doi:10.11720/wtyht.2015.2.07
,魏水建,贾跃玮,等.地热资源地震勘探方法综述[J].物探与化探,2015,39(2):253-261.http://doi.org/10.11720/wtyht.2015.2.07
WangD,WeiSJ,JiaYW,etal.Anoverviewofmethodsforgeothermalseismicexploration[J].GeophysicalandGeochemicalExploration,2015,39(2):253-261.http://doi.org/10.11720/wtyht.2015.2.07
地热资源地震勘探方法综述
1,魏水建1,贾跃玮1,卢志2
(1.中石化石油勘探开发研究院,北京㊀100083;2.中石油辽河油田勘探开发研究院,辽宁盘锦㊀
124010)
摘要:全球地热资源丰富,具有巨大的开发潜力,它将在全球的经济发展中起到强大的推动作用㊂地震方法是高精度地热勘探开发中不可或缺的手段㊂地热资源地震勘探方法包括主动地震和被动地震两大类,这两类地震方法在地热勘探的不同阶段各自发挥着重要作用㊂首先分析了地热储层的地震响应特征,然后总结了国内外被动地震和主动地震勘探新技术,为进一步提高我国的地热资源地震勘探水平提供一些借鉴㊂研究表明,被动地震在地热田最初的普查中起到关键作用,但是在地热储层特征的精细刻画和裂缝探测的预测精度方面,该方法存在一定的缺陷;主动方法虽然成本相对较高,但是由于其高信噪比和高分辨率,所以它能更好地描述储层特征,为未开发地热区选区评价和井位优选提供可靠的技术保障;此外,多波技术也将是地热勘探未来发展的重要方向㊂
关键词:地热;地震勘探;被动地震;主动地震;多波技术
中图分类号:P631.4㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1000-8918(2015)02-0253-9
㊀㊀全球能源问题日益突出㊂一是供需矛盾,截止2010年,20%的世界人口仍然无法用电㊂二是能源需求增长与温室效应的矛盾,2010年初级能源需求增加5%,与之相关的二氧化碳排放量为30.4t,相比2009年增长了5.3%,可能引起严重的温室效应㊂三是资源浪费,由化石燃料补贴而引起严重的浪费性消费,2010年增加约4090亿美元[1]㊂四是不稳定因素,能源分布不均,中东和北非等国家的动荡易引起全球性能源危机㊂
而地热资源作为可再生无污染资源,将对发展低碳经济起到极其重要的作用㊂‘新能源报告“指出,地热资源的能量是全球常规能源总能量的45万倍,是全球煤资源的1.7亿倍㊂此外,我国地热资源较为丰富,中国主要盆地地热资源量为2.496ˑ1022J,折合标准煤8.532ˑ1011t,并且中国仅重点城市的浅层地热能就达到2.78ˑ1020J,每年可利用量为2.89ˑ1012kWh[2],因此我国地热资源的开发和利用前景广阔㊂
地热资源勘探的地震方法分为主动地震和被动地震两类方法㊂被动地震勘探是利用密集地震台阵来监测岩层中微地震活动所产生的地震波,然后运用地震学方法来反演微地震的活动特征,并反演出研究区三维纵横波速度㊁纵横波速度比㊁泊松比等弹性参数分布的一种勘探方法㊂被动地震勘探方法在国外地热资源勘探中已得到普遍应用,而国内对该方法研究尚不广泛㊂主动地震是指高分辨率的反射地震勘探方法㊂主动地震成本相对高,因此在地热资源普查阶段仍然依靠被动地震,而对于评价区的地热储层,主动地震才是最可靠的资料㊂
地震方法作为一种超深且高精度的勘探方法,在一定程度上弥补了重磁电方法勘探的不足㊂它已在我国大多数地热田展开了应用,例如㊁天津㊁河北㊁云南等省市地热田都采用了三维地震勘探技术[3-4],并且山东省地热田还采用高分辨率地震勘探技术[5]㊂但是,国内地热田仅仅利用主动地震方
法来研究地质构造,解决断裂识别的问题,而如何有效利用地震信息解决热储层预测㊁裂隙通道精细刻画㊁地层水识别等关键问题尚是空白㊂另一方面,被动地震方法在国内地热田中的应用严重不足㊂也就是说,与美国㊁日本相比,我国地震技术在地热资源勘探中利用得远远不够,发展速度也相对滞后㊂在美国和冰岛等国家,地震方法早已成为地热资源勘
收稿日期:2014-01-20;修回日期:2014-08-06
