（机械工程专业论文）大庆探区火山岩储层压裂工艺技术研究.pdf

哈尔滨理t 大学t 程硕 学位论文 大庆探区火山岩储层压裂工艺技术研究 摘要 大庆深层火山岩气藏埋藏深( 3 5 0 0 , - - 4 5 0 0 m ) 、温度高( 1 3 0 1 8 0 ) 、岩性 复杂、致密( 渗透率0 0 0 1 - - - 0 0 5 m d e ) ，必须进行大型压裂改造才能获得工业 开采价值。由于火山岩储层孔洞一裂缝发育，改造过程中存在“多裂缝”同时 破裂延伸，表现为高停泵、高摩阻、高滤失的“三高”特征，增加了施工难 度，甚至导致施工失败，压裂工艺成为制约深层天然气的勘探、开发瓶颈问 题。 本文针对大庆外围深部气藏压裂后形成多裂缝和存在天然裂缝性的实际 情况，研究滤失系数与压力有关条件下，建立了裂缝性、致密地层压降曲线 分析模型，利用g 函数，作出压降特征曲线图和导数图，进而确定天然裂 缝发育程度，开启压力、闭合压力及其它各项压裂参数，形成压力降落过程 识别天然裂缝的有效方法。在此基础上，根据该类储层裂缝开启机理和滤失 诊断成果，在压裂设计方面通过对火山岩储层地应力剖面研究、考虑天然裂 缝的开启进行优化设计；在现场实施方面，研究界定了影响压裂施工成败的 裂缝近井摩阻、停泵压力梯度、滤失系数3 个特征值的测试压裂解释参数 标准，并针对近井筒多裂缝、高摩阻、储隔应力差小、微裂缝滤失、孔洞滤 失等不同地层实际，形成了井下净压力精确计算、实时压裂液效率计算的方 法和降滤、封堵，变排量以及砂比控制等现场施工控制措施。 上述配套工艺技术的综合应用，较好地解决了该类储层压裂早期砂堵的 矛盾，使压裂一次成功率由2 0 0 2 年的3 6 o 提高到目前的9 0 9 ，2 0 0 2 年 以来完成了8 6 口井9 2 井次压裂施工，平均单层改造规模6 5 m 3 ，最大规模 达到1 1 6 5 m 3 ，成功实施了世界上少有的火山岩大规模压裂施工，其中压后 产量大于2 0 o x l 0 4 m 3 d 有1 3 口井1 4 层，徐深1 、卫深5 井和徐深6 井压后 无阻流量达到了百万方，获得了压后产能上的历史性突破，为大庆油田提交 1 0 0 0 亿立方米高品质探明储量提供了有力的技术支持。 关键词火山岩；压裂；天然裂缝；滤失 s t u d yo ff r a c t r u et e c h n i c sf o rl a v al a y e ri n d a q i n ge x p l o r ef i e l d a b s t r a c t d a q i n gd e e pv o l c a n i cg a sr e s e r v o i rh a v et ob eb i g f r a et r e a t m e n tt op r o d u c e c o m m e r c i a l l yc o m p o s i t i o no n l yf o r i t s d e e p l yb u r i e d ( 3 5 0 0 4 5 0 0 m ) ，h i g h t e m p e r a t u r e ( 1 3 0 1 8 0 ) a n dd e n s es t r u c t u r e b e c a u s eo fl a v al a y e rm a t u r e c a v e r n f i s s u r e m u l t i p l ef r a c t u r e s i sr u p t u r e da n de x t e n d e dw h e na tr e f c i r l n t r e a t m e n t t h e r ea r et h r e eo b v i o u sc h a r a c t e r s ：m u l t i p l ep u m p ss t o p p i n g ，m u c h f r i c t i o nr e s i s t a n c e ，h i g hl e a k i n g - o f fw h i c ha d dt ot h ef r a c t u r i n gd i f f i c u l t i e s ，s of a r a st o o p e r a t i o nf a i l u r e s b a c k w a r di n f r a c t u r i n gt e c h n i q u ec o m e st o b ea b o t t l e n e c ko f p r o s p e c t i n ga n de x p l o i t a t i o nd e e pg a sr e s e r v o i r i nt h i st h e s i s ，f o c u so nt h ef a c to fd a q i n go i lf i e l dp e r i p h e r a l l a y e rt h a t h a v i n gn a t u r ef r a c t u r e sa n dm u l t if r a c t u r e sa f t e rf r a c t u r i n g ，r e s e a r c hl e a k i n g - o f f f a c t o ra n dr e l e v a n tp r e s s u r ec o n d i t i o n t h e r e f o r e ，i tc a nc h a r tt h ep r e s s u r ef a l l - o f f c u r v e sa n dd e r i v a t eg r a p h sb ye s t a b l i s h i n gt h ea n a l y s i sm o d e lo ff r a c t u r e dt i g h t l a y e rp r e s s u r ef a l l o f fc u r y e sa n du t i l i z i n ggf u n c t i