淺析地熱井施工中巖性識別與地層劃分
——以姚家園公園地熱井為例

牛升晟,李 鈁

0 前言

姚家園村經濟合作社在北京市朝陽區姚家園公園西北側實施了1眼地熱井，以開發利用地熱資源。為了更準確地掌握該區地層及巖性的變化規律，為后期地熱開發積累更為翔實和準確的地質資料，以本次勘查為例，詳細討論了本次地熱開發中所揭露巖石的地質年代和巖性歸屬，判定巖性，精準劃分地層。本次地層劃分的方法包括巖屑現場識別法、實驗室巖礦鑒定法、對照測井曲線劃分法，并輔以鉆探過程中鉆進情況的變化對地層巖性鉆進難易程度情況的反映，論證對地層劃分的合理性。為更進一步掌握北京城區京東地熱田和天竺地熱田的地層巖性的變化規律、在以后勘探鉆孔中規避地質風險有重要的意義（劉成龍等，2006）。

1 巖屑的現場識別與地層年代的初步劃分

現場用放大鏡及肉眼觀察，根據巖屑的顏色、色率及常見巖石辨別經驗，并輔以鉆探情況的變化，判定由上至下、由新到老地層的分布情況。

1.1 第四系（Q）

揭露深度0～320m為第四系沉積物，包括褐灰色砂質粘土，中砂粗砂，局部含有雜色的角礫，圓礫。該段地層在鉆進過程中，在正常鉆進條件下鉆效高，Φ445m牙輪鉆頭平均每小時進尺2～3m，造漿基本不用添加人工粘土，由鉆效及泥漿攜帶物推斷該段為第四系沉積物。

1.2 第三系（R）

（1）揭露深度320～564m，以紅褐色與褐灰色泥巖、砂礫巖互層為主，局部含雜色角礫巖和圓礫巖，之所以推斷該段為第三系是因為該段鉆進過程中泥漿所攜帶上來的巖屑以紅色膠結物為主，鉆效較以前明顯降低，這一點可以判斷該段沉積物較第四系沉積物固結程度高，該段地層所形成的氣候條件干燥，所以顏色發紅（吳夢源等，2012），以此作為現場劃分依據。

（2）揭露深度564～728m，第三系灰黑色泥巖、玄武巖，局部含少量雜色礫巖。其中570～594m、610～649m及678～728m段巖石較為堅硬，鉆效低，鉆進效率為0.6～0.8m/h，在鉆進過程中有跳鉆現象，從泥漿攜帶上來的巖屑觀察為黑色致密狀，比重較大的玄武巖。由此推斷這三段玄武巖為第三紀時期地球內部巖漿噴發所形成的。

1.3 白堊系（K）

（1）揭露深度728～1035m，灰黑色粉砂巖、泥巖、泥灰巖及礫巖，在鉆進過程中可鉆性比較差，出現過鉆頭被泥糊住的情況。

（2）揭露深度1035～1060m，紫紅色安山巖及凝灰巖，黃褐色粗砂及中砂巖，其中在鉆進過程中1040～1045m段發生嚴重漏失情況，從泥漿攜帶上來的巖屑看，巖屑磨圓度好，粒徑0.1～1mm，以中粗砂為主。由此推斷該段存在導水構造，中粗砂隨地下水流動而遷運。

（3）揭露深度1060～1127m，灰黑色泥巖及泥灰巖。

1.4 侏羅系（J）

揭露深度1127～2084m，該段以安山巖、英安巖、粉砂質泥巖為主，其中在1368～1378m、1403～1407m、1638～1644m發生漏失，在漏失段粉砂質泥巖含量比較高，在鉆進過程中該段地層鉆效低，巖石的硬度和強度均比上面的地層高，安山巖屑在放大鏡下，顯晶礦物特征比較明顯（例如長石、角閃石和石英），色率比較高（達30～35），說明該安山巖中含鐵鎂質的礦物含量相對較高。

