地熱資源地震勘探方法綜述

  全球能源問(wèn)題日益突出。一是供需矛盾，截止２０１０年，２０％的世界人口仍然無(wú)法用電。二是能源 需求增長(cháng)與溫室效應的矛盾，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(cháng)了５．３％，可能引起嚴重的溫室效應。三是資源浪費，由化石燃料補貼而引起嚴重的浪費性消費，２０１０年增加約４０９０億美元［１］。四是不穩定因素，能源分布不均，中東和北非等國家的動(dòng)蕩易引起全球性能源危機。 而地熱資源作為可再生無(wú)污染資源，將對發(fā)展低碳經(jīng)濟起到極其重要的作用?！?a href="http://keyinmall.com/t/新能源.html" >新能源報告》指出，地熱資源的能量是全球常規能源總能量的４５萬(wàn)倍，是全球煤資源的１．７億倍。此外，我國地熱資源較為豐富，中國主要盆地地熱資源量為２．４９６×１０２２Ｊ，折合標準煤８．５３２×１０１１ｔ，并且中國僅重點(diǎn)城市的淺層地熱能就達到２．７８×１０２０Ｊ，每年可利用量為２．８９×１０１２ｋＷｈ［２］，因此我國地熱資源的開(kāi)發(fā)和利用 前景廣闊。 地熱資源勘探的地震方法分為主動(dòng)地震和被動(dòng)地震兩類(lèi)方法。被動(dòng)地震勘探是利用密集地震臺陣來(lái)監測巖層中微地震活動(dòng)所產(chǎn)生的地震波，然后運 用地震學(xué)方法來(lái)反演微地震的活動(dòng)特征，并反演出研究區三維縱橫波速度、縱橫波速度比、泊松比等彈性參數分布的一種勘探方法。被動(dòng)地震勘探方法在國外地熱資源勘探中已得到普遍應用，而國內對該方法研究尚不廣泛。主動(dòng)地震是指高分辨率的反射地震勘探方法。主動(dòng)地震成本相對高，因此在地熱資源普查階段仍然依靠被動(dòng)地震，而對于評價(jià)區的地熱儲層，主動(dòng)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，在一定程度上彌補了重磁電方法勘探的不足。它已在我國大多數地熱田展開(kāi)了應用，例如西藏、天津、河北、云南等省市地熱田都采用了三維地震勘探技術(shù)［３－４］，并且山東省地熱田還采用高分辨率地震勘探技術(shù)［５］。但是，國內地熱田僅僅利用主動(dòng)地震方法來(lái)研究地質(zhì)構造，解決斷裂識別的問(wèn)題，而如何有效利用地震信息解決熱儲層預測、裂隙通道精細刻畫(huà)、地層水識別等關(guān)鍵問(wèn)題尚是空白。另一方面，被動(dòng)地震方法在國內地熱田中的應用嚴重不足。也就是說(shuō)，與美國、日本相比，我國地震技術(shù)在地熱資源勘探中利用得遠遠不夠，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熱資源勘探開(kāi)發(fā)的主流手段，不僅利用疊后地震資料進(jìn)行導水的斷裂的識別，還綜合利用疊前、疊后以及多波信息精細刻畫(huà)和描述熱儲層特征，明顯提高了地熱勘探的精準度。

 

  １ 地熱儲層地震響應特征

 

  １．１ 地震波速度衰減 隨著(zhù)地層溫度的升高，巖石的物性特征會(huì )發(fā)生 很大變化，其中最明顯的變化是：隨著(zhù)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(guò)巖石物理實(shí)驗進(jìn)一步印證了 這一結論：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，將導致彈性波速度進(jìn)一步衰減。探開(kāi)發(fā)的主流手段，不僅利用疊后地震資料進(jìn)行導水的斷裂的識別，還綜合利用疊前、疊后以及多波信息精細刻畫(huà)和描述熱儲層特征，明顯提高了地熱勘探的精準度。

 

  １ 地熱儲層地震響應特征

 

  １．１ 地震波速度衰減 隨著(zhù)地層溫度的升高，巖石的物性特征會(huì )發(fā)生 很大變化，其中最明顯的變化是：隨著(zhù)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(guò)巖石物理實(shí)驗進(jìn)一步印證了 這一結論：巖石的地震波速度隨溫度升高而降低（圖１ａ），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，將導致彈性波速度進(jìn)一步衰減。

 

  １．２ 地層吸收衰減 當地層含流體后，在地震資料上振幅和頻率都有所反映：縱橫波振幅能量嚴重衰減，地震波高頻成分也大幅度衰減，且含蒸汽與含水時(shí)也存在一定的差別，含蒸汽時(shí)振幅、頻率衰減更嚴重，有時(shí)在地震剖面上形成“空白帶”反射，因此地層吸收系數和地震衰減屬性是進(jìn)行地熱儲層描述和流體預測的重要參數。

