热储温度场分布特征及地热探测方法研究

崔丹丹，习建军,2，陈 雄，刘午阳，蔡 铭

(1. 河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050031；2. 吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130026；3. 河北地质大学勘查技术与工程学院，河北 石家庄 050031)

热储温度场分布特征及地热探测方法研究

崔丹丹1，习建军1,2，陈 雄3，刘午阳1，蔡 铭1

(1. 河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050031；2. 吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130026；3. 河北地质大学勘查技术与工程学院，河北 石家庄 050031)

本文针对地热温度场一般热传递方程，使用加权余量法求解边值问题的泛函，应用有限元进行网格划分，以稀疏矩阵的双线性插值和双二次插值求解系数矩阵。通过建立温度分布-电阻率模型，分析储热层温度分布特征及其电磁响应模拟，提出了电磁测量电阻率探查地热田构造和温度的解释技术，并通过地热田探测实例验证了我们所提方法的有效性。

热传递方程；加权余量法；电磁；地热田。

1 概述

1973年发生世界上第一次石油危机时，专家学者们把寻找新兴能源的眼光投放到地热能上来，从此，地热能作为一种新兴、清洁型且可再生能源，得到了蓬勃的发展。地球物理探测技术应用于地热能探测的历史并不长。Sing S.B.(1983)应用电阻率测深法探测地热田构造，Soengkono S(1992)利用磁法探测地热田，Volpi G(2003)将大地电磁(MT)、可控源大地电磁(CSAMT)技术应用于地热田勘探工作，并取得较好效果。国内现阶段地球物理方法探测地热工作也已有一定进展。溆水(1983)将磁法、重力勘探应用于地热探测中，李大心(1989)在浅层地热调查中，使用直流电阻率和激发极化方法确定具体断层位置，并且取得良好的效果，张文秀等(2012)根据可控源原理，开发了分布式电磁探测系统，并将其应用于深部地热的探测，刘振华(2013)应用大深度电磁法对深部地热的地球物理勘查取得成功。

经过近几十年的大力开发与利用，埋藏较浅的高温地热资源几乎都已经勘查完毕，因而，现今地热田的勘查方向与目标都发生了变化。现有勘察手段主要是用传统浅层地热勘探方法，这些方法较为零散，用于深层地热勘查还有很多限制和不足之处，因而，迫切需要一套系统完整的地热勘探方法技术来有效勘查地热田分布，这也是当前地热田地球物理勘查首要任务。

2热储温度场对岩石电性的影响

2.1 电阻率和温度的相关关系

图1给出了典型的饱含水岩石样品的电阻率受温度影响的曲线。从图中可见，随着温度的升高，岩石的电阻率降低，在低温段(20～150℃)时，电阻率下降较快，在高温段(150～300℃)时，电阻率下降较慢。加热过程和冷却过程略有差异，但整体趋势一致。

图1 电阻率随温度变化的典型曲线

岩石电阻率与温度关系的研究中，前苏联科学家Г.A. Dakhnow总结的经验公式为：

式中：ρ为温度为T时的电阻率；ρ0为温度为T0时的电阻率；α为温度系数，与岩石岩性与地下水溶液矿化度有关，一般取值0.02。

2.2 热传递方程

根据傅里叶定律，三维温度场某点通过单位截面积的热流量为：

式中：λ为介质热导率，设为各向同性参数(W/(m℃))，热流密度单位为W/m2，负号代表热量从温度高的区域向低温度区域传递。

推导可得热传递方程：

该式就是存在热源、热传导以及热对流时的不稳定温度场的一般式微分方程。

利用加权余量法推导，将式(3)中每一项都乘以δT，并积分，可得：

3 地下介质温度分布及其电磁响应模拟

3.1 地下介质温度场模拟

温度场分布受地下情况影响是多方面的，包括低热导率岩石盖层、持续热源供热、热通道，为了模拟多种因素影响，计算域设为二维矩形区域，宽度为10 km，厚度为7 km，顶层灰岩层(热导率低盖层)为背斜形式，中部设置一个宽2.0 km的垂直的高热导通道(如导热断裂)，灰岩层下部地层为花岗岩。具体设计模型见图2。

