地?zé)峥辈?/div>

地?zé)豳Y源地震勘探方法綜述

  全球能源問題日益突出。一是供需矛盾,截止2010年,20%的世界人口仍然無法用電。二是能源 需求增長與溫室效應(yīng)的矛盾,2010年初級能源需求增加5%,與之相關(guān)的二氧化碳排放量為30.4t,相比2009年增長了5.3%,可能引起嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。三是資源浪費,由化石燃料補貼而引起嚴(yán)重的浪費性消費,2010年增加約4090億美元[1]。四是不穩(wěn)定因素,能源分布不均,中東和北非等國家的動蕩易引起全球性能源危機。 而地?zé)豳Y源作為可再生無污染資源,將對發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)起到極其重要的作用?!?a href="http://xldcn.com/t/新能源.html" >新能源報告》指出,地?zé)豳Y源的能量是全球常規(guī)能源總能量的45萬倍,是全球資源的1.7億倍。此外,我國地?zé)?/a>資源較為豐富,中國主要盆地地?zé)?/a>資源量為2.496×1022J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤8.532×1011t,并且中國僅重點城市淺層地?zé)崮?/a>就達(dá)到2.78×1020J,每年可利用量為2.89×1012kWh[2],因此我國地?zé)豳Y源開發(fā)和利用 前景廣闊。 地?zé)豳Y源勘探地震方法分為主動地震和被動地震兩類方法。被動地震勘探是利用密集地震臺陣來監(jiān)測巖層中微地震活動所產(chǎn)生的地震波,然后運 用地震學(xué)方法來反演微地震的活動特征,并反演出研究區(qū)三維縱橫波速度、縱橫波速度比、泊松比等彈性參數(shù)分布的一種勘探方法。被動地震勘探方法在國外地?zé)豳Y源勘探中已得到普遍應(yīng)用,而國內(nèi)對該方法研究尚不廣泛。主動地震是指高分辨率的反射地震勘探方法。主動地震成本相對高,因此在地?zé)豳Y源普查階段仍然依靠被動地震,而對于評價區(qū)的地?zé)醿?/a>,主動地震才是最可靠的資料。 地震方法作為一種超深且高精度的勘探方法,在一定程度上彌補了重磁電方法勘探的不足。它已在我國大多數(shù)地?zé)崽?/a>展開了應(yīng)用,例如西藏、天津、河北、云南等省市地?zé)崽?/a>都采用了三維地震勘探技術(shù)[3-4],并且山東省地?zé)崽?/a>還采用高分辨率地震勘探技術(shù)[5]。但是,國內(nèi)地?zé)崽?/a>僅僅利用主動地震方法來研究地質(zhì)構(gòu)造,解決斷裂識別的問題,而如何有效利用地震信息解決熱儲層預(yù)測、裂隙通道精細(xì)刻畫、地層水識別等關(guān)鍵問題尚是空白。另一方面,被動地震方法在國內(nèi)地?zé)?/a>田中的應(yīng)用嚴(yán)重不足。也就是說,與美國、日本相比,我國地震技術(shù)地?zé)豳Y源勘探中利用得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,發(fā)展速度也相對滯后。在美國冰島等國家,地震方法早已成為地?zé)?/a>資源勘探開發(fā)的主流手段,不僅利用疊后地震資料進(jìn)行導(dǎo)水的斷裂的識別,還綜合利用疊前、疊后以及多波信息精細(xì)刻畫和描述熱儲層特征,明顯提高了地?zé)峥碧?/a>的精準(zhǔn)度。
  1.1 地震波速度衰減 隨著地層溫度的升高,巖石的物性特征會發(fā)生 很大變化,其中最明顯的變化是:隨著溫度的升高,巖石的縱波速度降低,橫波速度也逐漸減小且趨于零[6]。Makky等[7]通過巖石物理實驗進(jìn)一步印證了 這一結(jié)論:巖石的地震波速度隨溫度升高而降低,水的地震波速度也隨溫度升高而降低。此外,由于地熱儲層中蒸汽和裂縫的存在,將導(dǎo)致彈性波速度進(jìn)一步衰減。探開發(fā)的主流手段,不僅利用疊后地震資料進(jìn)行導(dǎo)水的斷裂的識別,還綜合利用疊前、疊后以及多波信息精細(xì)刻畫和描述熱儲層特征,明顯提高了地?zé)峥碧?/a>的精準(zhǔn)度。
  1.1 地震波速度衰減 隨著地層溫度的升高,巖石的物性特征會發(fā)生 很大變化,其中最明顯的變化是:隨著溫度的升高,巖石的縱波速度降低,橫波速度也逐漸減小且趨于零[6]。Makky等[7]通過巖石物理實驗進(jìn)一步印證了 這一結(jié)論:巖石的地震波速度隨溫度升高而降低(圖1a),水的地震波速度也隨溫度升高而降低。此外,由于地?zé)醿?/a>中蒸汽和裂縫的存在,將導(dǎo)致彈性波速度進(jìn)一步衰減。
  1.2 地層吸收衰減 當(dāng)?shù)貙雍黧w后,在地震資料上振幅和頻率都有所反映:縱橫波振幅能量嚴(yán)重衰減,地震波高頻成分也大幅度衰減,且含蒸汽與含水時也存在一定的差別,含蒸汽時振幅、頻率衰減更嚴(yán)重,有時在地震剖面上形成“空白帶”反射,因此地層吸收系數(shù)和地震衰減屬性是進(jìn)行地熱儲層描述和流體預(yù)測的重要參數(shù)。
 
