知泉必应思其源,如果将泉水、温泉和汽泉三种类型的泉,依次与其相应的来源,按温度由低到高排序,即可得出下列泉与源相对应的组合序列。
泉水即地下水;温泉即地下热水;汽泉即地下蒸汽。因此,泉水是地下水的天然露头;温泉是地下热水的天然露头;同样,汽泉是地下蒸汽的天然露头,温度高于相应的地面沸点。顺理成章,一般泉水和温泉各自的源头,已为人们所熟知共识,耳熟能详。然而汽泉源自地下蒸汽却鲜为人知,或知之甚少,虽然汽泉早在远古时代业已问世,但毕竟汽泉出现为数甚少,据调查,在四川省内仅在甘孜藏族自治州地区出露八处汽泉。又常常在人烟稀少的雪域高原上抛头露面,故很少有人乃至专业技术人员接触它,即便接触到了也被忽视了,更无从谈及探索汽泉源于地下蒸汽。因此,可以认为,目前地下蒸汽是个盲区。1982 年,在地处雪域高原的四川省甘孜藏族自治州地区,开展1∶50 万区域水文地质普查工作时,在甘孜县城郊雅砻江河谷谷底左侧高漫滩后缘,以育一条北西向隐伏断层,长10 公里,宽200—250 米,为逆断层,倾向北东,在其上盘施工一个水文地质勘探孔,在成井实践过程中惊奇地发现:
1 一孔谱写三部曲
1.1 地下热水定性
当钻进揭穿第四系松散层后,置入直径 168毫米的套管护壁,深度为 19.73 米。之后,在继续钻进的过程中,地下热水逐渐突显出来,冲洗液温度升到 30℃—40℃,且有轻微硫化氢气味逸出, 同时钻具也被硫化氢腐蚀呈深褐色。钻孔结构为:
孔深 0.00—18.73 米,孔径 170 毫米,合金钻进;孔深 18.73—59.42 米,孔径 130 毫米,钢粒钻进;孔深 59.42—120.92 米,孔径 110 毫米,钢粒钻进;在孔深在 18.73—58.89 米孔段,采用合金肋骨钻头由孔径 130 毫米扩孔孔径为 150 毫米,以适应抽水试验要求的孔径。
用 BWT12/450 泥浆泵冲洗钻孔,再用空压机洗井。洗井之后,测定静止水位为 1.63 米,水温58.0℃,孔底温度 80.0℃。抽水设备为空压机,工作管直径 108 毫米,置入孔深 42.06 米,风管下入孔内 38.39 米,测管直径 20 毫米,置入孔内 46.54 米。安装好之后,即进行正式抽水试验,降深三个落程,稳定时间最长为 24 小时,最大降深 16.86 米。
通过抽水试验三次降深,其涌水量与降深,依次记录如下。
Q1=1.578 升/秒 S1=6.57m
Q2=2.302 升/秒 S2=11.07m
Q3=3.058 升/秒 S1=16.86m
根据抽水试验成果 Q~f(s)曲线特征,结合钻孔水文地质条件,上部第四系粉质粘土夹砾石、碎石层作为隔水顶板,下部完整基岩为底板,构成完整层间热水,故确认地下热水类型属基岩裂隙承压热水,水头为 17.10 米。
1.1 止水诱发井喷
四川省地震局与单位协商,欲利用该孔留作地震监测孔,技术要求选择适当的孔深做永久性止水工作。
在抽水试验结束之后,接着进行永久性止水准备工作,首先应选定止水孔段部位。
地层属马尔康地层分区三迭系上统罗空松多组,岩性为变质长石石英砂岩夹板岩、大理岩、火山岩。
通过岩芯的鉴定描述,裂隙发育程度的判别, 岩石破碎状态的分析对比,以及孔内掉块、卡钻、漏水等现象的记录,认定孔深 50 米以上裂隙较发育,之下裂隙发育微弱。在钻进过程中,孔深 52 米以下冲洗液温度升高为 30—40℃。据上述情况分析,永久性止水孔深选定在 52 米为宜。止水孔段确定之后,按下列五个程序进行永久性止水准备工作。
