平頂山地下鹽穴儲氣庫建庫鹽層分布預測

張 博,安國印,劉團輝，王文權，趙明千，高 燕

(1.華北油田公司勘探開發(fā)研究院,河北 任丘 062552；2.華北石油管理局江蘇儲氣庫分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.華北油田公司 煤層氣與儲氣庫事業(yè)部，河北 任丘 062552)

鹽巖具有極低的孔隙度、滲透率，力學性能穩(wěn)定，地下鹽層是儲存天然氣的極佳場所。鹽穴型地下儲氣庫是用人工溶漓采礦的方式，將淡水或低濃度鹵水通過井眼注入鹽層中形成鹽腔進而儲存天然氣[1-2]。自20世紀60年代開始，歐美開始使用地下鹽腔建造儲氣庫，截至2020-02世界范圍內共有108座已建成投產的鹽穴儲氣庫[3-4]。

我國隨著“西氣東輸”、“中俄東線”等重要管線的運行或啟動，對地下儲氣庫的建設需求越來越高。國內東南部地區(qū)經濟發(fā)達，但油氣勘探程度低，相較華北、東北、西南及西部地區(qū)可利用現成建庫的枯竭油氣藏資源有限。因此利用東南部豐富的鹽礦資源建設鹽穴儲氣庫成為我國下一步建設儲氣庫的發(fā)展方向。

理論上，地下鹽層厚度與鹽巖品味直接決定人工造腔體積的大小，此次研究通過重構曲線定量識別法結合BP神經網絡反演識別平頂山鹽穴儲氣庫建庫區(qū)域內核桃園組一段14～20鹽群的鹽層厚度與鹽巖品味，進行建庫綜合地質評價，以期指導該庫井位部署。

1 鹽巖分布預測

平頂山鹽礦位于河南省平頂山市，鹽礦含鹽層系古近系為核桃園組一段，含鹽地層總體厚度為293 m～662 m，賦存于舞陽凹陷內，為一套中、新生界的碎屑化學巖系。核一段地層總體為“北深南淺”的特征。北部因逆斷層擠壓作用在中北部形成一個斷隆，斷隆的東西部分別為兩個次凹，向南地層開始抬升，南部又因正斷層的存在地層受到切割而變得破碎(圖1)。

1.1 鹽巖特性

在實際生產過程中，前人通常使用電阻率曲線、井徑曲線及自然伽馬曲線來判斷鹽礦含鹽地層的埋藏深度與沉積厚度[5]。而在平頂山鹽礦符合建庫深度的區(qū)域鹽巖與泥巖頻繁互層，鹽層大多含泥、含石膏致使品味不同，單獨測井曲線難以直接通過幅度變化識別地層的變化與厚度。

目前研究區(qū)內有PZ1、PZ2、PZ3及PT1井四口井有測井數據，PZ1、PZ2井具有巖性數據。由于鹽巖對于放射性元素的吸附能力遠低于泥巖，所以其自然伽馬曲線幅度明顯低于泥巖，另鹽巖密度一般低于其泥巖隔夾層[6]。因此針對其特點優(yōu)先選用自然伽馬與密度的測井組合來識別當地區(qū)核一段的巖性。從該地區(qū)的測井曲線交會圖上可以看出鹽巖與其泥巖隔夾層具有明顯區(qū)別，鹽巖自然伽馬低(10 API～70 API)、密度低(1.95 g/cm3～2.3 g/cm3)，品味較高的鹽巖與泥巖夾層可以明顯區(qū)分出來(圖2)。

圖2 PZ1井自然伽馬—密度交會圖Fig.2 PZ1 well crossplot of GR and DEN

1.2 重構曲線定量法識別鹽巖

據前人研究，自然伽馬對薄巖層敏感，密度曲線反映宏觀地層信息，因此當選用一定方法將兩種曲線所包含的信息重合展示，便可通過定量分析的方法較為準確的識別鹽層[7]。

(1)將對鹽巖敏感的自然伽馬與密度曲線進行歸一化處理。公式為：

(1)

