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2025 , Vol. 40 >Issue 2: 460 - 471

DOI: https://doi.org/10.6038/pg2025II0048

Overview of seismic exploration for hot dry rock reservoirs

  • Ming MA ,
  • Feng MA , *
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  • Technology Innovation Center of Geothermal and Hot Dry Rock Exploration and Development, Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Xiamen 361000, China

Received date: 2024-05-25

  Online published: 2025-05-09

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Copyright ©2025 Progress in Geophysics. All rights reserved.
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Abstract

As a significant occurrence of geothermal resources, the energy stored in subsurface hot dry rock reservoirs can be extracted via Enhanced Geothermal System (EGS). Highly efficient exploration for deep hot dry rock would assist the achievement of energy transition and dual carbon goals. Some benefits of seismic prospecting include high resolution, super deep exploration and controllable deployment, which means this technique cannot be replaced in meticulous depiction of reservoirs and identification of natural fractures zone. So as to investigate the updated progress in seismic exploration for hot dry rock and provide certain valuable references, we have classified the application of active source seismic methods in terms of different strategies. Data processing, interpretation and inversion techniques are utilized in accurate imaging of structures, estimation of rock physical parameters, and dynamic monitoring of EGS exploitation. Besides, we verified that integrated seismic and other geophysical exploration can promote the exactitude in determination of well location and receivers' layout. The summarized concepts in this paper may be useful for researchers to acquire the information of seismic methods for hot dry rock prospecting effectively.

Key words： Hot dry rock; Seismic exploration with active source; Temperature field inversion

Cite this article

Ming MA , Feng MA . Overview of seismic exploration for hot dry rock reservoirs[J]. Progress in Geophysics, 2025 , 40(2) : 460 -471 . DOI: 10.6038/pg2025II0048

