郑州地象科技有限公司 寇伟 寇通
摘要：郑州地象科技公司应用自研生产的MT-VCT大地电磁成像深层探测仪至今共承接了30多口地热井的勘探项目，所定都是2000米左右深度的地热井，只有在承德市七家镇温泉村是我们所定的第一口深度只有730米的浅中层地热井，其具有一定的特殊性和探讨价值，春节圈闭之际借此案例对出露温泉附近浅中层地热勘探定井进行初步探讨。
关键词：大地电磁法，地热勘探，温泉，地热井
2017年9月，郑州地象科技有限公司与承德市隆化县某钻井公司孙某签约，去隆化县七家镇温泉村为某地产公司勘探定地热井。勘探定井后该井拖拖拉拉打了一年多才打到预定的735米，当时测量井底温度48 oC。后来甲方与我们联系，说要继续向下凿深至1000米以下，我们免费给甲方出了个设计报告，预报了735米之下的含水层位置、设计继续凿井深度及可能出水温度和出水量。因孙某违约欠我们定井费、甲方咨询也没有付费，应该是没有遇到问题甲方才不再联系，所以我方对于该井凿井情况知之不多。
一、承德市隆化县七家镇温泉村地热蕴藏特点
1、温泉村附近温泉出露及浅层热水井情况
温泉村原名二道河子村，离村北头700多米茅沟河谷西侧山脚下有一出露温泉，自流水量10.2--10.8方/日、出口温度37--39 oC。上世纪七十年代几个村民感觉村中路旁地温明显偏高，下挖1米便有热水渗出，挖至4米时水温已高达97 oC、热水上涌形成温泉，随后在北十几米处打了一口170多米的热水井，出水温度80 oC左右、出水量860方/日，至今全村人取暖洗浴用的基本上都是这口井的热水。
在七家镇至茅荆坝镇整个南北向山谷内温泉出露及地热浅井情况：除了温泉村有出露温泉、在村内及北面打成的几口地热浅井之外，在温泉村北约7公里的茅荆坝镇大庙村附近有温泉出露（地名热水汤）；在热水汤北东约300米打成一口地热井，打井深度200多米、出水温度57 oC、出水量430方/日，多年前已建成枫水湾森林温泉城。在温泉村南约4公里七家村西侧庙沟月亮湾温泉山庄有一出露温泉，自流水量17.3--20.7方/日、出口温度26--27 oC；在出露温泉北西200多米打成一口地热浅井，凿井深度近300米、出水温度60 oC左右。
近十几年当地有不少人想自己打一二百米的浅层地热井，有几口井成井温度高于40度，其它的水温都不高、或者是常温水井。其中：在温泉井东40多米不到河岸处打了一口150多米的地热井，出水温度只有50 oC以上；顺着南北向山谷在温泉井南50米和80米左右、120多米各打了深度一百多米的地热井，出水温度大约从60 oC左右依次降为50 oC、40 oC左右，再向南延伸打的井水温都低于30 oC了；在温泉村北800多米出露温泉以东不到100米处打了一口地热井，出水温度约70 oC左右。
近两三年在温泉村附近开发的房地产旅游项目也有打成的地热井，成井深度明显增大（1000米左右）、出水温度相对不高。据本人所知：在温泉村南约2公里在公路东侧打成一口地热井，凿井深度900多米、出水温度约50 oC以上；在温泉村北东1.6公里河西侧某地产项目先打了一口1000米的地热井，因出水温度不到40 oC，又找打井队继续加深打了几百米、增大水温后成井（具体水温不详）；还有我们在温泉村北东约2公里河东侧勘探定的地热井，凿井深度730米时井底水温48 oC，是否又加深凿井及出水温度情况不详。
2、形成温泉地热带的地质特点
在地质图上可以看出，南北向主沟自承德市区北上至中关镇分叉向北东、再沿北北东向至茅荆坝镇兴隆营村分叉后逐渐尖灭。山谷内为第四系土层，附近两侧基本上都是火山岩，只有从温泉村开始向北约5公里段东西两侧多为晚侏罗系张家口组J3z地层，岩性以流纹质角砾岩、凝灰岩、流纹岩为主（见图一、二）。
