范》。積極主動為局屬單位、青海地方提供服務，先后十余次為局屬單位提供地球物理反演、解釋等成果資料，優選地熱有利區，為干熱巖井壓裂、射孔設計提出了合理建議。

1 工區概況

共和盆地地處西秦嶺、東昆侖、祁連、柴達木與歐龍布魯克等多個構造帶或塊體交接轉換的重要結點地區，即秦祁昆接合部[4]。該接合部以大面積出露三疊系并發育中生代火山-巖漿活動為典型特征。由于廣泛發育有早中三疊世隆務河組和中三疊世古浪堤組復理石沉積，以及新生代沉積地層，缺少基底巖系出露，使得在秦嶺造山帶與東昆侖造山帶之間形成了所謂的“共和缺口”。西秦嶺造山帶與松潘-甘孜地區一起構成了中國大陸最大的構造結，地質構造十分復雜[5]。區域上，共和盆地所處的西秦嶺造山帶，北東以宗務隆山南緣-青海南山南緣斷裂為界，北為宗務隆-青海南山構造帶；南西以東昆南斷裂為界，與東昆南縫合帶和巴顏喀拉-松潘造山帶相接；西以苦海-興海蛇綠混雜巖帶為界，與柴達木盆地東部構造帶毗鄰[6]。青海共和盆地處于中東昆侖與西秦嶺造山帶的交接轉換部位，可進一步劃分為塘格木坳陷、貴南坳陷、貴德坳陷、祁家隆起和黃河隆起5個次級構造單元[7]。調查區地層出露較全，從老到新有元古宙、石炭紀、二疊紀、三疊紀、侏羅紀、白堊紀、古近-新近紀及第四紀地層[8]。

2 地球物理探測方法

在共和盆地恰卜恰開發場地，先后在干熱巖井中部署了高溫井溫測井和成像測井工作，其中成像測井包括超聲波成像測井和方位遠探測聲波反射波測井；在共和盆地東部及外圍，部署了寬頻大地電磁測深工作(圖1)。

圖1 共和盆地干熱巖測井與三維大地電磁測量實際材料圖Fig.1 Actual material map of well logging and 3D magnetotelluric measurement in Gonghe basin

2.1 地球物理測井

在共和盆地共和縣恰卜恰開發場地部署干熱巖測井工作，主要目的是獲取測區完整地層物性參數，進行測井響應特征、地質結構、地層劃分、儲層識別、地應力分析、裂縫發育程度等研究[9]，結合鉆探、地面物探和地質成果，評價測區地熱資源潛力，分析干熱巖儲層特征，為干熱巖開發利用的工程實施提供依據。

在恰卜恰開發場地干熱巖探采井中部署井溫測井和成像測井工作，井溫測井采用300℃自主研發的存儲式井溫測井儀器(圖2)，包括自然伽馬、溫度、井液壓力3個參數，成像測井采用哈里伯頓的耐高溫超聲成像和遠探測聲波儀器，包括自然伽馬、井斜、超聲波成像、方位遠探測聲波反射波4個參數，主要目的是分析干熱巖儲層特征，解決巖性劃分、地層劃分、地溫評價、裂縫評價、地應力評價等地質問題(圖3)。

圖2 存儲式溫度測井儀器Fig.2 Storage temperature well logging tool

圖3 干熱巖儲層測井評價解釋系統軟件主界面Fig.3 Software main interface of logging evaluation and interpretation system for hot dry rock reservoirs

2.2 大地電磁測深

部署了寬頻大地電磁測深，建立測區及外圍主要構造單元的二維電性結構、以及共和盆地三維電性結構，探測基巖界面及斷裂構造展布。以沉積層與下伏侵入花崗巖地層之間明顯的電阻率差異為物性前提，結合區域重磁、鉆孔、測井、地震等資料，探測基巖界面、深部高導體等，分析研究共和盆地地熱地質條件。

采用CG公司的Aether大地電磁儀開展測量，完成了16條大地電磁測深剖面，設計探測深度40 km，共完成511個測點，三維大地電磁測量分2年度完成，主要采用寬頻帶儀器記錄，單點記錄時間均大于20 h。2020在共和縣東部、貴德縣、貴南縣北部帶按照3 km點距，5 km～15 km線距的不規則網格部署三維大地電磁測量，2021年在貴南縣、同德縣、興海縣東部采用3 km點距，5 km～15km的不規則網格部署，測點的部署同時兼顧剖面測量的需要，并且以北東向測線部署為主，以保證跨過盆地內主要的構造單元和斷裂，在保證覆蓋整個盆地的同時兼顧重點地區的剖面測量需要，總體使三維大地電磁測深點覆蓋了整個共和盆地東部地區。

