寺家庄井田地温负异常及其主控因素_杨昌永.pdf

第 46 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.6 2018 年 12 月COALGEOLOGY 2. Yi’an Lanyan Coal and Coalbed Methane Co-Mining Technology CO. LTD., Taiyuan 030000, China; 3. Department of Mechatronics, Jinzhong Vocational the groundwater runoff state plays double effect of cooling and inducing the channels for gas dispersion, which is a major controlling factor to the geothermal negative anomaly and geothermal field varies of this minefield. The open extensional fault and collapse column not only provide a good channel for geothermal loss, but also provide favorable conditions for the refrigeration to the surrounding rock from aquifer groundwater circulation and runoff, which is the key control factor to the geothermal negative anomaly and geothermal field varies of this minefield. Keywords Sijiazhuang minefield; geothermal negative anomaly; geothermal field differentiation; main control factors; Qinshui basin ChaoXing 第 6 期杨昌永等 寺家庄井田地温负异常及其主控因素75 沁水盆地是我国重要的煤炭生产和煤层气开发 能源基地，随着近年来煤矿开采深度的不断延伸和 煤系气开发的日益兴盛，地温对采矿活动的影响逐 渐备受关注[1-3]。当前，沁水盆地地温场研究大多集 中在盆地热演化史及热演化对烃源岩的生烃贡献等 方面[4-7]， 对现代地温场特征研究甚少[2,8]， 未见低温 异常成因及其控制因素研究的报道。寺家庄井田位 于沁水盆地东部边缘中段平定–昔阳矿区平昔矿区 的中南部，近年来，井田内开展了大量的煤与煤层 气勘探开发工作，采用钻孔静态测温和钻孔稳态测 温方法获取了一批井温参数。 结果发现， 寺家庄井田 地温梯度整体偏低， 具有显著的地温负异常和典型的 地温场分异特征。 鉴于此，笔者分析了寺家庄井田现 代地温负异常及其主控因素， 以期为本井田煤系气成 藏条件分析、储层评价及优选等提供依据。 1地质概况 寺家庄井田地处华北断块吕梁太行断块沁水 块拗武乡昔阳 NNE 向褶皱带， 位于山西省晋中市 昔阳县西侧，面积约 124 km2。 井田总体上呈一走向 NNW，倾向 SWW 的单斜构造，地层平缓，倾角一 般 510，局部褶曲地段可达 1220。井田构造 以背斜、向斜相间的褶皱构造为主，轴向以 NNE NE 向为主，偶见近 EW 向展布，且轴向变化较大。 断层相对较少，多为张性正断层，分布集中。浅部、 北部陷落柱较发育。 井田内山西组和太原组为主要含煤地层，共含 煤 18 层，由上而下编号为 1、2、3、4、5、6、81、 82、84、9上、9、11、12、13、14、14下、15 及 16 号煤层。其中，81、84、9 号煤层为局部可采煤层， 15 号煤层为全区可采煤层。煤层总厚 13.46 m，煤 系总厚 171 m，含煤系数为 7.9。 2现今地温场特征 2.1测温数据 地温数据主要由钻孔静态测温和稳态测温获 得[9-10]。 a. 静态测温数据 钻孔静态测温又称“近系统稳态测温”，是获取 地温场参数的重要技术手段之一。系指无任何工程 扰动下关井数天或长期关井后向钻孔中下入温度测 定仪进而获取地温数据。寺家庄井田采用静态井温 测定方法，获得了一批井温数据。这些井温数据是 在关井 15 d 内利用 PSWL-1 型井温井液电阻率探 管测定所得，仪器测量误差小于 0.5℃。 实践证明，钻孔关井 72 h 后测定的井温已经非 常接近地层真实温度[11]。为此，笔者对关井时间小 于 72 h 的静态测定井温数据进行了筛选、剔除，最 终得到 332 井次钻孔静态测定井温数据图 1。 