张祎然， 梁学堂， 全浩理*， 刘 磊， 金 端， 倪 倩
(1.湖北省地质局 地球物理勘探大队，湖北 武汉 430056；
2.资源与生态环境地质湖北省重点实验室，湖北 武汉 430034)
地热能作为一种优质的清洁能源，被广泛应用于供暖、制冷、发电等领域，还将在节能减排、乡村振兴中发挥更多作用[1-2]。近年来，中深层地热能的应用需求十分旺盛，尤其是城市地区，带动地热井数量逐年快速增加。测井作为一种常用的物探手段，在地热勘查中发挥了重要作用[3-4]。然而在实际地热勘查中，测井会出现较多问题，例如地热井中地层多见破碎，电阻率、声波等参数在连通和非连通孔隙中的响应特征较为相似[5]，给涌水层识别带来一定的干扰；
在岩性较为复杂的层段，常规参数响应变化较大[6]，增加了数据处理难度，影响目标层识别效率。此外，地热井多为清水钻进，成井易垮塌，为保证井壁完整且水量供给充足，成井时往往采取花管固井技术，即使用多孔眼的PVC塑料管或钢制套管对井身进行加固处理，确保成井后依然能够正常使用，因此部分地热井的后期数据采集是在有套管的情况下完成的，自然电位、声波时差、电阻率等常规测井响应特征均会出现不同程度的失真[7]，从而影响涌水层识别的准确性，甚至不能作为涌水层识别的依据。同时，在地热田、地热供暖等应用场景下，单个工区的钻井数较多，如果采取标准测井序列，则存在成本较高、数据采集与处理周期较长、受环境制约程度较大等问题。
井温测井是一种常规测井手段，其利用钻井内温度随深度的变化规律来研究地质构造、寻找矿产资源以及检查钻孔技术状况，在综合测井资料解释中，一般作为辅助资料来进行测井解释[8-9]。大量测井生产实践表明，将井温测井数据进行合理处理，获得井温监测曲线及其梯度变化曲线，可以实现目标层识别等目的，甚至定性评价其规模[10-16]。特别是对于复杂条件和较大规模应用场景下的地热井测井工作，当其他常规测井手段难以有效发挥作用或成本较高时，井温测井更具便捷、高效、经济等优势。
鉴于此，本文以湖北省两处中深层地热井为例，总结在不同监测模式和监测环境下，充分应用井温测井数据解决地温梯度读取、高温及涌水层识别、裂隙观测、套管查漏等实际生产问题的方法，为地热勘查开发中提高井温测井数据利用率并降低测井工作成本提供新思路。
1.1 井温测井原理
井温测井是地热勘查中的规定项目，在施工过程中一般会优先对井温进行监测，具有设备简单、响应稳定、数据直观、定位准确、经济便捷等优点。井温监测的主要工作原理是在桥式电路中接入一对温感电阻，通过测量由温度导致电阻变化引起的电压差异来得到环境温度[17]。井温引起电阻变化的规律为：
RT=R0[1+α(T-T0)]
(1)
式中：T为仪器的测试温度，℃；
T0为仪器的初始温度，℃；
α为电阻丝的温度系数，1/℃；
RT为温度T对应的电阻，Ω；
R0为温度T0对应的电阻，Ω。
则电阻的变化值ΔR为：
ΔR=RT-R0=R0α(T-T0)
(2)
电阻的变化会转化为电压变化，可得：
(3)
式中：ΔU为温度由T0变化到T时的电位差，V；
I为电流强度，A；
k为仪器常数，表示电阻变化一个单位量时温度的变化值，℃/Ω。
根据上述计算公式可知，井温受地层结构、压力、井液等外部环境因素的影响极小。在实际工作中，井温测井主要获取的是当前深度的井液温度，通过动态和静态井温监测，可以提取能反映环境特征的有效信息。
1.2 井温监测模式
1.2.1静态井温监测
静态井温监测的主要目的是获取当地地温梯度，识别温度异常层段。地壳从地表到深部的温度逐渐升高，在理想状态下(地层未被扰动，无温度异常显示时)，地壳浅表地温曲线近似直线，称为地温梯度线，其斜率基本固定，即地温与深度的关系为线性函数关系。不同的地区具有不同的地温梯度，以此作为井温监测曲线异常解释的基本模型。
进行静态井温监测时，需要使井筒处于关闭状态，通过隔水、闭管等方式减缓井内液体涌动，静置超过24 h后方可进行监测。监测时以下行测量数据为准，得到的井液温度受涌水等环境因素影响程度小，因此该温度近似于测量点对应深度的地温，从而直观地反映地温变化情况。
当存在地温异常层段时，井温监测曲线会在宏观上表现为一条弧线，当该段井温梯度低于正常地温梯度时，井温监测曲线表现为负弧线；
当该段井温梯度高于正常地温梯度时，井温监测曲线则表现为正弧线(图1)。