式中:x表示測井數據；xmax與xmin表示測井曲線最大值與最小值；x′表示歸一化處理后的數據。

(2)將歸一化處理的自然伽馬、密度曲線相加，得到重構曲線(RC)，其范圍在0～2之間。使用已知巖性的PZ1、PZ2井建立重構曲線RC，可見RC值與地層巖性有良好的對應關系(圖3)。經兩井驗證，平頂山地區(qū)核一段地層鹽巖RC值≤1、泥巖RC值≥1。將該方法應用至無具體巖性數據的PT1、PZ3井，其鹽巖品味最高的14～20鹽群使用重構曲線法識別相對誤差低于3%(表1)。

圖3 重構曲線識別鹽層Fig.3 Refactoring curve identifies the salt horizon

表1 平頂山核一段重構曲線法識別鹽層結果對比Tab.1 Results contrast of refactoring curve identifies the salt horizon

1.3 BP神經網絡反演預測鹽巖分布

BP神經網絡反演是在非線性理論的基礎上，可將該工區(qū)內PZ1、PZ2、PZ3及PT1四口已知井的重構曲線及井旁地震道數據輸入到BP神經網絡中進行整體訓練，在層位約束下獲取RC幅度與地震數據之間的綜合非線性映射關系，來實現對該地區(qū)鹽層厚度的預測[8-9]。

BP神經網絡反演的特點是不局限于波阻抗、速度等屬性反演，其還可對任意曲線數據進行反演[10]。因此理論上只要保證重構曲線RC與鹽層密切相關，即可保證反演結果的清晰可靠。

圖4為運用BP神經網絡反演后核一段14～20鹽群厚度預測結果。工區(qū)內共4口井為反演井，1口當地鹽企采鹵老井D1井為驗證井對鹽層預測結果進行精度分析(D1采鹵井僅有巖層厚度數據)。表2為BP神經網絡反演結果精度分析值，從表2可以看出，在D1井沒有參與進反演運算的情況下，預測鹽層厚度與鉆井揭露鹽巖厚度絕對誤差為-7 m～4 m。整體看運用重構曲線RC進行BP神經網絡反演獲取的鹽層厚度的誤差較小，可信度高。

圖4 14～20鹽群鹽層厚度預測圖Fig.4 Thickness prediction chart of 14～20 salt horizon

表2 BP神經網絡反演結果精度分析Tab.2 Accuracy analysis of BP neural network inversion results

同時利用鹽巖縱波阻抗高的特點進行常規(guī)波阻抗反演與BP神經網絡反演結果進行對比(圖5)。圖6(上)是基于遺傳算法利用重構曲線的BP神經網絡反演的剖面，剖面中深色為RC值較低的鹽巖；圖6(下)是疊前彈性參數反演的縱波阻抗剖面，剖面中深色為縱波阻抗高的鹽巖。

圖6 BP神經網絡反演(上)與波阻抗反演(下)剖面對比Fig.6 Profile contrast of BP neural network inversion(up) and wave impedance inversion(down)

從剖面中明顯可以看出，基于重構曲線RC的BP神經網絡反演在對該地區(qū)淺層1～7鹽群石膏質鹽巖與泥質鹽巖的預測精度大幅提升，核一段整體鹽化—淡化的中短期旋回分辨明顯，泥巖隔夾層識別清晰。綜合判斷BP神經網絡反演在該地區(qū)預測結果較波阻抗反演更加精確、可信度更高。BP神經網絡反演結合重構測井曲線建立適用于該地區(qū)“測井定量選優(yōu)、地震反演尋鹽” 的技術路線。

2 鹽巖品味預測

除了鹽層厚度，鹽巖品味是另一個影響地下鹽穴儲氣庫造腔體積的重要因素。鹽巖中包含的不溶物以及泥巖隔夾層垮塌后水化膨脹，會極大侵占鹽腔體積。在溶腔過程中，鹽巖品味越高形成的不溶物越少，腔體建成后有效體積就越大，相對應形成的工作氣能力就越大。因此在前期地質綜合評價中對含鹽地層鹽巖品味的預測十分重要。

2.1 重構曲線計算鹽巖品味

鹽巖品味越高，其自然伽馬與密度曲線的變化幅度就越大[5]。因此重構曲線RC不僅能準確地識別鹽層的厚度與變化，同樣也可以快速定量計算鹽巖品味。如圖7所示，揭露地層最全面的PZ2井核一段含鹽地層重構曲線RC數值與試驗所得的精確鹽巖品味數據明顯成反相關。

