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歐美大地 工程物探
工程物探
如果高分辨率地震勘探達到地下1000米...
發布時間:2023-08-17 瀏覽次數:22429 來源:歐美大地
跨孔地震層析成像是利用地震波探測地下介質地質情況的一種高分辨率地震勘探技術。地震層析成像的主要目標,是確定地球內部的精細結構和局部不均勻性。這不僅促進了地球科學的發展,而且解決了許多地質勘探和礦產資源開發中的難題。

與傳統物探方法相比,具有較高的分辨率和信噪比

跨孔地震層析方法的本質上是對地震波在兩孔間地下介質中的波速差異為物性基礎,通過采集初至波到達時間來反演得到孔間波速剖面的地震方法,它的優點就是精度高,且不隨深度變化。一般的地面探測方法,其探測精度會隨著深度增加而變差,電法勘探和地震勘探的探測精度一般是以百分比來確定的,比如地震反射標準一般是5-10%,意思是100m深度其探測精度是5-10m,越深越差。其原因是高精度的高頻地震波在地層中衰減較快,深部的信息就只能通過低頻波反映。而探測精度與波長是反向相關的,波長越長,精度越低。

而跨孔地震層析成像將震源和接收器都放置在地表以下的孔中,震源和接收器在兩個平行的孔中伴隨到達最深處,因此其精度一般不隨深度變化。而且,跨孔地震層析成像的激發和接收點的密度是可以加密的,且電火花震源的頻率一般比較高,而高頻率、短波長又能帶來高精度。因此,采用跨孔地震層析成像技術能夠更精確地描述地下介質的空間結構和分布。

跨孔地震層析法相較于其他地球物理探測方法更精確,但由于其探測深度有限(一般在300米以內),因此使用受到了一定的限制,在諸多新的研究領域,如碳捕獲和儲存CCS現場(地下約500-800米)、地熱測試現場(地下約750米)、深度礦藏探測(地下500米以下)等領域。而這些新領域則更需要精確的探測結果,為更深入的研究提供幫助,因此,大深度的跨孔地震層析成像設備就非常必要。


當跨孔地震層析成像達到1000米,獲得更多可能

最新的TOMO1000大深度跨孔地震層析成像系統,通過在地表控制震源和接收系統,在巖土中探測地震波的傳播路徑和速度,并通過數據處理和層析成像技術得到地下巖土層的二維維結構圖像。該系統最大探測深度可達1000米,探測分辨率高,可以獲取高精度的地質信息。

TOMO1000是如何達到1000米的

該系統主要由兩部分組成:SBS1000震源系統和BHC1000接收器系統。

深層地震層析成像系統(左SBS1000、右BHC1000)
  • SBS1000是一款超高頻震源單元,能夠大大增強信號強度和可靠性,并可控制震源振動的激發頻次。
  • BHC1000是一款多通道高精度傳聲器接收器單元,支持的多通道數據采集、直接模數轉換等多項先進技術。
  • SBS1000+BHC1000成為實現1000米以內深孔層析成像的理想選擇。
SBS1000+BHC1000深孔地震層析成像儀是基于多年從業經驗和技術積累開發生產的新一代大跨度深孔成像設備,在探測深度、成像效果、信噪比、可重復性等方面均實現重大的技術突破。
  • 深度探測能力:TOMO1000可以探測到1000米的深度,這使得它可以適用于深部的地質結構研究。
  • 高頻率和高能量:SBS1000 MAGNUM電火花震源可以產生高頻P波,并具有出色的信號重復性和寬頻信號范圍,能量儲存為2000焦耳,使得地震信號更強大,提高了探測精度。
  • 便捷操作:系統設計獨立,不需要額外的地震儀,只需要兩臺測井絞車就可以完成設備的升降操作。數據也可以直接顯示并存儲在筆記本電腦上,大大提高了操作的便利性。
  • 高效的數據處理:配套使用跨孔層析成像反演軟件,可以將處理后的地震走時反演為地震層析圖,實現了高效的數據處理和清晰的地震圖像展示。

總的來說,TOMO1000具有精度高、深度探測能力強的優勢,但是其探測范圍、成本和操作要求的問題也應引起注意。相較于現有探測手段,當深孔地震層析成像的深度到達1000米時,所獲得的精確成果,可能意味著更多應用與研究的可能。因此,在使用時需要根據實際情況進行權衡選擇。