从地质图上可以看出，本区域在燕山期岩浆活动非常强烈，大多区块以岩浆缓慢涌出形成侵入岩地层；而在温泉村北东向发现有火山口遗迹，因火山喷发在温泉村以北区域形成火山岩地层，以流纹质熔凝灰岩为主的火山岩厚度约为300米，覆盖其下的为较早变质岩地层或燕山早、中期花岗岩地层。由于该区域的侵入岩和火山岩同在燕山时期地壳活动形成的同源异相岩层，可以推测它们同属于地壳深部凸起的同一岩浆体、分别以不同途径和方式上涌至地表，而这一凸起岩浆体构成了温泉村附近区域的地下隐伏热源。
3、主断裂带成热特点
温泉村所处山谷为北北东向的两家--锦山断裂带。该断裂带规模较大，沿茅沟河呈北北东向展布，贯彻温泉村南北两段地热异常区。该断裂生成时代应该较早，在侏罗纪地壳活动期经历了岩浆侵入和火山喷发活动后，变为压扭性断裂，在断裂带内开启与挤压兼有、区段长短不等、程度大小不定、热源时隐时现。
4 、温泉村地热凸露成因
从地质图上可知，温泉村恰恰处在南北向断裂带上和东西向侵入岩与火山岩地层交汇处。南北向的两家--锦山区域性深大断裂在较宽谷地呈张性构造宽破碎带，深部热源可以通过构造内发育较好的含水裂隙顺畅向上传导较高热能；东西向侵入岩与火山岩结合部形成的断层内，两种岩性之间存在一定程度的破碎、裂隙发育较好，既形成了较好的含水通道、又能够吸收侵入岩内余热形成高温热水。这两种成热条件叠加在一起，就在温泉村构造交汇处形成了地热凸露、温泉涌出的独特现象。
二、应用MT-VCT深层探测仪在温泉主断裂带外勘探定地热井方法
1、温泉附近地热勘探定井工作程序
与一般山区地热勘探定井不同，温泉出露区域地热勘探定井，甲方期望值较高，一般都会要求凿井深度要浅（不能超过1000米）、出水温度要高（42 oC以上），出水量要大（不低于10方/小时）。好像是有温泉出露的地方在附近随便打一浅井的水温就应该等于或高于温泉水温，然而，所有的物探方法都只能探测哪里有水及深度位置，不可能探出地下水温度有多高，即使是在温泉附近根据勘探分析所定浅中层地热井凿井结果，很有可能出水量达标而温度不达标。因此，在勘探程序中的实地探测之前，必须增加更多的资料搜集汇总、实地勘查等工作量，通过多方面对照分析将勘查区水文地质地貌了然于胸，才能做好下一步勘探设计和分析工作。
1）开展水文地质资料搜集汇总工作，查阅以往有关论文和调查报告，初步了解勘查区水文地质和地热地质条件、出露温泉数量和位置；
2）进行面积性勘查，沿南北断裂带走向和甲方开发区域东西方向、长距离实地勘查断裂带的平面展布位置和勘查区地形地貌水文地质情况；
3）对勘查区内及附近区域的出露温泉、已成地热井、不冻暖地等进行实地详细勘查；结合地质图在甲方区域范围内及周边进行了地质考察，核实地层属性与分界、勘查断裂构造迹象，探寻张性隐伏主断裂构造的走向、次级断裂的位置及走向；
4）对于勘查区域内和外部已知地热区域进行埋管测温，观察比较地温差异；
5）根据面积性初步勘查分析结果，在区域内进行全覆盖多剖面勘探，进而探明勘查区域内断裂展布特征、垂向地层层位，在综合分析论证的基础上，最终确定拟钻地热井位置和钻遇地层情况。
2、地温调查情况
先在七家镇温泉村至茅荆坝镇枫水湾及甲方区域内所有的温泉、地热井、暖地进行了实地勘查，对已有出露温泉、已打地热浅井和正常水井、温度异常的不冻水塘进行测温观察工作。
在出发之前我们就购买了洛阳铲、2米和100米的水温表，到勘查区后购买了一批PVC塑料管锯成一米长的测温用短管，分别在温泉近旁、地温异常区、勘查区内埋入地下40多个测温管，测量记录地下1米处从1分钟到10分钟地温渐变升温过程。最后通过汇总对比分析，找出地温正常值与异常值的差别、及不同程度地温异常值与断裂构造的关系。
