時移地震技術在CO2地質儲存監測中的適用性

由榮軍， 閆照濤

(1.中國礦業大學　銀川學院 礦業工程系， 銀川　750011；2. 寧夏地球物理地球化學勘查院， 銀川　750001)

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時移地震技術在CO2地質儲存監測中的適用性

由榮軍1， 閆照濤2

(1.中國礦業大學銀川學院 礦業工程系， 銀川750011；2. 寧夏地球物理地球化學勘查院， 銀川750001)

摘要：目前，國內、外正在興起對CO2地中隔離技術的研究和試驗工作。為了解決地質儲存之后，CO2氣體的流動性及安全性監測問題，結合我國實際地質地層情況，同時借鑒了國內外對CO2深部地下儲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在地下的運移擴散情況，并通過編程模擬時移地震技術的處理過程對獲得的常規地震剖面進行時移地震處理。從獲得的常規地震剖面和時移地震剖面的結果顯示，這里提出的時移地震技術在CO2地下儲存檢測中具有一定的適用性。

關鍵詞：CO2； 地質儲存； 時移地震； 巖石物理學； 正演模擬

0引言

目前，雖然對于全球氣候異常的原因還沒有定論，世界各國對于節能減排，減少大氣中CO2含量的努力卻在不斷加強。就目前各國進行的實際CO2儲集項目來看，砂巖咸水層和深部煤層成為儲集CO2的首選場所。對于CO2儲存到地下之后如何流動，引起地層的巖性性質怎么變化，以及是否存在泄漏風險，這些問題目前仍在實驗探索中。要解決這些問題需要進行實際的監測實驗來確定。這里的重點就是結合前人研究結果，綜合分析地層巖石物理學屬性，運用正演模擬的方法探討時移地震技術在CO2地質儲存監測中的適用性。

1巖石物理學和流體替代理論

彈性波在固體中的傳播速度依賴于介質的彈性變形。在地球中，孔隙巖石的彈性變形和礦物成分、壓實過程、孔隙度、膠結程度、壓力、溫度和孔隙中流體占有率有關。運用巖石物理學從已知的巖石特性中預測多孔巖石的彈性特性。

1.1Gassman理論

對巖石物理學的研究理論有很多，其中應用最普遍也最適用的理論為Gassman理論。Gassman理論的基本假設為觀測巖石(骨架和基質)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-流體系統是封閉的(不排出液體)，孔隙流體不會對巖石骨架產生軟化或硬化作用。

經過理論研究，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，Gassman理論假設在彈性波傳播期間孔隙中飽和的流體不與骨架產生任何相互作用。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過理論實驗估計出來。

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類型。裂隙在煤中的作用相當重要，它不僅可以儲存注入到煤層的氣體，同時又可以將基質間孔隙連通起來，增強煤層的滲透性。正是由于這種雙重孔隙系統類型，使得煤層具有很大的內表面積，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Langmuir等溫吸附模型(圖1)，當CO2注入到煤層中后，由于競爭吸附，CO2會替代原有的CH4和N2儲存在煤層中。

圖1　55℃時單組分等溫吸附線Fig．1　Single component adsorption 　　isotherm at 55℃

當CO2注入地下后，根據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存在(圖2)。

圖2　CO2相態圖Fig．2　CO2 phase diagram

1.3砂巖層中流體圈閉理論

當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在砂巖層中發生各種圈閉作用，包括構造圈閉作用、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存更多的CO2，同時由于CO2的注入也會引起砂巖層巖性性質的變化，包括孔隙度變化、孔隙壓變化以及流體替代等引起的變化，這一變化最終會對地震波勘探速度產生影響。

2CO2儲集模擬

根據前面的理論分析，這里分別對CO2在砂巖層和煤層中的儲集情況進行了模擬，并獲得理論地震波數據，用于隨后的分析研究。

根據Gassman理論和儲層流體替代理論，CO2的注入會引起儲層孔隙度、孔隙壓及氣體飽和度的變化，從而引起地震波速度的變化，經理論分析并編程計算，得出速度變化分別與儲層孔隙度、孔隙壓、氣體飽和度變化之間的關系(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，孔隙介質為水，沒有氣體注入，模型參數如表3所示，地質結構模型示意圖如圖4所示，礦巖層基本地震參數如表1所示。

表1　砂巖層基本地震參數

表2　CO2儲集數值模擬觀測系統參數表

表3　砂巖層初始模型參數

表4　煤層基本地震參數

表5　煤層初始模型參數

圖4　CO2注入前初始砂巖層模型地質結構Fig．4　Geologic framework for initial model before injecting CO2 into sandstone

