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步的結(jié)果，正是這兩項技術(shù)撬開了巨大的未被開發(fā)資源儲量的大門。
如果沒有經(jīng)濟、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出現(xiàn)的。在經(jīng)濟上，為了自身利益，供應(yīng)超過需求并降低商品的市場價格，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。
針對這些所有問題，地質(zhì)科學(xué)能夠幫助解決并提供一些實際的業(yè)務(wù)解決方案。關(guān)于頁巖儲層的寬角度、寬方位角三維地震勘測是任何頁巖開發(fā)經(jīng)濟有效的初步階段。產(chǎn)生的結(jié)果就是，它能夠為地質(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。目標(biāo)地層巖石性質(zhì)和可能應(yīng)力特征對井位部署、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，隨時進行重復(fù)。在鉆井之前，掌握應(yīng)力狀況對預(yù)測井壁失穩(wěn)風(fēng)險區(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)濟價值
從加拿大阿爾伯達省中部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)評估儲集層主要應(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曼維爾(Mannville)層之上，而曼維爾層位于一個不整合面之上，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)進行壓裂，而剩余的主要頁巖將進行線性壓裂或不進行壓裂，當(dāng)考慮井位部署和開始壓裂最佳位置時，這些信息是非常有價值的。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)有附加價值。
地震勘探規(guī)劃方面的考慮
在一個最佳水力壓裂方案的規(guī)劃中，四個地質(zhì)因素需要考慮:脆性、閉合應(yīng)力、支撐劑粒徑分布和體積。前兩個因素可以評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估所有主要的應(yīng)力，這主要通過采用一個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，靜態(tài)模量可以根據(jù)邊坡應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系評估。由此可見，相關(guān)水力壓裂的模量最有可能是靜態(tài)模量，因為水力壓裂需要一些時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，則對儲集層進行壓裂是最合適的，當(dāng)水平差應(yīng)力比高時，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，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方向平鋪開和互交。此多向裂隙網(wǎng)絡(luò)提供了進入儲集層碳氫化合物更好的途徑。
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。這些評估的交會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)用這交會圖的結(jié)果如圖3和圖4所示。交會圖中的地帶和截斷點是通過井控如同現(xiàn)場開發(fā)一樣達到最優(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，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)，遠遠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行壓裂。
來自寬角、寬方位角地震資料有無數(shù)個標(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)系的井信息時進行實施。一旦主要應(yīng)力被平復(fù)其它有用應(yīng)力評估如環(huán)向應(yīng)力可以用于預(yù)測鉆井時該油氣井如何作業(yè)。這就是依據(jù)寬方位角三維地震資料評估的大量有關(guān)應(yīng)力和巖石性質(zhì)的信息。
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