筛选 后的钻孔静态井温测定深度为 348.77927.30 m，测 深主要集中在 500800 m，平均为 616.53 m；井温两 极值差异显著， 为 3.030.0℃， 多数集中在 1420℃， 平均为 15.59℃。 图 1钻孔静态测定井温数值特征 Fig.1Numerical characteristics of static measured well temperature b. 稳态测温数据 在测温钻孔施工过程中，因泥浆持续注入且反 复循环、 钻头摩擦和地层岩石的天然热导性属性等， 致使地层原始地温发生变化。钻孔稳态测温是在测 温孔施工完毕且长时间关井后进行，此时钻孔测定 的井温即代表着地层温度的原始状态[12-13]。 井田内 7 口煤层气开发井在关井 6712 540 d 后，采用 KR-SB-01 型煤层气专用井下压力温度传 感系统进行了钻孔稳态井温测定表 1。 仪器温度精 度0.5、 温度分辨率0.1℃。 钻孔稳态测温深度459.78 852.92 m，平均为 667.01 m；井温为 13.520.0℃， 平均为 17.2℃。 表 1稳态测温井温统计 Table 1Statistics of steady measured well temperature 钻孔编号 测温 深度/m 稳态测温间 隔时间/d 稳态井温 T2/℃ YQ-035704.931 86918.7 YQ-036751.501 87418.9 YQ-210591.582 54016.8 YQ-315774.351 68120.0 YQ-357852.921 56118.9 YQ-547459.7867113.8 YQ-561534.0069513.5 2.2测温数据处理 钻孔静态井温测定是在测温孔关井时间相对较 短条件下进行，井温测定值不能精准地代表地层的 ChaoXing 76煤田地质与勘探第 46 卷 原始地温[11]。为此，有必要对钻孔静态测定井温进 行校正，以期提高其精准性和可利用性。 本文对筛选、剔除后所得的钻孔静态测定井温 进行了校正。校正方法首先，将钻孔静态测定井 温和稳态测定井温相除，得出井温校正系数，并对 井温校正系数求取平均值；而后，用钻孔静态井温 除以井温校正系数平均值，即可实现钻孔静态测定 井温的校正。 通过井温校正，在以钻孔稳态测定井温为基准 下所求取的井温校正系数较高， 一般为 7497.8， 多数集中在 90左右，平均 89.6，体现钻孔静态、 稳态测定井温差值不大，对地层温度具有很好的代 表性表 2，图 2。 表 2井温校正结果 Table 2Well temperature correction results 序号 钻井 编号 测温 深度/m 静态井温 T1/℃ 稳态井温 T2/℃ 校正系数 T1/T2/ 1YQ-035704.9318.018.796.3 2YQ-036751.5014.818.978.3 3YQ-210591.5816.116.895.8 4YQ-315774.3514.820.074.0 5YQ-357852.9216.518.987.3 6YQ-547459.7813.513.897.8 7YQ-560534.0013.213.597.8 校正系数平均值ε 89.6 图 2钻孔静态测定井温校正前后数值特征 Fig.2Numerical characteristics of drilling static measurement before and after well temperature correction 2.3现今地温场分布特征 地温场特征常用地温梯度值来表征[14]。地温 梯度或地热增温率系指恒温层以下， 深度每增加 100 m 地温所增加的度数。 地温梯度可按式1计算。 ch ch 100 TT D HH    1 式中 D 为地温梯度，℃/hm；Tc为地温测定值，℃； Th为恒温层温度，℃；Hc为地温测定深度，m；Hh 为恒温层深度，m。 寺家庄井田在煤田勘探时期利用热敏电阻做了 十几个简易测温，得出恒温带的平均深度为 30 m， 恒温带平均温度为 9.3℃。利用式1对地温梯度值 进行计算地温梯度为–1.83.0℃/hm，绝大部分集 中在 1.02.0℃/hm，平均为 1.4℃/hm图 3。与我国 其他大、中型含油气盆地相比，寺家庄井田地温梯 度偏低[15]，呈现出显著的地温负异常特征。同时， 地温梯度两极值差异明显，亦体现了地温场分异现 象严重。 图 3地温梯度特征 Fig.3Characteristics of geothermal gradient 总体而言，井田北部、北东部、中部及南东部 的地温梯度变化显著，地温负异常区多集中在该区 域；其他区域地温梯度横纵向变化不大，地温相对 平稳、正常图 4。 