由榮軍， 閆照濤

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)　銀川學(xué)院 礦業(yè)工程系， 銀川　750011；2. 寧夏地球物理地球化學(xué)勘查院， 銀川　750001)

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時(shí)移地震技術(shù)在CO2地質(zhì)儲(chǔ)存監(jiān)測(cè)中的適用性

由榮軍1， 閆照濤2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院 礦業(yè)工程系， 銀川750011；2. 寧夏地球物理地球化學(xué)勘查院， 銀川750001)

摘要：目前，國(guó)內(nèi)、外正在興起對(duì)CO2地中隔離技術(shù)的研究和試驗(yàn)工作。為了解決地質(zhì)儲(chǔ)存之后，CO2氣體的流動(dòng)性及安全性監(jiān)測(cè)問題，結(jié)合我國(guó)實(shí)際地質(zhì)地層情況，同時(shí)借鑒了國(guó)內(nèi)外對(duì)CO2深部地下儲(chǔ)層隔離的方法和研究思路，這里采用正演模擬的方法，模擬CO2在地下的運(yùn)移擴(kuò)散情況，并通過編程模擬時(shí)移地震技術(shù)的處理過程對(duì)獲得的常規(guī)地震剖面進(jìn)行時(shí)移地震處理。從獲得的常規(guī)地震剖面和時(shí)移地震剖面的結(jié)果顯示，這里提出的時(shí)移地震技術(shù)在CO2地下儲(chǔ)存檢測(cè)中具有一定的適用性。

關(guān)鍵詞：CO2； 地質(zhì)儲(chǔ)存； 時(shí)移地震； 巖石物理學(xué)； 正演模擬

0引言

目前，雖然對(duì)于全球氣候異常的原因還沒有定論，世界各國(guó)對(duì)于節(jié)能減排，減少大氣中CO2含量的努力卻在不斷加強(qiáng)。就目前各國(guó)進(jìn)行的實(shí)際CO2儲(chǔ)集項(xiàng)目來看，砂巖咸水層和深部煤層成為儲(chǔ)集CO2的首選場(chǎng)所。對(duì)于CO2儲(chǔ)存到地下之后如何流動(dòng)，引起地層的巖性性質(zhì)怎么變化，以及是否存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，這些問題目前仍在實(shí)驗(yàn)探索中。要解決這些問題需要進(jìn)行實(shí)際的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)來確定。這里的重點(diǎn)就是結(jié)合前人研究結(jié)果，綜合分析地層巖石物理學(xué)屬性，運(yùn)用正演模擬的方法探討時(shí)移地震技術(shù)在CO2地質(zhì)儲(chǔ)存監(jiān)測(cè)中的適用性。

1巖石物理學(xué)和流體替代理論

彈性波在固體中的傳播速度依賴于介質(zhì)的彈性變形。在地球中，孔隙巖石的彈性變形和礦物成分、壓實(shí)過程、孔隙度、膠結(jié)程度、壓力、溫度和孔隙中流體占有率有關(guān)。運(yùn)用巖石物理學(xué)從已知的巖石特性中預(yù)測(cè)多孔巖石的彈性特性。

1.1Gassman理論

對(duì)巖石物理學(xué)的研究理論有很多，其中應(yīng)用最普遍也最適用的理論為Gassman理論。Gassman理論的基本假設(shè)為觀測(cè)巖石(骨架和基質(zhì))宏觀上是均勻分布的，所有的孔隙是連通的，孔隙中充滿無摩擦流體(液體、氣體或者混合物)，研究的巖石-流體系統(tǒng)是封閉的(不排出液體)，孔隙流體不會(huì)對(duì)巖石骨架產(chǎn)生軟化或硬化作用。

經(jīng)過理論研究，Gassman理論的主體方程表示如式(1)所示。

(1)

其中：φ為孔隙度；Ksat是飽和巖石的體積模量；Kdry是干燥巖石的體積模量；Kgrain是礦物顆粒的體積模量；Kfluid是飽和流體的體積模量。

同時(shí)，Gassman理論假設(shè)在彈性波傳播期間孔隙中飽和的流體不與骨架產(chǎn)生任何相互作用。由于牛頓流體的剪切模量為“0”，則飽和巖石的剪切模量等于干燥巖石的剪切模量(在低頻情況下)如式(2)所示。

μsat= μdry

(2)

