物探在共和盆地干热岩勘查与开发中的应用与成果

梁明星, 杨 毅, 刘东明, 欧 洋,蒋正中, 翟景红, 王宇航

(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000；2.国家现代地质勘查工程技术研究中心，廊坊 065000)

0 引言

2018年4月自然资源部中国地质调查局将共和盆地干热岩试验性勘查开发列入“科技攻坚战”。2019年3月自然资源部中国地质调查局,正式印发《青海共和盆地干热岩勘查与试验性开发科技攻坚战实施方案》，实施共和盆地干热岩勘查与开发成为自然资源部“三深一土”战略的重要支撑[1-3]。2019年部署了“共和盆地恰卜恰干热岩试验性开发与评价”二级项目，由中国地质调查局水文地质环境地质中心牵头，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所(物化探所)承担预算分列项目。项目团队积极响应青海共和盆地干热岩勘查与试验性开发科技攻坚战的重大决策部署，针对共和盆地深部地质结构以及开发场地干热岩储层特征不清晰、耐高温井温测井仪器有待攻关、干热岩测井标准规范有待建立等问题，开展了地球物理调查、关键技术攻关、标准编制等工作。

地面物探工作以宽频大地电磁测深为主，面积性覆盖整个共和盆地东部地区，建立了共和盆地三维电性结构模型；开发场地测井工作以井温测井和成像测井为主，结合工程综合测井资料，评价开发场地地温场和干热岩储层特征。通过本项目的实施，基本查明岩石物性特征，建立了开发场地地层物性柱；评价了干热岩储层物性特征，支撑干热岩开发试采；编制了基岩界面埋深等值线图；基本查明共和盆地及周边电性结构与深部低阻体，刻画了共和盆地断裂几何特征、青藏高原东北缘缩短变形模式；圈定2处干热岩有利区，构建了共和盆地地热地质模型。创新成果表达方式，积极转化服务应用，研发了耐高温井温测井仪器，编制了《干热岩测井规范》。积极主动为局属单位、青海地方提供服务，先后十余次为局属单位提供地球物理反演、解释等成果资料，优选地热有利区，为干热岩井压裂、射孔设计提出了合理建议。

1 工区概况

共和盆地地处西秦岭、东昆仑、祁连、柴达木与欧龙布鲁克等多个构造带或块体交接转换的重要结点地区，即秦祁昆接合部[4]。该接合部以大面积出露三叠系并发育中生代火山-岩浆活动为典型特征。由于广泛发育有早中三叠世隆务河组和中三叠世古浪堤组复理石沉积，以及新生代沉积地层，缺少基底岩系出露，使得在秦岭造山带与东昆仑造山带之间形成了所谓的“共和缺口”。西秦岭造山带与松潘-甘孜地区一起构成了中国大陆最大的构造结，地质构造十分复杂[5]。区域上，共和盆地所处的西秦岭造山带，北东以宗务隆山南缘-青海南山南缘断裂为界，北为宗务隆-青海南山构造带；南西以东昆南断裂为界，与东昆南缝合带和巴颜喀拉-松潘造山带相接；西以苦海-兴海蛇绿混杂岩带为界，与柴达木盆地东部构造带毗邻[6]。青海共和盆地处于中东昆仑与西秦岭造山带的交接转换部位，可进一步划分为塘格木坳陷、贵南坳陷、贵德坳陷、祁家隆起和黄河隆起5个次级构造单元[7]。调查区地层出露较全，从老到新有元古宙、石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪、白垩纪、古近-新近纪及第四纪地层[8]。

2 地球物理探测方法

在共和盆地恰卜恰开发场地，先后在干热岩井中部署了高温井温测井和成像测井工作，其中成像测井包括超声波成像测井和方位远探测声波反射波测井；在共和盆地东部及外围，部署了宽频大地电磁测深工作(图1)。

图1 共和盆地干热岩测井与三维大地电磁测量实际材料图Fig.1 Actual material map of well logging and 3D magnetotelluric measurement in Gonghe basin

2.1 地球物理测井

在共和盆地共和县恰卜恰开发场地部署干热岩测井工作，主要目的是获取测区完整地层物性参数，进行测井响应特征、地质结构、地层划分、储层识别、地应力分析、裂缝发育程度等研究[9]，结合钻探、地面物探和地质成果，评价测区地热资源潜力，分析干热岩储层特征，为干热岩开发利用的工程实施提供依据。

在恰卜恰开发场地干热岩探采井中部署井温测井和成像测井工作，井温测井采用300℃自主研发的存储式井温测井仪器(图2)，包括自然伽马、温度、井液压力3个参数，成像测井采用哈里伯顿的耐高温超声成像和远探测声波仪器，包括自然伽马、井斜、超声波成像、方位远探测声波反射波4个参数，主要目的是分析干热岩储层特征，解决岩性划分、地层划分、地温评价、裂缝评价、地应力评价等地质问题(图3)。