0 引言

伴随着全球多元化“新能源时代”转型及我国能源结构调整的趋势下，绿色低碳可持续发展的重任日益凸显(李根生等, 2022).“大力开发清洁可再生能源，契合我国能源重大战略需求”是现阶段国家能源布局的重要导向.而地热能作为重要的清洁能源，具有低碳环保，稳定高效等特点(周总瑛等, 2015).相较于其他清洁能源，地热能不受季节气候及外界因素干扰，是一种易实现并具有竞争力的新能源.依照赋存方式，地热能可以划分为干热和水热两种类型.而目前我国地热能开发以水热型为主，中低温地热直接利用占比高，高温干热岩地热开发尚处于起步阶段(贾艳雨等, 2021; 汪集旸等, 2012; 谢文苹等, 2020; 张英等, 2017).干热岩是不含或仅含少量流体，温度高于180 ℃，埋深3~10 km，其富含的热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体(Brown et al., 2012; 国家能源局, 2018).结合地质构造背景条件，我国干热岩资源按照不同成因机制主要可分为高放射产热型、沉积盆地型、近代火山型和强烈构造活动带型等四种(王贵玲等, 2017; 蔺文静等, 2021).明确类型及成藏条件等地质因素后需要借助遥感、地球物理、地球化学等技术手段开展对相关地区的普查及详查(王丹凤和程剑峰, 2023).热储富集区的精确定位、热储资源评价以及开采地质环境调查能够为后续增强型地热系统(Enhanced Geothermal System, EGS)的部署提供保障.而利用地球物理探测手段实现干热岩靶区圈定的重要前提是干热岩储层与背景岩层存在明显的物性差异(王凯, 2022; 张杰等, 2022; 赵雪宇等, 2015).
类似于油气成藏的“生储盖圈运保”条件，干热岩地区的“源”、“储”、“盖”不同部位同样能够引起地球物理场的变化.由于高温岩体与围岩的电性差异较为明显，电法及电磁法探测技术通过捕获该异常以便实现基底、盖层、热储层的准确定位.同时其成本低、效率高的优势也确保电、磁法技术在普查阶段的广泛应用(Thiel et al., 2011; 孙知新等, 2011; 薛建球等, 2013).重力异常对于基底构造的隆起或凹陷、断裂构造位置及走向相对明显，同时高温导致岩石密度变低，表现为负重力异常.因此航空重力方法通常用于对控制地热区域构造，火成岩及基底埋深等进行初探及计算(陈雄, 2016).航空磁测方法同样凭借其便捷部署的特点，可以对高大地热流值表现出的磁场负异常进行探测解译(杨冶等, 2019).然而，对于深部干热岩储层精细刻画需求及开发井位预测任务，基于干热岩储层重力场及电、磁场差异的勘探方法在尺度及分辨能力方面存在一定的局限性.
主动源地震勘探技术作为一种地下深部高精度探测方法，广泛应用于油气资源勘探开发的各个环节.无论在油气圈闭区域普查阶段的定性解释及油气藏的定量分析方面，主动源地震勘探在勘探深度及精度方面能够取得很好的折中(Ma et al., 2019; Zhang and Castagna, 2011).其是通过人工激发地震波，记录分析与储层相关的反射波、绕射波、折射波等物理场，研究地震波在地下介质中传播的情况，查明地下地质构造及物性信息的地球物理探测技术(陆基孟和王永刚, 2011).而被动源地震是利用地震台站监测地层中微地震活动产生的地震波，运用地震学方法反演岩石弹性参数的勘探技术(Deng et al., 2023).主动源地震勘探技术在一定程度上弥补了重磁电及微震方法勘探的不足，获得的剖面或三维数据体在评价区的地热储层刻画方面是可靠的资料(高万里等, 2023; Lin et al., 2023a).但其相对成本高且陆地部署受到地形环境等影响，在资源普查阶段部署其他物探技术更为合适.
鉴于地震勘探在地下结构成像，断裂识别方面具有的独特优势，地热地质精细模型及热源机制的建立需要依赖主动源地震信息(Barison et al., 2023; He et al., 2018; Krawczyk et al., 2019; 孙党生等, 2002; 王凯等, 2021; 岳航羽等, 2022).但是在深部干热岩储层预测、断裂位置空间形态以及裂隙发育精细刻画等方面，我国主动源地震勘探的部署相对欠缺.美国和冰岛等国家利用地震偏移成像结果实现地热储层断裂的识别，同时开展叠前及多波地震数据对热储层物性特征进行定量反演，明显提高了地热勘探的精度.因此，基于主动源地震勘探实现干热岩靶区内深部热储结构精细描绘及物性参数反演是现阶段国内需要侧重的研究方向.
图 1为基于地震弹性波场的深部干热岩储勘探开发方法部署情况.其中主动源地震勘探方法主要用于对热储富集区的探测以及为后续定井提供参考资料.主要包含两个方面的应用：利用主动源地震数据对探区内储层特征进行精细成像，即热储的裂缝以及控制热储形态的断裂位置；干热岩物性参数反演，即对直观反映热储资源的温度场进行反演以及特殊构造的物性反演，例如各向异性参数.而被动源地震主要用于开发监测阶段，其探测机理(低频面波、背景噪声)及精确度与主动源地震差异较大，因此本次调研不涉及该方向.
图1 地震勘探方法在干热岩资源探测及开发中的应用

Fig 1 Application of seismic exploration in hot dry rock reservoir prospecting and exploitation

