將常用的寬方位角三維地震技術(shù)用于頁巖層生產(chǎn)中，并作為第一步驟，可以說，加拿大阿爾伯塔省中部頁巖層開采是一個(gè)典型的案例。
在北美，大量勘探開發(fā)技術(shù)正朝著之前不熟悉的頁巖油和頁巖層領(lǐng)域以及如何最有效開發(fā)這些巨大頁巖能源方面努力。頁巖油和頁巖層的開采在很大程度上是水平鉆井和水力壓裂進(jìn)步的結(jié)果，正是這兩項(xiàng)技術(shù)撬開了巨大的未被開發(fā)資源儲(chǔ)量的大門。
如果沒有經(jīng)濟(jì)、技術(shù)以及環(huán)境的挑戰(zhàn)，這種意想不到的國內(nèi)資源新生的影響在美國是不會(huì)出現(xiàn)的。在經(jīng)濟(jì)上，為了自身利益，供應(yīng)超過需求并降低商品的市場價(jià)格，石油天然氣行業(yè)一直都非常成功;在技術(shù)上，水力壓裂技術(shù)的空前發(fā)展仍算是一個(gè)未知數(shù);在環(huán)境上，有關(guān)壓裂過程的公眾質(zhì)疑沒有減退的跡象，可能存在的潛在油氣井失敗、水源污染以及地震災(zāi)害成為關(guān)注點(diǎn)。
針對(duì)這些所有問題，地質(zhì)科學(xué)能夠幫助解決并提供一些實(shí)際的業(yè)務(wù)解決方案。關(guān)于頁巖儲(chǔ)層的寬角度、寬方位角三維地震勘測是任何頁巖開發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的初步階段。產(chǎn)生的結(jié)果就是，它能夠?yàn)榈刭|(zhì)學(xué)家和工程師提供理解目標(biāo)地層巖石性質(zhì)和可能應(yīng)力特征的重要關(guān)鍵點(diǎn)。目標(biāo)地層巖石性質(zhì)和可能應(yīng)力特征對(duì)井位部署、生產(chǎn)力和任何水力壓裂策略的安全性的影響至關(guān)重要。此類映射特別有價(jià)值，作為應(yīng)力場景，它可能產(chǎn)生各種變化，并顯示幾百米空間范圍內(nèi)的變化，最有可能要求調(diào)整壓裂方案。
由于水力壓裂操作和儲(chǔ)層排油，這些寬方位角地震勘測也可能在生產(chǎn)階段至監(jiān)測應(yīng)力變化期間，隨時(shí)進(jìn)行重復(fù)。在鉆井之前，掌握應(yīng)力狀況對(duì)預(yù)測井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域也是非常有用的;換句話說，鉆井問題要么可以提早做準(zhǔn)備，要么撇開不管。
地震勘探的經(jīng)濟(jì)價(jià)值
從加拿大阿爾伯達(dá)省中部Second White Speckled頁巖的勘測可以看到，采用寬方位三維地震數(shù)據(jù)評(píng)估儲(chǔ)集層主要應(yīng)力以及巖石性質(zhì)的重要性。在加拿大西部海域沉積盆地，寬方位三維地震可以探測到阿爾伯塔省紅鹿鎮(zhèn)東南部一個(gè)9平方公里(5.5平方米)的小區(qū)域。此目標(biāo)區(qū)域是白堊紀(jì)科羅拉多頁巖組，其位于弱頁巖的Joli Fou層和沙性大的下白堊紀(jì)曼維爾(Mannville)層之上，而曼維爾層位于一個(gè)不整合面之上，該不整合面之下的地層主要由碳酸鹽巖組成。
結(jié)果表明，勘測區(qū)域大約四分之一的頁巖將作為裂縫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壓裂，而剩余的主要頁巖將進(jìn)行線性壓裂或不進(jìn)行壓裂，當(dāng)考慮井位部署和開始?jí)毫炎罴盐恢脮r(shí)，這些信息是非常有價(jià)值的。假若勘探區(qū)的四分之三易于壓裂，那么節(jié)約成本的空間非常大。
將每平方公里一口井視為標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)頁巖氣層，九口井必須被鉆探，每口井的成本為800萬美元，那么總成本為7200萬美元。結(jié)果表明，減少兩口覆蓋儲(chǔ)集層的井，可以節(jié)省1600萬美元，則總成本為5600萬美元。此節(jié)約的成本很容易補(bǔ)償?shù)卣饠?shù)據(jù)提供的采集、處理和分析等相關(guān)信息。其它的經(jīng)濟(jì)效益來自優(yōu)先鉆井并完成大多數(shù)潛在區(qū)域，并且在現(xiàn)場規(guī)模開發(fā)規(guī)劃中使用地震數(shù)據(jù)有附加價(jià)值。
地震勘探規(guī)劃方面的考慮
在一個(gè)最佳水力壓裂方案的規(guī)劃中，四個(gè)地質(zhì)因素需要考慮:脆性、閉合應(yīng)力、支撐劑粒徑分布和體積。前兩個(gè)因素可以評(píng)估基于熟悉概念如楊氏模量和泊松比的現(xiàn)有井，這源于地震資料反演。