(1) 按预定长度,将直径 108 毫米套管接成三合一立根,立置于井架内,争取快速下管,以防海带在高温中烫损,达不到架桥止水的目的;
(2) 将钻具下入孔底,用冷水冲洗钻孔,为降低孔内温度;
(3) 将优质海带剪去薄裙边,包缠在止水变径管(直径 108×127×108mm)的海带的护箍上、下两段,海带包缠长 4.5 米,其厚度视止水孔段间隙大小而定,尔后,将编好的“竖麻辫”缠绑在止水管的海带层外侧,使麻丝与止水管轴平行(图 2);
(4) 清理孔口及现场,准备下管工具,分工明确,做好快速下管的各项准备;
(5) 快速将孔内钻具提出后,用 35 分钟把止水管及长 58.04 米、直径 108 毫米套管全部下入孔内,再用升降机将套管柱吊于孔口。
上述准备工作就绪之后,采取回填止水法进行止水,所需材料及程序可归纳为下列五个方面:
(1)将压箍套在直径 108 毫米的管柱上,投送滑入孔内,以利将绑缚在止水管的麻丝受压后散开;
(2) 将重 100 公斤的围填钢粒沿孔壁投入,压倒麻丝和海带;
(3) 用重 50 公斤的中粒砂土,并加入少许钢粒投入环形状间隙,下落到麻丝之上,作为充填钢粒间隙,以防渗漏水泥浆;
(4) 灌入纯水泥浆 500 公斤,采用 500 标号的水泥,每袋重 50 公斤,加入清水 18—20 公斤,搅拌均匀后,沿孔壁环状间隙注入,注入时定要掌握速度,因为过快容易在途中堵塞,而过慢则会被地下热水稀释;
(5) 围填结束后,清洗井口,用夹板将直径108 毫米止水管柱固定在井口,二下四小时后,当孔内水泥还处于初凝阶段,地下高温热汽(水)即喷出井口,高达 19.0 米以上,气势壮观,景象异常( 照片 1)。初喷时温度高达 95℃,之后稳定为90.5℃,孔口涌水量为 172.8 吨/日。
事实证明,这次永久性止水工艺是成功的,效果出乎意料,止水孔段选定也恰到好处。
1.3 制喷两法效应实践中探索出两种遏制井喷的方法:
(1) 注入冷水————压
(2) 双阀关闭————憋其效应:水位反常。
(1) 止水管内水头升高,高出地面 1.10 米,自流热水;
(2) 止水管与护壁管间水头下降 2.64 米,仍为承压水,巧合,水头上升与下降值几乎相等。
下面较详细地介绍在实践过程中探索遏制井喷有效方法,且及时观察记录止喷有效方法,观察记录止喷后出现的异常现象。因高温热汽(水)久喷不衰,施工人员无法靠近井口,造成继续施工困难,经过四天之后,估计两天之后,观测直径 108 毫米止水管内的水头高出地面 1.10 米,水温为 58℃,水头呈静止状态,放水自流量为 0.10 升/秒。又观测直径 168 毫米与直径 108 毫米两管间水头,由抽水试验恢复水位 1.63 米,下降到 4.27 米,水温亦为 58℃。因此,直径 108 毫米管内水头较原水头高出 2.73米,而两管间的水头相对原水头下降 2.64 米,上升和下降水头几近相等。
停喷后,通过井内分别对止水管内外地下承压热水水位的测定,认为注入喷井内的冷水,则形成“冷水塞”,将喷发的高温热汽(水)堵压住了。但如何将冷水压抑高温热汽(水)喷井复喷呢?施工人员又做下面工作尝试。
将抽水试验时的风管改为胶管,从三通一侧的阀门插入孔内,然后开动空压机抽水,待高温热汽(水)喷出时,即拉出胶管,用阀门控制热汽(水) 喷出的方向,试探成功了。
地下高温热汽(水)重新喷出,向上喷出的高度仍为 19.0 米,温度 90℃—91.0℃,井口涌水量仍为 172.8 吨/日,利用两个阀门,将高温热汽(水) 喷出方向控制自如。
