張 博,安國(guó)印,劉團(tuán)輝，王文權(quán)，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(chǔ)氣庫(kù)分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.華北油田公司 煤層氣與儲(chǔ)氣庫(kù)事業(yè)部，河北 任丘 062552)

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

我國(guó)隨著“西氣東輸”、“中俄東線”等重要管線的運(yùn)行或啟動(dòng)，對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)需求越來(lái)越高。國(guó)內(nèi)東南部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，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(xiàn)成建庫(kù)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(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)成為我國(guó)下一步建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)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(guò)重構(gòu)曲線定量識(shí)別法結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演識(shí)別平頂山鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)區(qū)域內(nèi)核桃園組一段14～20鹽群的鹽層厚度與鹽巖品味，進(jìn)行建庫(kù)綜合地質(zhì)評(píng)價(jià)，以期指導(dǎo)該庫(kù)井位部署。

1 鹽巖分布預(yù)測(cè)

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(yáng)凹陷內(nèi)，為一套中、新生界的碎屑化學(xué)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(gè)斷隆，斷隆的東西部分別為兩個(gè)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(lái)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(kù)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(dú)測(cè)井曲線難以直接通過(guò)幅度變化識(shí)別地層的變化與厚度。

目前研究區(qū)內(nèi)有PZ1、PZ2、PZ3及PT1井四口井有測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，PZ1、PZ2井具有巖性數(shù)據(jù)。由于鹽巖對(duì)于放射性元素的吸附能力遠(yuǎn)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(duì)其特點(diǎn)優(yōu)先選用自然伽馬與密度的測(cè)井組合來(lái)識(shí)別當(dāng)?shù)貐^(qū)核一段的巖性。從該地區(qū)的測(cè)井曲線交會(huì)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(lái)(圖2)。

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

1.2 重構(gòu)曲線定量法識(shí)別鹽巖

據(jù)前人研究，自然伽馬對(duì)薄巖層敏感，密度曲線反映宏觀地層信息，因此當(dāng)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(guò)定量分析的方法較為準(zhǔn)確的識(shí)別鹽層[7]。

(1)將對(duì)鹽巖敏感的自然伽馬與密度曲線進(jìn)行歸一化處理。公式為：

(1)

式中:x表示測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)；xmax與xmin表示測(cè)井曲線最大值與最小值；x′表示歸一化處理后的數(shù)據(jù)。

(2)將歸一化處理的自然伽馬、密度曲線相加，得到重構(gòu)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(gòu)曲線RC，可見RC值與地層巖性有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖3)。經(jīng)兩井驗(yàn)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(yīng)用至無(wú)具體巖性數(shù)據(jù)的PT1、PZ3井，其鹽巖品味最高的14～20鹽群使用重構(gòu)曲線法識(shí)別相對(duì)誤差低于3%(表1)。

圖3 重構(gòu)曲線識(shí)別鹽層Fig.3 Refactoring curve identifies the salt horizon

表1 平頂山核一段重構(gòu)曲線法識(shí)別鹽層結(jié)果對(duì)比Tab.1 Results contrast of refactoring curve identifies the salt horizon

1.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演預(yù)測(cè)鹽巖分布

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演是在非線性理論的基礎(chǔ)上，可將該工區(qū)內(nèi)PZ1、PZ2、PZ3及PT1四口已知井的重構(gòu)曲線及井旁地震道數(shù)據(jù)輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行整體訓(xùn)練，在層位約束下獲取RC幅度與地震數(shù)據(jù)之間的綜合非線性映射關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該地區(qū)鹽層厚度的預(yù)測(cè)[8-9]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演的特點(diǎn)是不局限于波阻抗、速度等屬性反演，其還可對(duì)任意曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行反演[10]。因此理論上只要保證重構(gòu)曲線RC與鹽層密切相關(guān)，即可保證反演結(jié)果的清晰可靠。

圖4為運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演后核一段14～20鹽群厚度預(yù)測(cè)結(jié)果。工區(qū)內(nèi)共4口井為反演井，1口當(dāng)?shù)佧}企采鹵老井D1井為驗(yàn)證井對(duì)鹽層預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行精度分析(D1采鹵井僅有巖層厚度數(shù)據(jù))。表2為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演結(jié)果精度分析值，從表2可以看出，在D1井沒(méi)有參與進(jìn)反演運(yùn)算的情況下，預(yù)測(cè)鹽層厚度與鉆井揭露鹽巖厚度絕對(duì)誤差為-7 m～4 m。整體看運(yùn)用重構(gòu)曲線RC進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yù)測(cè)圖Fig.4 Thickness prediction chart of 14～20 salt horizon

表2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演結(jié)果精度分析Tab.2 Accuracy analysis of BP neural network inversion results