基金项目:国家重大专项(2011ZX05005-002-003-003);中石化科技部项目(P12109)
物㊀探㊀与㊀化㊀探39卷㊀
探开发的主流手段,不仅利用叠后地震资料进行导水的断裂的识别,还综合利用叠前㊁叠后以及多波信息精细刻画和描述热储层特征,明显提高了地热勘探的精准度㊂
1㊀地热储层地震响应特征
1.1㊀地震波速度衰减
随着地层温度的升高,岩石的物性特征会发生
很大变化,其中最明显的变化是:随着温度的升高,岩石的纵波速度降低,横波速度也逐渐减小且趋于零[6]㊂Makky等[7]通过岩石物理实验进一步印证了
这一结论:岩石的地震波速度随温度升高而降低(图1a),水的地震波速度也随温度升高而降低(图1b)㊂此外,由于地热储层中蒸汽和裂缝的存在,将导致弹性波速度进一步衰减
㊂
图1㊀地热区岩石(a)和水(b)的地震波速度㊁密度与温度的关系[7]
1.2㊀地层吸收衰减
当地层含流体后,在地震资料上振幅和频率都有所反映:纵横波振幅能量严重衰减,地震波高频成分也大幅度衰减,且含蒸汽与含水时也存在一定的差别,含蒸汽时振幅㊁频率衰减更严重,有时在地震剖面上形成 空白带 反射,因此地层吸收系数和地震衰减属性是进行地热储层描述和流体预测的重要参数(如图
2)㊂
图2㊀温度对Q值的影响[7]
1.3㊀弹性参数的影响
非地热储层㊁含水地层以及含蒸汽地层的纵横波速度比㊁泊松比等弹性参数有较大差异㊂在国外很多地热田中,都对纵横波速度比做过详细研究㊂总结这些研究可知,水占主导的地热储层(例如美
国EastMesa和墨西哥CerroPrieto地热田)纵横波速度比高,达到1.55 1.68㊂而气态水占主导的地热田(例如美国Geysers和Coso地热田)纵横波速比低㊂因此可以根据纵横波速度比识别地热储层,并进一步确定储层中的流体性质㊂
1.4㊀裂缝发育特征
断裂构造对地热资源分布有直接的控制作用㊂上地幔岩浆热液沿深大断裂上升至地壳上部,将浅层的地下水加热,这些被加热的地下水沿着断裂通道上升㊂断裂和裂缝为地下高温水㊁蒸汽和热量提供通道,因此地热储层中断裂和裂缝通道十分关键㊂据统计,具有价值的热储一般主要位于褶皱部位以及断裂构造发育部位,因此受断裂和裂缝影响,热储类型主要分为:孔隙裂缝型热储㊁岩溶裂缝型热储㊁构造裂缝型热储等㊂可以说,地热勘探的另一个重点就是寻找裂缝发育带㊂罗马尼亚MoesianPlat⁃form地热区的地热勘探中,在Craiova⁃Bals⁃Slatina㊁Videle和Leordeni⁃Recea三个地区的断层附近都找到了80ħ的地层水,证实了断层㊁裂缝与地热储层的紧密关系[8]㊂
2㊀被动地震勘探技术
2.1㊀速度成像
由于地热异常区内蒸汽和热水的上涌,时常导致地面震动以及局部的蒸汽爆炸㊂因此利用高精度微震仪可探测这些微震,从而圈定热储位置㊁上涌通
㊃
452㊃
道以及分布范围等[9]㊂被动地震方法成本低,在地热田的普查阶段发挥着重要作用㊂
基于被动地震数据的旅行时反演在地热勘探中应用较多[10]㊂该方法是利用地震波旅行时数据,反演地下地质体的速度模型,找出速度异常体㊂Lar⁃derello-Travale地热田就是采用旅行时反演对速度进行成像从而来圈定热储位置㊂该地热田以蒸汽为主,是第一个用于发电的地热田㊂Matteis等[11]在该项目中,采用vp㊁vs㊁vp/vs㊁vpˑvs四种属性来研究储层内流体分布特征,不仅识别出地热储层,还指出了热储的流体类型㊂由于低vp/vs异常一般对应含蒸汽地热储层,所以图3剖面中Lago井和Miniera井底部均为含蒸汽地层㊂而高vp/vs异常对应(并且对应低vpˑvs)含水地层,因此剖面中浅层为含水层㊂
a vp;b vs;c vp/vs;d vpˑvs
图3㊀Larderello-Travale地热田四种属性剖面[11]
㊃552㊃
物㊀探㊀与㊀化㊀探39卷㊀
2.2㊀随机噪声成像
随机噪声成像方法是利用从随机地震噪声中提取短周期面波,由这些数据可以得到面波的频散曲线,并利用频散曲线建立横波速度剖面,从而寻找速度异常的地热储层[12]㊂该方法在探测下地壳和上地幔之间的构造中应用较为广泛[13-14]㊂目前基于随机噪声成像的研究在新西兰㊁南非㊁西班牙㊁韩国㊁
日本㊁美国等多个国家和地区都有所应用[14]㊂随机噪声主要指来源于天气变化㊁大气压力㊁海
