CSAMT法确定江苏宝应地区地热钻井井位

季克其， 徐 晓

(1.江苏省地质调查研究院，南京 210018； 2.河海大学地球科学与工程学院，南京 211100)

0 引言

地热水资源蕴藏丰富，是集“热、矿、水”于一体的清洁可再生能源，具有巨大的开发潜力。已颁布施行的《可再生能源法》中鼓励开发利用地热等可再生的清洁能源，地热资源的开发能够减轻对化石燃料的依赖，对优化能源结构和缓解生态压力均具有十分重要的现实意义[1]。地热资源的分布严格受区域性地质构造格局控制[2-3]，因此在地热资源的勘查中查明地热水储层位置及地质构造规模展布情况是主要目的[4]，一般运用的物探手段包括电法、重力、磁法、人工地震、电磁法、微动测深及测井等[5]。尽管不同的物探方法所获取的数据都对地下成层结构有较好的认识，但由于各方法受探测深度和精度的限制，致使深层地质问题得不到很好的解决。CSAMT(可控源音频大地电磁测深法)法以其勘探深度深可灵活调节、范围大、分辨率高、低阻灵敏性、场源影响小等特点，在深部地热资源勘查中得到广泛应用[6-8]。

本次研究在系统分析宝应地区区域地质和地热地质条件的基础上，圈定重点研究区，并布置5条CSAMT剖面线，剖面走向均为近南北向。基于CSAMT法测量解译，查明了研究区地热水储层及其富水断裂带的分布特征，确定了一处地热井井位及其钻井的深度。经后期钻探验证，效果良好。

1 选址区地热地质背景特征

宝应县地处江苏省中部，夹于江淮之间，是扬州市的“北大门”。据有关地质资料，宝应地区地表为第四系覆盖，第四系及新近系厚度在800m左右。3 000 m以浅地层自上而下依次为第四系、新近系、古近系、白垩系和奥陶-寒武系。该地区隶属于扬子陆块下扬子地块之苏北坳陷，南北两侧分别为苏南隆起和建湖隆起。坳陷中发育了一系列以北东走向为主的凸起与凹陷，研究区位于金湖凹陷之中，北侧临近建湖隆起。区域性北西向断裂丁嘴-泾河断裂(图1)经过本区，有利于深部热源向上运移，利用物探手段精准定位该断裂或次级断裂位置成为本次选址的关键。

图1 区域基岩地质图Figure 1 Regional bedrock geological map

图2 大地热流等值线图Figure 2 Isogram of telluric heat flow

研究区位于中国东部沿海的高热流地热异常分布带，大地热流值是介于70～74mW/m2(图2)，地温梯度为33℃/km。本区没有附加热源，温度靠偏高的区域大地热流量供热和维持，大气降水是地下水补给来源，其沿断裂破碎带向下渗透达到一定深度，并驻存于沿断裂带发育的构造裂隙中，不断吸收围岩热量成为地下热水。隆凹相间构造是寻找地热资源的有利控水构造部位[9]。研究区位于金湖凹陷之中，北侧为建湖隆起，且临近切割建湖隆起的北西向断裂，有利于热流的上导在浅部汇聚，使地层温度增高[10]，具有较好的热源通道条件。

地热水储层为奥陶-寒武纪碳酸盐岩地层。碳酸盐岩岩溶裂隙较为发育，富含地热水，水量大，是理想的地热水储层。地热盖层主要为第四系、新近系、古近系及白垩系，厚度约2 200m，岩性主要为泥岩、粉细砂岩，热导率相对较低，有利于地热水储层的蓄热增温，构成良好的地热盖层。

2 原理方法

CSAMT法利用发射电偶极AB向地下发送不同频率的交变电流，形成交变电磁场，在距离场源足够远的地方通过测量相互垂直的电场信号Ex和磁场信号Hy，计算地下视电阻率(ρs)：

(1)

式中f为频率，Hz；ρs为视电阻率，Ω·m；Ex为X方向的电场强度，V/m；Hy为Y方向的磁场强度，A/m。由(1)式可见，只要在地面上能观测到两个正交的水平电、磁场(Ex，Hy)就可获得地下的视电阻率ρs。

根据电磁波的趋肤效应理论，可计算趋肤深度：

(2)

式中H为探测深度，m；ρ为电阻率，Ω·m；f为频率，Hz。

由(2)式可以看出当电阻率ρ一定时，探测深度与频率f是成反比关系的，基于此关系，可以通过改变探测频率来探测不同深度的目的层位岩性。

根据勘查深度要求和地电分布情况，设备测量参数选择如下。

大功率发射机为30kW；供电电流：512Hz以上>3.5A，512Hz以下23A±；供电偶极距(AB)为1 045m；接收电极距(MN)为50m；可测扇区的夹角(θ)≤60°；工作频率范围f=0.125～8 192Hz；叠加次数10次；收发距(r)=6 000～6 950m(图3)。