1 深部干热岩储构造精细成像

无论是高放射性产热型干热岩靶区盖层及深部断裂空间位置还是沉积盆地型干热岩基岩凹凸构造格局，主动源地震勘探在识别定位这些目标方面存在巨大潜力.同时对于近代火山型和强烈构造活动带型干热岩资源中侵入体准确定位及几何形态刻画任务，主动源地震勘探技术亦能够完成，并且在深度和成像精度方面优于其他物探技术.
常规反射波地震勘探技术应用于干热岩地区勘查的主要切入点是地下构造纵横波速度以及衰减系数差异.深部大偏移距地震折射波场及反射波场在断层发育充分的热储结构探测应用成果显著.绕射波、偏移速度模型等能够直观反映深部介质的波场响应及数据体也对地震数据解释工作起到辅助作用(Casini et al., 2010; Hloušek et al., 2015; Jusri et al., 2019; Kana et al., 2015; Lin et al., 2023b; Salaun et al., 2020; Sena-Lozoya et al., 2020; Wright et al., 1985; 马铭和包乾宗, 2023).区别于水热型地热资源埋深浅、地震异常明显，深部干热岩型地热储层的反射信号受到激发条件及浅层强衰减环境影响.另一方面，储层与盖层的强阻抗、储层内部的弱反射、高温岩石甚至是流体因素均会导致主动源地震勘探精度降低(Zollo et al., 2008; Fu et al., 2022).因此合理的观测系统设计、宽频带震源及激发能量是保证高信噪比、超深数据采集的关键(Wang et al., 2023).高品质的二维叠后地震偏移剖面或三维地震数据体均能够通过解释得到地层及特殊构造的空间展布形态.国内外针对干热岩储层构造识别主要围绕在寻找贯穿基岩的断层系统及有利于热流富集的深部结构.Peña-Domínguez等(2022)利用二维深地震剖面解释得到的断层系统对Wagner盆地内热流图进行校正，进一步刻画了控制热流异常的地质特征.Aladro等(2022)等通过地震成像剖面标定Cerro Prieto沉积岩型地热系统中两套地震层位，结合地震属性分析进一步揭示了一系列熔岩侵入体在该区域内产生新的地热系统，并指出了潜在的地热前景.而三维地震数据体的应用能够从层速度、地震波运动学和动力学属性、断裂模式、渗透性结构方面实现对区域性热储准确定位及评价(Lüschen et al., 2014).海量数据及叠前偏移成像技术的发展使得利用方位角信息共同约束干热岩储层内部各向异性特征成为可能(Lüschen et al., 2015).
图 2为针对干热岩探区内三维高密度采集技术得到的地震数据分辨率分析结果.当观测系统面元为20 m时，即低密度采集，三维地震数据体的时间切片振幅同相轴延伸范围大，波形旁瓣多；而面元降低到10 m时，即高密度采集，横向时间切片上地震波形集中，同相轴压缩，分辨率提高，能够反映出更多细节.因此，在保证野外施工效率及宽频带地震震源激发的同时，合理设计针对干热岩目的层的高密度采集观测系统能够对后续构造解释精度的提升起到重要作用.
图2 干热岩探区内高密度采集不同面元参数对视分辨率的影响

(a)面元为20 m；(b)面元为10 m (Wang et al., 2023).

Fig 2 The influence of high-density acquisition of different bin sizes on visual resolution in hot dry rock exploration area

(a) The bin size is 20 m; (b) The bin size is 10 m (Wang et al., 2023).

1.1 干热岩储断控构造精确成像

主动源地震数据处理流程中偏移成像结果能够直观反映干热岩靶区内地下构造形态及地层结构.因此现阶段国内外地热储层精细刻画均围绕在高分辨率成像数据体方面展开.区别于传统的时间域地震剖面追踪层位来识别有利构造，地震深度偏移成像能够尽可能的输出原始地下介质对应的波场情况.无论是断层系统性质识别(断面、断距)还是沉积相识别，直接输出深度域高分辨率的地震偏移结果能够更为系统地提供工作区内支撑资料.结合合理的地质背景最终完成干热岩储层特征捕获及预测工作.
图 3为不同偏移方法输出的沉积盆地干热岩探区内地下构造成像结果.传统的Kirchhoff叠后时间偏移结果对于基岩上方的沉积岩盖层中小尺度反射体成像效果并不理想，并且同相轴对应的是双程走时位置，无法直观反映储层埋深(图 3a). 通过测井数据建立偏移速度模型(图 3b)并部署基于Kirchhoff积分的叠后深度偏移方法，输出的成像剖面在质量上有所改善，同相轴连续性提高，分辨率提升(图 3c).然而对于基岩位置处的小断裂构造显示并不理想.虽然叠加后偏移的处理方案在一定程度上提高了剖面的信噪比，但是反射点不重叠导致对于异常构造成像精度降低.Kirchhoff叠前深度偏移技术的应用能够大幅度改善不连续构造的成像质量.在保证深度域处理数据的同时符合地下实际地质情况，最终成像剖面的细节更为合理丰富(图 3d).基岩反射同相轴4处不连续反映了小断裂的特征，可能为潜在的热储通道(黑色箭头).因此，更为先进的主动源地震数据处理方法能够实现深部干热岩储富集区空间分辨率信息提取，在探测深度和精度上做到平衡.三维地震数据叠前深度偏移技术的不断发展能够更好地给出地热复杂构造的空间展布形态及控制因素.
图3 不同地震偏移成像方法在干热岩储层地震数据中的应用

