浙江中深层水热型地热资源评价与勘查方法优选

柳永胜，毛官辉，符荣权，韦 毅，吕 清，彭 鹏

（1.浙江省水文地质工程地质大队，浙江·宁波 315012；2.浙江省工程勘察设计院集团有限公司，浙江·宁波 315012；3.余姚市自然资源和规划局，浙江·宁波 315402）

根据赋存条件和目前地热开发利用形式，可将地热资源分为浅层地热能、中深层水热型/干热型地热资源以及干热岩型地热资源。本文所述地热资源在无特殊说明时均指中深层水热型。中深层水热型地热资源具有“热、矿、水”三重属性，既是绿色低碳的清洁能源，也是重要的旅游资源，并被作为五大“非碳基能源”之一纳入国家碳中和框架路线图。一直以来，浙江地热开发利用需求旺盛，以温泉为主的“水经济”方兴未艾，政府和社会资本投资热度持续升温。日前，省自然资源厅发布了“十四五”浙江省地质勘查规划及矿产资源规划（征求意见稿），均鼓励地热的勘查开发，明确对地热矿产优先投放矿业权。浙江省碳达峰碳中和工作领导小组发布《浙江省碳达峰总体方案》，明确鼓励地热能技术创新，加大科学利用力度。

但浙江地热与我国地热开发最好的华北地区在资源禀赋上具有很大差距。浙江缺少埋藏型碳酸盐岩热储和新近系层状砂岩热储，资源分布绝大多数严格受区域断裂的控制和影响，呈带状或管脉状分布[1-3]，勘探风险极高。具不完全统计，目前浙江中深层水热型地热资源的勘探成功率不足30%，这在一定程度上打击了市场投资的信心，阻碍了浙江地热开发的进程。究其原因，主要可归纳为两个方面：

一是浙江地热工作起步晚、研究程度较低。自1959年建成浙江第一个温泉疗养院开始到现在，浙江地热从就热找热、浅层找热的模式逐步转到空白区找热和深层找热，勘查理念不断进步，但仍有较大提升空间，对适合浙江的勘查和评价方法缺乏系统深入的总结研究[4]；

二是地热找矿是一个循序渐进、不断提升的过程。地热勘查综合了地质、水文地质、地球物理、地球化学、钻探等多学科的综合性研究工作，对人员专业技能、科技发展程度以及装备设备能力有较高的要求，是一个不断发展的过程[5]。国外地热勘查起步于20世纪初，但得益于美国、日本等一些发达国家在研究经费上投入的优势，进步较快，尤其是勘探装备得不断升级和勘查技术方法的不断优化，使地热开发成为了目前国际上发达国家能源转型的重要一环。

综上，浙江地热工作需要一套适合自己的有利区评价体系，支撑项目选址和政府规划；也需要有针对性的勘查技术方法，提升勘探的成功率，促进产业的良性发展。

本文从浙江自身的地热地质背景和近十年的勘查成果入手，从区域成矿有利区评价和有利靶区资源勘探两个维度，总结适合浙江的中深层水热型地热资源勘查评价技术方法。

1 浙江地热地质背景

浙江地热资源的赋存主要依靠构造活动在脆性地层和可溶性地层中形成的破碎空间。以江山—绍兴拼合带为界，热储岩性浙西北以古生界碳酸盐岩、砂岩和硅质岩类为主，浙东南则为大面积出露的火山岩、花岗岩类。浙西的碳酸盐岩热储也主要受断裂构造控制，深部岩溶热储的发育条件严苛，沉积间断、盆地中的“洼中隆”和断阶是碳酸盐岩热储赋矿的有利控制条件[2]。火山岩类花岗岩类热储以断裂作用形成的裂隙破碎为主要控水条件，花岗岩类与围岩接触带附近形成的冷凝裂隙也可能构成赋水空间。浙东的永康群、衢江群、天台群中的中基性火山熔岩夹层自身节理裂隙发育，可构成特殊的层状热储，但普遍埋藏较浅。砂岩、砂砾岩及硅质岩等其它岩类遍及新生代、中生代、古生代、元古代，除古近系长河群热储依靠孔隙率、渗透率高的砂岩、砂砾岩层赋水，其它均依靠构造活动形成的孔隙裂隙含水层赋水[4]。

