可壓裂性測試方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本文中公開的主題的實施方案總體而言涉及油氣勘探和提取的領(lǐng)域。具體地，本 文中公開的實施方案涉及用于確定巖石的地質(zhì)力學(xué)特性以及響應(yīng)于那些測量來調(diào)整油氣 回收操作的裝置、方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 地球物理學(xué)數(shù)據(jù)對于比如天氣和氣候預(yù)測、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)以及地震學(xué)的各 種應(yīng)用是有用的。由于已經(jīng)證明了這種數(shù)據(jù)的經(jīng)濟收益，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并開發(fā)了對于地球 物理學(xué)數(shù)據(jù)的額外應(yīng)用，因此對于局部的、高分辨率和成本效益好的地球物理學(xué)數(shù)據(jù)的需 求已經(jīng)極大的增長。這種趨勢預(yù)期將繼續(xù)。
[0003]例如，地震數(shù)據(jù)采集和處理可以用于生成在地面之下（或者在陸地上或海床上） 的地球物理結(jié)構(gòu)的剖面（圖像），其幫助發(fā)現(xiàn)和提取油氣儲量。而這種剖面不提供對于油儲 層和氣儲層的準(zhǔn)確定位，對于本領(lǐng)域中訓(xùn)練有素的人員來說其表明了存在或者不存在這種 儲層。
[0004] 傳統(tǒng)上，能夠提供地表下的高分辨率圖像的陸地地震勘測系統(tǒng)10通常配置為如 圖1中圖示的（盡管使用了許多其他配置）。系統(tǒng)10包括多個接收器12和獲取單元12a， 它們位于待開發(fā)的地表下區(qū)域13之上并且與地表面14接觸。在接收器12的區(qū)域13附近， 許多地震源16還位于區(qū)域17中的表面14上。記錄設(shè)備18連接至多個接收器12,并且例 如放置在測試車20中。每一個源16可以由可變數(shù)量的振動器或爆炸設(shè)備組成，并且可以 包括本地控制器22?？梢源嬖谥行目刂破?4以協(xié)調(diào)源16的激發(fā)時間。定位系統(tǒng)26(例 如，GPS、GL0NASS、伽利略以及北斗）可以用于在時間上將源16與接收器12和/或獲取單 兀12a進(jìn)彳丁關(guān)聯(lián)。
[0005] 利用該配置，源16被控制為生成地震波，并且接收器12記錄由地表下反射的波。 接收器12和獲取單元12a可以利用電纜30彼此連接以及連接至記錄設(shè)備?？蛇x地，接收 器12和獲取單元12a可以配對為自主式節(jié)點，而不需要電纜30。
[0006]地震成像的目的是根據(jù)由接收器12進(jìn)行的聲波反射測量來生成地表下的高分辨 率圖像。通常，如圖1所示，多個地震源和接收器彼此之間有一定距離地分布在地表面上。 源16被激活以產(chǎn)生通過底土傳播的地震波。這些地震波在它們傳播時發(fā)生偏差。它們在 底土的地質(zhì)界面處被折射、反射以及衍射。已經(jīng)通過底土傳播的某些波通過地震接收器12 進(jìn)行檢測，并且以信號形式記錄為時間的函數(shù)（被叫做軌跡）。
[0007]-旦發(fā)現(xiàn)了對于油氣儲藏有希望的地區(qū)，鉆探豎直和水平井以潛在地提取儲藏。 例如，在美國和世界的其他地區(qū)，存在著很多待被發(fā)現(xiàn)的油頁巖沉積的地區(qū)。油頁巖是一種 很久之前儲藏的沉積礦床的形式，通常以碳酸鈣、碳酸鈉、碳酸氫鈣以及石英的形式。此外， 土壤物質(zhì)和其他化合物可能已經(jīng)埋入以上所述的物質(zhì)的基質(zhì)中。
[0008] 雖然存在許多油頁巖儲藏，但它們中的大部分位于地球表面下五千到一萬英尺的 深部沉積。從20世紀(jì)前期以來，對于從分層的頁巖地層采掘或提取油已經(jīng)做出了很多嘗 試。盡管歷史上頁巖油被證明是非常適合的油氣產(chǎn)品，但提取油頁巖儲藏的復(fù)雜性使得生 產(chǎn)的成本增加到遠(yuǎn)超相似產(chǎn)品的市場價格。因此，持久的頁巖生產(chǎn)被證明是不經(jīng)濟的。
[0009] 近來，兩種專業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展和開發(fā)已顯著地改變了從頁巖沉積提取油的成 本。第一個改進(jìn)是精細(xì)控制的并且可操縱方向的鉆探技術(shù)，其使得垂直鉆探能夠以選擇深 度重新定向到水平鉆探中。之后鉆探可以在頁巖地層水平地繼續(xù)相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。