 

  １．３ 彈性參數的影響 非地熱儲層、含水地層以及含蒸汽地層的縱橫波速度比、泊松比等彈性參數有較大差異。在國外很多地熱田中，都對縱橫波速度比做過(guò)詳細研究?？偨Y這些研究可知，水占主導的地熱儲層（例如美 國ＥａｓｔＭｅｓａ和墨西哥ＣｅｒｒｏＰｒｉｅｔｏ地熱田）縱橫波速度比高，達到１．５５～１．６８。而氣態(tài)水占主導的地熱田（例如美國Ｇｅｙｓｅｒｓ和Ｃｏｓｏ地熱田）縱橫波速比低。因此可以根據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 斷裂構造對地熱資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(zhù)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，因此地熱儲層中斷裂和裂縫通道十分關(guān)鍵。據統計，具有價(jià)值的熱儲一般主要位于褶皺部位以及斷裂構造發(fā)育部位，因此受斷裂和裂縫影響，熱儲類(lèi)型主要分為：孔隙裂縫型熱儲、巖溶裂縫型熱儲、構造裂縫型熱儲等?？梢哉f(shuō)，地熱勘探的另一個(gè)重點(diǎn)就是尋找裂縫發(fā)育帶。羅馬尼亞ＭｏｅｓｉａｎＰｌａｔ?ｆｏｒｍ地熱區的地熱勘探中，在Ｃｒａｉｏｖａ?Ｂａｌｓ?Ｓｌａｔｉｎａ、Ｖｉｄｅｌｅ和Ｌｅｏｒｄｅｎｉ?Ｒｅｃｅａ三個(gè)地區的斷層附近都找到了８０℃的地層水，證實(shí)了斷層、裂縫與地熱儲層的緊密關(guān)系［８］。

 

  ２ 被動(dòng)地震勘探技術(shù)

 

  ２．１ 速度成像 由于地熱異常區內蒸汽和熱水的上涌，時(shí)常導致地面震動(dòng)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(dòng)地震方法成本低，在地熱田的普查階段發(fā)揮著(zhù)重要作用。 基于被動(dòng)地震數據的旅行時(shí)反演在地熱勘探中 應用較多［１０］。該方法是利用地震波旅行時(shí)數據，反演地下地質(zhì)體的速度模型，找出速度異常體。Ｌａｒ?ｄｅｒｅｌｌｏ－Ｔｒａｖａｌｅ地熱田就是采用旅行時(shí)反演對速度進(jìn)行成像從而來(lái)圈定熱儲位置。該地熱田以蒸汽為 主，是第一個(gè)用于發(fā)電的地熱田。Ｍａｔｔｅｉｓ等［１１］在該項目中，采用ｖｐ、ｖｓ、ｖｐ／ｖｓ、ｖｐ×ｖｓ四種屬性來(lái)研究?jì)觾攘黧w分布特征，不僅識別出地熱儲層，還指出了熱儲的流體類(lèi)型。由于低ｖｐ／ｖｓ異常一般對應含蒸汽地熱儲層，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（并且對應低ｖｐ×ｖｓ）含水地層，因此剖面中淺層為含水層。

 

  ２．２ 隨機噪聲成像 隨機噪聲成像方法是利用從隨機地震噪聲中提取短周期面波，由這些數據可以得到面波的頻散曲線(xiàn)，并利用頻散曲線(xiàn)建立橫波速度剖面，從而尋找速度異常的地熱儲層［１２］。該方法在探測下地殼和上地幔之間的構造中應用較為廣泛［１３－１４］。目前基于隨機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(gè)國家和地區都有所應用［１４］。隨機噪聲主要指來(lái)源于天氣變化、大氣壓力、海 浪、潮汐、人類(lèi)活動(dòng)和機器產(chǎn)生的噪聲。這些在地表探測到的微振動(dòng)分為體波和面波，而７０％的是面波［１５］。盡管這些隨機噪聲的振幅和波形隨時(shí)間和地點(diǎn)不斷變化，但是統計結果表明：一般情況下在某一特定時(shí)間和地點(diǎn)，隨機噪聲的振幅和波形相對比較穩定。

 