Gassman方程中涉及到的各種體積模量和剪切模量都可以經(jīng)過理論實(shí)驗(yàn)估計(jì)出來。

1.2煤層中流體替代理論

煤層中的孔隙可分為原生孔隙和次生孔隙，此外煤層中還含有大量的裂隙，這使得煤層形成雙重孔隙系統(tǒng)類型。裂隙在煤中的作用相當(dāng)重要，它不僅可以儲(chǔ)存注入到煤層的氣體，同時(shí)又可以將基質(zhì)間孔隙連通起來，增強(qiáng)煤層的滲透性。正是由于這種雙重孔隙系統(tǒng)類型，使得煤層具有很大的內(nèi)表面積，這成為氣體在煤層中聚集的有利條件。

煤層中原有的氣體主要有CH4、CO2和N2，根據(jù)Langmuir等溫吸附模型(圖1)，當(dāng)CO2注入到煤層中后，由于競(jìng)爭(zhēng)吸附，CO2會(huì)替代原有的CH4和N2儲(chǔ)存在煤層中。

圖1　55℃時(shí)單組分等溫吸附線Fig．1　Single component adsorption 　　isotherm at 55℃

當(dāng)CO2注入地下后，根據(jù)壓力和溫度條件的不同，它可以以氣體、液體、固體或超臨界流體的狀態(tài)存在(圖2)。

圖2　CO2相態(tài)圖Fig．2　CO2 phase diagram

1.3砂巖層中流體圈閉理論

當(dāng)CO2被注入到砂巖層中后，由于砂巖層的巖性特征及其所含咸水的一些特性，使得CO2在砂巖層中發(fā)生各種圈閉作用，包括構(gòu)造圈閉作用、溶解度圈閉作用和礦物圈閉作用。這些圈閉作用使得砂巖層能儲(chǔ)存更多的CO2，同時(shí)由于CO2的注入也會(huì)引起砂巖層巖性性質(zhì)的變化，包括孔隙度變化、孔隙壓變化以及流體替代等引起的變化，這一變化最終會(huì)對(duì)地震波勘探速度產(chǎn)生影響。

2CO2儲(chǔ)集模擬

根據(jù)前面的理論分析，這里分別對(duì)CO2在砂巖層和煤層中的儲(chǔ)集情況進(jìn)行了模擬，并獲得理論地震波數(shù)據(jù)，用于隨后的分析研究。

根據(jù)Gassman理論和儲(chǔ)層流體替代理論，CO2的注入會(huì)引起儲(chǔ)層孔隙度、孔隙壓及氣體飽和度的變化，從而引起地震波速度的變化，經(jīng)理論分析并編程計(jì)算，得出速度變化分別與儲(chǔ)層孔隙度、孔隙壓、氣體飽和度變化之間的關(guān)系(圖3)

圖3　速度變化曲線Fig．3　The carve of velocity variation(a)速度隨孔隙度變化曲線;(b)速度隨孔隙壓變化曲線;(c)速度隨二氧化碳飽和度變化曲線

2.1砂巖層CO2儲(chǔ)集模擬

模型1為CO2注入前初始模型,模型中，砂泥巖互層總厚度為300m，其中砂巖和泥巖各自厚度分別為20 m，以互層形式交替沉疊，孔隙介質(zhì)為水，沒有氣體注入，模型參數(shù)如表3所示，地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖4所示，礦巖層基本地震參數(shù)如表1所示。

表1　砂巖層基本地震參數(shù)

表2　CO2儲(chǔ)集數(shù)值模擬觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)表

表3　砂巖層初始模型參數(shù)

表4　煤層基本地震參數(shù)

表5　煤層初始模型參數(shù)

圖4　CO2注入前初始砂巖層模型地質(zhì)結(jié)構(gòu)Fig．4　Geologic framework for initial model before injecting CO2 into sandstone

根據(jù)表2給出的觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，采用聲波方程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了36炮的單炮記錄，運(yùn)用處理解釋軟件對(duì)單炮記錄進(jìn)行常規(guī)處理：直達(dá)波切除、抽道集、速度分析、動(dòng)校正、疊加和偏移等，得到了這一初始模型的地震剖面，如圖5所示。

從圖5以看出，當(dāng)?shù)貙铀剑瑳]有注入CO2氣體時(shí)，我們通過地震記錄得到的剖面同相軸是水平的，能較好地映地下巖層基本形態(tài)。因此，這一記錄剖面可以作為監(jiān)測(cè)不同時(shí)期注入氣體流動(dòng)狀態(tài)的基線剖面，用于與注入氣體剖面進(jìn)行對(duì)比。