[0010] 第二個改進(jìn)是水力壓裂技術(shù)的發(fā)展，其中漿體在沿著插入套管的規(guī)則穿孔點處栗 送到井中，以延長正在耗盡的油田的經(jīng)濟壽命。盡管在二十世紀(jì)40年代末首次被使用，但 水力壓裂近來已變成用來加強低滲透性地層（特別是非常規(guī)的儲藏，主要是致密砂巖、煤 床以及深層頁巖石）的生產(chǎn)的常用技術(shù)。
[0011] 盡管有許多改進(jìn)，但壓裂的成本仍然相對較高并且依然是明顯的低效率。例如，許 多油頁巖地層穿過在地球的地殼中的構(gòu)造斷層線，且因此在它們的結(jié)構(gòu)是非連續(xù)的。一些 油頁巖地層在垂直和水平平面上都些微地傾斜。因此，大量的油會根據(jù)鉆探距離而顯著地 變化。實際上，據(jù)估計，在典型的壓裂操作中大約30%的穿孔點對應(yīng)于在其處油是不可用的 干燥地區(qū)。
[0012] 參考圖2a，在水平的頁巖氣井中，壓裂通常以規(guī)則的固定間隔處的多個段完成，該 多個段從井的"足尖"（給足形水平鉆井孔的尖部起的名字）開始，并且朝向"足根"（鉆井 孔最靠近豎直部分的水平部分的端部）行進(jìn)。例如，在頁巖層內(nèi)橫向延伸5, 000英尺的鉆 井孔在相距幾百英尺的十到十五段可能是水力壓裂的。通常，每個穿孔間隔依次隔離，使得 僅井的單個截面在給定時間被水力壓裂并且防止對鉆井孔的其他部分的損害。
[0013] 在水力壓裂操作其間，壓裂液通過在套管的截面中的穿孔在高壓時栗送。壓裂液 的化學(xué)成分以及其栗送到頁巖地層中的時候的速度和壓力被調(diào)整以適應(yīng)每個頁巖的具體 特性，在某種程度上是每個井。當(dāng)壓力增加到足夠水平時，平面的水力壓裂在巖石中打開， 或多或少地垂直于鉆井孔的通道傳播。盡管在圖2a中描述的壓裂不得已顯示為基本上豎 直的，但在井中的套管穿孔通常取向為產(chǎn)生水平傳播而不是豎直傳播的壓裂。
[0014] 應(yīng)當(dāng)注意，頁巖的壓裂特征可能在井之間甚至在相同的井內(nèi)顯著地變化。例如，在 承受相同水平的液力水壓和浸泡時間時，軟油頁巖地層的響應(yīng)不同于硬油頁巖地層。除了 礦物成分之外，頁巖地層的壓裂特征可以取決于頁巖的質(zhì)地或構(gòu)造。例如，具有較大和/或 更充足孔隙的頁巖地層可以比具有較小和較少孔隙的頁巖地層更容易壓裂。
[0015] 參考圖2b，典型的水力壓裂可以在每個方向上從井中以大約500-800英尺水平地 傳播。壓裂壓力被精細(xì)地控制，以防止在氣生頁巖（gas-producingshale)層的厚度之外 豎直傳播。傳播水力壓裂所需的壓力是變化的并且取決于深度、在頁巖的孔隙中氣體的壓 力以及含油氣層的地質(zhì)力學(xué)特性，比如多孔性。
[0016] 考慮到前述事項，含油氣層以及鄰近層的可壓裂性的可靠并且現(xiàn)成可用的估計可 以顯著地提高油氣開采操作的有效性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 一種用于估計地理位置的可壓裂指數(shù)的方法包括：確定從地理位置提取的地質(zhì)樣 品的構(gòu)造指標(biāo)和礦物組成指標(biāo)，以及根據(jù)該構(gòu)造指標(biāo)和礦物組成指標(biāo)來估計地理位置的可 壓裂指數(shù)。構(gòu)造指標(biāo)可以是紋理相關(guān)的測量，比如紋理尺寸或棱角性，或者孔隙空間相關(guān)的 測量，比如孔隙面積、直徑、縱橫比以及周長，或者與這些測量相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
[0018] 在某些實施方案中，確定礦物組成指標(biāo)包括：在地質(zhì)樣品內(nèi)檢測普遍的至少一個 有機代用指標(biāo)，比如釩、鐵、鈾、釷、銅、硫、鋅、鉻、鎳、鈷、鉛以及鉬。確定礦物組成指標(biāo)還可 以包括檢測普遍的硅質(zhì)碎肩、碳酸鹽和粘土中的一個、兩個或全部。
[0019] 該方法還包括根據(jù)可壓裂性指數(shù)來調(diào)整油氣開采操作。在某些實施方案中，用來 確定構(gòu)造指標(biāo)和礦物組成指標(biāo)以及估計可壓裂性指數(shù)的儀器位于現(xiàn)場來幫助油氣開采操 作的應(yīng)答調(diào)整。在本文中還公開了相應(yīng)的系統(tǒng)和裝置。
【附圖說明】
[0020] 并入并且構(gòu)成說明書的一部分的附圖顯示了一個或多個實施方案，并且連同描述 一起說明了這些實施方案。在附圖中：
[0021] 圖1是描繪用于油氣開采操作的在勘探階段中的傳統(tǒng)陸地地震勘測系統(tǒng)的示意 圖；
[0022] 圖2a和2b是描繪為了提高油氣開采操作的提取階段而使用的壓裂的示意圖；
[0023] 圖3是描繪用于油氣開采操作的測量和調(diào)整方法的一個實施方案的流程圖；
[0024]圖4a是描繪孔隙空間圖像生成裝置的一個實施方案的數(shù)據(jù)流程圖；
[0025] 圖4b是顯示如何能夠利用直方圖