3 CSAMT测线布置及解译

为更深入查明北西向断裂构造特征和地热水储层位置，以宝应县开发区七里村地区为重点区段，布设5条CSAMT测深剖面线(图4)，5条剖面均为南北走向。

采集原始资料数据之后，选用二维圆滑模型可控源反演软件(SCS2D)和瞬变电磁反演软件(SCSINV)进行解译。SCS2D软件是一个二维反演软件，反演所用的数据文件包括：预处理得到的平均数据文件(.AVG文件)、站点文件(.STN文件)和模式文件(.MDE文件)。SCSINV软件反演时要考虑上下5个频点与周边5个测点的数据，相当于拟二维反演。

图5为20线二次解译的成果图，在解译断面图横向上电阻率突变，或纵向上出现陡立低阻异常，均被认为是断层存在的主要标志，即反演电阻率断面图存在电阻率横向突变带，推断为断层的反映[11-12]。

由图5a、图5b二次解译结果可知，二者较一致， 可见解译的可信度较高。SCS2D软件是一种比较成熟的有源音频大地电磁测量数据处理程序，该程序为数据处理自动设计了默认优化反演参数， 但由于实际地电模型的复杂多样性以及地球物理反演中的非唯一性，故增加 SCSINV软件进行解译，对特定地质模拟反演的补充和进行相互验证。在20线CSAMT勘查反演断面图1450点，深度1 800～3 000m存在一相对低阻带，推测为富水断裂破碎带反映。综合各剖面线解译结果推断F1断裂的位置及特征(图6)。该断裂走向北西，倾向南西。北西向断裂F1与区域性北西向丁嘴-泾河断裂的性质一致，有利于深部热源向上运移。

(a)第1次解译 (b)第2次解译图5 CSAMT勘查20线反演电阻率及地质解译断面Figure 5 CSAMT line No.20 inversion resistivity and geological interpretation section

反演电阻率断面图上反映在F1断裂附近3 000m以浅大致可分为四个大的电性层。第一电性层的解译深度在0～800m，电阻率的分布较不均匀，低阻层位中间有椭圆形高阻圈闭，电阻率为5～80Ω·m，推断为第四纪-新近纪地层；第二电性层解译深度在800～1 500m，是相对低阻层位，电阻率5～20Ω·m，推断为古近纪三垛组、阜宁组地层；第三电性层解译深度在1 500～2 250m，显示出电阻率升高层，电阻率的值从20Ω·m升高至40Ω·m左右，推断为白垩纪浦口组地层；第四电性层的解译深度位于2 250m以下，是高阻层位，电阻率的值在50～100Ω·m，推断为奥陶-寒武系。

(a)第1次解译 (b)第2次解译图6 CSAMT反演电阻率及地质解译断面Figure 6 CSAMT inversion resistivity and geological interpretation section

4 地热钻井井位确定

根据图6推断F1断裂位于丁嘴-泾河区域断裂北侧附近，为正断层，走向北西西，倾向南西。该区丁嘴-泾河断裂为北西向的张性断裂，其错断深部北东向断裂，为深部循环地热水上涌创造了条件。因F1断裂的性质和展布规律与丁嘴-泾河断裂带基本相吻合。其为地热水的圈定提供了依据。根据地质资料，地热水储层为奥陶-寒武系，埋深2 250m。该地层经F1断裂切割，位于上盘的部分埋深增大，因此地热井需钻入F1断裂切割奥陶-寒武系形成的富水破碎带内。在F1断裂附近确定低阻异常区成为钻井选址的最终目标。根据图5确定的低阻异常区在F1断裂上盘选定了地热井井位RBQ1，平面位置在CSAMT勘查20线剖面1 450点处(图4)。根据物探解译的F1断裂在垂向上的发育特征，结合地热水储层埋深，钻井深度应在2 200m以上。由地温梯度33℃/km计算可得2 200m、3 000m深度处的地下热水温度分别为72.6℃、99℃。

RBQ1地热井实际钻遇地层0～217m为第四系，217～1 541m为新近系与古近系，1 541～2 330m为白垩系，2 330～3 028m为奥陶系与寒武系。地热井实际出水段在2 488～3 003.1m，出水量为1 505m3/d，水温93℃，CSAMT解译结果与实际钻探结果相吻合。

5 结论

CSAMT法确定的江苏宝应地区地热钻井井位和钻井深度与实际钻探结果吻合较好。该方法用于确定深部地热井井位及钻井深度，具有较高的精度。