花崗巖內幕儲層溫度預測技術及效果

關鍵詞： 干熱巖，優(yōu)勢頻帶，溫度預測，共和盆地，花崗巖內幕

0 引言

共和盆地位于青海省中東部西秦嶺印支褶皺帶的西段[1?2]，基底巖性以印支期花崗巖為主。蓋層主要為全新統(tǒng)、更新統(tǒng)和上新統(tǒng)湖泊相碎屑巖[3?4]，粒度細，透水性差，熱導率低，是良好的隔熱層。

近年來，盆地東北部多口井鉆遇花崗巖，井底溫度均超過180℃，最高達236℃[5]，屬于典型的深部干熱巖熱儲層。目前，共和盆地是一個重要的干熱巖地熱資源開發(fā)遠景區(qū)。

全球干熱巖開發(fā)至今已有40 多年探索與實踐經(jīng)驗[6?7]。以儲層物性參數(shù)為基礎的重、磁、電、震等地球物理方法均在干熱巖勘探、開發(fā)和監(jiān)測過程中得到應用。前人對共和盆地干熱巖的勘查主要以重、磁、電等非地震勘探方法為主，主要包括：用紅外遙感資料圈定地面熱異常并分析其規(guī)律[8]； 通過處理重、磁資料獲取區(qū)域構造、斷層等信息，圈定地熱詳查靶區(qū)[9?10]；用可控震源—高精度、大深度電磁測深方法探測、確定干熱巖儲層位置及規(guī)模[11]。結合區(qū)域地質分析、水文地質調查、地熱地質勘查等成果，可以指導勘查孔實施，確定干熱巖體的分布范圍，并通過測量井底溫度去定性評價干熱巖質量。但花崗巖干熱巖屬火成巖儲層，具有非均質性強特點[12]，花崗巖內部縱向及橫向均存在溫度變化，這制約了共和盆地干熱巖資源的開發(fā)和利用。

相對于非地震勘查方法，地震勘探具有探測精度高和分辨率高等優(yōu)點[13]，是開發(fā)地熱田最有效的物探方法。但由于干熱巖儲層地質條件復雜，巖性多為變質巖和結晶巖[14]，熱儲層內部速度、密度均變化較小，難以形成穩(wěn)定的波阻抗界面，常為雜亂反射特征。另外，它與上覆新地層間多存在強阻抗界面，該界面對地震信號具有強屏蔽作用，也導致了干熱巖內部地震能量弱，信噪比較低。

目前，國內外利用地震方法勘查深部干熱巖的技術尚處于探索階段，多以理論和實驗研究為主，尤其是在利用地震資料預測溫度方面。劉文堂等[15]認為橫波在傳播過程中不衰減，而準彈性縱波與溫度波相互伴隨、衰減。徐果明等[16]通過地震縱波、橫波衰減隨壓力、溫度變化的實驗，提出了砂巖品質因子Q 隨壓力、溫度的變化規(guī)律。吳剛等[17]對砂巖開展高溫處理后的單軸壓縮試驗，認為在不超過200℃時，砂巖彈性模量隨著升溫過程而出現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

前人研究成果為利用地震資料預測溫度奠定了基礎，但未形成配套技術。為此，本文利用共和盆地恰卜恰地區(qū)“兩寬一高”三維地震資料，對不同頻段地震數(shù)據(jù)重構，優(yōu)選花崗巖內幕反射橫向連續(xù)性好的優(yōu)勢頻帶數(shù)據(jù)進行層位解釋，并結合地層巖性、電性縱向變化特征，將花崗巖體縱向分層研究； 再利用測井資料，建立溫度與速度之間的關系，開展高精度縱波速度反演，預測溫度空間分布規(guī)律，以期用于干熱巖資源的有效開發(fā)。

1 花崗巖內幕解釋技術

利用地震資料預測花崗巖內幕地層的溫度，構造解釋是基礎。具體解釋技術流程如圖1 所示。首先，根據(jù)花崗巖巖性、電性、地震響應特征標定地震反射層位； 然后，重構不同頻段地震數(shù)據(jù)，優(yōu)選橫向反射連續(xù)性好的數(shù)據(jù)，結合地層巖性、電性縱向變化特征，對花崗巖內幕地層進行縱向分層解釋。

1. 1 花崗巖巖性、電性及地震響應特征

利用鉆井（如GH?01 井）巖性、電性資料與地震資料可進行地震反射層位標定（圖2）。結果表明：盆地內基底三疊系花崗巖與上覆第四系咸水河組砂泥巖地層的密度和速度差異均很大，二者之間形成了一個正系數(shù)強反射界面，可作為全區(qū)的標志層。