(a)叠后时间偏移剖面；(b)偏移速度模型；(c)叠后深度偏移剖面；(d)叠前深度偏移剖面(Zheng and Wang, 2023).

Fig 3 Different migration approaches applied on the 2D seismic survey

(a) The result of conventional poststack time migration; (b) Velocity model at the geothermal site built by the logging data; (c) The result of poststack depth migration; (d) The result of prestack depth migration (Zheng and Wang, 2023).

1.2 干热岩储层裂缝发育带属性分析

地震属性的加入使得对花岗岩热储顶部复杂断裂系统的解释工作更为便捷(Hu et al., 2023; Khair et al., 2015).花岗岩裂隙尺度、连通情况的直观显现为后续布井位置选取提供指导.图 4为三维地震数据用于深部花岗岩控热断层解释得到的结果.利用井数据、层位数据以及断层切片共同约束构造模型的三维形态，同时得到的偏移速度模型用于校正目的层深度.在深度域进行断控系统的识别及地层划分(图 4a—c).分析对裂缝相对敏感的地震属性(振幅切片、相关、瞬时相位).获得多方位裂缝发育带表征结果，从而对潜在的热流运移通道给出直观解释(图 4d—f).
图4 三维地震数据体自动层位追踪、断层识别、属性分析技术在干热岩储层探测中的应用

(a)三维数据体断裂系统解释结果；(b)剖面目的层层位追踪结果；(c)剖面断层识别结果；(d)花岗岩热储上部深度域振幅切片；(e)深度域相关系数属性；(f)深度域瞬时相位属性(Salaun et al., 2020, 2021).

Fig 4 Application of seismic interpretation techniques structural modeling, fault description, and attribute analysis in hot dry rock reservoir exploration

(a) 3D model containing wells, horizons and fault planes; (b) Seismic cross section and interpred horizon; (c) Fault picking; (d) Depth seismic amplitude slice; (e) Coherency map; (f) Instantaneous phase attribute (Salaun et al., 2020, 2021).

图 5为澳大利亚中南Cooper盆地干热岩探区内三维地震曲率属性图像.通过地震信号提取的曲率属性能够直观显示地下小断层、裂缝组合形态.局部高曲率(数值接近于0.1)反映的是发育较为充分的小尺度断裂.而深部花岗基岩上部背斜隆起引起可能导致高渗透性的破碎区域.因此曲率属性同样能够从构造方面指示可能存在干热岩储集体.
图5 澳大利亚Cooper盆地花岗岩上部地震高分辨率曲率属性指示裂缝发育带(Khair et al., 2015)

Fig 5 Positive curvature attribute displayed on top of the basement horizon showing the faulted and highly curved locations network in the Cooper Basin of Australia (Khair et al., 2015)

