地震正演模擬在壓縮空氣儲能鹽腔調(diào)查中的應(yīng)用

高軍,張心彬,田思清

(1.山東省泰安市岱岳區(qū)發(fā)展和改革局,山東 泰安 271000;2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院,山東 濟(jì)南 250104)

0 引言

自1949年德國工程師Stal Laval提出傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)以來,國內(nèi)外開展了大量研究和實(shí)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(yè)運(yùn)行[1]。我國自2014年建成了0.5MW的蕪湖非補(bǔ)燃示范項(xiàng)目之后,在中科院工程熱物理研究所技術(shù)支持下,先后在畢節(jié)、肥城、張北、西寧、金壇等地建設(shè)的壓縮空氣儲能項(xiàng)目相繼投入商業(yè)運(yùn)行[2]。

壓縮空氣儲能具備大規(guī)模、長時(shí)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(yīng)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(xiàng)目選址階段,地下鹽腔自身的條件是否滿足壓氣儲能項(xiàng)目建設(shè)的相關(guān)要求,是關(guān)系項(xiàng)目成敗的最關(guān)鍵條件[9]。國內(nèi)王志榮等[8-9]先后采用CSAMT與CYT聯(lián)合探測法和三維地震方法在數(shù)據(jù)處理和資料解釋方面進(jìn)行了研究,取得一定的成果。但是,鹽腔的空間展布形態(tài)探測仍然是壓氣儲能鹽腔調(diào)查的關(guān)鍵問題。

本文依托山東泰安2×300MW級壓縮空氣儲能創(chuàng)新示范工程,在山東東岳鹽業(yè)公司采礦區(qū)塊實(shí)施了三維地震工程。在正演模擬的基礎(chǔ)上開展鹽腔地震響應(yīng)研究,對優(yōu)選的相關(guān)屬性進(jìn)行融合,控制了鹽腔的空間展布形態(tài),取得了良好的地質(zhì)效果,為后續(xù)壓縮空氣儲能安全高效開發(fā)奠定了基礎(chǔ),同時(shí)也為類似地質(zhì)條件下壓縮空氣儲能鹽腔調(diào)查提供了參考。

1 勘查區(qū)地質(zhì)

1.1 地質(zhì)背景

勘查區(qū)大地構(gòu)造位于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(qū)(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(gòu)造旋回造就的古湖盆基礎(chǔ)上發(fā)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(xiàn)為盆地地貌,習(xí)慣上稱為大汶口盆地(圖1)[10]。大汶口盆地經(jīng)喜山運(yùn)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(fā)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(zhì)界線;7—推測不整合界線;8—推測性質(zhì)不明斷層;9—推測正斷層;10—勘查區(qū)位置

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

1.2 主要礦層及開采情況

古近紀(jì)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(chǎn)出,呈薄互層間隔分布,具有較強(qiáng)的規(guī)律性。鹽礦地層上部覆蓋有巨厚石膏層(圖2)?？辈閰^(qū)鹽礦地層向NW傾伏產(chǎn)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(gòu)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(shè)計(jì)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(jìn)行處理。

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

2 地震正演模擬技術(shù)

地震正演模擬是在地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)已知的情況下,利用數(shù)值計(jì)算的方法來研究地震波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)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(zhì)波場傳播理論的計(jì)算機(jī)環(huán)境下模擬實(shí)際地質(zhì)模型的方法,對解釋實(shí)際地震資料,表征地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)與巖性有重要的實(shí)際意義[16]?；谡菽M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(yīng)特征,本次設(shè)計(jì)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(yīng)進(jìn)行模擬從而為鹽腔解釋提供基礎(chǔ)。

2.1 地質(zhì)模型設(shè)計(jì)

2.1.1 物性參數(shù)分析

通過測井曲線分析,獲取勘查區(qū)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(zhì)模型的主要物性參數(shù)見表1。

表1 地質(zhì)模型主要物性參數(shù)

2.1.2 地質(zhì)模型類型

根據(jù)本區(qū)鹽巖地層分布特征以及鹽巖水溶采礦特點(diǎn),建立了3種地質(zhì)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(guī)則水平鹽腔模型。假設(shè)鹽巖規(guī)則水溶的純理論模型,鹽巖只發(fā)生層間溶蝕,上下不貫通。