當激發(fā)產(chǎn)生的地震入射波到達這一界面時，產(chǎn)生的反射波能量強，透射波能量弱，因此屏蔽作用強，導致花崗巖內部反射能量弱，影響了目的層成像效果。另一方面，利用測井資料計算的反射系數(shù)統(tǒng)計結果表明：基底頂面以下花崗巖地層反射系數(shù)較小，基本在0. 05 以下，反射特征以短軸雜亂為主，不利于地震資料成像。因此，在全頻段地震剖面（圖3a）上可以明顯看到：基底頂面以上地層信噪比較高，地震反射同相軸連續(xù)，振幅能量較強，具有明顯的層狀特征； 基底頂面以下的花崗巖內幕資料信噪比很低，以雜亂反射特征為主，振幅能量較低，縱向上未見明顯的波組特征，橫向上變化特征也不清晰。

1. 2 基于優(yōu)勢頻帶重構的內幕解釋技術

共和盆地基底花崗巖內部地層存在阻抗差異，具有層狀分布的特征[18]。低頻段地震數(shù)據(jù)有利于確定花崗巖內幕層狀分布特征。通過頻譜掃描，再通過帶通濾波技術可以開展不同頻段的地震數(shù)據(jù)重構（圖3）。共和盆地花崗巖地層頻帶寬度約為6 ～40 Hz。重構的高頻段數(shù)據(jù)（30～40 Hz，圖3d）能量較弱，有效成分較少，地震反射橫向變化特征不明顯； 包含主要有效成分的10～30 Hz 頻段數(shù)據(jù)（圖3c）在縱向上基本可識別層狀界面，但信噪比較低，地震反射橫向連續(xù)性較差； 而10～20 Hz 低頻段地震數(shù)據(jù)（圖3b）與其他數(shù)據(jù)相比，在縱向上可見兩套特征明顯的波組，界面反射相對連續(xù)，在橫向上能量和波形均有一定的差異，更利于分析花崗巖內部橫向不均勻變化及縱向分層變化。

基于重構的10～20 Hz 頻段地震數(shù)據(jù)，依據(jù)GH?01 井重新標定地震反射層位（圖4）。由圖可見，在縱向上花崗巖內幕可劃分為四套地層，從淺到深依次命名為①號、②號、③號、④號地層。其中：①號地層（GH?01 井深度為1360～1700 m）巖性為淺灰白色花崗巖和淺肉紅色二長花崗巖，底部界面由高速層進入低速層，表現(xiàn)為一套連續(xù)的較強波谷反射，全區(qū)易對比追蹤； ②號地層（GH?01 井深度為1700～2200 m）巖性為肉紅色花崗巖與灰色二長花崗巖互層，底部界面由低速層進高速層，為一較強波峰反射，整體表現(xiàn)為一套較連續(xù)、較弱反射； ③號地層（GH?01 井深度為2200～2800 m）巖性為灰色二長花崗巖與肉紅色花崗巖互層，整套地層反射能量強，反射連續(xù)性較好，底部界面由低速層進高速層，表現(xiàn)為波谷反射； ④號地層（GH?01 井深度為2800～4000 m）表現(xiàn)為較弱的不連續(xù)反射。

依據(jù)內幕地層地震反射特征，利用重構低頻地震數(shù)據(jù)橫向追蹤，可實現(xiàn)研究區(qū)花崗巖內幕層位的解釋。

2 花崗巖溫度預測技術及應用

2. 1 地震屬性用于分析花崗巖內幕巖性展布特征

鉆井揭示③號、④號地層溫度均大于140℃，是區(qū)域內最有利的干熱巖儲層。

干熱巖在橫向上具有較強的各向異性，可能造成溫度（地震屬性）的變化。由圖5、圖6 可見：③號地層在工區(qū)中部相關性好，呈北東—南西展布（圖5a），強均方根振幅區(qū)具類似特征（圖5b）； ④號地層在工區(qū)中部相關性也較好（圖6a），強均方根振幅區(qū)在局部分布、不連續(xù)（圖6 b）。

2. 2 溫度與地震波速度的關系

地震波的速度在傳播過程中受壓實、巖性、斷層、裂縫等因素的影響。研究區(qū)花崗巖非常致密，基本上不發(fā)育孔隙，所以壓實作用對速度的影響可以忽略不計。花崗巖成分以石英為主（＞98%），暗色礦物如黑云母含量較低（＜2%），縱向上裂縫以Ⅲ類（孔隙度＜5%）為主。裂縫發(fā)育程度與速度沒有直接的關系，只是在滲透性差的層段表現(xiàn)為高速； 在滲透性較好的地層，速度較低。這是由于干熱巖儲層長期處于高溫、高壓環(huán)境下，儲層的巖石物理學參數(shù)受環(huán)境影響而發(fā)生改變。施行覺等[19]認為在地層壓力條件下地震波速度會隨溫度增加而呈線性下降趨勢： 一是溫度引起巖石流體彈性模量改變，尤其是切變模量的劇降； 二是由于升溫引起巖石顆粒邊緣的裂隙張開、巖石含水礦物脫水、巖石膨脹、部分熔融等變化，導致了巖層速度的降低。該區(qū)的滲透性主要由高溫造成，即速度的變化主要受溫度影響。