  圖４給出了該方法的簡(jiǎn)要原理及步驟：①提取隨機噪聲垂直分量：從多組臺站記錄到的持續時(shí)間較長(cháng)的隨機噪聲中提取出垂直分量數據，該數據中主要包含瑞利面波信息；②噪聲壓制：根據面波頻帶范圍，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(wú)效信息；③計算互相關(guān)：在面波的頻帶范圍內，對處理后不同臺站的隨機噪聲計算互相關(guān)［１６－１７］。④計算頻散曲線(xiàn)：采用時(shí)頻分析方法 （ＦＴＡＮ）由互相關(guān)結果計算得到瑞利面波的相速度頻散曲線(xiàn)。⑤面波成像：利用計算得到的頻散曲線(xiàn)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地進(jìn)行過(guò)詳細介紹［１４］。⑥橫波反演：通過(guò)使得實(shí)際計算的頻散曲線(xiàn)和頻散模型曲線(xiàn)差異最小，得到橫波速度模型的最優(yōu)解［１７］。 最后，根據面波速度和橫波速度結果，圈定出熱儲位置和范圍。Ｙａｎｇ等［１８］采用地震隨機噪聲成像方法研究了 美國加州Ｃｏｓｏ地熱田的地質(zhì)構造。圖５是Ｃｏｓｏ地熱田不同周期的相速度的擾動(dòng)平面。不同周期的相速度擾動(dòng)能反映不同深度的熱儲特征。在這項研究中，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(dòng)對應于熱儲區域。

 

  國內部分地熱田也采用了該方法，并取得了預期效果。Ｘｕ［１２］通過(guò)隨機噪聲成像研究了江蘇吳江的地熱勘探項目。通過(guò)隨機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，說(shuō)明該地層沉積環(huán)境相對穩定；深部存在低速度異常，說(shuō)明存在斷層和裂縫發(fā)育帶以及含水層或石灰巖洞穴等地質(zhì)體。此外，也得到了地熱儲層深度、厚度等重要信息。

 

  此外，國內外通常采用多種地球物理方法綜合預測，從而提高預測的準確度和精度。美國猶他州西南的ＣｏｖｅＦｏｒｔ地熱田項目同時(shí)采用了面波數據和局部天然地震數據［２０］。寬頻帶的隨機噪聲數據由美國國家臺陣記錄得到，利用該數據得到相速度頻散曲線(xiàn)，從而用于面波成像；局部地下活動(dòng)的微地震數據則由當地１０個(gè)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淺層地熱儲層探測也采用了微地震數據和面波數據的聯(lián)合反演方法［２１］。此外，綜合面波、局部微地震數據以及重磁電數據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，相互補充，使預測結果更為合理。

 

  ２．３橫波分裂技術(shù)

 

  橫波分裂技術(shù)一致被認為是探測地熱儲層裂縫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)應用到被動(dòng)地震之中。

 

  橫波傳播經(jīng)過(guò)裂縫時(shí)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，當裂縫密度很大時(shí)，導致慢橫波存在較大延遲。裂縫密度越大，快慢橫波時(shí)間差異越大。因此，快慢橫波的時(shí)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］。利用橫波分裂預測裂縫的理論和方法國外很多學(xué)者已經(jīng)做過(guò)研究。

 

  Ｓｉｌａｓ等［２９］在ＣａｓａＤｉａｂｌｏ地熱田勘探中采用的就是基于微地震數據的橫波分裂預測裂縫方法。首先，通過(guò)研究快橫波和慢橫波的振動(dòng)方向，得到裂縫發(fā)育方向；然后用快慢橫波的時(shí)間差計算得到裂縫發(fā)育密度。圖７是ＣａｓａＤｉａｂｌｏ區橫波分裂預測的裂縫發(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，該區有兩個(gè)有利的地熱儲層。

 