图2 存储式温度测井仪器Fig.2 Storage temperature well logging tool

图3 干热岩储层测井评价解释系统软件主界面Fig.3 Software main interface of logging evaluation and interpretation system for hot dry rock reservoirs

2.2 大地电磁测深

部署了宽频大地电磁测深，建立测区及外围主要构造单元的二维电性结构、以及共和盆地三维电性结构，探测基岩界面及断裂构造展布。以沉积层与下伏侵入花岗岩地层之间明显的电阻率差异为物性前提，结合区域重磁、钻孔、测井、地震等资料，探测基岩界面、深部高导体等，分析研究共和盆地地热地质条件。

采用CG公司的Aether大地电磁仪开展测量，完成了16条大地电磁测深剖面，设计探测深度40 km，共完成511个测点，三维大地电磁测量分2年度完成，主要采用宽频带仪器记录，单点记录时间均大于20 h。2020在共和县东部、贵德县、贵南县北部带按照3 km点距，5 km～15 km线距的不规则网格部署三维大地电磁测量，2021年在贵南县、同德县、兴海县东部采用3 km点距，5 km～15km的不规则网格部署，测点的部署同时兼顾剖面测量的需要，并且以北东向测线部署为主，以保证跨过盆地内主要的构造单元和断裂，在保证覆盖整个盆地的同时兼顾重点地区的剖面测量需要，总体使三维大地电磁测深点覆盖了整个共和盆地东部地区。

主要采用张量观测方式，即测量Ex、Ey、Hx、Hy、Hz五个分量。Ex、Hx方向沿正北方向布设，Ey、Hy沿正东西布设，电极长度为100 m，采集频段为320 Hz～0.000 5 Hz。

3 关键技术攻关

3.1 耐高温井温测井仪器研发

为了解决耐200℃高温以上干热岩井井温测井问题，电路芯片采用航天级器件，攻关了一体式保温瓶关键技术，完成300℃存储式井温测井仪器研制并开展现场试验，获取了可靠的高温测井数据，推动了技术进步。未存储三参数测井仪器主要对温度、压力、伽马三个参数进行采集和曲线处理，它由井下三参数测井仪、地面钢丝绞车、地面深度系统、地面处理软件构成。该仪器通过电池供电，保温瓶技术，在测井之前，地面深度采集系统与井下仪器进行时间同步，同步完成后井下仪器依靠地面钢丝绞车把仪器放入目的层位。测井完成后，通过数据线把井下测井数据和地面绞车深度数据读出，软件以时间为介质把井下温度数据和地面深度数据合并成测井曲线。

仪器耐温300℃，耐压为80MPa，外径为52 mm，温度精度±1℃，压力精度为0.1% FS，伽马准确度±10 API，经高温高压实验室测试仪器性能满足设计要求。

3.2 干热岩储层测井评价技术体系

开展了干热岩地球物理测井评价方法技术研究，建立了干热岩综合测井方法体系，优选方法组合，综合多种评价方法，建立干热岩储层测井评价解释模型，创新形成了干热岩测井评价解释方法。不同于油气、煤田和水热型地热测井评价，该方法主要包括岩性识别、井温评价、裂缝解释、地应力评价等，评价与干热岩勘查开发相关的地层的岩性、物性、地温梯度、裂缝参数、地应力方向及大小、岩石力学参数等。

由于国内、外测井软件都是针对油气层、煤层、煤层气等储层的评价解释，并无针对干热岩储层评价解释方法，因此开展了干热岩地球物理测井评价方法技术研究，建立了干热岩综合测井方法体系，优选方法组合，综合多种评价方法，建立干热岩储层测井评价解释模型，创新形成了干热岩测井评价解释方法。在完善上述方法并进行了实际资料测井评价解释后，采用JAVA编程语言，基于CIFLog测井处理解释一体化软件平台，集成干热岩储层测井评价方法，完成了干热岩储层测井评价解释系统研发。

CIFLog-HDR，全名“干热岩储层测井评价解释系统”，该系统是采用Java语言和NetBeans开发环境，开发的一套利用测井资料综合评价干热岩储层的解释系统。该系统除包含平台已有的数据管理、预处理、成果输出、常规处理、成像处理等功能外，针对干热岩储层主要开发了“岩性分析”、“裂缝参数计算”、“地应力分析”、“岩石力学”、“可压裂性评价”、“远探测声波处理”六大模块，基本满足干热岩储层测井解释需求。