浪㊁潮汐㊁人类活动和机器产生的噪声㊂这些在地表探测到的微振动分为体波和面波,而70%的是面波[15]㊂尽管这些随机噪声的振幅和波形随时间和地点不断变化,但是统计结果表明:一般情况下在某一特定时间和地点,随机噪声的振幅和波形相对比较稳定㊂
图4给出了该方法的简要原理及步骤:①提取随机噪声垂直分量:从多组台站记录到的持续时间较长的随机噪声中提取出垂直分量数据,该数据中主要包含瑞利面波信息;②噪声压制:根据面波频带范围,滤除非面波信号,并采用谱白化㊁振幅归一化等处理进一步压制无效信息;③计算互相关:在面波的频带范围内,对处理后不同台站的随机噪声计算互相关[16-17]㊂④计算频散曲线:采用时频分析方法
(FTAN)由互相关结果计算得到瑞利面波的相速度频散曲线㊂⑤面波成像:利用计算得到的频散曲线进行面波成像,得到瑞利面波相速度模型㊂很多学者将面波成像方法单独地进行过详细介绍[14]㊂⑥横波反演:通过使得实际计算的频散曲线和频散模型曲线差异最小,得到横波速度模型的最优解[17]㊂
最后,根据面波速度和横波速度结果,圈定出热储位置和范围
㊂
图4㊀随机噪声成像流程
Yang等[18]采用地震随机噪声成像方法研究了
美国加州Coso地热田的地质构造㊂图5是Coso地热田不同周期的相速度的扰动平面㊂不同周期的相速度扰动能反映不同深度的热储特征㊂在这项研究中,周期为3s的瑞利面波能较好地反映2km深的热储特征,而10s的瑞利面波对10km深的热储反映尤为明显,对20km的也能较好反映㊂小的相速度扰动对应于热储区域
㊂
图5㊀加州Coso地热田不同周期的相速度扰动平面图(黑色实线表示断裂,颜色深浅表示相速度扰动值大小)[18]
㊃
652㊃
㊀2期等:地热资源地震勘探方法综述㊀㊀国内部分地热田也采用了该方法,并取得了预期效果㊂Xu[12]通过随机噪声成像研究了江苏吴江的地热勘探项目㊂通过随机噪声成像最终得到横波剖面(图6)㊂从横波剖面上看,浅层速度横向上连续,说明该地层沉积环境相对稳定;深部存在低速度异常,说明存在断层和裂缝发育带以及含水层或石灰岩洞穴等地质体㊂此外,也得到了地热储层深度㊁厚度等重要信息
㊂
图6㊀江苏地热田横波速度剖面探测速度异常体(A-G为
7个观测点位置)[19]
此外,国内外通常采用多种地球物理方法综合预测,从而提高预测的准确度和精度㊂美国犹他州西南的CoveFort地热田项目同时采用了面波数据和局部天然地震数据[20]㊂宽频带的随机噪声数据由美国国家台阵记录得到,利用该数据得到相速度频散曲线,从而用于面波成像;局部地下活动的微地
震数据则由当地10个台站记录得到,利用双精度的层析成像方法得到纵波和横波速度模型㊂加利福利亚北部的Geysers浅层地热储层探测也采用了微地震数据和面波数据的联合反演方法[21]㊂此外,综合面波㊁局部微地震数据以及重磁电数据综合分析得到横波速度体的方法也是非常常用且有效的方法[22],多种方法能相互印证,相互补充,使预测结果更为合理㊂
2.3㊀横波技术
横波技术一致被认为是探测地热储层裂缝密度和方向行之有效的方法[23]㊂由于从微地震事件中同样也能接收到快㊁慢横波信息,因此完全可以将横波技术应用到被动地震之中㊂
横波传播经过裂缝时为快横波和慢横波,快横波平行于裂缝发育方向,慢横波垂直于裂缝方向,当裂缝密度很大时,导致慢横波存在较大延迟㊂裂缝密度越大,快慢横波时间差异越大㊂因此,快慢横波的时间延迟可以用于探测裂缝发育密度,而快横波可用于探测裂缝发育方向[24]㊂利用横波预测裂缝的理论和方法国外很多学者已经做过研
究[25-28]㊂
Silas等[29]在CasaDiablo地热田勘探中采用的
就是基于微地震数据的横波预测裂缝方法㊂首先,通过研究快横波和慢横波的振动方向,得到裂缝发育方向;然后用快慢横波的时间差计算得到裂缝发育密度㊂图7是CasaDiablo区横波预测的裂缝发育密度深度切片㊂红色表示高裂缝密度发育㊂从图中可以得出,该区有两个有利的地热储层
㊂
图7㊀CasaDiablo地热田裂缝发育密度不同深度切片(颜色表示裂缝密度大小,红色为高裂缝密度,蓝色为低裂缝密度)[29]
㊃
752㊃
一个是CasaDiablo区1 3km深度处的北边和东
部,一个是2.5km深度的远东部(Mammoth机场附
近)的㊂
被动地震成本低,能有效预测热储位置和分布
范围,但是由于被动地震数据接收的站点少,数据覆
盖范围小等不足,导致预测结果的纵横向分辨率都