1.5 長城系（Ch）

揭露深度2084～2605.6m(終孔)，巖性從上到下主要為由厚至薄層的白云巖和白云質灰巖，巖屑外觀為白色、灰白色片狀。片狀厚度0.1～0.5mm。2084～2087m為紅黑色的泥質巖，推斷該段地層為缺失段地層的剝蝕和風化產物。其中 2216～2230m、2240～2290m、2315～2412m和2569～2572m段泥質成分比較高，現場判定認為該泥質成分為后生泥質白云巖，它充填在基巖導水構造的裂隙和孔隙中。

根據現場鉆探班報表記錄的鉆進數據，繪制出整個鉆進過程中的鉆時效率曲線圖，在圖1中，當巖石致密堅硬時，鉆進效率明顯降低，而當巖土固結程度低，疏松時，鉆進效率明顯提高。例如在鉆遇第三系下伏的基性玄武巖時，鉆時效率為0.5m/h，而在第四系中，由于是新近沉積的粘土和砂卵礫石互層，鉆時效率平均達2.3m/h。

圖1 鉆時效率曲線圖Fig.1 Drilling ef fi ciency curve

根據鉆探班報表的記錄，計算出各不同地層的平均鉆進速率（吳夢源等，2012），由表1的數據可知，第三系由于下伏有很致密和堅硬的基性玄武巖，平均鉆進效率最低（0.7m/h）；侏羅系安山巖較為致密堅硬，平均鉆進效率低（0.9m/h）；白堊系由于有機質和泥質含量成分較高，可鉆性比較差，平均鉆進效率較低（1.2m/h）；長城系白云巖，雖然為沉積巖地層，但由于沉積年代最為久遠，固結程度高，平均鉆進效率較高（1.5m/h）；第四系為年代最近的沉積巖土層，平均鉆進效率高（2.3m/h）。

表1 不同地層鉆進平均速率表Tab.1 Average rate of drilling in different formations

2 巖屑巖性的巖礦鑒定結果

2.1 巖礦鑒定結果

本次地熱勘查共取巖屑樣23件，其鑒定結果如下表2所示，其中第三系巖屑取樣4件，白堊系巖屑取樣3件，侏羅系巖屑取樣8件，長城系巖屑取樣8件，每件巖樣都做好切片，在正交偏光10*24倍顯微鏡下對巖屑樣做了實驗室巖礦鑒定。

表2 實驗室巖礦鑒定成果表Tab.2 Rock and Mine Laboratory results of the table

2.2 根據巖礦鑒定結果的推論

（1）將以上實驗室巖礦鑒定結果同地層的地質年代劃分進行對號入座，NO.1、NO.2、NO.3、NO.4屬于第三系，鑒定結果證實了這一劃分的合理性。其中NO.2、NO.3、NO.4玄武巖鑒定結果符合白堊紀末期及第三紀早期地球上曾經發生過強烈的構造-巖漿活動，導致大量基性巖漿從地球深部噴出這一結論（舒良樹，2013）。

（2）NO.5、NO.6、NO.7屬于白堊系，白堊紀屬于地球上植被大量發育繁殖的時代，在這個地質年代形成的地層中，有機質含量高，有很多發灰黑色的泥質巖，導致在鉆探過程中可鉆性較差。

（3）NO.8—NO.15巖樣屬于侏羅系，侏羅紀時期火山大規模噴發，火山噴發所形成的火成巖中就包括中性的安山巖（SiO2含量占52%～65%），巖礦鑒定結果都以安山巖為主，加之從1127m開始，可鉆性變好，地層變硬，提高鉆壓后可使鉆進效率明顯提高，泥漿攜帶上來的巖屑不再含有像白堊系中所含的泥質成分。綜合以上巖礦鑒定結果、地質年代特征、鉆探經驗分析，將1127～2084m劃分為侏羅系是合理的。

（4）在鉆探至2084m時，巖性突變為紅黑色的泥質巖，到2087m穿過該段泥質層，見到白色的白云巖。NO.16（2084～2087m）的鑒定結果為角礫泥質巖，說明在這一地質歷史時期，該地區地殼抬升，該段泥質層推斷為地殼抬升后被自然外力作用風化和剝蝕的產物。NO.17—NO.23為白云巖，是在長城紀時期干旱濱海環境下沉積形成的地層，該段地層中不但含有固結性較好，硬度高的白云巖，局部還夾有比較破碎，固結程度差的后生泥質白云巖，也有專家認為其為薊縣系，對于它的形成原因，現在地質學界還有不同的說法，推斷為在白云巖導水構造裂隙中由于水的沖刷對泥質物的遷運富集而形成。