2 干热岩物性参数反演

基于主动源地震数据的干热岩构造精细解释能够直观地得到热储地质结构特征.而在地热勘探开发环节关键的一系列物性参数计算方面，地震反演方法通过建立地震波场与岩石弹性参数之间的关系也能够给出直接反映热储变化的温度、孔隙度、热量富集程度等重要属性.对比水热型地热富集区，干热岩储层与周围介质的弹性参数差异并不明显.纵横波速度、密度、品质因子、裂缝密度与温度、比热容的非线性关系并不明确(Bredesen et al., 2020; Jaya et al., 2010; Soma et al., 2002)，同时地震反演问题的多解性也导致现阶段该技术在预测及开发阶段部署相对缺乏.前期国内外研究人员旨在利用地震反演技术反映深部干热岩储层裂缝特征引起的岩石物理参数变化，例如品质因子(Q)，各向异性参数等，从侧面印证热储空间形态及物性差异.由于地震波速度及密度的大小受到多种因素控制，单纯从温度变化对应波速变化的传统经验并不能将地震反演得到的纵、横波速度及密度简单映射至温度.近些年针对能够直接反映热储资源的温度场估计方面，基于不同维度地震数据反演的相关成果产出逐渐增加.后续将进一步发展改进.

2.1 热储特殊结构性质反演

深部干热岩储基岩顶部的裂缝发育有助于热流的迁移传递，相关物性参数(开度、方向等)能够更好的表征热储性质.早期Fehler和Pearson(1984)注意到裂缝系统中纵横波品质因子变化剧烈的特征并使用井间地震数据计算该衰减特征，进一步定位描述Fenton Hill干热岩储层的裂缝开度.Aleardi等(2015)针对叠前地震数据利用振幅随方位角变化分析(Amplitude Verse Azimuth, AVAZ)技术反演纵横波速度及密度.间接反映花岗岩侵入引起的基岩上部裂缝发育程度，同时确定裂缝带的空间方位.由于裂缝发育引起的地下介质符合水平各向同性介质(Horizontal Transverse Isotropy, HTI)假设，速度各向异性特征能够通过速度随方位角变化(Velocity Variation with Azimuth, VVA)分析得到，各向异性参数ε异常位置指示可能的地热储层潜力.因此干热岩储层上方裂缝应力拉升状态导致的高渗透性特征分析结果为后续实现EGS的部署给出直接参考(Asrillah et al., 2024).
图 6为德国Gross Schönebeck平原深部热储上部地层地震各向异性参数反演结果及裂缝空间展布分析.火成岩上部出现隆起导致裂缝发育，在斑砂岩统(Buntsandstein)以及二叠纪镁灰岩(Permian Zechstein)上部标定S1、X1水平层的双程走时变化可以说明区域内的隆起特征(图 6a、b).主要断裂使用黑色实线标出.以50 ms时窗宽度将反演得到的各向异性参数以及估计得到的区域内裂缝属性投影至岩层切片上.图 6c、d中颜色表示各向异性参数的大小，相对黑色线段方向表示裂缝发育方向，线段长度表示各向异性参数大小.通过隆起区域裂缝发育情况间接给出可能的热流运移通道，为后续EGS实施提供辅助参考.
图6 S1、X1目的层双程走时分布(a, b)及对应层位计算得到的各向异性参数ε(c, d)，同时估算得到区域内裂缝分布情况(Asrillah et al., 2024)

Fig 6 Analysis of horizon S1 and of the horizon X1 showing the colourcoded two-way travel time (a, b) and the magnitude of anisotropy ε and inferred fracture orientation (c, d) (Asrillah et al., 2024)

2.2 干热岩储层温度分布直接反演

基于孔隙弹性岩石物理模型，纵横波速度、品质因子与温度、压力以及孔隙度存在复杂的非线性映射关系.通过叠前地震数据及测井数据首先反演得到纵波速度、纵横波速比以及密度，再根据岩石物理模型(如改进的Biot-Rayleigh模型)计算得到岩石温度、孔隙压力等.图 7为测井曲线约束下叠前地震反演得到的目的层纵横波速比结合叠后数据估计的Q模型计算得到的温度、压力以及孔隙度结果.分析高温岩体的温度分布以及孔隙度变化情况，为后续超深干热岩储层资源量估算及制定开采方案提供直观的数据支持.
图7 叠前地震数据反演得到的纵波阻抗(a)，纵横波速度比Vp/Vs(b)，利用峰值频率估计得到的Q模型(c)，通过速度及衰减参数计算得到的温度分布(d)及压力分布(e).利用反演参数计算得到的岩石孔隙度(f)(Wei et al., 2021)