以上浙江地区热储岩性的发育特征决定了浙江中深层水热型地热资源的主要控矿因素为区域断裂构造。全省各个方向断裂在一定条件下均可控矿[2]，但不同方向断裂带控矿的重要性是有差异的。北东向、北北东向延伸长度大、切割深度大，利于导热；受太平洋板块俯冲影响，浙江省新生代主要受北西向挤压应力场影响，北西向断裂整体呈张性，而近东西向断裂在挽近时期仍有活动，均有利于导水导热空间的形成，控矿优势明显。

另外，浙江白垩系断陷盆地发育，盆地对地热成矿的控制主要包括盆边断裂对地热的控制、盆内断裂系统形成的断块隆起等对地热的控制。盆地断裂系统控制的地热矿中，与萤石伴生是一大特点，两者具有较为相似的成矿模式。萤石成矿时的断裂系统叠加后期构造活动影响，成为现代地热水赋存的空间。且从遂昌金矿及天台银坑铅锌矿区的地热异常现象分析，这种伴生关系可以推广到其它热液成矿矿床。

浙江无附加热源，地下水深循环是形成地热资源的主要因素。热水循环深度与温度成正相关。

综上，浙江地热点分布主要受区域大断裂控制，以北（北）东、北西、东西向断裂为最主要的地热控矿构造，多组断裂复合部位是最有利的控矿条件（图1）。较新期次活动或多期次活动的构造、切割深度大且有明显的张性特征的构造、水热活动及矿化蚀变明显的构造是评价地热成矿条件好坏的主要因素[2]。

图1 浙江省地热地质简图Fig.1 Brief map of geothermal geology of Zhejiang Province

2 地热区域成矿有利区评价方法

建立在成矿地质背景上的具有针对性的有利区评价方法是提升找矿成功率的重要手段，可有效避免“无序勘探”或“圈地找矿”造成的损失。

本文采用层次分析法和综合指数法进行分区评价。以地热系统中主要控矿因素的好坏为基础，结合成矿指示性指标的强弱程度及勘探的经济性，对研究区地热地质条件进行分级[6]，可分为：成矿有利区、成矿远景区、成矿不利区。

层次分析法是一种能有效处理决策问题的实用方法，是定性和定量相结合的系统化、层次化的分析方法。它能对一些较为复杂、模糊的问题作出科学的决策，特别适用于难于完全定量分析的问题。这种方法分为筛选影响因素并进行分类，建立结构模型，构造判断矩阵，确定各因素权重，以此来刻画各影响因素对目标划分产生的影响程度。综合指数法是对网格内不同权重的各影响因素进行空间叠置分析计算，最终进行定量评价。

本文选择对地热系统“储、盖、通、源”影响较大的因子以及指示作用较强的因子作为有利区评价指标[7]。热储的形成主要受“热储岩性”以及控矿断裂的影响。盖层主要是在盆地型的灰岩岩溶热储或者砂岩层状热储时需要重点考虑，浙江以断裂深循环型热储类型为主，盖层的影响较小，不列入本次评价指标体系。通道在浙江主要受断裂的影响，“断裂的规模与性质”“断裂的活动年龄”是影响地热资源运移和储存的决定性因素。热源是寻找较高温度地热资源须考虑的因素，本次选取最具代表性的“大地热流值”为评价指标。指示性指标一部分是指与地热成矿过程密切相关的异常现象，比如已知的其他矿点的“矿化类型及其规模”、浅部“基岩裂隙泉流量”等；也有一部分是指可以直接反映地热成矿主控矿因素条件好坏的现象，比如“地震密度”能直观反映断裂活动性等。

综上，本文选择7项因子建立评价模型。按照层次分析法的要求，基于层次隶属关系，经统计和分析，采用1～9标度法，分别比较属性层和要素层中各因素的相对重要性，构建比较矩阵。通过计算，检验比较矩阵的一致性，并及时反馈调整。

本文各属性层最终一致性比例在0～0.0247，目标层一致性比例为0.0466，均小于0.1，通过一致性检验，达到可接受的一致性。最后求出要素层中各个要素在目标层中所占的权重（表1）。