图1 井温监测曲线示意图Fig.1 Schematic diagram of well temperature monitoring curve
1.2.2 动态井温监测
动态井温监测是指井液处于动态循环时的温度监测，人工注入井液、抽水和井内液体自涌时进行的井温监测都属于动态井温监测。由于井液处于动态扰动时，会造成井内上下温差缩小，井内液体温度不能反映测量点对应深度的真实地温。影响动态井温的因素主要有流体温度差异、流体性质变化、机械能加热等。
(1) 流体温度差异。是指自涌或注入的流动流体与地温存在差异时，会在涌水点或注入点形成温度干扰，整体影响井温及其梯度值。
(2) 流体性质变化。常见的井内流体为气、液两种形式，在压力增加或释放时，流体密度发生变化会出现放热和吸热现象[17]。以地层高压气体为例，其释放时体积膨胀，会吸收大量井液热量，形成低温异常。
(3) 机械能加热。是指液体流动或扰动时产生的机械加热现象。裸眼井流体动能较大时，与管壁摩擦会小幅度提高井温；
部分随钻测试时也会因为机械施工造成井液温度暂时升高，实际测量时应尽量避免该现象出现。
在常规地热勘查时，动态井温监测的情况为井内液体自涌、随钻监测等，本文仅对井内液体自涌情况下的井温监测数据进行分析。发生井内液体自涌时，涌水层之上的井温会受到较大影响，即井温梯度减小，井温监测曲线斜率降低；
而由于涌水层之下没有流出通道，下涌水量较少，会导致下方的井温及其梯度变化较小，且井温与真实地温呈现固定幅度变化。由此可见，涌水层具有类似隔温带的作用，使其上、下方的井温监测曲线在涌水层位置出现拐点并产生“台阶”(图1)。
2.1 钻井概况
本文以宜昌ZK01和武汉DRJ01两口地热勘探井为研究对象。
ZK01井井深512 m，探测地层主要为寒武系，探测目的为寻找深部导水断层。该井揭露岩性主要为泥页岩和灰岩，岩心较完整，无明显破碎层段。全井地温梯度较高，平均为3.3℃/100 m，高于当地平均值。该井无自涌水，最大日涌水量<200 m3/d。测井目的是通过常规测井识别高温层，揭示井温随深度变化的特征。
DRJ01井井深850 m，探测地层主要为震旦系，探测目的在于寻找深部导水断层和主力涌水层。该井揭露岩性较单一，主要为片麻岩，岩心不完整，井壁多见破碎，多处出现垮塌掉块，因此在0～200、365～436 m段采用钢制实管护壁，在436～485 m段采用钢制花管护壁。全井地温梯度较低，平均为1.2℃/100 m，低于当地平均值。该井自涌水量较大，最大日涌水量为1 560.67 m3/d。测井目的是通过常规测井识别涌水层，揭示温度场分布规律，但该井井口和多段井身涌水，导致电性、波速等测井参数均受到一定影响，进而影响了涌水层识别的可靠性。
2.2 高温层识别
进行静态井温监测后，可以绘制出该井的静态井温监测曲线；
然后将井温按一定间隔进行梯度计算，可获得地温梯度变化曲线。计算公式如下：
(4)
式中：m为深度间距，m；
Tn、Tn+m分别为井深n、n+m处的井温测量值，℃；
Tg为测量点以m为深度间距的等效地温梯度，℃/100 m。
如果某一层段出现温度异常，则地温梯度变化曲线会偏离全井平均地温梯度曲线，对应温度异常层段呈现“几”字形突起，具有直观的指示效果。
以ZK01井为例，该井未见导水断层，全井水量较少，但是该井地温梯度较高，全井平均地温梯度为3.3℃/100 m。绘制的静态井温监测曲线相对于全井参考地温梯度线，呈现出两段正弧线(图2)，只能大致判断井深250～375、445～500 m段可能存在高温层，无法精确定位。然后参照公式(4)，取m=10 m计算等效地温梯度，绘制地温梯度变化曲线(图2)，发现该曲线上出现2处显著的“几”字形突起，代表高温层分布于井深300～310、450～470 m段。高温层的精确识别对后期深部热源追踪有较好的指导意义。
该案例表明，在中深层地热勘查中，开展静态井温监测能够有效获得该区地温梯度；
通过地温梯度变化曲线能够有效识别高温层。当工区静态井温监测数据量足够多时，还能分析工区温度场空间分布情况，为后期区域性评价提供参考资料。
图2 ZK01井井温测井成果Fig.2 Well temperature logging results of ZK01
2.3 涌水层识别
在井内液体自涌情况下进行井温动态监测后，可以绘制出该井的动态井温监测曲线；