主要采用張量觀測方式，即測量Ex、Ey、Hx、Hy、Hz五個分量。Ex、Hx方向沿正北方向布設，Ey、Hy沿正東西布設，電極長度為100 m，采集頻段為320 Hz～0.000 5 Hz。

3 關鍵技術攻關

3.1 耐高溫井溫測井儀器研發

為了解決耐200℃高溫以上干熱巖井井溫測井問題，電路芯片采用航天級器件，攻關了一體式保溫瓶關鍵技術，完成300℃存儲式井溫測井儀器研制并開展現場試驗，獲取了可靠的高溫測井數據，推動了技術進步。未存儲三參數測井儀器主要對溫度、壓力、伽馬三個參數進行采集和曲線處理，它由井下三參數測井儀、地面鋼絲絞車、地面深度系統、地面處理軟件構成。該儀器通過電池供電，保溫瓶技術，在測井之前，地面深度采集系統與井下儀器進行時間同步，同步完成后井下儀器依靠地面鋼絲絞車把儀器放入目的層位。測井完成后，通過數據線把井下測井數據和地面絞車深度數據讀出，軟件以時間為介質把井下溫度數據和地面深度數據合并成測井曲線。

儀器耐溫300℃，耐壓為80MPa，外徑為52 mm，溫度精度±1℃，壓力精度為0.1% FS，伽馬準確度±10 API，經高溫高壓實驗室測試儀器性能滿足設計要求。

3.2 干熱巖儲層測井評價技術體系

開展了干熱巖地球物理測井評價方法技術研究，建立了干熱巖綜合測井方法體系，優選方法組合，綜合多種評價方法，建立干熱巖儲層測井評價解釋模型，創新形成了干熱巖測井評價解釋方法。不同于油氣、煤田和水熱型地熱測井評價，該方法主要包括巖性識別、井溫評價、裂縫解釋、地應力評價等，評價與干熱巖勘查開發相關的地層的巖性、物性、地溫梯度、裂縫參數、地應力方向及大小、巖石力學參數等。

由于國內、外測井軟件都是針對油氣層、煤層、煤層氣等儲層的評價解釋，并無針對干熱巖儲層評價解釋方法，因此開展了干熱巖地球物理測井評價方法技術研究，建立了干熱巖綜合測井方法體系，優選方法組合，綜合多種評價方法，建立干熱巖儲層測井評價解釋模型，創新形成了干熱巖測井評價解釋方法。在完善上述方法并進行了實際資料測井評價解釋后，采用JAVA編程語言，基于CIFLog測井處理解釋一體化軟件平臺，集成干熱巖儲層測井評價方法，完成了干熱巖儲層測井評價解釋系統研發。

CIFLog-HDR，全名“干熱巖儲層測井評價解釋系統”，該系統是采用Java語言和NetBeans開發環境，開發的一套利用測井資料綜合評價干熱巖儲層的解釋系統。該系統除包含平臺已有的數據管理、預處理、成果輸出、常規處理、成像處理等功能外，針對干熱巖儲層主要開發了“巖性分析”、“裂縫參數計算”、“地應力分析”、“巖石力學”、“可壓裂性評價”、“遠探測聲波處理”六大模塊，基本滿足干熱巖儲層測井解釋需求。

4 標準編制

干熱巖是新興地熱能源，一般溫度大于180℃，埋深數千米，內部不存在流體或僅有少量地下流體(致密不透水)的高溫巖體，這種巖體的成分可以變化很大，絕大部分為中生代以來的中酸性侵入巖，但也可以是中新生代的變質巖，甚至是厚度巨大的塊狀沉積巖，存量巨大[10]。地球物理測井在勘探和開采石油、天然氣、頁巖油氣、水合物、地熱、煤、煤層氣及金屬礦體的過程中，利用巖層的物理特性，測量其地球物理參數，為勘探開發提供重要支撐。在干熱巖的勘探開發過程中，同樣需要測井獲取地層信息、評價儲層有效性及可壓裂性、分析地應力情況等。為此，編寫《干熱巖測井規范》，對干熱巖測井技術發展、規范干熱巖勘探開發工程有著重要的意義。

