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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(fèi)，由化石燃料補(bǔ)貼而引起嚴(yán)重的浪費(fèi)性消費(fèi)，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(jī)。 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。《新能源報(bào)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，是全球煤資源的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(diǎn)城市的淺層地?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源的開發(fā)和利用 前景廣闊。 地?zé)豳Y源勘探的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(yùn) 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(bǔ)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)在地?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。在美國和冰島等國家，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(shí)驗(yàn)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。
 
  １．３ 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。總結(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://www.cityofbrews.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，將淺層的地下水加熱，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(jì)，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?？梢哉f，地?zé)峥碧?/a>的另一個重點(diǎn)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(shí)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?xiàng)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?，還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?，所以圖３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(jī)噪聲成像 隨機(jī)噪聲成像方法是利用從隨機(jī)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樱郏保玻荨Ｔ摲椒ㄔ谔綔y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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)噪聲的振幅和波形隨時間和地點(diǎn)不斷變化，但是統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：一般情況下在某一特定時間和地點(diǎn)，隨機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)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(jī)噪聲計(jì)算互相關(guān)［１６－１７］。④計(jì)算頻散曲線：采用時頻分析方法 （ＦＴＡＮ）由互相關(guān)結(jié)果計(jì)算得到瑞利面波的相速度頻散曲線。⑤面波成像：利用計(jì)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(dú)地進(jìn)行過詳細(xì)介紹［１４］。⑥橫波反演：通過使得實(shí)際計(jì)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(jī)噪聲成像方法研究了 美國加州Ｃｏｓｏ地?zé)崽锏?a href="http://www.cityofbrews.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(xiàng)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(jī)噪聲成像研究了江蘇吳江的地?zé)峥碧巾?xiàng)目。通過隨機(jī)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?xiàng)目同時采用了面波數(shù)據(jù)和局部天然地震數(shù)據(jù)［２０］。寬頻帶的隨機(jī)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(bǔ)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(jì)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(jī)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(diǎn)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(shí)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://www.cityofbrews.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(jì)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?，而Ｓａｎｄｅｒｓ等［３３］則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://www.cityofbrews.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?。郏常叮荨Ｒ虼?，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(shí)驗(yàn)室２００９年開始開展多波地?zé)醿w的表征研究。現(xiàn)在該實(shí)驗(yàn)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(jì)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。總之，多波多分量三維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(shí)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(jì)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(jì)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?yàn)樽钣欣牡責(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://www.cityofbrews.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。