o n p r o c e e dt ot h en e x ts t e p ； m a k es u r et h en a t u r a lf r a c t u r e s d e v e l o p m e n td e g r e e ，o p e np r e s s u r e ，c l o s e p r e s s u r ea n do t h e rf r a c t u r i n gp a r a m e t e r s a tt h es a m et i m e ，a ne f f e c t i v em e t h o d w i l lb eo b t a i n e dw h e np r e s s u r ef e l lo f f o nt h eb a s i so ft h i st y p eo fr e s e r v o i r o p e nf r a c t u r e sm e c h a n i s ma n dl e a k i n g o f fd i a g n o s i sa c h i e v e m e n t s ，f r a c t u r i n g d e s i g nc a nb eo p t i m i z e db ya n a l y z i n gi n s i t us t r e s ss e c t i o na n dr e s e a r c h i n gt h e o p e no fn a t u r a lf r a c t u r e s i nt h ea s p e c to fw o r k s i t eo p e r a t i o n ，t h e r ea r et h r e e e h a r a c t e r i s t i e sv a l u eo fs t a n d a r df r a c t u r i n gd e t e c t i o np a r a m e t e ri n t e r p r e t a t i o n ： n e a rw e l ld e v i a t i o nc o e f f i c i e n t ；p u m ps t o p p i n gg r a d i e n t ；l e a k i n g o f ff a c t o rw h i c h a f f e c tt h ee f f e c t so ff r a c t u r i n gt r e a t m e n t c o n s i d e r i n gt h ef a c t so fl a y e rd i f f e r e n c e s u c ha sn e a rw e l lb o r em u l t if r a c t u r e s ；h i g hf r i c t i o nr e s i s t a n c e ；s m a l ld i f f e r e n c e o fs t o r a g es e p a r a t i o n ；m i c r of r a c t u r el e a k i n g - o f f ；h o l el e a k i n g - o f fa n ds oo n a c a l c u l a t i o nf o rp u r ep r e s s u r ew i t hu n e r r i n gp r e c i s i o na n dr e a lt i m ef r a c t u r i n g - 堕玺堡矍三奎耋三堡至! ! ：兰堡丝兰 f l u i de f f i c i e n c yi si n v e n t e d ao ns i t eo p e r a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yo nw o r k s i t e a b o u td r o p p i n gf i l t e r ；s e p t a lo c c l u d i n g ；a l t e r i n gf l o wr a t ea n ds a n dr a t ec o n t r o li s a c q u i r e d b e c a u s eo fu t i l i z i n go ft e c h n o l o g ys u p p o r t i n gm e a s u r e s ，t h eu n f a v o r a b l e f a c t o r so fe a r l ys c r e e n o u to fs t i m u l a t i o nh a sb e e ns e r l e ds a t i s f a c t o r y s u c c e s s r a t eo ff r a c t u r i n gh a si m p r o v e df r o m3 6 o i n2 0 0 2t o9 0 9 r i 曲tn o w t h e r e f o r ms c a l eo fs i n g l el a y e ri s6 5m i na v e r a g ea n dl l6 5 m i nm a x i m u ma t9 2 o p e r a t i o nt i m e sf o r8 6 w e l l ss i n c e2 0 0 2 t h eb i g f r a ct r e a t m e n ts e l d o ma 1 1o v e r t h ew o r l di so p e r a t e ds u c c e s s f u l ly i nt h e s ef r a c t u r i n g ，t h e r ea r e1 4l a y e r si n1 3 w e l l sh a v em o r et h a l l2 0 0 l0 m do u t p u ts i n c ef r