地震正演模擬在壓縮空氣儲能鹽腔調查中的應用

高軍,張心彬,田思清

(1.山東省泰安市岱岳區發展和改革局,山東 泰安 271000;2.山東省煤田地質規劃勘察研究院,山東 濟南 250104)

0 引言

自1949年德國工程師Stal Laval提出傳統壓縮空氣儲能技術以來,國內外開展了大量研究和實踐。目前,國外有2座大型壓縮空氣儲能電站在德國Huntorf電站和美國Mcintosh電站投入商業運行[1]。我國自2014年建成了0.5MW的蕪湖非補燃示范項目之后,在中科院工程熱物理研究所技術支持下,先后在畢節、肥城、張北、西寧、金壇等地建設的壓縮空氣儲能項目相繼投入商業運行[2]。

壓縮空氣儲能具備大規模、長時效物理儲能能力,可以顯著提高能源利用率,具有十分廣闊的應用前景[3-5]。地下鹽礦水溶法開采后形成的大型地下溶腔可以用作高壓空氣儲氣庫[6]。

在項目選址階段,地下鹽腔自身的條件是否滿足壓氣儲能項目建設的相關要求,是關系項目成敗的最關鍵條件[9]。國內王志榮等[8-9]先后采用CSAMT與CYT聯合探測法和三維地震方法在數據處理和資料解釋方面進行了研究,取得一定的成果。但是,鹽腔的空間展布形態探測仍然是壓氣儲能鹽腔調查的關鍵問題。

本文依托山東泰安2×300MW級壓縮空氣儲能創新示范工程,在山東東岳鹽業公司采礦區塊實施了三維地震工程。在正演模擬的基礎上開展鹽腔地震響應研究,對優選的相關屬性進行融合,控制了鹽腔的空間展布形態,取得了良好的地質效果,為后續壓縮空氣儲能安全高效開發奠定了基礎,同時也為類似地質條件下壓縮空氣儲能鹽腔調查提供了參考。

1 勘查區地質

1.1 地質背景

勘查區大地構造位于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)蒙山-蒙陰斷隆(Ⅳ)汶口凹陷(Ⅴ)西部,是在燕山構造旋回造就的古湖盆基礎上發展起來的。汶口凹陷東南與汶東凹陷相通,東、北東、西三面以南留弧形斷裂為界與新甫山凸起相接,南連蒙山-東平凸起,為箕狀單斷掀斜斷塊,表現為盆地地貌,習慣上稱為大汶口盆地(圖1)[10]。大汶口盆地經喜山運動逐漸形成的半封閉的湖盆,湖盆的不斷下降,接受鹵水,蒸發成礦[11]。

1—第四系;2—古近系;3—寒武系+奧陶系;4—新太古代泰山巖群;5—斷裂代號;6—地質界線;7—推測不整合界線;8—推測性質不明斷層;9—推測正斷層;10—勘查區位置

大汶口盆地內地層自外到內(由老到新)依次為新太古代泰山巖群、寒武-奧陶紀長清群、九龍群、馬家溝群、石炭-二疊紀月門溝群、古近紀官莊群、新近紀黃驊群、第四系等,盆地內全被第四系所覆蓋[12]。

1.2 主要礦層及開采情況

古近紀官莊群大汶口組中段下部為主要含鹽段,鹽層與石膏互層產出,呈薄互層間隔分布,具有較強的規律性。鹽礦地層上部覆蓋有巨厚石膏層(圖2)。勘查區鹽礦地層向NW傾伏產出,往東南鹽礦地層逐漸抬升,上部鹽層依次沉缺,鹽礦地層上部膏層逐漸增厚。

圖2 大汶口組中段主要賦存地層

礦山基本采用水平對接井連通采鹵工藝,由一口直井、一口或多口水平井構成對接井組,大多采用直井注水,水平井出鹵的水溶法開采方式[13]。水溶采礦是通過溶解各種鹽類,清水或欠飽和鹽水通過專門設計的井注入到鹽巖中,以溶蝕出空隙或洞穴,然后提取“幾乎飽和”的鹽水進行處理。