然后计算井温梯度值，获得该井的井温梯度变化曲线。如果某一层段发生涌水，则井温监测曲线会出现相应的“台阶”，而井温梯度变化曲线则会出现极大值，呈“∧”形突起。
以DRJ01井为例，该井岩石较为破碎，为防止井壁垮塌并提高钻进效率，分别在0～200、365～436、436～485 m段采用钢制实管、钢制实管、钢制花管进行护壁。声波时差、三侧向电阻率测井结果显示，其测井曲线呈锯齿状，套管部位无法测量三侧向电阻率(图3)，说明该井常规测井效果较差，不能确定主要断层破碎带位置，而且存在常规测井数据采集不全等问题。
考虑到该井大量涌水，自涌水量为820 m3/d，对全井进行动态井温监测，获得了动态井温监测曲线；
然后参照公式(4)方法，按每10 m井深间距计算井温梯度，绘制井温梯度变化曲线(图3)。由图3可以看出，井温监测曲线上显示有3处“台阶”，对应井温梯度变化曲线呈现明显的“∧”形突起，指示在井深620、750、830 m处为涌水层。另外，“∧”形突起的幅度越大，代表涌水量越大。结合多方资料综合分析，认为750 m处的涌水层为本次钻井的目标断裂位置和主力涌水层。
该案例表明，在中深层地热勘查中，开展动态井温监测能够有效识别涌水层，并根据井温梯度变化曲线上突起幅度的大小，定性判断涌水量的规模。特别是对于具复杂条件的地热钻井，井温测井数据可以排除干扰，高效识别目标层。
图3 DRJ01井井温测井成果Fig.3 Well temperature logging results of DRJ01
2.4 套管查漏
在地热能利用中，钻井多采用套管成井，近年来逐渐兴起了全封闭管技术，即不使用地下水源，在不造成环境污染的前提下，使用管内热液与环境进行热量交换的地源热泵技术。实际生产中，套管会发生破损，导致井液漏失和热损失，降低地热能利用效率。套管查漏常采用精度较高的声波、磁定位技术，但声波定位设备直径较大，易受到钻井直径的限制；
磁定位设备在高磁环境或非磁性管材中使用受限。两种技术测量效率低、成本高，不太适合用于长期且高频率的管内监测工作[14]。采用动态井温监测，可得到井温监测曲线，套管破损点会导致该曲线上出现小突起，指示管漏的大致位置。如果井温监测数据精度高，细微的破碎涌水点也能被识别到。通过井温监测确定管漏的大致位置后，再采用声波、磁定位技术等进行精确定位和修复，是更为稳妥、高效和经济的工作流程。
以DRJ01井为例，动态井温监测发现井温监测曲线对应井深48 m处出现一个小突起(图4)，可能为套管破损点，而后经过进一步检查得到确认。经过修复后，井温监测曲线变得连续，表明套管破损成功修复。
该案例表明，在中深层地热勘查中，采用动态井温监测能够在不动用复杂设备的前提下，有效检查钻井固井情况，并降低工作成本。
图4 DRJ01井浅部套管查漏成果Fig.4 Shallow casing leak detection results of DRJ01 well
2.5 裂隙监测
水井长期使用以后，裂隙涌水量会发生变化，若涌水量减小，则指示地下水量和水压发生了变化，预示该地区有发生沉降的风险。通过定期开展静态和动态井温监测并对比监测数据的变化，可以有效判别地下裂隙水量变化等情况。通过对比静态井温监测数据，可以确定热源稳定程度，若井温监测曲线结构发生变化，则指示导热物质(地层、地下水)的赋存状态发生了变化。通过对比动态井温监测数据，观察井温监测曲线台阶位置和井温梯度变化曲线极值幅度，可以判断出水位置和水量大小的变化。通过以上手段，可以经济便捷地对生产用水井进行监测。
井温测井作为一种成熟的物探手段，在地热勘查中具有较高的使用率，充分灵活地应用井温测井数据能有效提高勘查工作效率并降低工作成本。本文总结了在不同监测模式和监测环境下应用井温测井数据的新思路，可便捷地解决地温数据采集、目标层识别、水量定性评价、固井检测等常见的地热勘查问题。利用静态井温监测数据和地温梯度变化曲线，可有效识别高温层的位置，并准确采集地温梯度等数据。利用动态井温监测数据和井温梯度变化曲线，可在复杂环境下有效识别涌水层的位置，并定性判断涌水量的大小。利用动态井温监测曲线的微小异常，可有效识别套管破损等固井情况。
致谢：感谢湖北省地质局地球物理勘探大队各测井项目组对本文的数据支持。
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