模型2為CO2流動(dòng)范圍200 m模型。在該模型中，砂泥巖互層總厚度為300 m，其中砂巖和泥巖各自厚度分別為20 m，以互層形式交替沉疊，孔隙介質(zhì)為水，CO2氣體流動(dòng)范圍為200 m，地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖6所示。

圖6　CO2注入模型地震結(jié)構(gòu)圖Fig．6　Geologic framework for CO2injection mode

經(jīng)過與上述模型相同的處理，得到了這一模型的地震剖面，如圖7所示。與圖5相比，當(dāng)?shù)貙铀?，注入一定范圍的CO2氣體時(shí)，我們通過地震記錄得到的剖面同相軸在氣體注入?yún)^(qū)域是彎曲的，時(shí)間軸出現(xiàn)下拉現(xiàn)象，而且在氣體飽和度較大的中間部位出現(xiàn)煙囪狀的形狀。這些異常形態(tài)較真實(shí)地反映了圖6正演模型中的氣體注入情況。通過對(duì)模擬地震資料進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理分析，得出對(duì)比結(jié)果，直觀地說明運(yùn)用地震勘探技術(shù)能較真實(shí)的監(jiān)測(cè)CO2流體在砂巖層中的儲(chǔ)存、流動(dòng)情況。

圖7　CO2注入模型地震剖面Fig．7　Seismic profile for CO2 injection model

2.2煤層CO2儲(chǔ)集模擬

作者根據(jù)CO2不同階段的擴(kuò)散范圍，建立了4個(gè)模型。

在模型中，煤層厚度為10 m，頂板厚度為220 m，底板厚度為370 m，孔隙介質(zhì)為水，氣體注入范圍分別為0 m、20 m、100 m、200 m，具體的模型參數(shù)如表5所示，地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖8所示。

圖8　CO2不同注入范圍煤層模型地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地震剖面Fig．8　Geologic framework and seismic profile for model of CO2 into coal(a)氣體流動(dòng)范圍0 m；(b)氣體流動(dòng)范圍20 m；(c)氣體流動(dòng)范圍100 m；(d)氣體流動(dòng)范圍200 m

從圖8可以看出：當(dāng)煤層水平， CO2氣體流動(dòng)范圍逐漸從0 m 大到200 m時(shí)，得到的地震記錄剖面上其異常范圍擴(kuò)大、同相軸下拉、能量增強(qiáng)，在注入點(diǎn)兩邊對(duì)稱位置還出現(xiàn)類似煙囪狀的同相軸上凹現(xiàn)象。

3屬性分析與時(shí)移地震處理

3.1屬性分析

前面對(duì)氣體不同流動(dòng)范圍進(jìn)行模擬，通過分析各個(gè)模型的地震波同相軸的差異，定性地描述了由于氣體注入引起的地震波異常。為了進(jìn)一步說明異常情況，作者將通過屬性分析的方法進(jìn)行論述，并重點(diǎn)分析了不同范圍模型振幅屬性的差異。通過振幅屬性分析，我們得到的各個(gè)模型的能量對(duì)比如圖9所示。

從圖9可以看出，沒有氣體注入時(shí)，地震波在煤層中的能量是均勻分布的；當(dāng)煤層中存在氣體時(shí)，能量大多集中在氣體聚集區(qū)域，并且其較強(qiáng)能量集中范圍能很好的與氣體流動(dòng)范圍相匹配。

圖9　煤層中不同氣體流動(dòng)范圍振幅屬性圖Fig．9　Amplitude attribute map for different range of gas flow in coal(a)為初始水平模型振幅屬性圖；(b)為氣體流動(dòng)范圍20 m的振幅屬性圖；(c)為氣體流動(dòng)范圍100 m的振幅屬性圖；(d)為氣體流動(dòng)范圍200 m的振幅屬性圖

3.2移地震處理

到目前為止，地震解釋已從提供精確的構(gòu)造圖發(fā)展到進(jìn)行精細(xì)儲(chǔ)層描述的階段。將地震數(shù)據(jù)與測(cè)井資料、巖心及其巖層物理數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層靜態(tài)精細(xì)成像。實(shí)際上，儲(chǔ)集層除了包含靜態(tài)信息外，還包括動(dòng)態(tài)信息，如流體飽和度、壓力和溫度等，這些對(duì)了解儲(chǔ)層的動(dòng)態(tài)變化大有益處。但是要在一次測(cè)量中同時(shí)得到這兩方面的信息是很難的，這就必須借助于多次地震觀測(cè)——時(shí)間推移地震。

