彭維軍, 陳石羨, 高寶龍, 肖明順, 龔 強(qiáng)

(中國冶金地質(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(diào)查評價(jià)總體工作方案》。頁巖氣發(fā)現(xiàn)容易開發(fā)難,常規(guī)油氣勘探是“找”儲層,非常規(guī)油氣開發(fā)是“造”儲層,頁巖氣開發(fā)的重點(diǎn)在于工程,因此解決工程問題是關(guān)鍵。在頁巖氣壓裂造縫效果評價(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)動影響較強(qiáng),主要表現(xiàn)為頻繁的差異升降運(yùn)動。侏羅紀(jì)末的燕山褶皺運(yùn)動造成全區(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]。來鳳咸豐區(qū)塊未見牛蹄塘組地層出露,據(jù)資料推測,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)三級構(gòu)造單元[2]。

來頁1井完鉆井深1 070 m[3],是來鳳區(qū)塊的一口頁巖氣探井。根據(jù)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(yōu)質(zhì)頁巖氣層[4]。

2 微地震技術(shù)

儲層中“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)力場的攝動,就會激發(fā)原有裂縫出現(xiàn)滑動,通過聲波能量發(fā)射的方式被檢波器所拾取到,從而通過一系列的數(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(shí)微弱信號的拾取并反演成像,一般用于對壓裂后裂縫產(chǎn)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(qū)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(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)對空間第k點(diǎn)的相關(guān)性的測量;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)間步長對其進(jìn)行掃描疊加,進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時(shí)處理。采用走時(shí)反演方法,對每5 s的數(shù)據(jù)拾取初至,繼續(xù)作精細(xì)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(zhì)構(gòu)造薄弱帶,即裂縫發(fā)育區(qū),但因其是長時(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,通過后期對數(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)斷層對裂縫發(fā)育的影響的目的。

3 分析評價(jià)

來鳳區(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來頁1井壓裂后裂縫監(jiān)測結(jié)果來看,可以得出其裂縫主要方向?yàn)镹NE(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(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(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)測結(jié)果所體現(xiàn)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(diǎn)。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(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,巖石受力超過極限點(diǎn),發(fā)生破裂后,儲存在巖石內(nèi)部的彈性勢能釋放出來,因而頁巖破裂時(shí)釋放出更多彈性勢能。

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(xù)沿NW方向延伸,微震事件與來頁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)果也表明了斷層對裂縫延伸起屏障作用。

圖2 來頁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

通過本項(xiàng)目的研究,筆者得知了來頁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,其靶向?yàn)樽钚≈鲬?yīng)力方向。憑借微地震監(jiān)測技術(shù),對壓裂造縫進(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)在頁巖氣開采中應(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。總而言之,微地震監(jiān)測技術(shù)在頁巖氣開發(fā)中雖然能起到重要的作用,但頁巖氣開發(fā)并不是單純依靠微地震監(jiān)測技術(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。