Fig 7 Inverted (a) P-wave impedance and (b) Vp/Vs ratio profiles of the survey line crossing three wells with prestack seismic data. (c) seismic attenuation, (d) temperature, (e) differential pressure, and (f) porosity profiles of the survey line crossing three wells based on the built rock physics model (Wei et al., 2021)

同样在高温环境下岩体发生热膨胀现象，低孔隙度的致密干热岩表现出纵横波速度整体降低的趋势，对于不同矿物含量的储层岩体具体变化存在差异.利用矿物成分分析技术建立靶区内储层的岩石物理模型，确定弹性参数矩阵中元素的取值，用于修正孔隙度与速度、密度之间的映射, 可以得到温度与横波速度和密度之间对应关系.因此，综合利用温度测井曲线、钻孔岩心以及叠前角度域地震数据能够推算得到花岗岩温度扩散趋势.最终实现探区内未布井位置的温度场精细预测.
图 8为青海共和盆地干热岩储层内四处井钻取的花岗岩心实验室测定温度与速度之间的关系.当温度在140 ℃以下变化时，纵横波速度随着温度的升高而降低；在140~160 ℃范围内，速度均有不同程度的跳跃，随后继续下降.通常情况下横波速度随温度变化趋势明显强于纵波速度，因此利用横波速度以及密度的变化间接反映温度扩散情况更为可靠.图 9为叠前振幅随角度变化(Amplitude Variation with Angle of Incidence, AVA)反演方法得到探区内过井剖面的横波速度以及密度变化.在深度为3.5 km(双程走时2000 ms)处出现横波速度达到峰值以及密度降低的现象.结合温度测井曲线可以确定干热岩的热膨胀在180 ℃达到最大，从而产生孔隙空间.结合工区内三维地震反演得到的速度密度数据，最终能够预测盆地内深部干热岩的温度分布情况(图 9c).
图8 共和盆地不同井位干热岩储层岩心实验室测量地震波速度与温度的变化关系

(a)沟后区域岩心测量曲线；(b)井-2区域测量结果；(c)井-5区域测量结果；(d)井-7区域测量结果(Peng et al., 2023).

Fig 8 Longitudinal and transverse wave velocity measurements from 20 ℃ to 220 ℃ on four granite outcrop rock samples from the Gonghe Basin

(a) Core measurement curves in the Gouhou area; (b) Measurement results of 2-wel area; (c) Measurement results of 5-wel area; (d) Measurement results of 7-wel area (Peng et al., 2023).

图9 过井地震剖面叠前反演结果与三维温度分布估计结果

(a)横波速度反演结果；(b)密度反演结果；(c)三维地震数据体温度估计结果(Peng et al., 2023).

Fig 9 Prestack inversion results and 3D temperature distribution estimation results of cross well seismic profiles

(a) Transverse wave velocity inversion results; (b) Density inversion results; (c) Temperature estimation results of 3D seismic data (Peng et al., 2023).

3 结论及认识

现阶段针对深部干热岩储层主动源地震勘探技术相较于其他物探方法在分辨率和探测深度上具有不可替代的作用.地震反射、绕射波场等有效信号不但在储层的精细刻画方面起到指示作用，同时结合波动方程及岩石物理模型能够实现干热岩储的物性参数反演.区别于被动源地震方法，主动源地震勘探在精度、可控性和探测空间范围方面均表现出优势.提供的解释及反演结果对干热岩靶区选址和开采井位优选起到重要参考作用.
干热岩储层由于热膨胀以及深部构造运动产生的裂缝发育带等具有独特的地震波响应，通过捕获相关的波场特征并优化成像方法，是主动源地震技术在干热岩探测方面的主要应用方向.而岩石温度场参数与弹性波场的异常之间联系并不直观.传统地震反演计算得到的干热岩纵横波速度、密度受到包括温度等多个变量综合影响.因此通过建立各个参数之间的非线性关系实现对温度场的估计同样无法避免多解性.反演技术的不断改进以及约束条件的加入也是后续针对干热岩储层定量分析的重要发展方向.

感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！

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