根據現場對巖屑的識別及實驗室巖礦鑒定成果和推論，并結合成井施工的相關技術參數，繪制成井結構示意圖（圖2）。

圖2成井結構示意圖Fig.2 Drill formation and well structure diagram

3 根據測井曲線驗證劃分地層

測井成果包括梯度電阻率、電位電阻率、放射性、自然電位、井溫、井斜。本文主要通過前3項指標的變化情況，驗證地層劃分的合理性。

（1）第四系與第三系交界面處測井指標的變化

測井曲線在300～320m段，梯度電阻率和電位電阻率有一個明顯增大的過程，放射性也逐漸變大，這為第四系與第三系界面的劃分提供了證據。因為在北京地區，第四系和第三系分界面在測井曲線的反應上，最直接的標志就是梯度電阻率、電位電阻率和放射性值的明顯增大。

（2）第三系與白堊系交界面處測井指標的變化

測井曲線320～570m處各項指標變化比較均衡，在614～628m、634～648m、680～690m、700～725m段放射性高，梯度電阻率與電位電阻率也有相對應升高的變化，這一結果證實了在第三系底部存在有噴發玄武巖的推斷，因為玄武巖從地球內部噴發成巖，放射性較高，而噴發性火成巖孔隙賦水性差，與沉積地層對比，梯度電阻率與電位電阻率比較高。

（3）侏羅系測井指標的變化

測井曲線1127～1400m、1590～1680m梯度電阻率和電位電阻率呈波浪形變化，放射性大致與梯度電阻率和電位電阻率呈一致變化，說明該段地層在形成過程中曾有多次火山噴發，以致火山噴發時期梯度電阻率、電位電阻率和放射性高；巖漿活動和構造運動相對平靜時期這三項指標則比較低。這也符合侏羅紀時期曾發生過頻繁的構造-巖漿活動的事實（北京市地質礦產勘查開發局,1991）。

測井曲線1400～1590m梯度電阻率、電位電阻率很低，基本上呈直線變化，放射性卻很高，這與火山巖一般情況下電阻率值高的情況相悖。但是在鉆進過程中該段地層漏失情況很嚴重，從1407～1644m泥漿消耗量很大，說明造成該段地層電阻率低的原因是該段地層中存在導水構造，水在導水裂隙中的存在降低了巖石的視電阻率（賓德智等，2002）。

（4）長城系測井指標的變化

測井曲線從2087m開始電阻率呈大起大落變化，放射性則在2090m突然降低后，呈基本穩定的小幅變化，放射性的突然降低支持了2090m以下地層段是在沉積環境形成這一觀點（劉久榮等，2002），電阻率的大起大落說明2090m以下段地層破碎，裂隙發育，驗證了本次地熱勘查任務設計熱儲層的合理性。通過觀察該段測井曲線，可以發現電阻率的低峰值所對應的放射性相對較高，與此相對應地層巖屑編錄的泥質成分也較高（李安寧等，2001），對2090m以下的地層，這一現象具有普遍性。

4 結論

根據以上實例所述，我們將地熱井勘查中識別巖性、劃分地層的方法分為以下3步：

首先，用放大鏡等工具對巖屑進行現場識別，根據巖石色率、硬度、致密性、鉆時效率曲線及鉆進過程中泥漿的消耗情況對地層進行初步劃分；其次，在初步劃分的基礎上，通過對地層分界面和關鍵點的巖屑取樣進行實驗室巖礦鑒定，為初步劃分提供科學的證據；最后，根據測井曲線中的梯度電阻率，電位電阻率和放射性3項指標的實際變化情況與實驗室巖礦鑒定成果的對比，劃分出屬于不同地質年代和不同巖性的地層。