根據表2給出的觀測系統參數，采用聲波方程進行數值模擬，得到了36炮的單炮記錄，運用處理解釋軟件對單炮記錄進行常規處理：直達波切除、抽道集、速度分析、動校正、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，當地層水平，沒有注入CO2氣體時，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。因此，這一記錄剖面可以作為監測不同時期注入氣體流動狀態的基線剖面，用于與注入氣體剖面進行對比。

模型2為CO2流動范圍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，孔隙介質為水，CO2氣體流動范圍為200 m，地質結構模型示意圖如圖6所示。

圖6　CO2注入模型地震結構圖Fig．6　Geologic framework for CO2injection mode

經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，當地層水平，注入一定范圍的CO2氣體時，我們通過地震記錄得到的剖面同相軸在氣體注入區域是彎曲的，時間軸出現下拉現象，而且在氣體飽和度較大的中間部位出現煙囪狀的形狀。這些異常形態較真實地反映了圖6正演模型中的氣體注入情況。通過對模擬地震資料進行簡單的處理分析，得出對比結果，直觀地說明運用地震勘探技術能較真實的監測CO2流體在砂巖層中的儲存、流動情況。

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

2.2煤層CO2儲集模擬

作者根據CO2不同階段的擴散范圍，建立了4個模型。

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，具體的模型參數如表5所示，地質結構模型示意圖如圖8所示。

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

從圖8可以看出：當煤層水平， CO2氣體流動范圍逐漸從0 m 大到200 m時，得到的地震記錄剖面上其異常范圍擴大、同相軸下拉、能量增強，在注入點兩邊對稱位置還出現類似煙囪狀的同相軸上凹現象。

3屬性分析與時移地震處理

3.1屬性分析

前面對氣體不同流動范圍進行模擬，通過分析各個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。為了進一步說明異常情況，作者將通過屬性分析的方法進行論述，并重點分析了不同范圍模型振幅屬性的差異。通過振幅屬性分析，我們得到的各個模型的能量對比如圖9所示。

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

圖9　煤層中不同氣體流動范圍振幅屬性圖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)為氣體流動范圍20 m的振幅屬性圖；(c)為氣體流動范圍100 m的振幅屬性圖；(d)為氣體流動范圍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造圖發展到進行精細儲層描述的階段。將地震數據與測井資料、巖心及其巖層物理數據相結合，可以實現儲層靜態精細成像。實際上，儲集層除了包含靜態信息外，還包括動態信息，如流體飽和度、壓力和溫度等，這些對了解儲層的動態變化大有益處。但是要在一次測量中同時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——時間推移地震。

時間推移地震的發展歷史，可以追溯到20多年前開始的蒸汽驅和注氣過程，主要用于研究油藏動態變化，這里論述的氣體流動動態變化與油藏動態變化有類似之處，因此可用此技術來監測所研究的CO2動態流動過程。

這里正演模擬中均采用一致的采集、處理參數，為保證數據匹配，仍然進行了一些互均化處理。這里互均化按時間校正、均方根振幅校正、帶寬互均化和相位匹配來描述[8-12]，其數學模型如式(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;影響因素有tcorr、rmscorr、mcorr、pcorr分別代表時間校正、RMS振幅校正、帶寬互均化和相位匹配項?；ゾ院?，在沒有儲層流體的地方，基礎勘探和監測勘探應該是一致的。作者編程實現互均化處理，對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，差異為0；隨著氣體流動范圍的不斷擴大，差異范圍也相應變大。該結果初步證明這里均化處理程序的準確性，也一定程度上說明采用時移地震方法監測氣體在儲層中動態變化的可行性。

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

4結論

作者以CO2地質儲存為背景，通過正演模擬描述儲層注入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，動態監測氣體流動情況。對正演得到的地震資料進行簡單的處理分析，通過同相軸對比、屬性分析對比及時移地震差異剖面對比，證明地震勘探技術，尤其是時移地震技術在監測CO2儲存動態變化方面的可行性及準確性。

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收稿日期：2015-04-08改回日期：2015-07-23

作者簡介：由榮軍(1986-)，女，碩士，主要從事礦業工程教學與研究工作及CO2地質儲存方面的地震勘探方法研究，E-mail：745620803@qq.com。

文章編號：1001-1749(2016)03-0375-07

中圖分類號：P 631.4

文獻標志碼：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