3现今地温场主控因素分析 3.1地层及热导率 岩石是地球内部热量的传导体， 不同盆地因地层岩 性组合特征等差异，导致岩石对地温具有不同的传导能 力，盆地间呈现出不同的地温特征[1,16-17]。岩石的热传 导能力多用热导率系数来表征[18]，是地温场特征研 究尤为关键的热物性参数[16]。 对井田内煤层、炭质泥岩、砂质泥岩、泥岩、 粉砂岩、细砂岩、砂岩中、粗、灰岩等八类地层 岩石进行采集和热导率物理特性参数测定。结果显 示，不同岩石类型的热导率系数各不相同[19]，总体 呈现出煤岩、炭质泥岩、泥岩、灰岩、砂质泥岩、 粉砂岩、砂岩、细砂岩依次递增趋势表 3，图 5。 统计发现，井田含煤地层岩性以砂岩为主，砂 泥比一般为 54.4168.26，平均 63.17。砂岩类 地层因其导热性强、热传导快，对地温的封存性能 较弱[18-20]，加之上覆松散层不甚发育、地表基本为 裸露基岩，地温向上传递过程中发生折射和再分配 能力减弱[21]，不易造成局部聚热。因此，寺家庄井 田地层及热导率的天然特性，是导致井田地温和地 温梯度值整体偏低的主要因素之一，对井田现代地 温场起到宏观控制作用。 3.2地下水 地下水因流动、比热容量大等特点，其循环方 式、 径流状态对地温场及其分布具有重要影响[22-23]。 寺家庄井田区域上位于娘子关泉域中东部，属 ChaoXing 第 6 期杨昌永等 寺家庄井田地温负异常及其主控因素77 图 4寺家庄井田地温场分布特征 Fig.4Distribution characteristics of geothermal field in Sijiazhuang minefield 娘子关泉域水文地质单元， 为典型的埋藏型岩溶区。 中奥陶统岩溶含水层透水能力较强，为一具有统一 水位的综合含水体，具有完整的水动力场。以桃河、 温河为界，大体可分为南、北两个补给径流区。南 区包括桃河以南的平定县南部、昔阳、和顺、左权 广大地区，是岩溶水系统的主要补给径流区。岩溶 水自南向北运动，东部灰岩裸露区大气降水入渗后 沿岩层倾向方向分散向西运动至昔阳、平定一线向 北、北东方向，在平定、昔阳低水位带内，形成南 部地区岩溶地下水主要汇水通道和强径流带。 ChaoXing 78煤田地质与勘探第 46 卷 表 3煤岩及其热导率测试数据 Table 3Test data for thermal conductivity of coal and rock 样品编号煤岩名称样品数量/个采样深度/m样品密度/gcm-3 热导率/Wm-1K-1 最小值最大值平均值 SJZM-14煤层4389.12487.551.401.430.4020.4810.448 SJZTN-13炭质泥岩3412.62484.441.571.940.7821.2501.009 SJZSN-13砂质泥岩3392.60483.802.562.631.7843.3122.635 SJZN-14泥岩4412.73487.902.232.731.3802.7282.170 SJZFS-13粉砂岩3399.10433.252.492.812.2963.0182.667 SJZXS-14细砂岩4425.60455.732.202.632.5813.2542.883 SJZS-15砂岩5127.40293.202.543.071.7843.7122.801 SJZH-13灰岩3430.27462.382.512.721.6703.3372.517 由此可见，寺家庄井田区域上岩溶地下水补给 条件好、径流强，长期循环流动对围岩温度起到“制 冷”效应， 进而从区域上控制着井田地温场的整体分 布特征。 山西组砂岩裂隙含水层、上石炭统一下二叠统 太原组灰岩岩溶含水层、中奥陶统岩溶裂隙含水层 在井田东部均有出露，地下水通过露头和浅部进行 补给。 寺家庄井田总体上呈一走向 NNW， 倾向 SWW 的单斜构造。地下水受重力作用，总体上由井田一 级构造单元单斜的翼部向轴部径流即由 NEE 向 SWW 径流，径流强度呈递减趋势，并在单斜的轴 部及其附近呈滞缓状态。 因地下水径流状态的差异， 使得在地下水补给条件好、强径流的翼部及附近埋 深较浅区域北部、东北部和井田地下水局部强径 流带， 地下水径流对围岩温度的“制冷”效应更强烈， 进而驱动地温不断散失。同时，上述区域因地下水 的径流较强作用，地下水对地层溶蚀、冲刷等作用 强烈，导致大量开放型陷落柱及伴生构造发育。这 些诱导成因构造破坏了围岩的连续完整性，使得围 岩对地温的“封存”效应减弱，甚至丧失，不利于地 温的局部聚热。因此，在井田北部、北东部及地下 水局部强径流带，地温梯度值普遍较低，甚至出现 多个地温负异常区图 4。 综上分析可知，地下水径流状态对地温场具有 重要控制作用，其是造成研究区现代地温场分异和 局部地温负异常的又一重要因素。 3.3开放型构造 a. 