3、勘查探测设计与完成的工作量
根据甲方区域的实际地形、面积和地温测量结果，先设计了初探线路，然后边探测边分析，根据前面的探测结果设计后面的探测线路。我们应用本公司研制的MT-VCT大地电磁成像深层探测仪，在勘查区内进行了详细勘探工作，合计探测了15条线路、1449个探测点，每个探测点都包含了自地面到地下2000米深度的797个分层信息，全部探测数据约有115.49万个。
三、对勘查区有关探测线路MT-VCT剖面图综合分析后的推断解释
1、从地面对于现有温泉和浅层地热井的勘查、在有关地点埋管测温的结果来看，两家--锦山北北东向主断裂在山南天域温泉与山北老虎沟温泉连线方向穿山而过，没有经过勘查区。即在勘查区内没有深大断裂连通深部岩溶地热源，不会有温泉村那样的地质构造，形成浅层高温地热水。
2、勘查区位于两家--锦山北北东主断裂在天域温泉和老虎沟温泉段的东侧弓背处、过河口紧密褶皱的断陷盆地内。虽然不在两家--锦山主断裂破碎带之上，但区内次级断裂较为发育。从过河口桥沿山谷向北东方向延伸有规模稍大的北东向断裂，与北北东向主断裂构造联通，通过互通的含水裂隙将主断裂的地热能传导至次级断裂带，也会形成高于一般断裂构造的同深度层温度值的地热资源。
3、虽然地热能会随着离开主断裂构造距离的增大而逐渐衰减，形成的地热水温度不会太高，但也会明显高于本地区一般的地温增热率，加之勘查区位于过河口断陷盆地内，地温增热率也会高于与主断裂同等距离的其它区域。从在勘查区内及之外定点埋设的四十多个测温管的测温观察结果可知，勘查区内的地温值虽然低于温泉村的平均地温值，但却明显高于临近非地温异常区域的平均地温值。
4、由于勘查区大部分都是在山谷内河边滩涂区或老河道内，浅层第四系地层的赋水性较好，尤其是卵砾石、漂石层属于富水层。虽然该地层含水层与地表常温水相通，不属于取水范畴，但是却为中深部基岩裂隙提供了较为丰富的供水源，使得基岩内裂隙含水相对较为富足。
5、断控型构造是通过较深的断裂构造裂隙水接收深部地热能，再向上传导形成温度不等的地热水。因此在勘查区内探寻的地下水类型主要为基岩裂隙水。基岩裂隙水中的构造裂隙充水带是一种十分重要的赋存形式，特点是比一般基岩风化裂隙水水量大。勘探结果显示，勘查区内存在较深的张性断裂构造，且构造内的含水裂隙较为发育。这些含水裂隙既为地表水向下渗透的导水通道，确保深部断裂构造空间蓄水供给，形成可持续利用的热储层；亦成为深部地热向上传导的主要导热通道，优于一般地温增热的作用。
6、由于山谷内时宽时窄，勘查区顺山谷都有河流相隔，即使是较宽地带也很难设计100米以上的探测线路。沿沟谷探测基本上是与断裂并行，在断裂带之中只能看出探测点所在位置深度的张性断裂深浅之别，得不到垂直于断裂剖面所能看出断裂宽度、深度等效果。受可探测地形限制，在勘查区内仅设计了6条垂直于山谷的探测线路，有2条线路是跨河探测的，其余都是沿山谷方向探测。
7、观察各线VCT成像剖面图，可以看到较宽较深的断裂会显示出V字型构造，V形内多为低值区，V型外测值偏高、含水裂隙偏少；而在V型内会显现有多条张性含水裂隙逆向渗透、呈V字型汇集的构造。选择最佳定井位置，就是要在综合考虑多种因素的基础上、尽可能把井位定在深部V型靠中间聚水层的位置。
8、从勘查区内15条探测线路VCT成像剖面图上，在过河口桥南、桥北、在建项目三个区块内都存在张性断裂，都有含水较好、渗透较深的含水裂隙。鉴于对浅中深度层的裂隙水温度究竟能够达到多高尚无确切的认知，只能选择离主断裂相对较近、断裂构造较为明显的过河口桥南区的南端，先定一口深度为730米的孔位凿井施工，待成井后根据该井不同深度含水层的测量水温值和实际出水量，再确定其它可定井位及其凿井深度。