图2 地下介质温度场模型

取左右边界(AB、CD)为绝热边界；地面取定温边界，取定温度为15℃；地下边界(BC)为定流边界，其中中间2.0 km范围内热流值高，取150 mW/m2，两侧取大地热流60 mW/m2。计算过程中，时间间隔 计算；模型上边界温度为15℃，下边界初始温度为155℃，中间各点温度按平均温度梯度插值。

模型中岩石的热学参数参照表1选取，其中高热导通道导热率选6.0W•m-1•K-1，密度及比热容与花岗岩相同。

表1 各岩层热学参数

图3 由盖层、热源、热通道综合构成的大地模型正演计算温度分布图

由图3(a)可以看出，初始时刻，地下介质温度分布随深度均匀增加，各点温度仅与深度相关；图3(b)为经过一段时间之后，受盖层、热通道、热源综合影响，地下介质的温度分布发生了变化。在高导热通道中，其近地表靠近盖层的一端温度更高，在其底下端由于有更充足的热流补充，比低热流低热导岩层温度更高，并且还向围岩输出热量。

3.2 地热储层的电磁响应模拟

将上节模型计算的温度分布模型转化成电阻模型，式(1)中参数为：常温下岩石的电阻率，经验系数 ，常温 ，电阻率模型见图4。

对图4 中的模型进行正演计算，得到的结果见图5。从图5(a)可以看出，TE模式的视电阻率在横向上几乎没什么变化，在纵向上能看出较明显的区别；5(b) TM模式下，高热导通道位置视电阻率比同深度有较明显的降低，而在纵向变化上，但没有TE模式敏感；5(c)为TE模式的相位图，岩层分界明显；5(d)为TM模式的相位图，盖层的背斜位置及大小容易确定，对其横向位置的确定有精确的定位，但对于盖层和花岗岩基质的岩层识别上，无法准确判断岩层界面的深度，需要TE模式的补充确定。

图4 温度分布—电阻率模型

另外，对比图3(b)和图4，在深度1000 m时，温度差为30℃，电阻率差异为400 Ω•m，背景场电阻率为2200 Ω•m；深度2000 m时，温度差为20℃，电阻率差异仅为200 Ω•m，背景场电阻率为1400 Ω•m，电阻率变化相对较小，难以识别。而在图5(b)TM模式中，能很好的识别出来。图5(a)TE模式中，因盖层中的温度梯度与基质中的温度梯度不同，从而引起了TE模式的异常响应，很好的区分了不同的地层。

图5 温度分布-电阻率模型的电磁响应正演模拟结果

3.3 地热田地球物理探测方法技术

图6 地热田勘探技术流程

地热田勘探分为4个不同阶段，即：前期调研、区域勘查、重点详查、监测分析，不同阶段因着重点不同，使用地球物理方法技术不同。经调研分析，本文在大量搜资、野外实践的基础上提出了一套地热田勘探方法技术，详见图2.5。

具体而言，首先通过地质调查、水文调查结合物探中的红外遥感技术和米测温技术，调查地表温度异常，分析其分布规律，推断其异常与地下温度的联系；其次使用区域物探技术，包括重力方法、磁法等技术对区域构造进行判断解译，分析其构造的发育程度以及是否发育为形成地热田的条件，圈定地热调查详查靶区；然后针对圈定的地热靶区，应用高精度且探测深度大的电磁法，包括大地电磁、可控源大地电磁、EH4、微震等，对详查靶区进行仔细勘查，分析局部构造和地热的关系，确定地热田的位置、深度以及延展度等信息；最后利用自然电场法等监测地下水运动补给情况和地球化学方法分析水质及其成因、循环路径环境等信息，最终对地热田进行准确的定位及科学的评价。本文研究的重点为详查物探方法阶段。

4 实例分析

下面以某实际地热调查为例，介绍地热田电磁探测技术。

4.1 工区地质和构造

勘察区为一新生代断陷盆地，地质概略图见图7。

图7 勘查区地质概略图

4.2 可控源探测结果及钻井井位确定

图8是可控源电磁1号测线的剖面反演结果。测线1方向为近东西向，根据电阻率的水平方向不连续情况，推断剖面具有多条断层，即标号Fn3、F4、F1、Fn2、F5和Fn1，结合其他测线结果，这些断层中，F4和F5断层近东西走向。