制定了調研方案，收集調研了石油天然氣、頁巖油氣、煤層氣、煤田、金屬礦、水文地質等測井技術規程及其他地熱地質調查相關規程，形成調研報告。進行了干熱巖地球物理測井現場調研，根據干熱巖井地球物理測井監理實際情況，總結了不同測井方法在干熱巖井中的優缺點及發揮的作用，進行了測井方法在干熱巖井中的適用性評價，制定了標準詳細提綱，包括：范圍、規范性引用文件、總則、測井任務、設計和試驗、儀器設備、施工準備、測量技術、資料驗收與評價、資料處理與解釋、安全防護及相關附錄等。項目組內部根據技術人員的主攻技術領域，分工編寫標準。目前，標準已經通過中國地質調查局審查，形成報批稿。

表1 《干熱巖測井規范》章節目錄Tab.1 Chapter catalog of “Specifications for hot dry rock well logging”

5 取得的主要成果

5.1 獲取了開發場地干熱巖儲層物性參數并為地溫場評價和壓裂設計等提供支撐

開展GR1、GR2、DR2、DR8、DR9、DR10、GH-01、GH-02、GH-03井的井溫測井工作，結合收集到的熱阻數據，計算了地溫梯度和大地熱流值，證明該研究區干熱巖地熱資源勘探開發潛力巨大，為試驗性開發奠定基礎(表2)。

表2 干熱巖井井溫數據成果表Tab.2 Results table of well temperature data for hot dry rock wells

對GH-01、GH-02、GH-03井綜合測井實施質量管理，嚴把測井質量關，獲取了高質量的數據，為干熱巖開發提供必要的基礎資料，并在測井結束后，對原始資料進行了處理解釋，評價了地層巖性、放射性、裂縫、地應力、井溫等參數，劃分出適合壓裂的目標層段(圖4)，為完井方案和儲層建造方案制定提供依據。

圖4 GH-01井裂縫解釋成果圖Fig.4 Results of fracture interpretation in well GH-01

5.2 獲取了共和盆地基底起伏界面和盆地內主要斷裂分布

采用大地電磁一維反演，獲取了全盆地的基巖界面深度(圖5)，對90年代認識進行了修正。為基礎地質研究、干熱巖有利區選取提供了最基礎的資料。基巖深度是干熱巖勘查中最基本的也是急需獲取的一個參數，恰卜恰地區的勘查實踐表明，基巖深度與地溫場存在一定的耦合關系，基巖深度可為地溫場研究提供輔助作用，特別是在共和盆地缺少鉆孔的西部和東南部地區，能夠有力支撐干熱巖資源評價工作。同時，基巖深度可為鉆探孔位選擇、施工設計、深部溫度預測提供基礎。斷裂是深部熱源向淺表傳導熱能的重要通道，三維電性結構上斷裂位于電阻率都變帶，這些斷裂控制了盆山隆升、凹陷，在共和盆地現今地熱格局形成中起了重要作用。在有利區選取方面，依據基巖深度圖，結合目前工程開發技術實際和其他地質認識，在盆地東南部貴南、同德地區建議了兩處干熱巖有利區，將干熱巖資源調查和評價拓展至共和盆地外圍區域。

圖5 共和盆地基巖深度圖Fig.5 Depth of bedrock and distribution of major faults in Gonghe basin

5.3 獲取了盆地的電性結構特征并圈定了殼內熱源

首次采用寬頻大地電磁測深法獲取了共和盆地三維電性結構，從電性上劃分了盆地構造特征，為盆地構造演化、盆山耦合關系、深部動力過程研究提供了新視角。電性模型顯示，上中地殼不同深度的高、低電阻率塊體之間具有明顯的不連續性特征。這些不連續面與地表觀測到的與強烈形起伏有關的斷裂相吻合，這些斷裂對共和盆地周邊山脈的形成起著重要作用。這些斷裂在中上地殼與一個導電/韌性層相連，可作為青藏高原向東北緣擴張過程中地殼縮短和變形的滑脫層。同時，這些中上地殼中的低阻層可作為干熱巖的深部熱源。

5.4 綜合基巖埋深和斷裂構造以及潛在深部熱源圈定了干熱巖有利區

共和盆地的干熱巖勘探結果表明，隨著花崗巖體厚度的增加，巖體溫度明顯增加，在2 100 m～2 500 m深處花崗巖體溫度普遍達到150℃，達到干熱巖的標準。根據共和地區干熱巖勘查孔測井數據，恰卜恰地區平均地溫梯度為6.1℃/100 m，蓋層與花崗巖體接觸帶、斷裂帶、花崗巖裂隙帶處的地溫梯度較大，完整花崗巖中地溫梯度相對較小[11]。放射性測試結果表明，花崗巖中鈾、釷、鉀等放射性元素含量與大陸平均值相當，放射性生熱不是干熱巖形成的主要熱量來源，干熱巖勘查孔的測溫曲線呈現出較好的線型特征，符合傳導型地熱的特征，結合大地電磁探獲的中上地殼低阻層，判斷共和盆地干熱巖的熱源來自于地球深部[12]。因此，確定了干熱巖有利開發靶區選定標準，即有一定厚度的蓋層，避開斷裂構造，且深部有潛在熱源的區域。