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

(3)極不規(guī)則鹽腔模型。層間溶蝕并發(fā)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(zhì)模型進(jìn)行正演模擬,生成的地震響應(yīng)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(yīng)特征表現(xiàn)為頂部為強(qiáng)反射且有向上彎曲的趨勢,內(nèi)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(qū)地震資料中的鹽腔地震響應(yīng)時(shí)間剖面。水溶采鹽后形成的鹽腔地震響應(yīng)特征與鹽腔理論模型正演模擬結(jié)果非常相似。

圖6 本區(qū)實(shí)際地震資料中的鹽腔地震響應(yīng)

為了進(jìn)一步確定鹽腔與地震響應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系,對鹽腔模型的地震響應(yīng)進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換后與鹽腔模型進(jìn)行疊合顯示,如圖7所示。

圖7 地震響應(yīng)與鹽腔模型疊合顯示

根據(jù)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(jìn)入低阻抗,在地震響應(yīng)上則表現(xiàn)為鹽巖的頂界面反射對應(yīng)地震波形的波谷。從圖7可以看出,鹽腔的頂部對應(yīng)的是地震波形波谷位置,與分析的結(jié)果相吻合。

2.3 正演模擬地震屬性提取和優(yōu)選

地震屬性的優(yōu)化分析就是利用人的經(jīng)驗(yàn)或數(shù)學(xué)方法,優(yōu)選出對所求解問題最敏感的、個(gè)數(shù)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(jìn)行屬性提取之前,需要對該區(qū)的儲層地震響應(yīng)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(yè),得到一個(gè)初步的地震屬性集[18-19]。為了進(jìn)一步刻畫鹽腔的空間形態(tài)特征,對正演模擬得到的地震響應(yīng)開展了多種屬性提取。選擇了與鹽腔特征對應(yīng)關(guān)系較好的屬性,分別為甜點(diǎn)屬性(均方根振幅屬性)、振幅的和、反射強(qiáng)度、瞬時(shí)相位、瞬時(shí)頻率和方差、曲率屬性[20](圖8),同時(shí)結(jié)合人工交互綜合分析對鹽腔進(jìn)行立體刻畫。

1—原始地震響應(yīng);2—瞬時(shí)相位屬性;3—瞬時(shí)頻率屬性;4—能量屬性(甜點(diǎn));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(shí)相位屬性對鹽腔頂部的變化非常敏感,瞬時(shí)相位與地震波形的波谷緊密對應(yīng),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(shí)頻率則可以清楚的反映出鹽腔的邊界特征,并且鹽腔發(fā)育(采鹵)程度越高其在瞬時(shí)頻率上的響應(yīng)越明顯;振幅類屬性對鹽腔的整體刻畫效果最好,甜點(diǎn)屬性反映出鹽腔的形態(tài)包絡(luò),圖中整個(gè)紅色區(qū)域表現(xiàn)為鹽腔的頂部位置;方差屬性也可以用來刻畫鹽腔的側(cè)向邊界。

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

3 正演模擬地震屬性在鹽腔刻畫中應(yīng)用

利用正演模擬屬性特征與鹽腔的空間形態(tài)的對應(yīng)關(guān)系,在常規(guī)解釋的基礎(chǔ)上通過多種屬性分析、融合實(shí)現(xiàn)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(tài)。

3.1 鹽腔頂界面的確定

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

圖9 甜點(diǎn)屬性刻畫的鹽腔頂部形態(tài)(俯瞰圖)

3.2 鹽腔側(cè)面邊界的確定

通過巖層提取的反射強(qiáng)度屬性和均方根振幅以及方差屬性可以對鹽腔的側(cè)邊界進(jìn)行確定,然后利用人機(jī)聯(lián)作在數(shù)據(jù)體上對腔體進(jìn)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(tài)(圖10)。

圖10 多屬性刻畫鹽腔邊界

3.3 鹽腔底界刻畫

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

圖11 鹽腔底界和內(nèi)部地震反射波特征

3.4 鹽腔空間形態(tài)及分布

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

根據(jù)鹽井的產(chǎn)量、鹽系地層結(jié)構(gòu)、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(jù)此確定利用屬性刻畫鹽腔的閥值,最終人機(jī)連作確定鹽腔空間形態(tài)。圖12為采用三維地質(zhì)體雕刻技術(shù)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(jié)論

(1)利用正演模擬設(shè)計(jì)的鹽腔模型對鹽腔地震響應(yīng)與實(shí)際地震鹽腔反應(yīng)基本一致,為鹽腔解釋奠定了基礎(chǔ)。

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

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