碳捕獲與存儲CCS項目
跨孔地震層析成像深部探測能力驗證
碳捕獲與存儲CCS
CCS,也被稱為碳捕獲與存儲(Carbon Capture and Storage),是一種能夠減少溫室氣體排放到大氣中的技術,通過捕捉二氧化碳,然后將其安全存儲在地下深層。
在碳捕獲與存儲(CCS)方面,TOMO1000深部跨孔層析成像系統能提供深度和精度的地震資料,這對評估潛在的二氧化碳儲存地點至關重要。
具體來說,CCS項目通常涉及向地下深層地質結構注入和儲存二氧化碳,這需要對這些地質結構有深入的理解。例如,我們需要知道地下儲層的精確位置、形狀、大小和物理特性,以便了解它們能否有效地儲存二氧化碳,并確保二氧化碳的長期穩定性。
TOMO1000能夠提供這樣的信息。它能產生高頻P波,獲得出色的信號重復性和寬頻信號范圍,使得可以對地下深層地質結構進行詳細的探測和分析。此外,TOMO1000的1000米探測深度,足夠應對大多數CCS項目的需求。
同時,這種設備可以通過生成地震層析圖,將地震走時反演為實際的地下地質結構,這對于理解和預測儲層性質、二氧化碳的運移和封存狀況非常重要。
在實際操作中,TOMO1000可以用于前期的儲層評估,也可以在注入及后期監測階段,通過監測地震波的變化,追蹤二氧化碳在地下的運移情況??偟膩碚f,這是一個非常有價值的工具,可以在碳捕獲和存儲項目中發揮重要作用。

挪威Svelvik試驗場CCS鉆孔地震監測
Svelvik CO2現場實驗室由一口中央注入井(B2)、四口監測井(M1-M4)和進行CO2注入實驗所需的基礎設施組成。注入井設計用于在小超壓條件下注入CO2,并在34至65m深度之間進行篩選。四口監測井用PVC套管套管至約100米深,并位于注入井周圍菱形的角落。監測井位于距注入井9.9 m(M3和M4)和16.5 m(M1和M2)處。
? 測試流程

對于所有實驗,地震源放置在鉆孔M4中,水聽器/檢波器地震接收器放置在鉆孔M3中。


在CO2注入前進行了一次P波、SH波和SV波測量,作為基線測量。
在CO2注射期間共采集了8組P波層析成像數據。
在第0天和第1天進行了2次P波調查,即上午和下午各一次。
在第0–2天,對下部區域進行了SH波和SV波測量。
從第1天到第5天,對上部區域進行SH波測量。
在數據處理過程中測量并考慮了鉆孔偏差。
 
只考慮具有相同深度的源和接收器,為每個井間組選擇所有波類型(P、SH和SV)的到達時間,并根據真實震源和接收器距離計算地震速度。下圖顯示了所有深度測量的計算P波、SH波和SV波速度,以及根據基線測量標準化的計算行程時間變化。

圖 井間數據分析:(a)P波(b)SH波和(c)SV波的歸一化波速相對于基線的時間變化(百分比)
圖中時間變化顯示了CO2氣體的影響。即使在第0天不同深度的注入開始不久,也可以看到變化。在約64m處,注入區沒有或只有輕微變化。顯著變化從第2天和第3天開始,深度約為38至40m。這對應于地震速度從約2180m/s下降至2140m/s。b和圖c顯示了注入點附近下部區域SH和SV波速計算得出的速度下降。

(a)基線P波和(b)第4天數據的層析成像反演結果以及(c)差異層析圖((基線-第4天)/基線)

如上圖,P波層析成像結果表明,水平分層沉積具有交替的高速和低速區,即低滲透性或高滲透性沉積物。

基線數據和注入CO2第4天采集的數據之間的兩個P波層析圖像的比較表明,CO2沿著上層賦存層內的高滲透帶遷移。

差異層析圖中可以看到高達7%的速度變化。該區域與最可能充當CO2賦存層的厚粘土層有關。在40m深度以下,可以看到小于2%的極小變化。


成果校驗
分布式溫度傳感(DTS)測量的數據分析顯示,鉆孔M1、M2和M4中沒有明顯的局部溫度變化。然而,在M3中,在40 m深度附近有一個明顯的峰值,這意味著CO2從注入點相對快速地擴散到40 m深度處的觀察孔M3。這些結果與P波測量的層析反演結果一致。

(a)注入前第0天(虛線)、第2天(灰色線)和第4天(黑色線),鉆孔M3的DTS測量值隨深度變化。(b)相對于注入前水平,溫度峰值最大范圍的時間變化~40 m深度

