平顶山地下盐穴储气库建库盐层分布预测

张 博,安国印,刘团辉，王文权，赵明千，高 燕

(1.华北油田公司勘探开发研究院,河北 任丘 062552；2.华北石油管理局江苏储气库分公司，江苏 镇江 212000；3.华北油田公司 煤层气与储气库事业部，河北 任丘 062552)

盐岩具有极低的孔隙度、渗透率，力学性能稳定，地下盐层是储存天然气的极佳场所。盐穴型地下储气库是用人工溶漓采矿的方式，将淡水或低浓度卤水通过井眼注入盐层中形成盐腔进而储存天然气[1-2]。自20世纪60年代开始，欧美开始使用地下盐腔建造储气库，截至2020-02世界范围内共有108座已建成投产的盐穴储气库[3-4]。

我国随着“西气东输”、“中俄东线”等重要管线的运行或启动，对地下储气库的建设需求越来越高。国内东南部地区经济发达，但油气勘探程度低，相较华北、东北、西南及西部地区可利用现成建库的枯竭油气藏资源有限。因此利用东南部丰富的盐矿资源建设盐穴储气库成为我国下一步建设储气库的发展方向。

理论上，地下盐层厚度与盐岩品味直接决定人工造腔体积的大小，此次研究通过重构曲线定量识别法结合BP神经网络反演识别平顶山盐穴储气库建库区域内核桃园组一段14～20盐群的盐层厚度与盐岩品味，进行建库综合地质评价，以期指导该库井位部署。

1 盐岩分布预测

平顶山盐矿位于河南省平顶山市，盐矿含盐层系古近系为核桃园组一段，含盐地层总体厚度为293 m～662 m，赋存于舞阳凹陷内，为一套中、新生界的碎屑化学岩系。核一段地层总体为“北深南浅”的特征。北部因逆断层挤压作用在中北部形成一个断隆，断隆的东西部分别为两个次凹，向南地层开始抬升，南部又因正断层的存在地层受到切割而变得破碎(图1)。

1.1 盐岩特性

在实际生产过程中，前人通常使用电阻率曲线、井径曲线及自然伽马曲线来判断盐矿含盐地层的埋藏深度与沉积厚度[5]。而在平顶山盐矿符合建库深度的区域盐岩与泥岩频繁互层，盐层大多含泥、含石膏致使品味不同，单独测井曲线难以直接通过幅度变化识别地层的变化与厚度。

目前研究区内有PZ1、PZ2、PZ3及PT1井四口井有测井数据，PZ1、PZ2井具有岩性数据。由于盐岩对于放射性元素的吸附能力远低于泥岩，所以其自然伽马曲线幅度明显低于泥岩，另盐岩密度一般低于其泥岩隔夹层[6]。因此针对其特点优先选用自然伽马与密度的测井组合来识别当地区核一段的岩性。从该地区的测井曲线交会图上可以看出盐岩与其泥岩隔夹层具有明显区别，盐岩自然伽马低(10 API～70 API)、密度低(1.95 g/cm3～2.3 g/cm3)，品味较高的盐岩与泥岩夹层可以明显区分出来(图2)。

图2 PZ1井自然伽马—密度交会图Fig.2 PZ1 well crossplot of GR and DEN

1.2 重构曲线定量法识别盐岩

据前人研究，自然伽马对薄岩层敏感，密度曲线反映宏观地层信息，因此当选用一定方法将两种曲线所包含的信息重合展示，便可通过定量分析的方法较为准确的识别盐层[7]。

(1)将对盐岩敏感的自然伽马与密度曲线进行归一化处理。公式为：

(1)

式中:x表示测井数据；xmax与xmin表示测井曲线最大值与最小值；x′表示归一化处理后的数据。

(2)将归一化处理的自然伽马、密度曲线相加，得到重构曲线(RC)，其范围在0～2之间。使用已知岩性的PZ1、PZ2井建立重构曲线RC，可见RC值与地层岩性有良好的对应关系(图3)。经两井验证，平顶山地区核一段地层盐岩RC值≤1、泥岩RC值≥1。将该方法应用至无具体岩性数据的PT1、PZ3井，其盐岩品味最高的14～20盐群使用重构曲线法识别相对误差低于3%(表1)。

图3 重构曲线识别盐层Fig.3 Refactoring curve identifies the salt horizon

表1 平顶山核一段重构曲线法识别盐层结果对比Tab.1 Results contrast of refactoring curve identifies the salt horizon

1.3 BP神经网络反演预测盐岩分布

BP神经网络反演是在非线性理论的基础上，可将该工区内PZ1、PZ2、PZ3及PT1四口已知井的重构曲线及井旁地震道数据输入到BP神经网络中进行整体训练，在层位约束下获取RC幅度与地震数据之间的综合非线性映射关系，来实现对该地区盐层厚度的预测[8-9]。

BP神经网络反演的特点是不局限于波阻抗、速度等属性反演，其还可对任意曲线数据进行反演[10]。因此理论上只要保证重构曲线RC与盐层密切相关，即可保证反演结果的清晰可靠。

图4为运用BP神经网络反演后核一段14～20盐群厚度预测结果。工区内共4口井为反演井，1口当地盐企采卤老井D1井为验证井对盐层预测结果进行精度分析(D1采卤井仅有岩层厚度数据)。表2为BP神经网络反演结果精度分析值，从表2可以看出，在D1井没有参与进反演运算的情况下，预测盐层厚度与钻井揭露盐岩厚度绝对误差为-7 m～4 m。整体看运用重构曲线RC进行BP神经网络反演获取的盐层厚度的误差较小，可信度高。