  1.3 彈性參數(shù)的影響 非地熱儲層、含水地層以及含蒸汽地層的縱橫波速度比、泊松比等彈性參數(shù)有較大差異。在國外很多地?zé)崽镏?,都對縱橫波速度比做過詳細(xì)研究??偨Y(jié)這些研究可知,水占主導(dǎo)的地熱儲層(例如美 國EastMesa和墨西哥CerroPrieto地?zé)崽铮┛v橫波速度比高,達(dá)到1.55~1.68。而氣態(tài)水占主導(dǎo)的地?zé)崽铮ɡ?a href="http://xldcn.com/t/美國.html" >美國Geysers和Coso地?zé)崽铮┛v橫波速比低。因此可以根據(jù)縱橫波速度比識別地熱儲層,并進(jìn)一步確定儲層中的流體性質(zhì)。
 
  1.4 裂縫發(fā)育特征 斷裂構(gòu)造對地?zé)豳Y源分布有直接的控制作用。上地幔巖漿熱液沿深大斷裂上升至地殼上部,將淺層地下水加熱,這些被加熱的地下水沿著斷裂通道上升。斷裂和裂縫為地下高溫水、蒸汽和熱量提供通道,因此地?zé)醿又袛嗔押土芽p通道十分關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計,具有價值的熱儲一般主要位于褶皺部位以及斷裂構(gòu)造發(fā)育部位,因此受斷裂和裂縫影響,熱儲類型主要分為:孔隙裂縫型熱儲、巖溶裂縫型熱儲、構(gòu)造裂縫型熱儲等。可以說,地?zé)峥碧?/a>的另一個重點就是尋找裂縫發(fā)育帶。羅馬尼亞MoesianPlat?form地?zé)釁^(qū)的地?zé)峥碧?/a>中,在Craiova?Bals?Slatina、Videle和Leordeni?Recea三個地區(qū)的斷層附近都找到了80℃的地層水,證實了斷層、裂縫與地?zé)醿拥木o密關(guān)系[8]。
 
  2.1 速度成像 由于地?zé)岙惓^(qū)內(nèi)蒸汽和熱水的上涌,時常導(dǎo)致地面震動以及局部的蒸汽爆炸。因此利用高精度微震儀可探測這些微震,從而圈定熱儲位置、上涌通道以及分布范圍等[9]。被動地震方法成本低,在地?zé)崽锏钠詹殡A段發(fā)揮著重要作用。 基于被動地震數(shù)據(jù)的旅行時反演在地?zé)峥碧街?應(yīng)用較多[10]。該方法是利用地震波旅行時數(shù)據(jù),反演地下地質(zhì)體的速度模型,找出速度異常體。Lar?derello-Travale地?zé)崽锞褪遣捎寐眯袝r反演對速度進(jìn)行成像從而來圈定熱儲位置。該地?zé)崽镆哉羝麨?主,是第一個用于發(fā)電的地?zé)崽?。Matteis等[11]在該項目中,采用vp、vs、vp/vs、vp×vs四種屬性來研究儲層內(nèi)流體分布特征,不僅識別出地?zé)醿樱€指出了熱儲的流體類型。由于低vp/vs異常一般對應(yīng)含蒸汽地?zé)醿樱詧D3剖面中Lago井和Miniera井底部均為含蒸汽地層。而高vp/vs異常對應(yīng)(并且對應(yīng)低vp×vs)含水地層,因此剖面中淺層為含水層。
 