四、最佳地热井位的分析论证及选择
1、选择最佳凿井孔位的原则
1）400米之下含水裂隙发育较好，有较厚较宽的含水层；
2）位居张性断裂的中间，以防钻井施工偏斜错开含水层；
3）井孔尽可能多经过几个富集的含水层，尽可能增大深层出水量；
4）优选深度在400—800米的含水富集层段，确保出水温度。
2、过河口桥南区最佳凿井区位选择
根据桥南区5条线路的探测结果，在南北1、2、3线和垂直于山谷（横穿河道）的东西1线的VCT成像剖面图上，集中显示出在南区的南端断裂构造特征明显，而且具有很好的一致性。
从南区东西1线VCT成像剖面图上可以看出：
1）东面20点之前从1070米深度层开始测值明显增大，且向西斜下至1200米时高值已到40点，西面从55点的300米深度开始几乎垂直向下到1600米；中间测值0--1低值含水蓝色块由浅入深逐渐减少，含水裂隙变窄、渐少，但3以上高值较少。可以判定两面高值所夹较低值区为断裂破碎带范围。
2）在断裂破碎带构造内，120米之上茅沟河河道区段含水富足，且通过含水裂隙与地表茅沟河的河水相通。而在河道两侧，30米以下都是与河道下裂隙基本上不联通的含水裂隙，凿井深度足够的情况下不必担心地表冷水下渗影响井孔内水温。
3）在断裂构造内，主要的含水裂隙走向变化明显，在450米之上多为从东向西倾斜，450米至1000米变为从西向东倾斜，1000米之下又变为从东向西倾斜，到1600米在45点左右含水裂隙基本上形成V型聚合。这些说明断裂内经过多次较强运动形成的构造复杂，尤其是东面（前段）含水裂隙发育且变化较大、构造明显，且400--800米优选取水深度范围内的有几层明显的富水层，是凿井的最佳区位。
3、拟凿井孔深设计
根据对南区5条探测线路MT-VCT成像剖面图的综合分析，选择南区东西1线7点为地热井孔位。虽然我们选择离主断裂相对较近、断裂构造较为明显的南区最南端定井，但由于我们对浅中深度层的裂隙水温度究竟能够达到多高尚无确切的认知，先将凿井深度定为600米，届时停钻测温，若是出水温度不能满足要求，可再加深至730米。一开凿井深度为400米，400米之上全用水泥灌浆固井，二开之下待成井后根据该井不同深度含水层的测量水温值和实际出水量，再确定花管开始深度位置。
4、钻井可能遇到的含水裂隙层深度范围
从南区东西向1线MT-VCT成像剖面图前段，可以清楚看到在第7点孔位凿井可能遇到的含水裂隙层及所在深度范围，凿井施工过程中实际遇到的含水层深度可能会与预测深度层有所差异，将其列出供施工时参考。1线7点左右探测点区段剖面图见附图一。
从剖面图显示可以看出可能遇到的含水裂隙层及在井孔两边同层连通的宽度：
62米之上含水层与地表河道常温水相通，不属于基岩裂隙水；
82—102米，含水层较好；166—176米，含水层较好；196—220米，含水层较好；
240—264米，含水层好； 272—314米，含水层好；360—364米，含水层一般；
398—420米，含水层较好；434—454米，含水层好；470—494米，含水层一般；
532—548米，含水层较好；580—598米，含水层好；638—652米，含水层较好；
666—672米，含水层一般；718—730米，含水层好。
5、井底温度和出水温度预测
勘查区属于浅中深度层地热资源开发的空白区域，在缺乏深井资料参考的条件下，仅能依据该井位所在断裂构造形态、结合地质资料中类似区域地层增温率和埋管监测地表温度值做出预测，但肯定会具有一定的误差和风险性。初步估计凿井深度600米的情况下，预估500—600米深度层内水温约为40℃左右，若是凿井深度加大至730米，井底水温应该超过40℃。受到断裂破碎带复杂地质条件的影响，地热水运移过程中热量有一定的损失，建议固井至400米深度开始取水，以确保出水温度能够达到最低期望温度值。