表1 地热成矿有利区评价指标体系及其权重Table 1 Evaluation index system and weighted value of favorable areas for geothermal mineralization

各评价因子的条件赋值以野外实地调查结果为主，资料收集为辅。野外调查点力求控制所有评价单元。根据实地调查分析结果，越有利于地热资源成矿、指示性越强的所获分值越高，从而将所有指标的调查成果转化为介于1～9之间可以互相比较运算的无量纲数值。本文选择温州地区为试点，进行成矿有利区评价，各因子的赋值参照表2。

表2 温州地区地热成矿有利因子权重及其赋值Table 2 The weight and valuation of favorable factors for geothermal mineralization in Wenzhou area

再利用综合指数评价模型，根据加权求和模型进行多指标的决策计算，根据不同的分值确定高潜力区、中等潜力区和低潜力区等，为布设地热井圈定大致的勘查范围。

具体计算公式为：Hi=∑Wj Fij。Hi为第i个评价单元的得分值；i为评价单元编号；j为评价因子编号；Wj为第j个评价因子的权重；Fij为第i个评价单元内第j个评价因子的分值。

本文主要通过Yaahp软件获得各影响因素的权重，利用Surfer进行单因子数据标准赋值后的插值拟合，利用MapGIS对研究区进行网格化及各网格单因子赋值，利用Excle对各个网格进行多因子的加权计算，最后通过MapGIS空间叠置分析，得到研究区地热资源成矿有利区区划图。

以温州市为例，温州市位于温州—镇海大断裂的南段，该断裂在第四纪以来仍有活动，是地热资源条件较好的区域。根据前述方法计算得出的结果见图2。地热条件最终分值区间为2.6～7.0。其中，得分大于5.4的区域为地热成矿有利区，即云岭乡、芙蓉镇、新桥镇、陶山镇、珊溪镇、雅阳镇为地热高潜力区，呈北东向展布；得分5.4＞D≥4.6，属于成矿远景区，小于4.6的区域为成矿不利区。

图2 温州市地热资源成矿有利区评价结果Fig.2 Evaluation of metallogenic favorable areas of geothermal resources in Wenzhou

永嘉县云岭乡和瑞安市陶山镇均位于评价有利区，近期云岭乡成功揭露水温48℃、水量400 m3/d的地热流体，陶山镇成功钻遇水温52℃、水量1104 m3/d的地热流体，进一步证明了评价的科学性和精准度。

3 有利靶区资源勘探方法

有利区的评价是对区域成矿规律的梳理和总结，确定有利的成矿区段，迈出了地热找矿的第一步。但能否真正探得可供开发利用的地热资源，还需在选定的有利靶区内进行高精度的地热地质调查、多方法的综合地球物理勘查以及大口径勘探开采井施工等工作。高精度的地热地质调查仍是围绕区内地热资源主要控矿因素进行大比例尺的调查工作，工作方法手段在地热勘查规范及前人的相关成果中有详细的要求和总结，本文不再叙述。深部地球物理勘查及大口径地热钻探施工的技术多年来一直处于不断创新和快速上升的阶段。

3.1 地球物理勘查方法

地热勘查物探方法选择主要考虑三个因素：一是勘查区的成矿地质背景，如热储类型；二是特定物探方法的效果与仪器性能，如勘查深度、分辩率等因素；三是经济技术因素，主要考虑采用最经济的手段，实现最大效益[7-10]。不要求用最新的方法和最多的方法，而是要采有最经济的方法手段组合。本次根据浙江省三大主要的热储类型，结合成果案例总结出较为适宜的物探方法组合（表3）。

表3 三种主要热储类型物探方法组合Table 3 Combination of geophysical methods for three main types of thermal reservoirs

（1）碳酸盐岩热储

碳酸盐岩热储主要目的是寻找到深部灰岩及赋水的构造或地层[7]。在灰岩分布区建议首先使用重磁扫面方法圈定靶区内灰岩的分布范围。然后采用可控源音频大地电磁测深方法进行详查，因可控源方法纵向分辨率较低，建议配合开展瞬变电磁勘探方法。根据浙江省成功勘查的运热1、2号井及桐乡1号井的经验及方法试验成果，针对浙江省碳酸盐岩热储类型地热，提出地球物理方法组合。