  2.2 隨機噪聲成像 隨機噪聲成像方法是利用從隨機地震噪聲中提取短周期面波,由這些數(shù)據(jù)可以得到面波的頻散曲線,并利用頻散曲線建立橫波速度剖面,從而尋找速度異常的地?zé)醿樱郏保玻?。該方法在探測下地殼和上地幔之間的構(gòu)造中應(yīng)用較為廣泛[13-14]。目前基于隨機噪聲成像的研究在新西蘭、南非、西班牙、韓國、 日本美國等多個國家和地區(qū)都有所應(yīng)用[14]。隨機噪聲主要指來源于天氣變化、大氣壓力、海 浪、潮汐、人類活動和機器產(chǎn)生的噪聲。這些在地表探測到的微振動分為體波和面波,而70%的是面波[15]。盡管這些隨機噪聲的振幅和波形隨時間和地點不斷變化,但是統(tǒng)計結(jié)果表明:一般情況下在某一特定時間和地點,隨機噪聲的振幅和波形相對比較穩(wěn)定。
 
  圖4給出了該方法的簡要原理及步驟:①提取隨機噪聲垂直分量:從多組臺站記錄到的持續(xù)時間較長的隨機噪聲中提取出垂直分量數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)中主要包含瑞利面波信息;②噪聲壓制:根據(jù)面波頻帶范圍,濾除非面波信號,并采用譜白化、振幅歸一化等處理進(jìn)一步壓制無效信息;③計算互相關(guān):在面波的頻帶范圍內(nèi),對處理后不同臺站的隨機噪聲計算互相關(guān)[16-17]。④計算頻散曲線:采用時頻分析方法 (FTAN)由互相關(guān)結(jié)果計算得到瑞利面波的相速度頻散曲線。⑤面波成像:利用計算得到的頻散曲線進(jìn)行面波成像,得到瑞利面波相速度模型。很多學(xué)者將面波成像方法單獨地進(jìn)行過詳細(xì)介紹[14]。⑥橫波反演:通過使得實際計算的頻散曲線和頻散模型曲線差異最小,得到橫波速度模型的最優(yōu)解[17]。 最后,根據(jù)面波速度和橫波速度結(jié)果,圈定出熱儲位置和范圍。Yang等[18]采用地震隨機噪聲成像方法研究了 美國加州Coso地?zé)崽锏?a href="http://xldcn.com/t/地質(zhì)構(gòu)造.html" >地質(zhì)構(gòu)造。圖5是Coso地?zé)崽锊煌芷诘南嗨俣鹊臄_動平面。不同周期的相速度擾動能反映不同深度的熱儲特征。在這項研究中,周期為3s的瑞利面波能較好地反映2km深的熱儲特征,而10s的瑞利面波對10km深的熱儲反映尤為明顯,對20km的也能較好反映。小的相速度擾動對應(yīng)于熱儲區(qū)域。
 
  國內(nèi)部分地?zé)崽镆膊捎昧嗽摲椒?,并取得了預(yù)期效果。Xu[12]通過隨機噪聲成像研究了江蘇吳江的地?zé)峥碧巾椖?。通過隨機噪聲成像最終得到橫波剖面(圖6)。從橫波剖面上看,淺層速度橫向上連續(xù),說明該地層沉積環(huán)境相對穩(wěn)定;深部存在低速度異常,說明存在斷層和裂縫發(fā)育帶以及含水層或石灰?guī)r洞穴等地質(zhì)體。此外,也得到了地?zé)醿由疃?、厚度等重要信息?/div>
 
  此外,國內(nèi)外通常采用多種地球物理方法綜合預(yù)測,從而提高預(yù)測的準(zhǔn)確度和精度。美國猶他州西南的CoveFort地?zé)崽镯椖客瑫r采用了面波數(shù)據(jù)和局部天然地震數(shù)據(jù)[20]。寬頻帶的隨機噪聲數(shù)據(jù)由美國國家臺陣記錄得到,利用該數(shù)據(jù)得到相速度頻散曲線,從而用于面波成像;局部地下活動的微地震數(shù)據(jù)則由當(dāng)?shù)兀保皞€臺站記錄得到,利用雙精度的層析成像方法得到縱波和橫波速度模型。加利福利亞北部的Geysers淺層地?zé)?/a>儲層探測也采用了微地震數(shù)據(jù)和面波數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演方法[21]。此外,綜合面波、局部微地震數(shù)據(jù)以及重磁電數(shù)據(jù)綜合分析得到橫波速度體的方法也是非常常用且有效的方法[22],多種方法能相互印證,相互補充,使預(yù)測結(jié)果更為合理。
 