在了解和掌握高温热汽(水)制喷和引喷方法之后,随之又进行放喷热水和井内静态定深测温工作。
(3) 放喷试验
高出地面三个高度,依次测出相应涌水量,分别为:
H1=1.38 米,Q1=1.818 升/秒,稳定时间:25小时 30 分钟;
H2=3.14 米,Q2=1.578 升/秒,稳定时间:8小时 30 分钟;
H3=4.35 米,Q3=1.461 升/秒,稳定时间:5小时;
因此,喷井自地面向上,每增 1.0 米,喷出热水量相应减少 0.10 升/秒,依此推算该孔热水静止水头高出地面 16.0 米,与图解高度相吻合(图 3), 蒸汽喷出高度为 19.0 米。放喷试验结果表明,其性态与承压水自喷的性态完全吻合。
2. 破解静态测温曲线
通过上述地热水文地质勘探和试验工作成
果,确认地下热水性质具承压性。然而,在实施永久性止水 24 小时后,出其不意地发生井喷事件, 从而改写了地下热水的性态,此后又在处理井喷 的实践中探索出止喷、复喷的工作方法。
人工干预诱发的井喷事件可首次列入地热领域中一种罕见的“蝶变”现象。经初步研究分析,井喷事件发生绝非偶然,而是必然发生的产物,应从井喷的静态定深测温曲线的解读中获得答案。
2.1分解测温曲线
首先对图 4 喷井静态定深测温曲线分解,第一段曲线,从热水静止水位 1.63 米,水温 58.0℃, 到地面沸点(87.0℃),热水温度随井深的加深而升高,称井深增加与水温升高为正线性关系。
(1)地面沸点埋深为 50 米。
从地面沸点到饱和蒸汽压沸点(114.0℃)为第二段曲线,温度高于地面沸点,同样伴随井深增加而升温,但升温的曲线有别于第一段曲线。
按该段曲线特点大体可分为上下两段,上半段近似直线,类似第一段曲线延伸部分;下半段曲线相当于抛物线转为渐近线。实际上是第一段曲线向第三段曲线过度段曲线。
第二段曲线温度高于地面沸点,其原因是热水中富含蒸汽成分之故,温度升高表明热水中蒸汽随井深增加而增加,最终达到极至,蒸汽饱和状态即为第三段曲线,即温度持平,稍有波动,曲线为直线且平行于纵轴。
(2)饱和蒸汽压沸点埋深为 90 米。
2.2浅谈地下蒸汽形成机理
为了更简约,更清晰,更直观,象征性表述地热层次结构,利于分析,推判地下蒸汽形成环境, 故将图 4 曲线图改为倒三角形图(图 5)。
倒三角形表示断层破碎带内裂隙发育程度, 上部近地表的一定深度,因受风化作用,构造裂隙势必拓宽,裂隙发育强度相对上部高于下部,相应地下水富水性无疑上部优于下部。
倒三角形两条边,代表断层破碎带热岩与地下水多边接触面,因近地表上部外界低温环境的影响,降低了热岩的温度,故断层破碎带热岩的温度自上而下逐渐升温。
何谓两点三段式?
两点即地面沸点和饱和蒸汽压沸点。三段即由两点分割为三个区段;自上而下依次为热水区段(Ⅰ)、热水和蒸汽混合区段(Ⅱ)和饱和蒸汽区段(Ⅲ),其中热水、蒸汽区段中,热水成分自上而下减少终止为零,相反蒸汽成分自上而下增加。
重点讨论地下蒸汽是如何形成的?地下蒸汽形成的必要条件,据以前分析,断层破碎带多为高温热岩。以甘孜县城 3 号喷井为例,上部热岩温度为 58℃ ,下部热岩为 114℃ ,是上部温度的两倍。
在高温热岩裂隙中赋存地下水,其富水性下 部低于上部,无疑将下部的高温热岩裂隙水热化, 继而汽化形成地下蒸汽,因此,充分理由确认,断层高温热岩破碎带裂隙赋存地下水是地下蒸汽形成的必要条件。