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欧美大地 工程物探
工程物探
如果高分辨率地震勘探达到地下1000米...
发布时间:2023-08-17 浏览次数:10622 来源:欧美大地
跨孔地震层析成像是利用地震波探测地下介质地质情况的一种高分辨率地震勘探技术。地震层析成像的主要目标,是确定地球内部的精细结构和局部不均匀性。这不仅促进了地球科学的发展,而且解决了许多地质勘探和矿产资源开发中的难题。

与传统物探方法相比,具有较高的分辨率和信噪比

跨孔地震层析方法的本质上是对地震波在两孔间地下介质中的波速差异为物性基础,通过采集初至波到达时间来反演得到孔间波速剖面的地震方法,它的优点就是精度高,且不随深度变化。一般的地面探测方法,其探测精度会随着深度增加而变差,电法勘探和地震勘探的探测精度一般是以百分比来确定的,比如地震反射标准一般是5-10%,意思是100m深度其探测精度是5-10m,越深越差。其原因是高精度的高频地震波在地层中衰减较快,深部的信息就只能通过低频波反映。而探测精度与波长是反向相关的,波长越长,精度越低。

而跨孔地震层析成像将震源和接收器都放置在地表以下的孔中,震源和接收器在两个平行的孔中伴随到达最深处,因此其精度一般不随深度变化。而且,跨孔地震层析成像的激发和接收点的密度是可以加密的,且电火花震源的频率一般比较高,而高频率、短波长又能带来高精度。因此,采用跨孔地震层析成像技术能够更精确地描述地下介质的空间结构和分布。

跨孔地震层析法相较于其他地球物理探测方法更精确,但由于其探测深度有限(一般在300米以内),因此使用受到了一定的限制,在诸多新的研究领域,如碳捕获和储存CCS现场(地下约500-800米)、地热测试现场(地下约750米)、深度矿藏探测(地下500米以下)等领域。而这些新领域则更需要精确的探测结果,为更深入的研究提供帮助,因此,大深度的跨孔地震层析成像设备就非常必要。


当跨孔地震层析成像达到1000米,获得更多可能

最新的TOMO1000大深度跨孔地震层析成像系统,通过在地表控制震源和接收系统,在岩土中探测地震波的传播路径和速度,并通过数据处理和层析成像技术得到地下岩土层的二维维结构图像。该系统最大探测深度可达1000米,探测分辨率高,可以获取高精度的地质信息。

TOMO1000是如何达到1000米的

该系统主要由两部分组成:SBS1000震源系统和BHC1000接收器系统。

深层地震层析成像系统(左SBS1000、右BHC1000)
  • SBS1000是一款超高频震源单元,能够大大增强信号强度和可靠性,并可控制震源振动的激发频次。
  • BHC1000是一款多通道高精度传声器接收器单元,支持的多通道数据采集、直接模数转换等多项先进技术。
  • SBS1000+BHC1000成为实现1000米以内深孔层析成像的理想选择。
SBS1000+BHC1000深孔地震层析成像仪是基于多年从业经验和技术积累开发生产的新一代大跨度深孔成像设备,在探测深度、成像效果、信噪比、可重复性等方面均实现重大的技术突破。
  • 深度探测能力:TOMO1000可以探测到1000米的深度,这使得它可以适用于深部的地质结构研究。
  • 高频率和高能量:SBS1000 MAGNUM电火花震源可以产生高频P波,并具有出色的信号重复性和宽频信号范围,能量储存为2000焦耳,使得地震信号更强大,提高了探测精度。
  • 便捷操作:系统设计独立,不需要额外的地震仪,只需要两台测井绞车就可以完成设备的升降操作。数据也可以直接显示并存储在笔记本电脑上,大大提高了操作的便利性。
  • 高效的数据处理:配套使用跨孔层析成像反演软件,可以将处理后的地震走时反演为地震层析图,实现了高效的数据处理和清晰的地震图像展示。

总的来说,TOMO1000具有精度高、深度探测能力强的优势,但是其探测范围、成本和操作要求的问题也应引起注意。相较于现有探测手段,当深孔地震层析成像的深度到达1000米时,所获得的精确成果,可能意味着更多应用与研究的可能。因此,在使用时需要根据实际情况进行权衡选择。