  橫波分裂技術(shù)一致被認(rèn)為是探測地?zé)醿恿芽p密度和方向行之有效的方法[23]。由于從微地震事件中同樣也能接收到快、慢橫波信息,因此完全可以將橫波分裂技術(shù)應(yīng)用到被動地震之中。
 
  橫波傳播經(jīng)過裂縫時分裂為快橫波和慢橫波,快橫波平行于裂縫發(fā)育方向,慢橫波垂直于裂縫方向,當(dāng)裂縫密度很大時,導(dǎo)致慢橫波存在較大延遲。裂縫密度越大,快慢橫波時間差異越大。因此,快慢橫波的時間延遲可以用于探測裂縫發(fā)育密度,而快橫波可用于探測裂縫發(fā)育方向[24]。利用橫波分裂預(yù)測裂縫的理論和方法國外很多學(xué)者已經(jīng)做過研究。
 
  Silas等[29]在CasaDiablo地?zé)崽锟碧街胁捎玫木褪腔谖⒌卣饠?shù)據(jù)的橫波分裂預(yù)測裂縫方法。首先,通過研究快橫波和慢橫波的振動方向,得到裂縫發(fā)育方向;然后用快慢橫波的時間差計算得到裂縫發(fā)育密度。圖7是CasaDiablo區(qū)橫波分裂預(yù)測的裂縫發(fā)育密度深度切片。紅色表示高裂縫密度發(fā)育。從圖中可以得出,該區(qū)有兩個有利的地?zé)醿印?/div>
 
  一個是CasaDiablo區(qū)1~3km深度處的北邊和東部,一個是2.5km深度的遠(yuǎn)東部(Mammoth機場附近)的。 被動地震成本低,能有效預(yù)測熱儲位置和分布范圍,但是由于被動地震數(shù)據(jù)接收的站點少,數(shù)據(jù)覆蓋范圍小等不足,導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果的縱橫向分辨率都較低,所以基于被動地震的勘探方法一般局限于地?zé)崽锏钠詹殡A段,而選區(qū)評價和井位優(yōu)選時必須借助主動地震3 主動地震勘探 利用地表上有限個臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,難以實現(xiàn)對大面積地?zé)釁^(qū)進(jìn)行高精度評價研究。因此,針對較大區(qū)域的地?zé)釁^(qū),需要借助三維主動地震勘探方法。主動地震勘探覆蓋面積廣,信息量大,能夠提供更豐富的地下信息。
 
  3.1 地震衰減屬性 在地?zé)醿又?,由于熱液、蒸汽?a href="http://xldcn.com/t/高溫.html" >高溫流體存在,導(dǎo)致地震波振幅、頻率吸收衰減嚴(yán)重。因此很多學(xué)者嘗試建立地?zé)崽锏娜S吸收衰減系數(shù)模型,通過吸收衰減系數(shù)模型找到熱儲[30-31]。Wu等[32]通過計算縱波的三維吸收衰減系數(shù)Q模型來研究加州Coso地?zé)醿樱樱幔睿洌澹颍蟮龋郏常常輨t采用橫波衰減屬性研究該區(qū)熱儲。此外,頻率屬性也是預(yù)測地?zé)豳Y源的有效手段。 Wei等[34]在加利福利亞南部Wister地?zé)崽锊?用了有效頻帶寬度屬性預(yù)測高溫流體分布。由于地?zé)崽?a href="http://xldcn.com/t/高溫.html" >高溫流體的存在,導(dǎo)致頻率衰減,地震有效帶寬變窄,故有效帶寬的低值區(qū)指示高溫流體分布范圍。因此,由圖8預(yù)測出高溫流體主要分布在工區(qū)西南部。 圖8 Wister地?zé)崽锟v波有效頻帶寬度平面示意(紅色為 高值,紫色為低值) [34]3.2 構(gòu)造精細(xì)成像 地?zé)豳Y源主要受地質(zhì)構(gòu)造因素控制,與火山結(jié)構(gòu)或斷層活動高度相關(guān)聯(lián),這些因素導(dǎo)致地?zé)豳Y源分布極其不均勻[35]。另外,地質(zhì)構(gòu)造位置和大小共同決定了地?zé)醿w的大小[36]。因此,地震資料的構(gòu)造成像效果對地?zé)醿宇A(yù)測尤為關(guān)鍵。 在意大利Tuscany地?zé)崽锟碧街?,盡管常規(guī)處理結(jié)果(圖9a)大部分資料能夠滿足勘探要求,但是在石灰?guī)r地層中由于巖石的吸收衰減降低了地?zé)醿拥某上褓|(zhì)量,故信噪比急劇降低,所以Casini[36]在前期處理和成像過程中,改進(jìn)了資料品質(zhì),提高了成像精度。如圖9b為改進(jìn)后的地震資料,M_1井目標(biāo)層段的信噪比和層位精度得到明顯提高。
 