脆性比較簡單，這里不介紹了。在勘探案例中，據(jù)發(fā)現(xiàn)，Second White Speckled頁巖單元是科羅拉多頁巖組最脆的部分，閉合應(yīng)力被定義為沒有支撐劑適當(dāng)位置下，壓裂有效閉合所處的應(yīng)力。
寬方位角三維地震資料允許評(píng)估所有主要的應(yīng)力，這主要通過采用一個(gè)簡化的胡克定律和線性滑移理論。另外，還需要考慮的是，井內(nèi)壓力首先必須克服在鉆孔四周的巖石中形成的環(huán)向應(yīng)力。環(huán)向應(yīng)力是巖石中接近井壁的額外切應(yīng)力，其主要是鉆孔導(dǎo)致的。一旦來自地震資料評(píng)估的主要應(yīng)力已經(jīng)掌握，環(huán)向應(yīng)力也可以得到推算。
顯然，原巖應(yīng)力是控制水力壓裂最重要的因素。當(dāng)巖石承受巖土測試中長期變形時(shí)，靜態(tài)模量可以根據(jù)邊坡應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系評(píng)估。由此可見，相關(guān)水力壓裂的模量最有可能是靜態(tài)模量，因?yàn)樗毫研枰恍⿻r(shí)間積聚壓裂巖石所需要的應(yīng)力。
原巖應(yīng)力可以根據(jù)地震資料評(píng)估。如果假定次表層巖石力學(xué)受水平方向制約，也就是，水平應(yīng)變是它們自然狀態(tài)下的零，巖石正在經(jīng)歷著彈性變形，于是，這些巖石的原巖應(yīng)力可以根據(jù)彈性變形的信息評(píng)估。
彈性信息根據(jù)地震資料經(jīng)由振幅聯(lián)合偏移反演是可以導(dǎo)出的，原巖應(yīng)力可以根據(jù)任何地點(diǎn)的地震波形推測，該地震波從大角度方向(>40°)的巖石反射，由此，這就是寬角、寬方位角地震的用途所在。
用于確定儲(chǔ)集層如何壓裂的最有用的參數(shù)之一就是水平差應(yīng)力比(DHSR)。一般來說，水平差應(yīng)力比是低的，則對(duì)儲(chǔ)集層進(jìn)行壓裂是最合適的，當(dāng)水平差應(yīng)力比高時(shí)，水力壓裂將趨向發(fā)生，當(dāng)不相交面與最大水平應(yīng)力平行時(shí)，由于壓裂有助于被形成與它平行。然而，隨著低水平差應(yīng)力比，由水力壓裂導(dǎo)致的斷裂將趨向于在各個(gè)方向平鋪開和互交。此多向裂隙網(wǎng)絡(luò)提供了進(jìn)入儲(chǔ)集層碳?xì)浠衔锔玫耐緩健?/p>
水力壓裂所發(fā)生的最佳場景有高脆性，且與低水平差應(yīng)力比(DHSR)相遇。這些評(píng)估的交會(huì)圖可以表明適于形成裂縫網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域。在科羅拉多組Second White Speckled頁巖層，應(yīng)用這交會(huì)圖的結(jié)果如圖3和圖4所示。交會(huì)圖中的地帶和截?cái)帱c(diǎn)是通過井控如同現(xiàn)場開發(fā)一樣達(dá)到最優(yōu)化。那些低水平差應(yīng)力比和高楊氏模量(脆性)(圖中綠色的部分)的區(qū)域僅限于已經(jīng)勘探的小范圍。這些區(qū)域應(yīng)該是鉆探的第一目標(biāo)，從而進(jìn)一步大幅提升生產(chǎn)并增加凈現(xiàn)值。
最優(yōu)水力壓裂的標(biāo)志在很短的距離內(nèi)變化，例如，圖中的中北部的14-13井西南顯示了從水力壓裂好區(qū)域到水力壓裂糟糕區(qū)域的變化，其距離不足200米(656英尺)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于這些頁巖層中大多所鉆水平井的長度。其結(jié)果也表明大部分Second White Speckled頁巖將隨平行裂縫進(jìn)行壓裂。
來自寬角、寬方位角地震資料有無數(shù)個(gè)標(biāo)志可以協(xié)助水力壓裂方案。值得注意的是，該方法適用于水力壓裂被考慮的任何巖層，但應(yīng)力或地質(zhì)力學(xué)仍是一個(gè)問題。地震資料應(yīng)該用于推斷井筒至井間區(qū)域的信息。
這種分析可以在沒有采用測量地震速度和假定巖石物性關(guān)系的井信息時(shí)進(jìn)行實(shí)施。一旦主要應(yīng)力被平復(fù)其它有用應(yīng)力評(píng)估如環(huán)向應(yīng)力可以用于預(yù)測鉆井時(shí)該油氣井如何作業(yè)。這就是依據(jù)寬方位角三維地震資料評(píng)估的大量有關(guān)應(yīng)力和巖石性質(zhì)的信息。
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