4 标准编制

干热岩是新兴地热能源，一般温度大于180℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体(致密不透水)的高温岩体，这种岩体的成分可以变化很大，绝大部分为中生代以来的中酸性侵入岩，但也可以是中新生代的变质岩，甚至是厚度巨大的块状沉积岩，存量巨大[10]。地球物理测井在勘探和开采石油、天然气、页岩油气、水合物、地热、煤、煤层气及金属矿体的过程中，利用岩层的物理特性，测量其地球物理参数，为勘探开发提供重要支撑。在干热岩的勘探开发过程中，同样需要测井获取地层信息、评价储层有效性及可压裂性、分析地应力情况等。为此，编写《干热岩测井规范》，对干热岩测井技术发展、规范干热岩勘探开发工程有着重要的意义。

制定了调研方案，收集调研了石油天然气、页岩油气、煤层气、煤田、金属矿、水文地质等测井技术规程及其他地热地质调查相关规程，形成调研报告。进行了干热岩地球物理测井现场调研，根据干热岩井地球物理测井监理实际情况，总结了不同测井方法在干热岩井中的优缺点及发挥的作用，进行了测井方法在干热岩井中的适用性评价，制定了标准详细提纲，包括：范围、规范性引用文件、总则、测井任务、设计和试验、仪器设备、施工准备、测量技术、资料验收与评价、资料处理与解释、安全防护及相关附录等。项目组内部根据技术人员的主攻技术领域，分工编写标准。目前，标准已经通过中国地质调查局审查，形成报批稿。

表1 《干热岩测井规范》章节目录Tab.1 Chapter catalog of “Specifications for hot dry rock well logging”

5 取得的主要成果

5.1 获取了开发场地干热岩储层物性参数并为地温场评价和压裂设计等提供支撑

开展GR1、GR2、DR2、DR8、DR9、DR10、GH-01、GH-02、GH-03井的井温测井工作，结合收集到的热阻数据，计算了地温梯度和大地热流值，证明该研究区干热岩地热资源勘探开发潜力巨大，为试验性开发奠定基础(表2)。

表2 干热岩井井温数据成果表Tab.2 Results table of well temperature data for hot dry rock wells

对GH-01、GH-02、GH-03井综合测井实施质量管理，严把测井质量关，获取了高质量的数据，为干热岩开发提供必要的基础资料，并在测井结束后，对原始资料进行了处理解释，评价了地层岩性、放射性、裂缝、地应力、井温等参数，划分出适合压裂的目标层段(图4)，为完井方案和储层建造方案制定提供依据。

图4 GH-01井裂缝解释成果图Fig.4 Results of fracture interpretation in well GH-01

5.2 获取了共和盆地基底起伏界面和盆地内主要断裂分布

采用大地电磁一维反演，获取了全盆地的基岩界面深度(图5)，对90年代认识进行了修正。为基础地质研究、干热岩有利区选取提供了最基础的资料。基岩深度是干热岩勘查中最基本的也是急需获取的一个参数，恰卜恰地区的勘查实践表明，基岩深度与地温场存在一定的耦合关系，基岩深度可为地温场研究提供辅助作用，特别是在共和盆地缺少钻孔的西部和东南部地区，能够有力支撑干热岩资源评价工作。同时，基岩深度可为钻探孔位选择、施工设计、深部温度预测提供基础。断裂是深部热源向浅表传导热能的重要通道，三维电性结构上断裂位于电阻率都变带，这些断裂控制了盆山隆升、凹陷，在共和盆地现今地热格局形成中起了重要作用。在有利区选取方面，依据基岩深度图，结合目前工程开发技术实际和其他地质认识，在盆地东南部贵南、同德地区建议了两处干热岩有利区，将干热岩资源调查和评价拓展至共和盆地外围区域。

图5 共和盆地基岩深度图Fig.5 Depth of bedrock and distribution of major faults in Gonghe basin

5.3 获取了盆地的电性结构特征并圈定了壳内热源

首次采用宽频大地电磁测深法获取了共和盆地三维电性结构，从电性上划分了盆地构造特征，为盆地构造演化、盆山耦合关系、深部动力过程研究提供了新视角。电性模型显示，上中地壳不同深度的高、低电阻率块体之间具有明显的不连续性特征。这些不连续面与地表观测到的与强烈形起伏有关的断裂相吻合，这些断裂对共和盆地周边山脉的形成起着重要作用。这些断裂在中上地壳与一个导电/韧性层相连，可作为青藏高原向东北缘扩张过程中地壳缩短和变形的滑脱层。同时，这些中上地壳中的低阻层可作为干热岩的深部热源。