正断层 断层作为最为常见的地质构造，对地温场及分 布具有控制作用[24-26]。 寺家庄井田断层较少，多为走向 NE 及 NNE， 倾向 NW 的高角度张性正断层，以顶断底不断和底 断顶不断的层间断层和小断层为主，大断层不甚发 育。断层落差一般为 0.1530 m，落差 5 m 以下的居 多，延伸数米至三千余米，集中分布在井田东部、 中部及东南边界附近。 井田内断层落差大于 10 m 的 较大正断层，因岩体受力破断、两盘相对位移，导 致断层面及其旁侧形成破碎带和大量孔裂隙发育。 据采矿实践，在井田中央盘区煤矿首采区 15112、 15114 及 15116 等工作面即井田中段以南的 4 个地 温局部负异常区图 4回采过程中，揭露较大正断 层共计 7 条，断层落差 1029 m，平均 16 m。上述 较大正断层均导通了上覆太原组 K2灰岩岩溶含水 层和下伏中奥陶统马家沟组岩溶裂隙含水层。据钻 孔抽水试验，上述两含水层组均具强富水性，渗透 性较强，补给条件好。因此，较大正断层发育带， 围岩的连续完整性遭受破坏，使得围岩对地温的封 存能力减弱、甚至丧失[27]，最终导致地温沿着断层 面及断层影响带向外扩散散失。 图 5煤岩热导率对比图 Fig.5Comparison of thermal conductivity of coal and rock 同时，断层导通了上下邻近含水层，使得含水 层间形成了水力联系。此时，断层成为典型的导水 构造，含水层间地下水的水力交换和循环流动对围 岩起到“制冷”效应，进而导致地温扩散散失[28-29]。 上述条件均不利于地温的封存和聚热，使得在 井田东北部、中东部、南部中段及东南部较大张性 正断层发育区域，形成了多个低地温和地温负异常 ChaoXing 第 6 期杨昌永等 寺家庄井田地温负异常及其主控因素79 区；而小断层发育区，其地温基本稳定正常图 4。 b. 陷落柱 陷落柱系指可溶性岩层在地下水长期强径流的 冲刷、 溶蚀作用下，形成空洞并导致其上部岩层受重 力影响失稳、垮塌而形成一种特殊地质构造体[30-31]。 寺家庄井田陷落柱比较发育，物探和钻孔钻 遇发现陷落柱152个，浅部、北部相对发育，平均 1个/km2。陷落柱的形态多为近圆形及椭圆形，最小 直径为10 m，最大的长轴可达220 m，一般直径为 2050 m。区内陷落柱围岩最老为二 叠 系 下 统 下 石 盒 子 组 地层，最新为二 叠 系 上 统石 千 峰 组 地 层。陷落体中岩层时代最新为三叠系下统刘家沟组 地层，常见为下石盒子组及石千峰组地层。 陷落柱未形成之前，围岩的连续完整性对地温 的封存条件较好。陷落柱形成后，围岩的连续完整 性遭受破坏，并导致了一些裂隙及小型断层等开放 型伴生构造出现[32]，其对地温封存的“锅盖效应”减 弱[33]，为地温的散失提供了有利通道。同时，陷落 柱导通了上覆石盒子组砂岩裂隙含水组，该组为基 岩中出露最广者。该含水层组的富水性、渗透性较 强，地下水补给条件亦较好。含水层中地下水的循 环流动对围岩温度始终起到“冷却”效应，进而导致 地温的不断散失。 因此，在井田北部YQ-511、YQ-512、YQ-536、 YQ-565 等钻孔区域、北东部YQ-507、YQ-525 等 钻孔区域陷落柱发育区地温梯度值普遍较低，甚至 出现负值图 4， 体现了上述区域地温低和地温负异 常特征。 4结 论 a. 钻孔静态测温和稳态测温均为获取地温参 数的可靠方法，因钻孔静态测温是在关井相对较短 时间内进行，所测定的井温较原始地层温度偏低， 而钻孔稳态测定的井温代表地层原始地温。因此， 以钻孔稳态测定井温对钻孔静态测定井温进行了校 正，提高了井温数据的可靠性和利用率。 b. 与我国其他大、中型含油气盆地相比，寺家 庄井田地温梯度值偏低，并在井田的北部、北东部、 中部、南东部及南部等区域出现多个低地温及地温 负异常区，体现了研究区现代地温场具有明显的分 异特征。 c. 地层岩性及其热导率、地下水和开放型构造 是控制寺家庄井田现代地温场局部负异常和地温场 分异的三大主控地质因素。研究区地层砂岩所占比 例较高，因其导热性强、热传导快，不易形成局部 聚热；研究区区域上地处地下水汇水通道和强径流 带，对低地温和地温负异常起到宏观控制作用。井 田地下水径流状态差异，使得地下水强径流带对围 岩温度“冷却”效应更甚，亦导致开放型陷落柱及伴 生构造发育，使得围岩对地温的封存能力减弱或丧 失；以较大张性正断层、陷落柱为代表的开放型构 造，因其破坏了围岩的连续完整性，使得围岩对地 温的封存能力减弱，甚至丧失。 参考文献 [1] 孙占学，张文，胡宝群，等. 沁水盆地地温场特征及其与煤层 气分布关系[J]. 科学通报，2005，50增刊 193–98. 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