（2）碎屑岩类热储

碎屑岩类热储多在盆地分布，热储为层状。该种类型的地热资源勘查中，前期要加强研究储热盆地的构造特征、发展演化历史及其与储热性的关系，充分利用遥感、航磁、重力等资料。适宜开展重力、地震、微动、可控源及广域电磁的地球物理勘探方法。投入重力目的是确定基底隆起及凹陷情况，同时圈定断裂带位置[9]。地震及微动主要针对地层分层情况进行解释，判断砂岩或玄武岩等可能的含水岩层；对于受断裂影响的区域，根据断裂带走向情况，设计近似垂直构造走向的可控源测线，结合地质情况，进行解释。对于滨海地区这种受海侵影响存在浅部低阻屏蔽的区域，适宜采用广域电磁法进行断裂构造的解译。

（3）花岗岩类热储

火山岩、花岗岩类型热储一般开展地球物理勘探的主要目是寻找断裂。该种地热类型区宜安排重力、瞬变电磁法，可控源以及微动。瞬变电磁纵向上的高分辨率可以弥补可控源横向分辨率高，纵向分辨率低的劣势。微动主要用在电磁干扰大的勘查区，可在有效避免干扰的情况下探寻深部断裂的分布特征。部分这种类型地热，勘查目的不在于深度，只要打到储水断裂即可。

（4）物探方法应用综合评价

物探方法对深部热储特征的探索具有经济、可操作性强、快速等特点，在圈定地热勘探靶区、探索地热成矿模式等方面应用广泛，且效果显著。从近10年的勘查成果来看，电法勘探特别是可控源音频大地电磁测深方法（CSAMT）对浙江省带状热储的识别效果较好，也是省内应用最广泛的物探方法，约81.6%的地热成果均采用CSAMT或以CSAMT为主的综合物探方法取得突破[9-10]。此外，可根据具体地热地质条件，在热储层有密度差异、磁性差异明显的地区增加高精度重力、高精度磁法等进行综合物探方法分析。广域电磁法和微动等新方法也逐渐应用在电磁干扰大或多勘探深度要求较高的项目。

由于地球物理勘探中的多解性问题的存在，应在一个地区尽可能多地进行多种物探方法，以得到多种解释成果，各成果之间进行对比研究，最终确定布孔位置。同时，我们要将物探解译成果与地质调查成果紧密结合，将物探资料转化成有效的地质成果才能真正解决问题，可以大大减低钻孔风险。

3.2 大口径勘探开采井施工

从近些年全国施工的地热井统计数据来看，地热井通常采用大口径探采结合井，竖井无心钻进，施工深度多为1500～3000 m，以二开或三开居多，常用井身结构见表4。

表4 浙江地热井常用井身结构Table 4 Wellbore structure commonly used in geothermal wells in Zhejiang province

钻进工艺由传统的正循环泥浆钻进逐步向多工艺施工发展。目前浙江省内可见的施工工艺包括泥浆正循环、气举反循环、泡沫正循环钻进、气动潜孔锤+反循环等[11]。

不同热储类型受控热岩性、构造不同，钻探施工的工艺选择以及过程中遇到的主要问题也各有特点。浙江主要可分为古近系碎屑岩孔隙型层状热储、碳酸盐岩热储和火山岩花岗岩类热储来考虑。

古近系碎屑岩孔隙型层状热储主要含水介质为古近系碎屑岩孔隙，岩性为较松散的泥岩、（粉）砂岩、含砾砂岩等。次级含水介质为白垩系碎屑岩孔隙。该类型热储，岩石胶结程度低，泥质含量高，以松散和水敏地层为主，遇水易发生胀缩性坍塌，多采用泥浆正循环钻进工艺，通过调节泥浆性能有效避免塌孔等问题[12]。钻探施工过程中主要技术难点是防塌、防缩径。实践证明，低固相聚合物泥浆体系能较好地适应古近系碎屑岩孔隙型层状热储。

