微地震技術(shù)在來(lái)頁(yè)1井壓裂開(kāi)采中的應(yīng)用效果研究

彭維軍, 陳石羨, 高寶龍, 肖明順, 龔 強(qiáng)

(中國(guó)冶金地質(zhì)總局 中南地質(zhì)勘查院,湖北 武漢 430033)

經(jīng)前期勘探表明,湖北省頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富,早在2013年,由湖北省國(guó)土資源廳牽頭完成了《湖北省頁(yè)巖氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)總體工作方案》。頁(yè)巖氣發(fā)現(xiàn)容易開(kāi)發(fā)難,常規(guī)油氣勘探是“找”儲(chǔ)層,非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)是“造”儲(chǔ)層,頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)在于工程,因此解決工程問(wèn)題是關(guān)鍵。在頁(yè)巖氣壓裂造縫效果評(píng)價(jià)方面,微地震技術(shù)可以發(fā)揮重要的作用。

1 井區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省的西南部,湖北恩施土家族苗族自治州南部來(lái)鳳縣,工區(qū)交通條件總體較好。研究區(qū)構(gòu)造位置在湘鄂西褶沖帶的宜都—鶴峰復(fù)背斜帶西南翼,部分位于花果坪復(fù)向斜帶上,西與四川盆地毗鄰,北靠秦嶺—大別造山帶,東接江南—雪峰滑脫推覆隆起帶。湘鄂西褶沖帶在中新生代受加里東、印支褶皺運(yùn)動(dòng)影響較強(qiáng),主要表現(xiàn)為頻繁的差異升降運(yùn)動(dòng)。侏羅紀(jì)末的燕山褶皺運(yùn)動(dòng)造成全區(qū)蓋層的強(qiáng)烈變形,形成以北東向?yàn)橹鞯鸟薨櫤蛿嗔褬?gòu)造[1]。來(lái)鳳咸豐區(qū)塊未見(jiàn)牛蹄塘組地層出露,據(jù)資料推測(cè),沉積厚度由西北向東南增厚。湘鄂西地區(qū)構(gòu)造樣式主要分為擠壓斷塊、伸展斷塊、逆沖褶皺3種基本類型。整體上,區(qū)塊受逆沖斷層咸豐—沿河斷裂的控制,整體呈“兩凹一隆”的構(gòu)造格架,即楊洞向斜、咸豐背斜及兩河口向斜3個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元[2]。

來(lái)頁(yè)1井完鉆井深1 070 m[3],是來(lái)鳳區(qū)塊的一口頁(yè)巖氣探井。根據(jù)本井測(cè)井資料綜合判斷,該井龍馬溪組頁(yè)巖是氣層,單層頁(yè)巖厚度18 m,為優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣層[4]。

2 微地震技術(shù)

儲(chǔ)層中“薄弱”裂縫性地層處于臨界狀態(tài),此時(shí)只要存在周邊應(yīng)力場(chǎng)的攝動(dòng),就會(huì)激發(fā)原有裂縫出現(xiàn)滑動(dòng),通過(guò)聲波能量發(fā)射的方式被檢波器所拾取到,從而通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理和反演工作得到地下裂縫的存在情況。TFI成像是適用于地面微地震監(jiān)測(cè)低信噪比情況的源定位方法,主要針對(duì)地下無(wú)人工震源活動(dòng)時(shí)微弱信號(hào)的拾取并反演成像,一般用于對(duì)壓裂后裂縫產(chǎn)狀的刻畫(huà)。

TFI成像不需要拾取P波或S波初至,而是通過(guò)向量掃描區(qū)別背景噪音和破裂有效信號(hào)能量分布。能量反演主要是基于能量掃描(Semblance)疊加算法。最常用的Semblance疊加為:

式中:S(k)是Semblance 系數(shù),是使用M個(gè)人工勘探中的大量陣排列的垂直分量道在有N個(gè)樣點(diǎn)的時(shí)間窗口內(nèi)對(duì)空間第k點(diǎn)的相關(guān)性的測(cè)量;fij為第i道的第j個(gè)樣點(diǎn)記錄,i=1,2,…,M和j=1,2,…,N;F為適當(dāng)?shù)臍w一化因子。

通過(guò)向量掃描,隨機(jī)背景噪音將被削弱,破裂能量將被加強(qiáng),通常以彩色深度切片的形式表達(dá)。

此次TFI成像的過(guò)程為:采用徑向500 m,起點(diǎn)終點(diǎn)各延伸100 m進(jìn)行計(jì)算,據(jù)此描述壓裂裂縫的時(shí)空分布。采用能量掃描疊加方法,以60 s作為時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)其進(jìn)行掃描疊加,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)處理。采用走時(shí)反演方法,對(duì)每5 s的數(shù)據(jù)拾取初至,繼續(xù)作精細(xì)處理。