其他可探索的應用領域
地熱
地熱能是指地殼中儲藏的熱能,其主要來源于地球內部的放射性元素衰變產生的熱能。地熱能被視為一種清潔、可再生的能源。而TOMO1000深部跨孔層析成像系統則可以在地熱能的探測、開發和利用中發揮關鍵作用。
這個設備能夠在相當大的深度(1000米)上進行高精度探測,這是地熱資源勘探中的重要需求,因為地熱能通常位于地表以下的深度。
  • 詳細的地下結構信息:這種設備可以提供詳細的地下結構信息,包括地質層的分布、厚度、角度、深度等,識別潛在的地熱區域,比如裂縫、斷裂帶,幫助我們更準確地理解地熱資源的地理分布和規模。
  • 優化鉆井位置:對于地熱鉆井,預先獲得精確的地下信息是非常重要的,可以幫助工程師選擇最佳的鉆井位置和路徑,避免無效鉆探,節約成本。
  • 監控地熱資源的變化:在地熱能發電站開始運營后,這種設備還可以用于監控地熱資源的變化,比如監測熱儲層的壓力變化、溫度變化、水位變化等,有助于對地熱能的可持續開發和管理。
  • 評估地熱資源的可行性和經濟性:通過這種設備獲得的詳細信息,可以幫助評估地熱資源的可開發性和經濟性,為決策者提供更準確的數據支持。
  • 環境影響評估:在某些情況下,地熱開發可能會對周圍的環境產生影響,例如地質環境的改變、地殼穩定性等。使用這種設備,可以更準確地評估這些影響,幫助設計出更環保的開發方案。
深層礦產
在礦產勘探和開采方面,TOMO1000深部跨孔層析成像系統可以提供關鍵的地質信息,幫助找到礦產資源并評估其規模。
  • 礦產勘查:通過產生高頻P波,TOMO1000可以對地下深度達到1000米的地質結構進行探測,幫助找到可能的礦產儲藏層。具有良好信號重復性和寬頻信號范圍的震源,使得地質探測結果更加準確,提高了找到礦產的概率。
  • 評估礦產規模:利用TOMO1000產生的地震層析圖,科研人員和工程師可以對地下的礦產儲藏層進行評估,確定其具體位置、厚度和廣度,從而預測礦產的規模。
  • 開采規劃:對地下結構的深入了解,可以幫助優化礦井的設計和開采策略,提高礦產的開采效率,降低開采成本。例如,可以在最可能找到礦產的地方鉆井,避免無效的鉆探。

需要注意的是,雖然TOMO1000不能進行實時監測,但是在開采前的勘查階段,它提供的信息對于礦產資源的有效利用是至關重要的。礦產資源是有限的,因此在開采前進行深入的地質勘查和評估是非常必要的,TOMO1000就在這方面發揮了關鍵作用。

頁巖氣
在頁巖氣(也被稱為頁巖天然氣)的勘查和開發中,TOMO1000深部跨孔層析成像系統可以發揮重要的角色。頁巖氣被儲藏在地下的頁巖層中,只有當了解了頁巖層的詳細地質結構,才能進行有效的勘查和開發。
  • 頁巖層探查:TOMO1000通過產生高頻P波,可以探測地下的地質結構,包括那些可能儲藏有頁巖氣的頁巖層。通過分析地震波在地下的傳播特性,可以推測出可能的頁巖氣儲藏區域。
  • 評估頁巖氣儲量:通過地震層析圖,科研人員和工程師可以對地下的頁巖層進行更詳細的評估,確定其具體位置、厚度和廣度,從而對潛在的頁巖氣儲量進行預測。
  • 指導鉆井位置和方法:地下結構的理解可以幫助決定最佳的鉆井位置和方法,以提高頁巖氣開采的效率和效果。例如,水力壓裂是開發頁巖氣的常用技術,對地質結構的了解可以幫助確定壓裂的最佳位置和方向。
核廢料存儲
在核廢料存儲方面,TOMO1000深部跨孔層析成像系統可以用于提供關于潛在存儲地點地質結構的重要信息。
  • 地質探查:TOMO1000通過產生高頻P波,可以對地下深度達到1000米的地質結構進行探測。這種探測有助于找到可能的地下儲存地點,如深層巖石層,這些地點可以用于長期安全地儲存核廢料。
  • 評估儲存地點:通過地震層析圖,科研人員和工程師可以對潛在的核廢料儲存地點的地質結構進行更深入的理解,評估其穩定性和長期安全性。這可能包括了解地下巖層的厚度、硬度、地震活動情況,以及地下水流動情況等。
  • 儲存策略規劃:了解地質結構有助于規劃如何最安全、最有效地存儲核廢料。例如,儲存策略可能包括在何處和如何深度鉆孔,以及如何封堵和監測儲存地點。
總的來說,TOMO1000深部跨孔層析成像系統在提供深度和精度的地質信息方面具有顯著優勢,對于各類地下資源的勘查和管理有著廣泛的應用前景。

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