中國礦業(yè)大學（北京）對共和盆地26 塊干熱巖樣品開展高溫作用下巖石物理實驗[20]。實驗結果表明，當巖石所含礦物一定時，隨含水量增加彈性波速度會有一定程度的下降； 巖石的孔隙和微裂隙是決定彈性波速度的主要因素。溫度變化會改變巖石內水分和孔隙的狀態(tài)，因此溫度對巖石彈性波速度影響很大。

花崗巖加熱前、后地震波速度變化如圖7 所示。由圖可見，縱波速度隨溫度升高而降低，在140～160℃時降低幅度非常明顯。研究區(qū)巖性單一，斷裂不發(fā)育，可忽略裂縫和巖性等對地層速度的影響，從而使地溫和地層速度的關系更為可信。

2. 3 高精度速度反演預測地溫分布

基于上述理論，可以通過交會分析研究區(qū)鉆井的溫度與速度關系。由圖8 可見，速度與溫度整體關系不明顯，但在一定層段內，速度與溫度有一定的線性關系。據(jù)此，研究區(qū)花崗巖內幕可擬合為四段不同的線性函數(shù)，其分段深度與內幕地層的縱向劃分具有很好的對應關系。其中：① 號地層y= ? 0. 0706x+525，x 為速度，y 為溫度； ②號地層y=?0. 1005x+700 ； ③ 號地層y=?0. 1292x+900 ； ④ 號地層y=?0. 0746x+600。

選取基于徑向基函數(shù) （Radial Basis Function，RBF ）反演縱波速度。首先利用聲波曲線獲取單井縱向高分辨率地層速度，并在單井速度約束下進行三維速度反演獲取高精度速度預測體； 然后利用速度與溫度之間的線性關系估算溫度。

從過GH?01 井的縱波速度反演剖面（圖9）可見，井點處反演結果能真實地反映縱向上的速度變化，而在橫向上的變化與地震響應特征一致。主要表現(xiàn)為：①速度隨埋深增大而增大，基底頂面以上地層速度在3200 m/s 左右，花崗巖速度為5000～6000 m/s； ②花崗巖內幕速度有一定的成層特征，中間有薄層低速層； ③內幕地層的速度橫向上存在差異。

分別提取花崗巖內幕各層的層速度（圖10）。由圖可見，速度變化不大，范圍為4900～5600 m/s； 高速層主要分布在研究區(qū)的西部和南部，低速層主要分布在中部、西部，且呈近南北向條帶展布。

圖11 是速度與曲率屬性的疊合，藍黑色表示曲率大，即地層變形嚴重，相對裂縫更為發(fā)育。由圖可見，裂縫發(fā)育區(qū)（藍黑色）與低速度區(qū)（綠色―藍色區(qū)域）并沒有對應關系。由此可知，速度的變化與裂縫沒有絕對的對應關系。這也進一步說明研究區(qū)的速度主要受溫度的影響。

根據(jù)速度與溫度關系式，定量估算花崗巖內幕各地層的溫度（圖12）。由圖可見，① 號地層溫度為80～120℃，②號地層溫度為90～150℃，③號地層溫度為90～170℃，④號地層溫度為110～230℃?？傮w而言，溫度隨埋深增大而升高，花崗巖內幕四段地層溫度較高區(qū)域均位于研究區(qū)東部，呈近南北向條帶展布。④號地層溫度最高，大部分溫度超過160℃。

根據(jù)溫度預測結果，結合其他成果，在研究區(qū)部署、 鉆探2 口新井（GH?02 和GH?03 井） （圖12d）。2 口新井的巖性及裂縫發(fā)育情況與GH?01 井基本一致，井底溫度均達到202℃。其中， GH?02 井井底預測溫度為208℃，與實測溫度相對誤差為3%； GH?03井井底預測溫度為193℃，與預測溫度相對誤差為4. 5%。由圖13 可見，GH?03 井預測溫度曲線與實測溫度曲線趨勢基本一致，這表明本文方法可行，預測精度較高。

3 結論

（1）共和盆地花崗巖內幕為多期發(fā)育的火成巖，具有一定的層狀特征，采用“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)，通過優(yōu)勢頻帶重構地震數(shù)據(jù)體，綜合利用鉆井、測井等資料，可將花崗巖內幕地層進行分層，實現(xiàn)花崗巖內幕層位解釋。

（2）利用研究區(qū)花崗巖的溫度與速度的關系，通過速度反演，可分層預測儲層溫度空間變化特征，尋找高溫區(qū)，指導干熱巖鉆探。

基于溫度與速度的關系，可將利用縱波速度預測溫度推廣到利用縱波速度與橫波速度聯(lián)合預測，以及與其他參數(shù)聯(lián)合預測，以提高溫度預測的精度。