圖1 來(lái)頁(yè)1井裂縫成像圖Fig.1 Fracture imaging map of Well Laiye 1

TFI被動(dòng)地震層析成像能較好地反映出地質(zhì)構(gòu)造薄弱帶,即裂縫發(fā)育區(qū),但因其是長(zhǎng)時(shí)間成像疊加的成果,因此在保證區(qū)域位置反演準(zhǔn)確性的前提下必然會(huì)損失掉其時(shí)間屬性,這也是該項(xiàng)技術(shù)的最大弊端。而分析區(qū)域內(nèi)裂縫與其構(gòu)造應(yīng)力的關(guān)系,或者說(shuō)是要分析區(qū)域內(nèi)裂縫的走向與附近斷層走向的聯(lián)系,就必然要得到裂縫的走向,因此,通過(guò)后期對(duì)數(shù)據(jù)的提煉和再處理,運(yùn)用走時(shí)反演的方法得到了聲發(fā)射事件點(diǎn)的空間位置和時(shí)間屬性,從而判斷出裂縫發(fā)育區(qū)內(nèi)裂縫的走向,最終達(dá)到研究本區(qū)域內(nèi)斷層對(duì)裂縫發(fā)育的影響的目的。

3 分析評(píng)價(jià)

來(lái)鳳區(qū)塊主要受咸豐沿河斷裂控制,該斷裂作為大型逆斷層,其成因是強(qiáng)烈的水平擠壓和重力作用所致。由圖1來(lái)頁(yè)1井壓裂后裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,可以得出其裂縫主要方向?yàn)镹NE(見(jiàn)圖2),且壓后裂縫主要延展趨勢(shì)也與此方向相同,說(shuō)明來(lái)頁(yè)1井壓裂時(shí)主要的裂縫延展方向是NNE方向,整體上呈線性分布。分析其原因,綜合所收集到的資料可以得知當(dāng)來(lái)頁(yè)1井在壓裂過(guò)程中,咸豐沿河斷裂控制壓力大于等于壓裂時(shí)外界所加壓力時(shí),其裂縫將不再往該大型逆斷層延伸,而是順著斷層的方向破裂,這被稱之為斷層對(duì)壓裂造縫的屏障作用;且由于大型逆斷層是閉合的,壓裂液將難以濾失,監(jiān)測(cè)結(jié)果所體現(xiàn)出來(lái)的來(lái)頁(yè)1井在NNE方向上的裂縫延展性正好印證這一點(diǎn)。由于頁(yè)巖泊松比以及儲(chǔ)層的深度均比致密砂巖大,因此其破裂壓力相應(yīng)更大,震源能量相應(yīng)更強(qiáng)。最大和最小應(yīng)力相差越大,則越難以壓出復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò),頁(yè)巖脆性較砂巖大,而巖石隨著受力的增大,變形也隨之增大,由彈性變形發(fā)展到塑性變形,巖石受力超過(guò)極限點(diǎn),發(fā)生破裂后,儲(chǔ)存在巖石內(nèi)部的彈性勢(shì)能釋放出來(lái),因而頁(yè)巖破裂時(shí)釋放出更多彈性勢(shì)能。

可以總結(jié)得出,當(dāng)壓裂井所在區(qū)域受到大型逆斷層控制的時(shí)候,其壓裂液將難以“橫穿”該斷層,其造成的裂縫會(huì)受到斷層的屏障作用而形成延展方向與斷層走向一致的情況。次級(jí)斷層(隱伏)周圍微震事件較少。NW向水力裂縫僅能延伸至斷層附近,而不能越過(guò)斷層繼續(xù)沿NW方向延伸,微震事件與來(lái)頁(yè)1井所在區(qū)域內(nèi)NE走向的斷層平行排列,NE方向的微震事件定位井眼周圍。這一結(jié)果也表明了斷層對(duì)裂縫延伸起屏障作用。

圖2 來(lái)頁(yè)1井裂縫統(tǒng)計(jì)玫瑰圖Fig.2 Rose chart of fracture statistics in Well Laiye 1

4 結(jié)論

通過(guò)本項(xiàng)目的研究,筆者得知了來(lái)頁(yè)1井井區(qū)裂縫產(chǎn)狀呈NNE向,且呈線性縫發(fā)育,NW方向裂縫難以發(fā)育,形成的是線狀裂縫而非網(wǎng)狀裂縫,井區(qū)附近斷層對(duì)裂縫的發(fā)育起到了屏障作用。在鉆前階段,確定井位以及井類型的時(shí)候,要考慮究竟是直井還是水平井,結(jié)合所收集到的資料,在地質(zhì)最大主應(yīng)力方向與最小主應(yīng)力方向共軛且兩個(gè)主應(yīng)力相差較大的情況下,鉆水平井更適合研究區(qū)內(nèi)壓裂裂縫的生長(zhǎng),其靶向?yàn)樽钚≈鲬?yīng)力方向。憑借微地震監(jiān)測(cè)技術(shù),對(duì)壓裂造縫進(jìn)行研究,從而為區(qū)域內(nèi)后續(xù)井位設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù),這是微地震技術(shù)在頁(yè)巖氣開(kāi)采中應(yīng)用的一個(gè)重要體現(xiàn)。

鑒于本文研究的僅為井區(qū)內(nèi)裂縫發(fā)育這一個(gè)方面,提出的觀點(diǎn)究竟是否具有普遍性,還需要與其他因素相結(jié)合綜合考慮?？偠灾?微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中雖然能起到重要的作用,但頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)并不是單純依靠微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)就可以完全解決的,這需要從地質(zhì)、物探和工程幾個(gè)方面綜合考慮,從技術(shù)層面上來(lái)說(shuō),就需要地震、鉆井、測(cè)井、壓裂工藝、微地震等多方面共同參與。