  一個(gè)是ＣａｓａＤｉａｂｌｏ區１～３ｋｍ深度處的北邊和東部，一個(gè)是２．５ｋｍ深度的遠東部（Ｍａｍｍｏｔｈ機場(chǎng)附近）的。 被動(dòng)地震成本低，能有效預測熱儲位置和分布范圍，但是由于被動(dòng)地震數據接收的站點(diǎn)少，數據覆蓋范圍小等不足，導致預測結果的縱橫向分辨率都較低，所以基于被動(dòng)地震的勘探方法一般局限于地熱田的普查階段，而選區評價(jià)和井位優(yōu)選時(shí)必須借助主動(dòng)地震３ 主動(dòng)地震勘探 利用地表上有限個(gè)臺站數據進(jìn)行分析，難以實(shí)現對大面積地熱區進(jìn)行高精度評價(jià)研究。因此，針對較大區域的地熱區，需要借助三維主動(dòng)地震勘探方法。主動(dòng)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 在地熱儲層中，由于熱液、蒸汽等高溫流體存在，導致地震波振幅、頻率吸收衰減嚴重。因此很多學(xué)者嘗試建立地熱田的三維吸收衰減系數模型，通過(guò)吸收衰減系數模型找到熱儲［３０－３１］。Ｗｕ等［３２］通過(guò)計算縱波的三維吸收衰減系數Ｑ模型來(lái)研究加州Ｃｏｓｏ地熱儲層，而Ｓａｎｄｅｒｓ等［３３］則采用橫波衰減屬性研究該區熱儲。此外，頻率屬性也是預測地熱資源的有效手段。 Ｗｅｉ等［３４］在加利福利亞南部Ｗｉｓｔｅｒ地熱田采 用了有效頻帶寬度屬性預測高溫流體分布。由于地熱田高溫流體的存在，導致頻率衰減，地震有效帶寬變窄，故有效帶寬的低值區指示高溫流體分布范圍。因此，由圖８預測出高溫流體主要分布在工區西南部。 圖８ Ｗｉｓｔｅｒ地熱田縱波有效頻帶寬度平面示意（紅色為 高值，紫色為低值） ［３４］３．２ 構造精細成像 地熱資源主要受地質(zhì)構造因素控制，與火山結構或斷層活動(dòng)高度相關(guān)聯(lián)，這些因素導致地熱資源分布極其不均勻［３５］。另外，地質(zhì)構造位置和大小共同決定了地熱儲集體的大?。郏常叮?。因此，地震資料的構造成像效果對地熱儲層預測尤為關(guān)鍵。 在意大利Ｔｕｓｃａｎｙ地熱田勘探中，盡管常規處理結果（圖９ａ）大部分資料能夠滿(mǎn)足勘探要求，但是在石灰巖地層中由于巖石的吸收衰減降低了地熱儲層的成像質(zhì)量，故信噪比急劇降低，所以Ｃａｓｉｎｉ［３６］在前期處理和成像過(guò)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(dòng)地震數據的橫波分裂技術(shù)對預測地熱儲集體，特別是裂縫體系具有很好的效果。為了更好地服務(wù)于地熱能源的開(kāi)發(fā)與建設，提高勘探精度，近年來(lái)一些國家開(kāi)展了地熱區多波三維地震勘探。受美國能源部委托，德州大學(xué)奧斯汀分?？碧降厍?物理實(shí)驗室２００９年開(kāi)始開(kāi)展多波地熱儲集體的表征研究?，F在該實(shí)驗室已采集到了Ｓｏｄａ和Ｗｉｓｔｅｒ兩塊地熱區多波地震資料，開(kāi)展了一些研究工作。三維多波多分量的優(yōu)勢主要體現在以下兩個(gè)方面。一是，由于ＰＰ波穿過(guò)熱流體衰減嚴重，降低資料信噪比，而ＰＳ波受熱流體影響小，因此ＰＳ波的應用會(huì )顯著(zhù)提高地熱區的地震解釋精準度。二是，利用ＰＰ波和ＰＳ波計算的彈性參數（例如ｖｐ／ｖｓ）更加可靠，對熱流體分布指示更準確；此外，利用橫波分裂技術(shù)能有效識別儲層裂縫?？傊?，多波多分量三維地震勘探比基于被動(dòng)地震數據的多分量勘探精度和分辨率更高，它將是地熱地震勘探的重要發(fā)展方向。

 

  圖１０和圖１１是Ｗｉｓｔｅｒ地熱田三維多波多分量地震資料應用實(shí)例。圖１０是Ｗｉｓｔｅｒ地熱田Ｃａｎｅ? 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(xiàn)橢圓框內不難發(fā)現，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(xiàn)框內資料信噪比仍然較高，更有利于地震解釋工作的開(kāi)展。另外，由ＰＰ波和ＰＳ波計算得到的ｖｐ／ｖｓ數據體比常規反演得到的ｖｐ／ｖｓ數據體可靠性更高。圖１１是利用ＰＰ波和ＰＳ波計算得到的Ｃａｎｅｂｒａｋｅ／Ｏｌｌａ／Ｄｉａｂｌｏ層與Ｄｅｇｕｙｎｏｓ層之間的ｖｐ／ｖｓ平面分布，由圖可知Ｗｉｓｔｅｒ地熱田西南部ｖｐ／ｖｓ低于２．６（紅色區域），因此該區域為最有利的地熱儲層。

 

  ４ 結論及認識 （１）在未來(lái)的地熱資源勘探開(kāi)發(fā)應用中，地震方法優(yōu)勢巨大。 （２）地熱勘探最主要的目標是尋找裂縫和斷裂 發(fā)育區，而裂縫和斷裂能夠造成地震波彈性參數明顯的變化，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)行地熱勘探將會(huì )明顯提高勘探精度。 （３）被動(dòng)地震方法理論成熟，成本較低，但是分 辨率低，適合地熱田的初期開(kāi)發(fā)；主動(dòng)地震方法密度大，高信噪比和高分辨率，適合地熱田的選區評價(jià)和井位優(yōu)選；將二者有效結合，能夠提高地熱資源的探測精準度。 （４）地震多波技術(shù)，對描述裂縫和斷裂特征有 顯著(zhù)效果，是地熱勘探未來(lái)發(fā)展的重要方向。