图4 14～20盐群盐层厚度预测图Fig.4 Thickness prediction chart of 14～20 salt horizon

表2 BP神经网络反演结果精度分析Tab.2 Accuracy analysis of BP neural network inversion results

同时利用盐岩纵波阻抗高的特点进行常规波阻抗反演与BP神经网络反演结果进行对比(图5)。图6(上)是基于遗传算法利用重构曲线的BP神经网络反演的剖面，剖面中深色为RC值较低的盐岩；图6(下)是叠前弹性参数反演的纵波阻抗剖面，剖面中深色为纵波阻抗高的盐岩。

图6 BP神经网络反演(上)与波阻抗反演(下)剖面对比Fig.6 Profile contrast of BP neural network inversion(up) and wave impedance inversion(down)

从剖面中明显可以看出，基于重构曲线RC的BP神经网络反演在对该地区浅层1～7盐群石膏质盐岩与泥质盐岩的预测精度大幅提升，核一段整体盐化—淡化的中短期旋回分辨明显，泥岩隔夹层识别清晰。综合判断BP神经网络反演在该地区预测结果较波阻抗反演更加精确、可信度更高。BP神经网络反演结合重构测井曲线建立适用于该地区“测井定量选优、地震反演寻盐” 的技术路线。

2 盐岩品味预测

除了盐层厚度，盐岩品味是另一个影响地下盐穴储气库造腔体积的重要因素。盐岩中包含的不溶物以及泥岩隔夹层垮塌后水化膨胀，会极大侵占盐腔体积。在溶腔过程中，盐岩品味越高形成的不溶物越少，腔体建成后有效体积就越大，相对应形成的工作气能力就越大。因此在前期地质综合评价中对含盐地层盐岩品味的预测十分重要。

2.1 重构曲线计算盐岩品味

盐岩品味越高，其自然伽马与密度曲线的变化幅度就越大[5]。因此重构曲线RC不仅能准确地识别盐层的厚度与变化，同样也可以快速定量计算盐岩品味。如图7所示，揭露地层最全面的PZ2井核一段含盐地层重构曲线RC数值与试验所得的精确盐岩品味数据明显成反相关。

图7 PZ2井核一段重构曲线与试验盐岩品味相关性Fig.7 Correlation of refactoring curve and percentage of salt rock

利用重构曲线与试验数据进行相关性分析，趋势线公式为：

WRC=(-66.927×RC+120.83)×100%

(2)

WRC为通过盐岩重构曲线计算得到的盐岩品味，相关系数R2=0.953。重构曲线与试验数据关系见图8。

图8 重构曲线与试验数据关系图Fig.8 Relational graph of refactoring curve and experimental data

2.2 盐岩品味预测

(1) 将公式(2)代入PZ1、PZ2、PZ3、PT1四口已知井，得到四口井的盐岩品味识别曲线。 在与试验数据的对比中可以看出，预测数据与试验数据基本吻合(表3)，误差范围在0.04%～2.87%之间，盐岩品味识别曲线WRC基本可信。

表3 PZ1、PZ2井盐岩品味计算结果对比Tab.3 Comparison of PZ1 and PZ2 well percentage calculation results

(2)在模型控制下，将PZ1、PZ2、PZ3、PT1的曲线及地震数据输入BP神经网络进行反演，完成对平顶山地区核一段地层盐岩品味的预测。沿解释层位提取各盐群平面盐岩品味等值线图，如图9所示，该地区盐层最厚的14～20盐群盐岩品味最高区域为PZ3至PT1井区附近，品味范围为70%～95%。

图9 平顶山核一段14盐群、18盐群含盐百分量平面图Fig.9 Plan of salt percentage in 14 and 18 salt horizon

3 建库区域选择

3.1 建库区域选址原则

为保障国家能源供应的安全与稳定，盐穴储气库的设计运行时间一般超过50 a。地下盐腔在运行过程中受到多场应力和周期注采交变荷载的作用，受力情况复杂，国际上盐穴储气库事故屡有发生。另外盐穴储气库建设时间长、投资成本大，其选址范围就必须遵循以下两点原则：

(1) 安全性原则。出于盐腔稳定性考虑，建库应选址构造平缓、沉积稳定、构造活动相对较弱区域；盐岩随着埋深增加，其流动性增强，一般认为建库深度不宜超过2 000 m[11]；另外考虑盐腔的密闭性，腔体应至少避开断层100 m以上。

(2) 经济性原则。盐穴储气库的造腔成本与溶腔时间密切相关。盐层品味越高，不溶物含量越少，溶漓难度越小，造腔时间越短；盐层厚度越大，形成腔体体积越大，投资回报率越高。通常认为，盐层品味60%、盐层厚度120 m为盐穴造腔最低标准[12]。

3.2 建库区域优选

对平顶山区域核一段盐层进行厚度与品味的综合评价后，结合选址原则对建库区域进行优选。平顶山地区核一段14～20盐群斜坡带地层稳定、构造简单，内部断层不发育，顶部埋深为2 100 m～1 300 m；盐层最厚处为260 m；盐岩品味范围为70%～95%。综合分析，该区域盐层厚、品位高、埋深适中，面积11.9 8 km2，为选址最优选择(图10)。

图10 平顶山地下盐穴储气库建库区域Fig.10 Building area of Pingdingshan underground salt-cavern gas storage

4 结论

1)盐岩具有低自然伽马、低密度的特性，利用重构曲线法可以综合展示自然伽马与密度曲线所包含的信息，进而准确划分盐层。

2)运用BP神经网络反演可以将重构曲线参与运算，可以较为准确的预测盐层厚度，与钻井厚度相比误差较小。

3)该地区斜坡带核一段14～20盐群为建设盐穴储气库有利区域。