微地震技術在來頁1井壓裂開采中的應用效果研究

彭維軍, 陳石羨, 高寶龍, 肖明順, 龔 強

(中國冶金地質總局 中南地質勘查院,湖北 武漢 430033)

經前期勘探表明,湖北省頁巖氣儲量豐富,早在2013年,由湖北省國土資源廳牽頭完成了《湖北省頁巖氣資源調查評價總體工作方案》。頁巖氣發現容易開發難,常規油氣勘探是“找”儲層,非常規油氣開發是“造”儲層,頁巖氣開發的重點在于工程,因此解決工程問題是關鍵。在頁巖氣壓裂造縫效果評價方面,微地震技術可以發揮重要的作用。

1 井區概況

研究區位于湖北省的西南部,湖北恩施土家族苗族自治州南部來鳳縣,工區交通條件總體較好。研究區構造位置在湘鄂西褶沖帶的宜都—鶴峰復背斜帶西南翼,部分位于花果坪復向斜帶上,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、印支褶皺運動影響較強,主要表現為頻繁的差異升降運動。侏羅紀末的燕山褶皺運動造成全區蓋層的強烈變形,形成以北東向為主的褶皺和斷裂構造[1]。來鳳咸豐區塊未見牛蹄塘組地層出露,據資料推測,沉積厚度由西北向東南增厚。湘鄂西地區構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,區塊受逆沖斷層咸豐—沿河斷裂的控制,整體呈“兩凹一隆”的構造格架,即楊洞向斜、咸豐背斜及兩河口向斜3個三級構造單元[2]。

來頁1井完鉆井深1 070 m[3],是來鳳區塊的一口頁巖氣探井。根據本井測井資料綜合判斷,該井龍馬溪組頁巖是氣層,單層頁巖厚度18 m,為優質頁巖氣層[4]。

2 微地震技術

儲層中“薄弱”裂縫性地層處于臨界狀態,此時只要存在周邊應力場的攝動,就會激發原有裂縫出現滑動,通過聲波能量發射的方式被檢波器所拾取到,從而通過一系列的數據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測低信噪比情況的源定位方法,主要針對地下無人工震源活動時微弱信號的拾取并反演成像,一般用于對壓裂后裂縫產狀的刻畫。

TFI成像不需要拾取P波或S波初至,而是通過向量掃描區別背景噪音和破裂有效信號能量分布。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,是使用M個人工勘探中的大量陣排列的垂直分量道在有N個樣點的時間窗口內對空間第k點的相關性的測量;fij為第i道的第j個樣點記錄,i=1,2,…,M和j=1,2,…,N;F為適當的歸一化因子。

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

此次TFI成像的過程為:采用徑向500 m,起點終點各延伸100 m進行計算,據此描述壓裂裂縫的時空分布。采用能量掃描疊加方法,以60 s作為時間步長對其進行掃描疊加,進行現場實時處理。采用走時反演方法,對每5 s的數據拾取初至,繼續作精細處理。

圖1 來頁1井裂縫成像圖Fig.1 Fracture imaging map of Well Laiye 1

TFI被動地震層析成像能較好地反映出地質構造薄弱帶,即裂縫發育區,但因其是長時間成像疊加的成果,因此在保證區域位置反演準確性的前提下必然會損失掉其時間屬性,這也是該項技術的最大弊端。而分析區域內裂縫與其構造應力的關系,或者說是要分析區域內裂縫的走向與附近斷層走向的聯系,就必然要得到裂縫的走向,因此,通過后期對數據的提煉和再處理,運用走時反演的方法得到了聲發射事件點的空間位置和時間屬性,從而判斷出裂縫發育區內裂縫的走向,最終達到研究本區域內斷層對裂縫發育的影響的目的。

3 分析評價

來鳳區塊主要受咸豐沿河斷裂控制,該斷裂作為大型逆斷層,其成因是強烈的水平擠壓和重力作用所致。由圖1來頁1井壓裂后裂縫監測結果來看,可以得出其裂縫主要方向為NNE(見圖2),且壓后裂縫主要延展趨勢也與此方向相同,說明來頁1井壓裂時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來頁1井在壓裂過程中,咸豐沿河斷裂控制壓力大于等于壓裂時外界所加壓力時,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,監測結果所體現出來的來頁1井在NNE方向上的裂縫延展性正好印證這一點。由于頁巖泊松比以及儲層的深度均比致密砂巖大,因此其破裂壓力相應更大,震源能量相應更強。最大和最小應力相差越大,則越難以壓出復雜裂縫網絡,頁巖脆性較砂巖大,而巖石隨著受力的增大,變形也隨之增大,由彈性變形發展到塑性變形,巖石受力超過極限點,發生破裂后,儲存在巖石內部的彈性勢能釋放出來,因而頁巖破裂時釋放出更多彈性勢能。

可以總結得出,當壓裂井所在區域受到大型逆斷層控制的時候,其壓裂液將難以“橫穿”該斷層,其造成的裂縫會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,而不能越過斷層繼續沿NW方向延伸,微震事件與來頁1井所在區域內NE走向的斷層平行排列,NE方向的微震事件定位井眼周圍。這一結果也表明了斷層對裂縫延伸起屏障作用。

圖2 來頁1井裂縫統計玫瑰圖Fig.2 Rose chart of fracture statistics in Well Laiye 1

4 結論

通過本項目的研究,筆者得知了來頁1井井區裂縫產狀呈NNE向,且呈線性縫發育,NW方向裂縫難以發育,形成的是線狀裂縫而非網狀裂縫,井區附近斷層對裂縫的發育起到了屏障作用。在鉆前階段,確定井位以及井類型的時候,要考慮究竟是直井還是水平井,結合所收集到的資料,在地質最大主應力方向與最小主應力方向共軛且兩個主應力相差較大的情況下,鉆水平井更適合研究區內壓裂裂縫的生長,其靶向為最小主應力方向。憑借微地震監測技術,對壓裂造縫進行研究,從而為區域內后續井位設計提供一定參考依據,這是微地震技術在頁巖氣開采中應用的一個重要體現。

鑒于本文研究的僅為井區內裂縫發育這一個方面,提出的觀點究竟是否具有普遍性,還需要與其他因素相結合綜合考慮。總而言之,微地震監測技術在頁巖氣開發中雖然能起到重要的作用,但頁巖氣開發并不是單純依靠微地震監測技術就可以完全解決的,這需要從地質、物探和工程幾個方面綜合考慮,從技術層面上來說,就需要地震、鉆井、測井、壓裂工藝、微地震等多方面共同參與。