同時(shí)利用鹽巖縱波阻抗高的特點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)波阻抗反演與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖5)。圖6(上)是基于遺傳算法利用重構(gòu)曲線的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演(上)與波阻抗反演(下)剖面對(duì)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(gòu)曲線RC的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演在對(duì)該地區(qū)淺層1～7鹽群石膏質(zhì)鹽巖與泥質(zhì)鹽巖的預(yù)測(cè)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(shí)別清晰。綜合判斷BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演在該地區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果較波阻抗反演更加精確、可信度更高。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演結(jié)合重構(gòu)測(cè)井曲線建立適用于該地區(qū)“測(cè)井定量選優(yōu)、地震反演尋鹽” 的技術(shù)路線。

2 鹽巖品味預(yù)測(cè)

除了鹽層厚度，鹽巖品味是另一個(gè)影響地下鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(huì)極大侵占鹽腔體積。在溶腔過(guò)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(duì)應(yīng)形成的工作氣能力就越大。因此在前期地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中對(duì)含鹽地層鹽巖品味的預(yù)測(cè)十分重要。

2.1 重構(gòu)曲線計(jì)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(gòu)曲線RC不僅能準(zhǔn)確地識(shí)別鹽層的厚度與變化，同樣也可以快速定量計(jì)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(gòu)曲線RC數(shù)值與試驗(yàn)所得的精確鹽巖品味數(shù)據(jù)明顯成反相關(guān)。

圖7 PZ2井核一段重構(gòu)曲線與試驗(yàn)鹽巖品味相關(guān)性Fig.7 Correlation of refactoring curve and percentage of salt rock

利用重構(gòu)曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，趨勢(shì)線公式為：

WRC=(-66.927×RC+120.83)×100%

(2)

WRC為通過(guò)鹽巖重構(gòu)曲線計(jì)算得到的鹽巖品味，相關(guān)系數(shù)R2=0.953。重構(gòu)曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系見圖8。

圖8 重構(gòu)曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系圖Fig.8 Relational graph of refactoring curve and experimental data

2.2 鹽巖品味預(yù)測(cè)

(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(shí)別曲線。 在與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比中可以看出，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合(表3)，誤差范圍在0.04%～2.87%之間，鹽巖品味識(shí)別曲線WRC基本可信。

表3 PZ1、PZ2井鹽巖品味計(jì)算結(jié)果對(duì)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(shù)據(jù)輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反演，完成對(duì)平頂山地區(qū)核一段地層鹽巖品味的預(yù)測(cè)。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?yàn)镻Z3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(kù)區(qū)域選擇

3.1 建庫(kù)區(qū)域選址原則

為保障國(guó)家能源供應(yīng)的安全與穩(wěn)定，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間一般超過(guò)50 a。地下鹽腔在運(yùn)行過(guò)程中受到多場(chǎng)應(yīng)力和周期注采交變荷載的作用，受力情況復(fù)雜，國(guó)際上鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)事故屢有發(fā)生。另外鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)、投資成本大，其選址范圍就必須遵循以下兩點(diǎn)原則：

(1) 安全性原則。出于鹽腔穩(wěn)定性考慮，建庫(kù)應(yīng)選址構(gòu)造平緩、沉積穩(wěn)定、構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱區(qū)域；鹽巖隨著埋深增加，其流動(dòng)性增強(qiáng)，一般認(rèn)為建庫(kù)深度不宜超過(guò)2 000 m[11]；另外考慮鹽腔的密閉性，腔體應(yīng)至少避開斷層100 m以上。

(2) 經(jīng)濟(jì)性原則。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的造腔成本與溶腔時(shí)間密切相關(guān)。鹽層品味越高，不溶物含量越少，溶漓難度越小，造腔時(shí)間越短；鹽層厚度越大，形成腔體體積越大，投資回報(bào)率越高。通常認(rèn)為，鹽層品味60%、鹽層厚度120 m為鹽穴造腔最低標(biāo)準(zhǔn)[12]。

3.2 建庫(kù)區(qū)域優(yōu)選

對(duì)平頂山區(qū)域核一段鹽層進(jìn)行厚度與品味的綜合評(píng)價(jià)后，結(jié)合選址原則對(duì)建庫(kù)區(qū)域進(jìn)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(gòu)造簡(jiǎn)單，內(nèi)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(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)區(qū)域Fig.10 Building area of Pingdingshan underground salt-cavern gas storage

4 結(jié)論

1)鹽巖具有低自然伽馬、低密度的特性，利用重構(gòu)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(jìn)而準(zhǔn)確劃分鹽層。

2)運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演可以將重構(gòu)曲線參與運(yùn)算，可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)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(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)有利區(qū)域。