山東東岳鹽業有限公司均于1998年成立,建廠初期精制鹽生產能力僅50kt/a,礦山生產規模也僅5kt/a(鹵折鹽)。2006年,實施精制鹽異地技改后滿足年產30萬t精制鹽用鹵的需求。近年制鹽產量基本穩定在600kt/a。截至2022年3月30日,累計生產精制鹽約900萬t。

2 地震正演模擬技術

地震正演模擬是在地下介質結構和參數已知的情況下,利用數值計算的方法來研究地震波在地下介質中的傳播規律,從而獲得理論地震記錄的一種方法[14-15]。正演模擬是基于彈性介質波場傳播理論的計算機環境下模擬實際地質模型的方法,對解釋實際地震資料,表征地下介質結構與巖性有重要的實際意義[16]。基于正演模擬的三維地震資料解釋流程圖見圖3。

圖3 基于正演模擬的三維地震資料解釋流程圖

為了解鹽腔在地震上的響應特征,本次設計了鹽腔的正演模型并利用Tesseral正演軟件基于射線追蹤法對鹽腔的地震響應進行模擬從而為鹽腔解釋提供基礎。

2.1 地質模型設計

2.1.1 物性參數分析

通過測井曲線分析,獲取勘查區鹽巖、泥巖和石膏鹽的地震波速度和密度等信息,確定了地質模型的主要物性參數見表1。

表1 地質模型主要物性參數

2.1.2 地質模型類型

根據本區鹽巖地層分布特征以及鹽巖水溶采礦特點,建立了3種地質模型(圖4)。模型的最頂層為泥巖,中間層為石膏鹽和鹽巖互層,亮紫色為鹽巖,暗紫色為石膏鹽,淺黃色為溶蝕的鹽巖。

圖4 理論鹽腔模型

(1)規則水平鹽腔模型。假設鹽巖規則水溶的純理論模型,鹽巖只發生層間溶蝕,上下不貫通。

(2)不規則鹽腔模型。層間溶蝕并發生貫通,自下而上逐層相對規則水溶,腔體基本對稱。

(3)極不規則鹽腔模型。層間溶蝕并發生貫通,各層鹽巖水溶情況不一致,腔體不對稱,溶蝕程度要高于第二種模型。

2.2 正演模擬

采用射線追蹤法對圖4地質模型進行正演模擬,生成的地震響應如圖5所示。

圖5 鹽腔模型正演地震記錄

從圖5中可以看出,鹽腔的地震響應特征表現為頂部為強反射且有向上彎曲的趨勢,內部為弱反射和雜亂反射,底部的同相軸有下拉的趨勢。

圖6為本區地震資料中的鹽腔地震響應時間剖面。水溶采鹽后形成的鹽腔地震響應特征與鹽腔理論模型正演模擬結果非常相似。

圖6 本區實際地震資料中的鹽腔地震響應

為了進一步確定鹽腔與地震響應的對應關系,對鹽腔模型的地震響應進行時深轉換后與鹽腔模型進行疊合顯示,如圖7所示。

圖7 地震響應與鹽腔模型疊合顯示

根據理論分析,鹽巖(鹵水)屬于低阻抗,石膏屬于高阻抗(圖6)。在鹽巖的頂部反射界面,地震波從高阻抗進入低阻抗,在地震響應上則表現為鹽巖的頂界面反射對應地震波形的波谷。從圖7可以看出,鹽腔的頂部對應的是地震波形波谷位置,與分析的結果相吻合。

2.3 正演模擬地震屬性提取和優選

地震屬性的優化分析就是利用人的經驗或數學方法,優選出對所求解問題最敏感的、個數最少的地震屬性或地震屬性組合[17]。由于地震屬性有上百種之多,在進行屬性提取之前,需要對該區的儲層地震響應特征有一定的了解,這樣才能從眾多的地震屬性中有針對性的開展屬性提取作業,得到一個初步的地震屬性集[18-19]。為了進一步刻畫鹽腔的空間形態特征,對正演模擬得到的地震響應開展了多種屬性提取。選擇了與鹽腔特征對應關系較好的屬性,分別為甜點屬性(均方根振幅屬性)、振幅的和、反射強度、瞬時相位、瞬時頻率和方差、曲率屬性[20](圖8),同時結合人工交互綜合分析對鹽腔進行立體刻畫。