较低,所以基于被动地震的勘探方法一般局限于地
热田的普查阶段,而选区评价和井位优选时必须借
助主动地震㊂
3㊀主动地震勘探
利用地表上有限个台站数据进行分析,难以实
现对大面积地热区进行高精度评价研究㊂因此,针
对较大区域的地热区,需要借助三维主动地震勘探
方法㊂主动地震勘探覆盖面积广,信息量大,能够提
供更丰富的地下信息㊂
3.1㊀地震衰减属性
在地热储层中,由于热液㊁蒸汽等高温流体存
在,导致地震波振幅㊁频率吸收衰减严重㊂因此很多
学者尝试建立地热田的三维吸收衰减系数模型,通
过吸收衰减系数模型找到热储[30-31]㊂Wu等[32]通过计算纵波的三维吸收衰减系数Q模型来研究加
州Coso地热储层,而Sanders等[33]则采用横波衰减属性研究该区热储㊂此外,频率属性也是预测地热资源的有效手段㊂
Wei等[34]在加利福利亚南部Wister地热田采用了有效频带宽度属性预测高温流体分布㊂由于地热田高温流体的存在,导致频率衰减,地震有效带宽变窄,故有效带宽的低值区指示高温流体分布范围㊂因此,由图8预测出高温流体主要分布在工区西南部㊂
图8㊀Wister地热田纵波有效频带宽度平面示意(红色为高值,紫色为低值)[34]3.2㊀构造精细成像
地热资源主要受地质构造因素控制,与火山结构或断层活动高度相关联,这些因素导致地热资源分布极其不均匀[35]㊂另外,地质构造位置和大小共同决定了地热储集体的大小[36]㊂因此,地震资料的
构造成像效果对地热储层预测尤为关键㊂
在意大利Tuscany地热田勘探中,尽管常规处理结果(图9a)大部分资料能够满足勘探要求,但是在石灰岩地层中由于岩石的吸收衰减降低了地热储层的成像质量,故信噪比急剧降低,所以Casini[36]在前期处理和成像过程中,改进了资料品质,提高了成像精度㊂如图9b为改进后的地震资料,M_1井目标层段的信噪比和层位精度得到明显提高
㊂
a 常规处理结果;b 改进的处理结果
图9㊀过井地震剖面[36]
3.3㊀三维多波多分量地震勘探
基于被动地震数据的横波技术对预测地热储集体,特别是裂缝体系具有很好的效果㊂为了更好地服务于地热能源的开发与建设,提高勘探精度,近年来一些国家开展了地热区多波三维地震勘探㊂受美国能源部委托,德州大学奥斯汀分校勘探地球物理实验室2009年开始开展多波地热储集体的表征研究㊂现在该实验室已采集到了Soda和Wister
㊃852㊃
㊀2期等:地热资源地震勘探方法综述两块地热区多波地震资料,开展了一些研究工作㊂三维多波多分量的优势主要体现在以下两个方面㊂一是,由于PP波穿过热流体衰减严重,降低资料信噪比,而PS波受热流体影响小,因此PS波的应用会显著提高地热区的地震解释精准度㊂二是,利用PP波和PS波计算的弹性参数(例如vp/vs)更加可靠,对热流体分布指示更准确;此外,利用横波技术能有效识别储层裂缝㊂总之,多波多分量三维地震勘探比基于被动地震数据的多分量勘探精度和分辨率更高,它将是地热地震勘探的重要发展方向㊂
图10和图11是Wister地热田三维多波多分量地震资料应用实例㊂图10是Wister地热田Cane⁃
brake/Olla/Diablo层段与Deguynos层段地震解释剖面,图10a为PP波,图10b为PS波㊂对比两者虚线椭圆框内不难发现,PP波受浅层热流体影响,反射同相轴被削弱,资料信噪比急剧降低,而PS波受热流体影响小,虚线框内资料信噪比仍然较高,更有利于地震解释工作的开展㊂另外,由PP波和PS波计算得到的vp/vs数据体比常规反演得到的vp/vs数据体可靠性更高㊂图11是利用PP波和PS波计算得到的Canebrake/Olla/Diablo层与Deguynos层之间的vp/vs平面分布,由图可知Wister地热田西南部vp/vs低于2.6(红色区域),因此该区域为最有利的地热储层
㊂
图10㊀PP波和PS波地震解释剖面[34
]
图11㊀由PP波和PS波计算的vp/vs平面[37]
㊃
952㊃
4㊀结论及认识
(1)在未来的地热资源勘探开发应用中,地震方法优势巨大㊂
(2)地热勘探最主要的目标是寻找裂缝和断裂发育区,而裂缝和断裂能够造成地震波弹性参数明显的变化,地震方法是捕捉这些变化最有效的手段㊂因此,使用地震进行地热勘探将会明显提高勘探精度㊂