碳捕获与存储CCS项目
跨孔地震层析成像深部探测能力验证
碳捕获与存储CCS
CCS,也被称为碳捕获与存储(Carbon Capture and Storage),是一种能够减少温室气体排放到大气中的技术,通过捕捉二氧化碳,然后将其安全存储在地下深层。
在碳捕获与存储(CCS)方面,TOMO1000深部跨孔层析成像系统能提供深度和精度的地震资料,这对评估潜在的二氧化碳储存地点至关重要。
具体来说,CCS项目通常涉及向地下深层地质结构注入和储存二氧化碳,这需要对这些地质结构有深入的理解。例如,我们需要知道地下储层的精确位置、形状、大小和物理特性,以便了解它们能否有效地储存二氧化碳,并确保二氧化碳的长期稳定性。
TOMO1000能够提供这样的信息。它能产生高频P波,获得出色的信号重复性和宽频信号范围,使得可以对地下深层地质结构进行详细的探测和分析。此外,TOMO1000的1000米探测深度,足够应对大多数CCS项目的需求。
同时,这种设备可以通过生成地震层析图,将地震走时反演为实际的地下地质结构,这对于理解和预测储层性质、二氧化碳的运移和封存状况非常重要。
在实际操作中,TOMO1000可以用于前期的储层评估,也可以在注入及后期监测阶段,通过监测地震波的变化,追踪二氧化碳在地下的运移情况。总的来说,这是一个非常有价值的工具,可以在碳捕获和存储项目中发挥重要作用。

挪威Svelvik试验场CCS钻孔地震监测
Svelvik CO2现场实验室由一口中央注入井(B2)、四口监测井(M1-M4)和进行CO2注入实验所需的基础设施组成。注入井设计用于在小超压条件下注入CO2,并在34至65m深度之间进行筛选。四口监测井用PVC套管套管至约100米深,并位于注入井周围菱形的角落。监测井位于距注入井9.9 m(M3和M4)和16.5 m(M1和M2)处。
▶ 测试流程

对于所有实验,地震源放置在钻孔M4中,水听器/检波器地震接收器放置在钻孔M3中。


在CO2注入前进行了一次P波、SH波和SV波测量,作为基线测量。
在CO2注射期间共采集了8组P波层析成像数据。
在第0天和第1天进行了2次P波调查,即上午和下午各一次。
在第0–2天,对下部区域进行了SH波和SV波测量。
从第1天到第5天,对上部区域进行SH波测量。
在数据处理过程中测量并考虑了钻孔偏差。
 
只考虑具有相同深度的源和接收器,为每个井间组选择所有波类型(P、SH和SV)的到达时间,并根据真实震源和接收器距离计算地震速度。下图显示了所有深度测量的计算P波、SH波和SV波速度,以及根据基线测量标准化的计算行程时间变化。

图 井间数据分析:(a)P波(b)SH波和(c)SV波的归一化波速相对于基线的时间变化(百分比)
图中时间变化显示了CO2气体的影响。即使在第0天不同深度的注入开始不久,也可以看到变化。在约64m处,注入区没有或只有轻微变化。显著变化从第2天和第3天开始,深度约为38至40m。这对应于地震速度从约2180m/s下降至2140m/s。b和图c显示了注入点附近下部区域SH和SV波速计算得出的速度下降。

(a)基线P波和(b)第4天数据的层析成像反演结果以及(c)差异层析图((基线-第4天)/基线)

如上图,P波层析成像结果表明,水平分层沉积具有交替的高速和低速区,即低渗透性或高渗透性沉积物。

基线数据和注入CO2第4天采集的数据之间的两个P波层析图像的比较表明,CO2沿着上层赋存层内的高渗透带迁移。

差异层析图中可以看到高达7%的速度变化。该区域与最可能充当CO2赋存层的厚粘土层有关。在40m深度以下,可以看到小于2%的极小变化。


▶ 成果校验
分布式温度传感(DTS)测量的数据分析显示,钻孔M1、M2和M4中没有明显的局部温度变化。然而,在M3中,在40 m深度附近有一个明显的峰值,这意味着CO2从注入点相对快速地扩散到40 m深度处的观察孔M3。这些结果与P波测量的层析反演结果一致。

(a)注入前第0天(虚线)、第2天(灰色线)和第4天(黑色线),钻孔M3的DTS测量值随深度变化。(b)相对于注入前水平,温度峰值最大范围的时间变化~40 m深度