6、出水量预测
本次地热资源开发的热储类型为构造裂隙型，出水量将很大程度的依赖断裂的性质、规模和造成地层的破碎程度，因此具有较大的不确定性和风险性。根据探测结果显示的可能出水层数量和厚度，结合区域水文地质条件分析，取水深度层从400米开始到730米时，预计出水量在20--30方/小时。
五、凿井结果及成井情况
1、项目来源及实施勘探过程
与北京某房地产公司签订合同承接此地热井项目的是隆化县某打井队孙某，他说甲方要把2公里多的东西向山沟全部征下来搞房地产温泉休闲旅游项目，孙某与我公司谈定根据勘探情况定3--4口地热井、8口普通水井，临出发时他又改口说甲方要先定一口地热井，成功之后再签剩余的井。我们在承德七家镇甲方项目区进行勘探完成定井后，孙某仅按约定付了首付勘探费，余款至今未付。因孙某租用别人的钻机施工，凿井过程中孙某因拖欠租机款和工人工资几番停工，后又打官司被法院执行，对凿井情况总是遮遮掩掩不讲太多、或谎报进尺，只是有问题时才联系我咨询一下，所以我方对于该井凿井情况知之不多，凿井至设计深度730米后，以后的测井资料、是否继续加深情况都不知晓。
2、已知凿井情况
该井在400米之上含水层出水量较大，对凿井施工进度有一定影响。为了保证出水温度，将400米之上采取水泥灌浆固井措施封住了，只保留400米之下的含水层。凿井至360米时测温井底温度31 oC，至 650米时井底温度已达43 oC，290米进深增温12 oC，井孔水温的增温率为4.14 oC /百米；凿井至735米时井底温度为48 oC，85米进深增温5oC，井孔水温的增温率为5.88 oC /百米。
六、对于继续加深凿井的估测及建议
对于房地产公司而言，打地热井要的是高温度和出水量，开始时甲方可能对于是否能够成井估量不准，想法是先打个浅中层井看一看，温度不高时就作为普通水井使用也不亏。因在凿井至730米时井底水温就达48 oC，若是加深三四百米也就是多花几十万元，水温就可以再增高一二十度何乐而不为。后来甲方与我联系，说要继续向下凿深至1000米以下，请我预报一下735米之下的含水层位置、设计继续凿井深度及出水温度。出于对我们所定地热井的责任心和最佳成井效果的期望，我们免费给他们出了个设计报告，后来不知道该井是否又继续加深、成井情况如何，估计成井没有出现问题甲方才不再联系我们。
1线7点左右探测点区段730米--1150米深度段剖面图见附图二，据此对于加深凿井含水层的基本估测和建议主要内容如下：
1、从VCT成像剖面图上来看，从735米向下还有几个含水层：
846—856米，含水层较好；882—918米，含水层好；954—958米，含水层较薄；
978—1046米，含水层好；1096—1118米，含水层较好。
2、建议继续凿井深度。从735米向下可以遇到的含水层深度及含水情况来看，向下延伸凿井深度最少至1050米，最好凿井至1120米，并预留一定深度的沉淀层。
3、估测出水温度的方法。最后成井的出水温度与固井深度、保留各含水层的温度及出水量大小有关，只有在测井之后，根据测井数据、凿井记录、勘探资料，并由甲方对出水量和出水温度作出权衡选择之后，才能决定固井深度。在没有加深凿井、终孔测井之前，只能对出水温度进行推断。
4、继续凿井的增温梯度值。深度360--650米段的计算增温梯度值为4.14 oC /百米，650--735米段的计算增温梯度值为5.88度oC /百米。按常识来讲地层越深、增温梯度值越高，735米之下的增温梯度值应为5.5--6oC /百米。