(3)被动地震方法理论成熟,成本较低,但是分辨率低,适合地热田的初期开发;主动地震方法密度大,高信噪比和高分辨率,适合地热田的选区评价和井位优选;将二者有效结合,能够提高地热资源的探测精准度㊂
(4)地震多波技术,对描述裂缝和断裂特征有显著效果,是地热勘探未来发展的重要方向㊂
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Anoverviewofmethodsforgeothermalseismicexploration
WANGDan1,WEIShui⁃Jian1,JIAYue⁃Wei1,LUZhi2
(1.PetroleumExplorationandProductionResearchInstituteofSinopec,Beijing㊀100083,China;2.ExplorationandDevelopmentResearchInstitute,LiaoheOilfieldBranchCompanyofPetroChina,Panjin㊀124010,China)
Abstract:Geothermalresourcesareveryabundantintheworldandthushavegreatexplorationpotential.Inaddition,thegeothermalre⁃sourceswillconsiderablystimulatetheglobaleconomicdevelopment.Intheexplorationanddevelopmentofgeothermalresources,theseismictechniquehasbeenplayingtheessentialrole.Thistechniquemainlyincludesactiveandpassiveseismicmethodswhicharetobeconductedatdifferentstagesofgeothermalexploration.Inthispaper,seismicresponsesofgeothermalreservoirareanalyzedfirst,thennewtechnologiesofpassiveandactiveseismicmethodsaresummarized,withthepurposeofprovidingsomevaluablereferencesforthegeothermalseismicexplorationinChina.Studiesshowthatpassiveseismicmethodshouldbeconductedfirstintheinitialgeothermalsurvey.Nevettheless,thismethodhassomelimitationsontheprecisioninthefracturedetectionandthedescriptionofpermeabilityfea⁃tures;incontrast,activeseismicmethod,whichreliesonthehighS/Nratioandhigh⁃resolutionitself,candescribereservoircharacter⁃isticsbetter,thereforeguaranteeingmore⁃refinedregionalevaluationandextremesiteoptimizationofundevelopedgeothermalareas.Be⁃sides,multi⁃wavetechniquealsowillbethefutureorientationofgeothermaldevelopment.
Keywords:geothermicresources;seismicexploration;passiveseismicsurvey;activeseismicsurvey;multi⁃wavetechnique
作者简介:(1987-),女,助理工程师㊂2012年毕业于中国石油大学(北京)地球探测与信息技术专业,获硕士学位㊂现在中国石化石油勘探开发研究院从事储层预测研究工作㊂
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