1—原始地震響應;2—瞬時相位屬性;3—瞬時頻率屬性;4—能量屬性(甜點);5—曲率屬性;6—方差屬性(相干)

通過圖8中屬性可以看出瞬時相位屬性對鹽腔頂部的變化非常敏感,瞬時相位與地震波形的波谷緊密對應,而波谷代表鹽巖的頂,因此可以清晰的刻畫出鹽巖的頂界;由于鹵水對高頻信息的吸收衰減,在鹽腔的中下部瞬時頻率則可以清楚的反映出鹽腔的邊界特征,并且鹽腔發育(采鹵)程度越高其在瞬時頻率上的響應越明顯;振幅類屬性對鹽腔的整體刻畫效果最好,甜點屬性反映出鹽腔的形態包絡,圖中整個紅色區域表現為鹽腔的頂部位置;方差屬性也可以用來刻畫鹽腔的側向邊界。

綜合以上屬性分析,采用以振幅類優勢屬性為主,其他屬性(方差、瞬時頻率等)為輔來綜合確定鹽腔的頂部以及側向邊界,同時結合人工交互綜合分析對鹽腔進行立體刻畫。

3 正演模擬地震屬性在鹽腔刻畫中應用

利用正演模擬屬性特征與鹽腔的空間形態的對應關系,在常規解釋的基礎上通過多種屬性分析、融合實現了鹽腔的立體刻畫,包括確定鹽腔的頂部位置以及各鹽層的動用范圍、鹽腔的空間形態。

3.1 鹽腔頂界面的確定

通過甜點(能量)屬性來進行鹽腔的頂部形態雕刻和位置確定,雕刻閾值的確定需要結合已知巖鹽生產情況和人工輔助解釋來完成(圖9)。

圖9 甜點屬性刻畫的鹽腔頂部形態(俯瞰圖)

3.2 鹽腔側面邊界的確定

通過巖層提取的反射強度屬性和均方根振幅以及方差屬性可以對鹽腔的側邊界進行確定,然后利用人機聯作在數據體上對腔體進行交互刻畫,通過逐條剖面的追蹤分析獲得腔體的空間形態(圖10)。

圖10 多屬性刻畫鹽腔邊界

3.3 鹽腔底界刻畫

根據物理模擬,鹽腔發展基本往上和側方位發展,鹽腔往深部發展的空間很小。為確定鹽腔邊界,鹽腔內地震層位直接內插拾取(圖11)。

圖11 鹽腔底界和內部地震反射波特征

3.4 鹽腔空間形態及分布

通過甜點屬性確定鹽腔的頂界位置,借助反射強度屬性與方差屬性確定鹽腔側邊界,底界以7鹽層底為基礎,向下溶蝕程度很低,這樣就可以刻畫出鹽腔的空間形態。

根據鹽井的產量、鹽系地層結構、鹽礦品位等并綜合考慮其他造腔因素,可以確定采鹽動用地層的體積,據此確定利用屬性刻畫鹽腔的閥值,最終人機連作確定鹽腔空間形態。圖12為采用三維地質體雕刻技術利用多種屬性雕刻的鹽腔空間分布情況。

圖12 綜合解釋的鹽腔分布

4 結論

(1)利用正演模擬設計的鹽腔模型對鹽腔地震響應與實際地震鹽腔反應基本一致,為鹽腔解釋奠定了基礎。

(2)通過正演模擬結果與實際資料對比分析得出,甜點屬性、振幅的和、反射強度、瞬時相位、瞬時頻率和方差、曲率屬性能夠反映鹽腔特征。

(3)結合人工交互綜合分析,采用多種優選地震屬性融合對鹽腔的頂部以及鹽腔側邊界進行了刻畫,確定了鹽腔頂部高點位置和深度,控制了鹽腔的空間展布形態。