目前，通過鉆孔揭露、測溫、熱流測定等綜合研究表明共和盆地的干熱巖主要為新生界之下的花崗巖，且作為熱儲的花崗巖是連片分布的。基于以上認識，首先需要獲取整個盆地的基巖界面深度。在電性上，花崗巖表現為高阻，電阻率大于1 000 Ω·m，新生界地層電阻率一般小于100 Ω·m，花崗巖與上覆新生界地層存在明顯電性差異，可通過電磁方法有效區分。我們首先采用大地電磁方法獲取盆地的基巖界面深度。在此基礎上，選取了四條大地電磁剖面跨過工程和二級項目確定的重點工作區，結合現有鉆探、開發能力，先優選出基巖埋深在500 m～3 000 m的利于開發的區域(圖7)，以查明深部潛在熱源支撐有利靶區圈定。

圖6 共和盆地三維電性結構成果圖Fig.6 Three-dimensional electrical structure results map of Gonghe basin

圖7 干熱巖有利區建議成果圖Fig.7 Suggested results for the favorable area of hot dry rock

5.5 深化了青藏高原東北緣縮短變形模式認識

共和盆地地處青藏高原東北緣秦祁昆交匯處，其縮短變形模式在向北和向東方向可能存在差異，本次工作獲取的電性結構模型顯示盆地東南端存在一條中下地殼殼內低阻條帶，在深部向東南傾斜且在15 km～35 km深度上連續分布，這與該區地震層析成像獲得的結果存在對應關系，即沿松潘地塊向西秦嶺造山帶剖面上，在15 km～40 km深度存在一條連續由西向東的縱橫波速低速層，結合貴南南山地表位移的觀測結果，推斷此低阻可能為一殼內管道流，為青藏高原物質東移提供了通道。同時，我們注意到低阻流物質有可能向北端擠出并受青海南山阻隔，賦存于山前，成為殼內熱源，與沿松潘地塊向祁連造山帶剖面的地震層析成像在共和盆地下方存在低速層認識相對應，并且此低速層厚度自南向北逐漸收窄，在青海南山前顯著減薄，表明由南向北的深部地殼物質運移作用較弱且可能受到了青海南山的阻隔，主要表現為韌性機制。相對地，瓦里關山巖漿巖帶在電阻率切片上整體表現為高阻，且在垂直方向上延伸至中下地殼(30 km)，主要表現為對中上地殼東移物質的阻擋，使得向東流動的物質可能向西秦嶺構造帶更深處流動。低速、低阻層的存在說明該區域內正在進行著花崗巖化、花崗巖的熔融與區域變質等活動。諸多大地構造學家認為殼內低速層是殼內的拆離滑脫面，而巖石學家則認為它是花崗質巖漿源。雖然在青藏高原東北緣向北(沿松潘-祁連方向)、向東(沿松潘-秦嶺方向)的地球物理剖面都顯示地殼內存在低速、低阻層，但在深部變形隆升模式上可能存在差異，向北主要以殼內滑脫變形隆升為主，向東則可能存在殼內物質流動。

6 結語

1)利用綜合測井數據，評價了地層巖性、放射性、裂縫、地應力、井溫等參數，為未來干熱巖開發提供必要的基礎資料，為鉆探施工提供技術支持。

2)利用大地電磁測深數據開展反演，繪制了測區的基巖深度圖，通過與地熱勘探孔揭露的基巖深度對比，驗證了大地電磁獲取基巖面的可行性和正確性。通過對測區的基巖深度做了修正，為干熱巖勘查提供了基礎資料。

3)結合地質和其他地球物理資料開展了大地電磁一維、二維、三維反演，初步構建了共和盆地中深部電性結構模型。結合地質、物探等資料初步完成了電性結構分析，繪制了整個共和盆地的基巖深度圖，劃分了斷裂和深部可能的熱源，并圈定了干熱巖有利區。

4)本次工作獲取的電性結構模型及該區以往其它地球物理探測的結果顯示，在向北、向東的方向上共和盆地地殼內普遍存在低速、低阻層，但在深部變形隆升模式上可能存在差異，向北主要變現為韌性機制，以殼內滑脫變形隆升為主，向東則可能存在殼內管道流，深化了青藏高原東北緣縮短變形模式認識。