5.4 综合基岩埋深和断裂构造以及潜在深部热源圈定了干热岩有利区

共和盆地的干热岩勘探结果表明，随着花岗岩体厚度的增加，岩体温度明显增加，在2 100 m～2 500 m深处花岗岩体温度普遍达到150℃，达到干热岩的标准。根据共和地区干热岩勘查孔测井数据，恰卜恰地区平均地温梯度为6.1℃/100 m，盖层与花岗岩体接触带、断裂带、花岗岩裂隙带处的地温梯度较大，完整花岗岩中地温梯度相对较小[11]。放射性测试结果表明，花岗岩中铀、钍、钾等放射性元素含量与大陆平均值相当，放射性生热不是干热岩形成的主要热量来源，干热岩勘查孔的测温曲线呈现出较好的线型特征，符合传导型地热的特征，结合大地电磁探获的中上地壳低阻层，判断共和盆地干热岩的热源来自于地球深部[12]。因此，确定了干热岩有利开发靶区选定标准，即有一定厚度的盖层，避开断裂构造，且深部有潜在热源的区域。

目前，通过钻孔揭露、测温、热流测定等综合研究表明共和盆地的干热岩主要为新生界之下的花岗岩，且作为热储的花岗岩是连片分布的。基于以上认识，首先需要获取整个盆地的基岩界面深度。在电性上，花岗岩表现为高阻，电阻率大于1 000 Ω·m，新生界地层电阻率一般小于100 Ω·m，花岗岩与上覆新生界地层存在明显电性差异，可通过电磁方法有效区分。我们首先采用大地电磁方法获取盆地的基岩界面深度。在此基础上，选取了四条大地电磁剖面跨过工程和二级项目确定的重点工作区，结合现有钻探、开发能力，先优选出基岩埋深在500 m～3 000 m的利于开发的区域(图7)，以查明深部潜在热源支撑有利靶区圈定。

图6 共和盆地三维电性结构成果图Fig.6 Three-dimensional electrical structure results map of Gonghe basin

图7 干热岩有利区建议成果图Fig.7 Suggested results for the favorable area of hot dry rock

5.5 深化了青藏高原东北缘缩短变形模式认识

共和盆地地处青藏高原东北缘秦祁昆交汇处，其缩短变形模式在向北和向东方向可能存在差异，本次工作获取的电性结构模型显示盆地东南端存在一条中下地壳壳内低阻条带，在深部向东南倾斜且在15 km～35 km深度上连续分布，这与该区地震层析成像获得的结果存在对应关系，即沿松潘地块向西秦岭造山带剖面上，在15 km～40 km深度存在一条连续由西向东的纵横波速低速层，结合贵南南山地表位移的观测结果，推断此低阻可能为一壳内管道流，为青藏高原物质东移提供了通道。同时，我们注意到低阻流物质有可能向北端挤出并受青海南山阻隔，赋存于山前，成为壳内热源，与沿松潘地块向祁连造山带剖面的地震层析成像在共和盆地下方存在低速层认识相对应，并且此低速层厚度自南向北逐渐收窄，在青海南山前显著减薄，表明由南向北的深部地壳物质运移作用较弱且可能受到了青海南山的阻隔，主要表现为韧性机制。相对地，瓦里关山岩浆岩带在电阻率切片上整体表现为高阻，且在垂直方向上延伸至中下地壳(30 km)，主要表现为对中上地壳东移物质的阻挡，使得向东流动的物质可能向西秦岭构造带更深处流动。低速、低阻层的存在说明该区域内正在进行着花岗岩化、花岗岩的熔融与区域变质等活动。诸多大地构造学家认为壳内低速层是壳内的拆离滑脱面，而岩石学家则认为它是花岗质岩浆源。虽然在青藏高原东北缘向北(沿松潘-祁连方向)、向东(沿松潘-秦岭方向)的地球物理剖面都显示地壳内存在低速、低阻层，但在深部变形隆升模式上可能存在差异，向北主要以壳内滑脱变形隆升为主，向东则可能存在壳内物质流动。

6 结语

1)利用综合测井数据，评价了地层岩性、放射性、裂缝、地应力、井温等参数，为未来干热岩开发提供必要的基础资料，为钻探施工提供技术支持。

2)利用大地电磁测深数据开展反演，绘制了测区的基岩深度图，通过与地热勘探孔揭露的基岩深度对比，验证了大地电磁获取基岩面的可行性和正确性。通过对测区的基岩深度做了修正，为干热岩勘查提供了基础资料。

3)结合地质和其他地球物理资料开展了大地电磁一维、二维、三维反演，初步构建了共和盆地中深部电性结构模型。结合地质、物探等资料初步完成了电性结构分析，绘制了整个共和盆地的基岩深度图，划分了断裂和深部可能的热源，并圈定了干热岩有利区。

4)本次工作获取的电性结构模型及该区以往其它地球物理探测的结果显示，在向北、向东的方向上共和盆地地壳内普遍存在低速、低阻层，但在深部变形隆升模式上可能存在差异，向北主要变现为韧性机制，以壳内滑脱变形隆升为主，向东则可能存在壳内管道流，深化了青藏高原东北缘缩短变形模式认识。