圖7 PZ2井核一段重構曲線與試驗鹽巖品味相關性Fig.7 Correlation of refactoring curve and percentage of salt rock

利用重構曲線與試驗數據進行相關性分析，趨勢線公式為：

WRC=(-66.927×RC+120.83)×100%

(2)

WRC為通過鹽巖重構曲線計算得到的鹽巖品味，相關系數R2=0.953。重構曲線與試驗數據關系見圖8。

圖8 重構曲線與試驗數據關系圖Fig.8 Relational graph of refactoring curve and experimental data

2.2 鹽巖品味預測

(1) 將公式(2)代入PZ1、PZ2、PZ3、PT1四口已知井，得到四口井的鹽巖品味識別曲線。 在與試驗數據的對比中可以看出，預測數據與試驗數據基本吻合(表3)，誤差范圍在0.04%～2.87%之間，鹽巖品味識別曲線WRC基本可信。

表3 PZ1、PZ2井鹽巖品味計算結果對比Tab.3 Comparison of PZ1 and PZ2 well percentage calculation results

(2)在模型控制下，將PZ1、PZ2、PZ3、PT1的曲線及地震數據輸入BP神經網絡進行反演，完成對平頂山地區(qū)核一段地層鹽巖品味的預測。沿解釋層位提取各鹽群平面鹽巖品味等值線圖，如圖9所示，該地區(qū)鹽層最厚的14～20鹽群鹽巖品味最高區(qū)域為PZ3至PT1井區(qū)附近，品味范圍為70%～95%。

圖9 平頂山核一段14鹽群、18鹽群含鹽百分量平面圖Fig.9 Plan of salt percentage in 14 and 18 salt horizon

3 建庫區(qū)域選擇

3.1 建庫區(qū)域選址原則

為保障國家能源供應的安全與穩(wěn)定，鹽穴儲氣庫的設計運行時間一般超過50 a。地下鹽腔在運行過程中受到多場應力和周期注采交變荷載的作用，受力情況復雜，國際上鹽穴儲氣庫事故屢有發(fā)生。另外鹽穴儲氣庫建設時間長、投資成本大，其選址范圍就必須遵循以下兩點原則：

(1) 安全性原則。出于鹽腔穩(wěn)定性考慮，建庫應選址構造平緩、沉積穩(wěn)定、構造活動相對較弱區(qū)域；鹽巖隨著埋深增加，其流動性增強，一般認為建庫深度不宜超過2 000 m[11]；另外考慮鹽腔的密閉性，腔體應至少避開斷層100 m以上。

(2) 經濟性原則。鹽穴儲氣庫的造腔成本與溶腔時間密切相關。鹽層品味越高，不溶物含量越少，溶漓難度越小，造腔時間越短；鹽層厚度越大，形成腔體體積越大，投資回報率越高。通常認為，鹽層品味60%、鹽層厚度120 m為鹽穴造腔最低標準[12]。

3.2 建庫區(qū)域優(yōu)選

對平頂山區(qū)域核一段鹽層進行厚度與品味的綜合評價后，結合選址原則對建庫區(qū)域進行優(yōu)選。平頂山地區(qū)核一段14～20鹽群斜坡帶地層穩(wěn)定、構造簡單，內部斷層不發(fā)育，頂部埋深為2 100 m～1 300 m；鹽層最厚處為260 m；鹽巖品味范圍為70%～95%。綜合分析，該區(qū)域鹽層厚、品位高、埋深適中，面積11.9 8 km2，為選址最優(yōu)選擇(圖10)。

圖10 平頂山地下鹽穴儲氣庫建庫區(qū)域Fig.10 Building area of Pingdingshan underground salt-cavern gas storage

4 結論

1)鹽巖具有低自然伽馬、低密度的特性，利用重構曲線法可以綜合展示自然伽馬與密度曲線所包含的信息，進而準確劃分鹽層。

2)運用BP神經網絡反演可以將重構曲線參與運算，可以較為準確的預測鹽層厚度，與鉆井厚度相比誤差較小。

3)該地區(qū)斜坡帶核一段14～20鹽群為建設鹽穴儲氣庫有利區(qū)域。