微地震技术在来页1井压裂开采中的应用效果研究

彭维军, 陈石羡, 高宝龙, 肖明顺, 龚 强

(中国冶金地质总局 中南地质勘查院,湖北 武汉 430033)

经前期勘探表明,湖北省页岩气储量丰富,早在2013年,由湖北省国土资源厅牵头完成了《湖北省页岩气资源调查评价总体工作方案》。页岩气发现容易开发难,常规油气勘探是“找”储层,非常规油气开发是“造”储层,页岩气开发的重点在于工程,因此解决工程问题是关键。在页岩气压裂造缝效果评价方面,微地震技术可以发挥重要的作用。

1 井区概况

研究区位于湖北省的西南部,湖北恩施土家族苗族自治州南部来凤县,工区交通条件总体较好。研究区构造位置在湘鄂西褶冲带的宜都—鹤峰复背斜带西南翼,部分位于花果坪复向斜带上,西与四川盆地毗邻,北靠秦岭—大别造山带,东接江南—雪峰滑脱推覆隆起带。湘鄂西褶冲带在中新生代受加里东、印支褶皱运动影响较强,主要表现为频繁的差异升降运动。侏罗纪末的燕山褶皱运动造成全区盖层的强烈变形,形成以北东向为主的褶皱和断裂构造[1]。来凤咸丰区块未见牛蹄塘组地层出露,据资料推测,沉积厚度由西北向东南增厚。湘鄂西地区构造样式主要分为挤压断块、伸展断块、逆冲褶皱3种基本类型。整体上,区块受逆冲断层咸丰—沿河断裂的控制,整体呈“两凹一隆”的构造格架,即杨洞向斜、咸丰背斜及两河口向斜3个三级构造单元[2]。

来页1井完钻井深1 070 m[3],是来凤区块的一口页岩气探井。根据本井测井资料综合判断,该井龙马溪组页岩是气层,单层页岩厚度18 m,为优质页岩气层[4]。

2 微地震技术

储层中“薄弱”裂缝性地层处于临界状态,此时只要存在周边应力场的摄动,就会激发原有裂缝出现滑动,通过声波能量发射的方式被检波器所拾取到,从而通过一系列的数据处理和反演工作得到地下裂缝的存在情况。TFI成像是适用于地面微地震监测低信噪比情况的源定位方法,主要针对地下无人工震源活动时微弱信号的拾取并反演成像,一般用于对压裂后裂缝产状的刻画。

TFI成像不需要拾取P波或S波初至,而是通过向量扫描区别背景噪音和破裂有效信号能量分布。能量反演主要是基于能量扫描(Semblance)叠加算法。最常用的Semblance叠加为:

式中:S(k)是Semblance 系数,是使用M个人工勘探中的大量阵排列的垂直分量道在有N个样点的时间窗口内对空间第k点的相关性的测量;fij为第i道的第j个样点记录,i=1,2,…,M和j=1,2,…,N;F为适当的归一化因子。

通过向量扫描,随机背景噪音将被削弱,破裂能量将被加强,通常以彩色深度切片的形式表达。

此次TFI成像的过程为:采用径向500 m,起点终点各延伸100 m进行计算,据此描述压裂裂缝的时空分布。采用能量扫描叠加方法,以60 s作为时间步长对其进行扫描叠加,进行现场实时处理。采用走时反演方法,对每5 s的数据拾取初至,继续作精细处理。

图1 来页1井裂缝成像图Fig.1 Fracture imaging map of Well Laiye 1

TFI被动地震层析成像能较好地反映出地质构造薄弱带,即裂缝发育区,但因其是长时间成像叠加的成果,因此在保证区域位置反演准确性的前提下必然会损失掉其时间属性,这也是该项技术的最大弊端。而分析区域内裂缝与其构造应力的关系,或者说是要分析区域内裂缝的走向与附近断层走向的联系,就必然要得到裂缝的走向,因此,通过后期对数据的提炼和再处理,运用走时反演的方法得到了声发射事件点的空间位置和时间属性,从而判断出裂缝发育区内裂缝的走向,最终达到研究本区域内断层对裂缝发育的影响的目的。

3 分析评价

来凤区块主要受咸丰沿河断裂控制,该断裂作为大型逆断层,其成因是强烈的水平挤压和重力作用所致。由图1来页1井压裂后裂缝监测结果来看,可以得出其裂缝主要方向为NNE(见图2),且压后裂缝主要延展趋势也与此方向相同,说明来页1井压裂时主要的裂缝延展方向是NNE方向,整体上呈线性分布。分析其原因,综合所收集到的资料可以得知当来页1井在压裂过程中,咸丰沿河断裂控制压力大于等于压裂时外界所加压力时,其裂缝将不再往该大型逆断层延伸,而是顺着断层的方向破裂,这被称之为断层对压裂造缝的屏障作用;且由于大型逆断层是闭合的,压裂液将难以滤失,监测结果所体现出来的来页1井在NNE方向上的裂缝延展性正好印证这一点。由于页岩泊松比以及储层的深度均比致密砂岩大,因此其破裂压力相应更大,震源能量相应更强。最大和最小应力相差越大,则越难以压出复杂裂缝网络,页岩脆性较砂岩大,而岩石随着受力的增大,变形也随之增大,由弹性变形发展到塑性变形,岩石受力超过极限点,发生破裂后,储存在岩石内部的弹性势能释放出来,因而页岩破裂时释放出更多弹性势能。

可以总结得出,当压裂井所在区域受到大型逆断层控制的时候,其压裂液将难以“横穿”该断层,其造成的裂缝会受到断层的屏障作用而形成延展方向与断层走向一致的情况。次级断层(隐伏)周围微震事件较少。NW向水力裂缝仅能延伸至断层附近,而不能越过断层继续沿NW方向延伸,微震事件与来页1井所在区域内NE走向的断层平行排列,NE方向的微震事件定位井眼周围。这一结果也表明了断层对裂缝延伸起屏障作用。

图2 来页1井裂缝统计玫瑰图Fig.2 Rose chart of fracture statistics in Well Laiye 1

4 结论

通过本项目的研究,笔者得知了来页1井井区裂缝产状呈NNE向,且呈线性缝发育,NW方向裂缝难以发育,形成的是线状裂缝而非网状裂缝,井区附近断层对裂缝的发育起到了屏障作用。在钻前阶段,确定井位以及井类型的时候,要考虑究竟是直井还是水平井,结合所收集到的资料,在地质最大主应力方向与最小主应力方向共轭且两个主应力相差较大的情况下,钻水平井更适合研究区内压裂裂缝的生长,其靶向为最小主应力方向。凭借微地震监测技术,对压裂造缝进行研究,从而为区域内后续井位设计提供一定参考依据,这是微地震技术在页岩气开采中应用的一个重要体现。

鉴于本文研究的仅为井区内裂缝发育这一个方面,提出的观点究竟是否具有普遍性,还需要与其他因素相结合综合考虑。总而言之,微地震监测技术在页岩气开发中虽然能起到重要的作用,但页岩气开发并不是单纯依靠微地震监测技术就可以完全解决的,这需要从地质、物探和工程几个方面综合考虑,从技术层面上来说,就需要地震、钻井、测井、压裂工艺、微地震等多方面共同参与。