浙江省碳酸盐岩热储多以岩溶裂隙型带状热储形式存在，无大型埋藏型岩溶热储，主要形成于震旦纪以及古生代时期，成层作用明显，后期又普遍遭受构造活动改造，导致碳酸盐岩以及上覆碎屑岩的地层倾角陡倾，局部达40～60°，岩石各向异性明显。地热流体赋存于岩溶孔洞之中，而碳酸盐岩岩溶发育不均，主要沿构造裂隙溶蚀，远离构造裂隙的区域往往都被方解石脉充填闭合。因此，钻井验证区域往往是具备高陡倾角的碳酸盐岩岩溶裂隙，井斜问题尤为明显[13]。常选用气举反循环的施工工艺。针对井斜，主要是采用满眼钻具、钟摆钻具、螺杆钻具等进行防斜纠斜，操作参数要及时关注，根据地层情况实时调整。

火山岩花岗岩类构造裂隙型带状热储含水介质往往比较坚硬，特别是断裂带以及火山通道附近，受构造活动和热液侵入影响，岩石往往呈现强烈的硅化，硬度7～9级，属硬脆地层。裂隙多呈高角度发育，并被岩脉、石英、萤石、方解石等充填或部分充填，造成同一层面上，岩石软硬不均，常常出现严重的跳钻现象，有时甚至无法加压钻进。另外，由于构造裂隙流体压力与井眼中流体压力不平衡，且构造裂隙张开度往往大于钻井液中的固相颗粒，因此，该类型地热井在施工过程中容易出现涌水或漏失现象。该类型地热井最佳的转进方法组合是气动潜孔锤和气举反循环[13]。在漏失或者涌水小的硬岩段采用气动潜孔锤可大大提升钻井速度，降低勘探成本。针对漏失或涌水较大现象，若涌出流体的水温、水量、水质均已满足浙江省温泉资源分级命名标准，且深部无明显地热异常显示或钻机本身不具备继续钻进的能力，表明该井已达到钻井目的，可提前成井；若需继续钻进，漏失井段不宜首选堵漏，可改用气举反循环施工工艺，减少泥浆对含水层堵塞，可大大增加成功率。若确需堵漏应使用新型的暂时性堵漏剂。

地热资源勘查一定要重视地热钻探施工工艺的选择和遇到突发问题时候的处理方法，这对出水与否、出水量大小影响很大（表5）。目前，浙江省很多失败的地热井中，都有钻探施工不当的原因，最主要的难点就是施工过程中对含水层的保护。采用无固相泥浆、提高钻井速度、改善洗井方法、采用气动潜孔锤和气举反循环技术等，均有很好的效果，需要在今后的工作中引起注意。

表5 不同热储类型地热钻探典型问题及对策Table 5 The typical problems and countermeasures of geothermal drilling in different types of thermal reservoirs

4 结论

（1）浙江省地热以传导热为主，分布受区域断裂控制，带状分布特征明显。热储岩性浙西北以古生界碳酸盐岩、砂岩和硅质岩类为主。浙东南以火山岩类花岗岩类为主。区域断裂的规模、性质及活动性是浙江地热的主要控矿因素。较新期次活动或多期次活动的构造、切割深度大且有明显的张性特征的构造、水热活动及矿化蚀变明显的构造是评价地热成矿条件好坏的主要因素。

（2）本文把多因子“层次分析”的定量分析方法运用到浙江水热型深部地热资源评价上，从地热系统“储、盖、通、源”的7个主要指标入手，建立了在空间领域和时间序列四位一体的地热成矿有利区评价体系，对地热可行性研究阶段的指导意义强，可降低后期物化探的工作量投入，降低地热勘查的风险，是值得推广的地质分析方法。

（3）在地热勘查中，地球物理勘查是关键一环。多种物探方法的相互验证、不同热储类型针对性的物探方法选择以及物探解译与地质调查的紧密结合，是给出正确判断，保障勘探成功的必要前提。

（4）地热钻井的关键主要有两点，一是钻井工艺的选择，二是如遇漏失、涌水、卡钻等突发事件时的处理方法。两者均与钻探过程中对含水层的保护密不可分。对不稳定井壁采用泥浆正循环方式，并通过改善钻井液性能和提升钻探效率来预防和降低事故的发生，同时尽可能的降低含水层封堵。花岗岩、熔结凝灰岩等坚硬岩类可积极采用气动潜孔锤、气举反循环等新工艺，降低对热储层的破坏，提高钻探效率，预防钻探事故。