時(shí)間推移地震的發(fā)展歷史，可以追溯到20多年前開始的蒸汽驅(qū)和注氣過程，主要用于研究油藏動(dòng)態(tài)變化，這里論述的氣體流動(dòng)動(dòng)態(tài)變化與油藏動(dòng)態(tài)變化有類似之處，因此可用此技術(shù)來監(jiān)測(cè)所研究的CO2動(dòng)態(tài)流動(dòng)過程。

這里正演模擬中均采用一致的采集、處理參數(shù)，為保證數(shù)據(jù)匹配，仍然進(jìn)行了一些互均化處理。這里互均化按時(shí)間校正、均方根振幅校正、帶寬互均化和相位匹配來描述[8-12]，其數(shù)學(xué)模型如式(3)所示。

SXEQ= S*f(tcorr,rmscorr,mcorr,pcorr)

(3)

其中：S為地震道；*表示褶積；f代表脈沖響應(yīng);影響因素有tcorr、rmscorr、mcorr、pcorr分別代表時(shí)間校正、RMS振幅校正、帶寬互均化和相位匹配項(xiàng)。互均化以后，在沒有儲(chǔ)層流體的地方，基礎(chǔ)勘探和監(jiān)測(cè)勘探應(yīng)該是一致的。作者編程實(shí)現(xiàn)互均化處理，對(duì)模擬取得的地震資料處理后得到的差異剖面見圖10。

從圖10中可以看出，沒有氣體注入時(shí)，差異為0；隨著氣體流動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大，差異范圍也相應(yīng)變大。該結(jié)果初步證明這里均化處理程序的準(zhǔn)確性，也一定程度上說明采用時(shí)移地震方法監(jiān)測(cè)氣體在儲(chǔ)層中動(dòng)態(tài)變化的可行性。

圖10　煤層中不同氣體流動(dòng)范圍時(shí)移剖面圖Fig．10　Time-lapse cross-sectional view for different range of gas flow in coal(a) 氣體流動(dòng)范圍0 m ；(b) 氣體流動(dòng)范圍20 m；(c) 氣體流動(dòng)范圍100 m；(d) 氣體流動(dòng)范圍200 m

4結(jié)論

作者以CO2地質(zhì)儲(chǔ)存為背景，通過正演模擬描述儲(chǔ)層注入CO2后其巖性變化以及引起的地震波差異，分析處理合成地震記錄，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)氣體流動(dòng)情況。對(duì)正演得到的地震資料進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理分析，通過同相軸對(duì)比、屬性分析對(duì)比及時(shí)移地震差異剖面對(duì)比，證明地震勘探技術(shù)，尤其是時(shí)移地震技術(shù)在監(jiān)測(cè)CO2儲(chǔ)存動(dòng)態(tài)變化方面的可行性及準(zhǔn)確性。

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收稿日期：2015-04-08改回日期：2015-07-23

作者簡(jiǎn)介：由榮軍(1986-)，女，碩士，主要從事礦業(yè)工程教學(xué)與研究工作及CO2地質(zhì)儲(chǔ)存方面的地震勘探方法研究，E-mail：745620803@qq.com。

文章編號(hào)：1001-1749(2016)03-0375-07

中圖分類號(hào)：P 631.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.03.13

The applicability of time-lapse seismic monitoring in the geological storage of CO2

YOU Rong-jun1, YAN Zhao-tao2

(1.Department of Mineral Engineering,China University of Mining and Technology YinChuan college,Yinchuan750011,China;2.Ningxia Academy of Geophysical and Geochemical Exploration,Yinchuan750001,China)

Abstract:Recently, a lot about sequestration of CO2 in subsurface have been studied in both china and other countries. More and more people are concerned about security of CO2 flowing and diffusing in subsurface. Combined with our actual geologic and stratigraphic situation, and also benefit from our and abroad studying in sequestration of CO2 by injection into deep reservoir, this paper mainly study the applicability of time-lapse seismic prospecting in CO2 flowing and diffusing in subsurface.

Key words:CO2; geology storing; time-lapse seismic prospecting; rock physics; forward modeling