5、若是凿井深度穿过978--1046米含水层，井底水温预计应该在65 --67oC左右。若是固井深度在500米，即只取500米之下含水层的热水，并通过采取下管时将取水花管延深至800--1050米深度段等措施，尽可能多取深层温度较高含水层的水，降低出水温度损耗，成井后的出水温度应该在55 oC以上。
七、总结出露温泉的地质特点及在附近勘探定浅中层地热井的思路
1、形成出露温泉的地质特点是要有较大的断裂构造
只有较深大的断裂构造才能与深部地热能连通、通过水的对流作用向上传导热能形成温度不等的温泉，因此形成温泉的必要条件是要有较深大的张性断裂构造。由于地壳活动作用使断裂带内开启与挤压兼有、区段长短不等、程度大小不定、热源时隐时现，而要在温泉附近勘探定浅中层地热井，就要沿深大断裂走向找到断裂张启程度较大、含水裂隙发育较好、地热凸露明显的区段定井。
2、温泉附近必然存在侵入岩或火山岩形成的地热源
查看国内大多数温泉点所在地质图位置，基本上都是在或附近有侵入岩或火山岩地层，尤其是以岩浆缓慢涌出形成的侵入岩地层深部存在岩浆余热和花岗岩放射性物质蜕变增温、以及更接近软流层岩浆导致地热增温，使得温泉所处地带地温异常。温泉村以南山谷两侧都是侵入岩、以北山谷两侧都是侏罗纪时期火山岩，都是在燕山时期地壳活动形成的同源异相侵入岩和火山岩地层，应该是同属于地壳深部凸起的同一岩浆体、分别以不同途径和方式上涌至地表，而这一凸起岩浆体构成了温泉村附近区域的地下隐伏热源。
3 、温泉及地温异常处基本上都在侵入岩与其它地层交界区域
从地质图上可知，温泉村恰恰处在南北向断裂带上和东西向侵入岩与火山岩地层交汇处。南北向的两家--锦山区域性深大断裂在较宽谷地呈张性构造宽破碎带，构造内含水裂隙发育、聚水好；东西向侵入岩与火山岩结合部形成的断层内，两种岩性之间存在的破碎带能够将侵入岩内大量热能上传。既有水又有热，这两种成热条件叠加在一起，在温泉村构造交汇处就形成了地热凸露、温泉涌出的独特现象。
4、温泉近旁不一定能打成浅层地热井
很多人都认为在温泉周围几百米内打300米深度以内浅层地热井应该没有问题，实践证明温泉近旁所打浅层井绝大多数的水温都不理想。主要原因是没有打在主断裂热源凸露构造上，一是温泉出露处并不一定是在主断裂构造中心上方，而是在侧面低海拔处深部承压热水通过裂隙在地表流出，即使是在温泉旁几米打井、若没有打在与深层连通的含水裂隙上也不会有热水；二是找到形成温泉的断裂构造在其上打井成功率会高许多，但是即使是在同一断裂带上的地热凸露程度和长度也不尽相同，打同样深度浅井的出水温度也不同。
5、温泉主断裂外在次级断裂上可打浅中层地热井
一般在温泉附近离主断裂2公里之内，如果存在明显与主断裂相连的次级断裂，可以选择打600--1000米左右的浅中层地热井，出水温度应该能达到40oC以上的成井温度要求。具体还要考虑几方面因素：一是存在与温泉主断裂连通较好的次级断裂，通过互通的含水裂隙将主断裂的地热能传导至次级断裂带；二是主断裂和次级断裂构造内含水裂隙发育较好，承压含水层相互连通、导热性好；三是定井位置处在断裂构造V形聚水区内，确保V形底部含水通道内导水通畅；四是定井位置在赋水性较好地层、但是距侵入岩地层不能太远，确保地温增热率异常于一般区域。
参考文献：
【1】寇通 寇伟，论山区地热勘探定井特点及经验，《工程技术》，2019-9
【2】寇伟 寇通，浅议地热资源常用物探方法及功效，《工程技术》，2018-1
郑州地象科技有限公司 寇伟
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