其他可探索的应用领域
地热
地热能是指地壳中储藏的热能,其主要来源于地球内部的放射性元素衰变产生的热能。地热能被视为一种清洁、可再生的能源。而TOMO1000深部跨孔层析成像系统则可以在地热能的探测、开发和利用中发挥关键作用。
这个设备能够在相当大的深度(1000米)上进行高精度探测,这是地热资源勘探中的重要需求,因为地热能通常位于地表以下的深度。
  • 详细的地下结构信息:这种设备可以提供详细的地下结构信息,包括地质层的分布、厚度、角度、深度等,识别潜在的地热区域,比如裂缝、断裂带,帮助我们更准确地理解地热资源的地理分布和规模。
  • 优化钻井位置:对于地热钻井,预先获得精确的地下信息是非常重要的,可以帮助工程师选择最佳的钻井位置和路径,避免无效钻探,节约成本。
  • 监控地热资源的变化:在地热能发电站开始运营后,这种设备还可以用于监控地热资源的变化,比如监测热储层的压力变化、温度变化、水位变化等,有助于对地热能的可持续开发和管理。
  • 评估地热资源的可行性和经济性:通过这种设备获得的详细信息,可以帮助评估地热资源的可开发性和经济性,为决策者提供更准确的数据支持。
  • 环境影响评估:在某些情况下,地热开发可能会对周围的环境产生影响,例如地质环境的改变、地壳稳定性等。使用这种设备,可以更准确地评估这些影响,帮助设计出更环保的开发方案。
深层矿产
在矿产勘探和开采方面,TOMO1000深部跨孔层析成像系统可以提供关键的地质信息,帮助找到矿产资源并评估其规模。
  • 矿产勘查:通过产生高频P波,TOMO1000可以对地下深度达到1000米的地质结构进行探测,帮助找到可能的矿产储藏层。具有良好信号重复性和宽频信号范围的震源,使得地质探测结果更加准确,提高了找到矿产的概率。
  • 评估矿产规模:利用TOMO1000产生的地震层析图,科研人员和工程师可以对地下的矿产储藏层进行评估,确定其具体位置、厚度和广度,从而预测矿产的规模。
  • 开采规划:对地下结构的深入了解,可以帮助优化矿井的设计和开采策略,提高矿产的开采效率,降低开采成本。例如,可以在最可能找到矿产的地方钻井,避免无效的钻探。

需要注意的是,虽然TOMO1000不能进行实时监测,但是在开采前的勘查阶段,它提供的信息对于矿产资源的有效利用是至关重要的。矿产资源是有限的,因此在开采前进行深入的地质勘查和评估是非常必要的,TOMO1000就在这方面发挥了关键作用。

页岩气
在页岩气(也被称为页岩天然气)的勘查和开发中,TOMO1000深部跨孔层析成像系统可以发挥重要的角色。页岩气被储藏在地下的页岩层中,只有当了解了页岩层的详细地质结构,才能进行有效的勘查和开发。
  • 页岩层探查:TOMO1000通过产生高频P波,可以探测地下的地质结构,包括那些可能储藏有页岩气的页岩层。通过分析地震波在地下的传播特性,可以推测出可能的页岩气储藏区域。
  • 评估页岩气储量:通过地震层析图,科研人员和工程师可以对地下的页岩层进行更详细的评估,确定其具体位置、厚度和广度,从而对潜在的页岩气储量进行预测。
  • 指导钻井位置和方法:地下结构的理解可以帮助决定最佳的钻井位置和方法,以提高页岩气开采的效率和效果。例如,水力压裂是开发页岩气的常用技术,对地质结构的了解可以帮助确定压裂的最佳位置和方向。
核废料存储
在核废料存储方面,TOMO1000深部跨孔层析成像系统可以用于提供关于潜在存储地点地质结构的重要信息。
  • 地质探查:TOMO1000通过产生高频P波,可以对地下深度达到1000米的地质结构进行探测。这种探测有助于找到可能的地下储存地点,如深层岩石层,这些地点可以用于长期安全地储存核废料。
  • 评估储存地点:通过地震层析图,科研人员和工程师可以对潜在的核废料储存地点的地质结构进行更深入的理解,评估其稳定性和长期安全性。这可能包括了解地下岩层的厚度、硬度、地震活动情况,以及地下水流动情况等。
  • 储存策略规划:了解地质结构有助于规划如何最安全、最有效地存储核废料。例如,储存策略可能包括在何处和如何深度钻孔,以及如何封堵和监测储存地点。
总的来说,TOMO1000深部跨孔层析成像系统在提供深度和精度的地质信息方面具有显著优势,对于各类地下资源的勘查和管理有着广泛的应用前景。

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