根据探测结果，并结合水文、地质等资料综合分析，确定钻孔位置为：测线的6号点0.3 km处，见图8。

图8 勘察区1号测线CSAMT电阻率反演结果及钻孔位置图

4.3 钻井测温和可控源反演电阻率对比分析

对地热储层进行钻井勘探，测井时对实际地层进行井内温度测量，并将其与该处电磁法反演电阻率测深曲线进行对比分析，将钻井进行分段，见图9。

图9 钻孔测温与CSAMT反演电阻率对比图

对比图9中钻孔测温曲线与可控源大地电磁反演电阻率曲线，可以发现，两者的分层能力相同，且所分层具有较好的对应关系。从图中可知：

第一段0～600 m，测井反映为三叠系砂板岩地层，破碎严重，在CSAMT反演图中显示为低阻70～200 Ω•m，温度为100～122℃。

第二段600～1200 m，测井反映为花岗闪长岩，CSAMT反演电阻率为30～70 Ω•m，温度较恒定，为122～123℃。

第三段1200～1500 m，测井为花岗闪长岩，高温高压段，CSAMT反演电阻率为100～400 Ω•m，温度变化较快，为122～132℃，是上下两段地层的相对隔热层。

第四段1500～2600 m以下，测井花岗闪长岩为主，局部有破碎，CSAMT反演电阻率为300～200000 Ω•m，温度相对恒定，为132～140℃。

第五段2600 m以下，测井结果为暗灰色闪长岩，岩石坚硬，CSAMT反演电阻率也趋于稳定105 Ω•m，温度上升较快，为141～151℃。

第六段2600 m以下，未见含水破碎带，因其温度相对较高140℃以上，电阻率也相对稳定，推断其为较为完整的不含水高温花岗岩体，推断为地热田区，从而查找到了目标体。

5 结论

随着世界范围的传统化石能源短缺及环境污染问题越来越严重，地热能需求会持续增长，其勘探方法会继续发展、演化和成熟，基于热储温度场与岩石电性关系的地球物理方法将朝着更为有效的方向发展。

地下介质温度分布不均匀会引起电阻率变化，使电磁法得到不同的响应，从而对温度异常区域进行准确定位。其中电磁法的TE模式对目标体的垂向分辨率较高，TM模式对目标体的横向分辨率更高，在使用电磁法勘探时，应根据该特点有针对地选择对应模式。判断热储深度利用TE模式能更准确，而定位热储水平位置，则使用TM模式更为有效，两种模式结合对热储进行综合评价效果最佳。

本文提出的地热田勘探地球物理方法技术，对地热田勘探具有通用性，不同勘查阶段，多种方法手段的联合应用使地热田地球物理探测自成系统，基于温度场的地球物理响应计算是其方法核心，对地热田分布位置、埋深推断起到重要作用。另外，由于地球物理方法存在多解性，在实际探测中应注意对地质条件的解译，加强数据的分析，提高勘探准确率。

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Distribution Characteristics of Geothermal Reservoir Temperature Field and the Method of the Geothermal Exploration

CUI Dan-dan1, XI Jian-jun1,2, CHEN Xiong2, LIU Wu-yang1, CAI Ming1
(1. Heibei electric power design＆research institute, Shijiazhuang 050031, China; 2. Collage of Exploration Science and Technology, Changchun 130026, China; 3.School of prospeating Technology & Engineering, Hebei Universtity of Geosliemles, Shijiazhuang 050031, china)

This paper focus on the temperature field of geothermal heat transfer equation, using the weighted residual method for solving boundary value problems for functional, sparse matrix by bilinear interpolation and biquadratic interpolation to solve the coefficient matrix. Through the establishment of the temperature distribution -resistivity model, analyze temperature distribution of the heat storage layer and electromagnetic response simulation, Proposed exploration electromagnetic measuring resistivity and temperature geothermal field structure of interpretation techniques, And through the geothermal field detection examples demonstrate the effectiveness of our proposed method.

heat transfer equation; Weighted residual method; electromagnetic; geothermal field.

P631

A

1671-9913(2017)04-0017-06

2015-11-24

崔丹丹(1986- )，女，河北保定人，硕士，主要从事电力勘测设计工作。

国家863项目(2012AA052801)；教育部博士点基金(20130061110060)。