  3.3 三維多波多分量地震勘探 基于被動地震數(shù)據(jù)的橫波分裂技術(shù)對預(yù)測地?zé)醿w,特別是裂縫體系具有很好的效果。為了更好地服務(wù)于地?zé)崮茉?/a>的開發(fā)與建設(shè),提高勘探精度,近年來一些國家開展了地?zé)釁^(qū)多波三維地震勘探。受美國能源部委托,德州大學(xué)奧斯汀分??碧降厍?物理實驗室2009年開始開展多波地?zé)醿w的表征研究?,F(xiàn)在該實驗室已采集到了Soda和Wister兩塊地?zé)釁^(qū)多波地震資料,開展了一些研究工作。三維多波多分量的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下兩個方面。一是,由于PP波穿過熱流體衰減嚴(yán)重,降低資料信噪比,而PS波受熱流體影響小,因此PS波的應(yīng)用會顯著提高地?zé)釁^(qū)的地震解釋精準(zhǔn)度。二是,利用PP波和PS波計算的彈性參數(shù)(例如vp/vs)更加可靠,對熱流體分布指示更準(zhǔn)確;此外,利用橫波分裂技術(shù)能有效識別儲層裂縫??傊嗖ǘ喾至咳S地震勘探比基于被動地震數(shù)據(jù)的多分量勘探精度和分辨率更高,它將是地?zé)岬卣鹂碧降闹匾l(fā)展方向。
 
  圖10和圖11是Wister地?zé)崽锶S多波多分量地震資料應(yīng)用實例。圖10是Wister地?zé)崽铮茫幔睿? brake/Olla/Diablo層段與Deguynos層段地震解釋剖面,圖10a為PP波,圖10b為PS波。對比兩者虛線橢圓框內(nèi)不難發(fā)現(xiàn),PP波受淺層熱流體影響,反射同相軸被削弱,資料信噪比急劇降低,而PS波受熱流體影響小,虛線框內(nèi)資料信噪比仍然較高,更有利于地震解釋工作的開展。另外,由PP波和PS波計算得到的vp/vs數(shù)據(jù)體比常規(guī)反演得到的vp/vs數(shù)據(jù)體可靠性更高。圖11是利用PP波和PS波計算得到的Canebrake/Olla/Diablo層與Deguynos層之間的vp/vs平面分布,由圖可知Wister地?zé)崽镂髂喜浚觯穑觯蟮陀冢玻叮t色區(qū)域),因此該區(qū)域為最有利的地?zé)醿印?/div>
 
  4 結(jié)論及認(rèn)識 (1)在未來的地?zé)豳Y源勘探開發(fā)應(yīng)用中,地震方法優(yōu)勢巨大。 (2)地?zé)峥碧阶钪饕哪繕?biāo)是尋找裂縫和斷裂 發(fā)育區(qū),而裂縫和斷裂能夠造成地震波彈性參數(shù)明顯的變化,地震方法是捕捉這些變化最有效的手段。 因此,使用地震進(jìn)行地?zé)峥碧綄黠@提高勘探精度。 (3)被動地震方法理論成熟,成本較低,但是分 辨率低,適合地?zé)崽锏某跗?a href="http://xldcn.com/t/開發(fā).html" >開發(fā);主動地震方法密度大,高信噪比和高分辨率,適合地?zé)崽锏倪x區(qū)評價和井位優(yōu)選;將二者有效結(jié)合,能夠提高地?zé)豳Y源的探測精準(zhǔn)度。 (4)地震多波技術(shù),對描述裂縫和斷裂特征有 顯著效果,是地?zé)峥碧轿磥戆l(fā)展的重要方向。