a c t u r e d x ud e e pl 、w e i d e e p5a n dx ud e e p6a c h i e v em i l l i o nm o fu n d a m p e df l o wr a t e i tb r i n g sa h i s t o r i c a lb r e a k t h r o u g hi n d e l i v e r a b i l i t y o ff r a c t u r e dw e l l t h i st e c h n i q u e p r o v i d e sat e c h n o l o g ys u p p o r tf o re x p l o i t i n g1 0 0b i l l i o n sm 3h i g hq u a l i t i e s d i s c o v e r e dr e s e r v eo nd a q i n go i lf i e l d k e y w o r dl a v a ；f r a c t u r e ；n a t u r ef r a c t u r e ；l e a k i n g - o f f 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大庆探区火山岩储层压裂工艺 技术研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人己发 表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 j上 作者签名：左远璃日期：弘叼年厂月铭日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 大庆探区火山岩储层压裂工艺技术研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨 理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 t 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 左远苒 导师签名三j 献舢 日期：仞司年厂月铹佰 日期：2 肋7 年厂月留日 哈尔滨理工大学t 程硕 。学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 大庆探区火山岩储层成分较复杂，主要指火山喷发岩形成的储集层，常 见的有玄武岩、安山岩、粗面岩、流纹岩，此外，还有火山碎屑岩( 包括各种 成分的集块岩、火山角砾岩、凝灰岩) 。由于后者的成因及分布均与火山喷发 岩密切相关，故从油气勘探的角度往往把火山喷发岩和火山碎屑岩形成的储 集层统称为火山岩储集层。 大庆油田深层火山岩储层的徐家围子、常家围子与莺山双城构造勘探的 天然气资源量为1 1 7 4 0 x 1 0 8 m 3 ，尽管目前己形成了一套火山岩储层射孔测 试、试气和压裂工艺配套技术，但随着火山岩储层勘探深度及领域的不断扩 大和开发生产的需要，火山岩储层试气压裂仍面临诸多新矛盾、新问题，还 需不断攻关和完善，因此，随着该课题的研究完成，将形成更加完善、成熟 配套的火山岩储层试气压裂增产工艺技术，有利于大庆油田火山岩储层天然 气产业化的形成，为大庆油田天然气的勘探开发提供技术保障。 1 2 大庆深层天然气储层特点及急需解决的压裂技术难点 以徐家围子断陷为主的深层天然气藏，自下而上发育的地层有火石岭 组、沙河子组、营城组和登娄库组与泉头组一二段。火山岩类型多在开采过 程中有以下特点及难点： 1 埋藏较深，储层温度高：气藏深度一般在3 5 0 0 0 0 4 5 0 0 o o m ，温度 1 3 0 0 - 1 7 0 o ，大庆油田现在没有气井作业与修井专业队伍，油井起下设备 配备能力小于3 5 0 0 o o m ，从作业起下到井控设备能力等级都不能满足深层气 勘探开发的需要。现有的生产测井仪器系列，最高耐温系列只有1 4 0 ，不 能适应深层气开发生产需要； 2 岩性致密、储集空间复杂，储层巨厚，地应力高：虽然在火山岩钻探 中，为了更好的保护气藏，应用了“欠平衡”钻井技术，其中在卫深5 井与徐 深1 井见到较好效果，中途测试获较高无阻产量分别为1 7 2 x 1 0 4 m 3 d 与 7 2 x l o 3 d ，但绝大部分储层自然产能较低，包括卫深5 井与徐深l 井都需 要通过大型压裂才能获得较高产能，其中卫深5 井与徐深1 井压裂后无阻流 量达到自然产能的9 - - - 1 5 倍以上。由于地层岩性致密、地应力高，破裂压力一 般在6 0 0 - - 9 0 o m p a ，对压裂设备要求高，大庆油田现有的压裂车组，由于多 年频繁使用且排量低存在严重老化以及在加砂性能上都不能适应深气层大型 压裂改造的需要。同时由于火山岩储层巨厚( 仅徐深1 井就有三个单层厚度 超过1 2 0 m ) ，在开发增产改造中，必须考虑攻关应用分层改造的射孔、压裂 以及生产一体化作业技术； 3 储集层流体性质多样：大庆除部分以c 0 2 为主天然气资源外，还有较 大比例以甲烷为主的气层中含有c 0 2 气，最高c 0 2 气含量达到了3 l ，会对 深层天然气的试气开采带来很大困难，其中深层天然气生产井升深2 井井口 剩余c 0 2 含量大于5 o ，该井9 6 年投产，由于地表漏气，9 9 年采取大修作 业，已证实套管腐蚀严重，地表漏气，经过采取措施，继续生产至2 0 0 4 年4 月再次出现地表严重漏气，目前只能采取全井报废处理。因此，在采气工艺 及配套开发设备中，必须首先充分考虑和解决c 0 2 气体腐蚀问题。 压裂技术难题方面主要表现在：火山岩储层压裂裂缝启裂和延伸的机理 难于认识；火山岩发育大量天然裂缝和熔孔，严重影响压裂中人工裂缝的开 启和延伸，裂缝的复杂运动及其在空间上展布难于进行数学描述，因此无法 优化出针对其复杂特点的压裂施工方案。缺乏火山岩压裂现场分析判断方法 和控制技术。以往针对常规砂岩形成的压裂施工分析、判断和决策方法，无 法适应火山岩储层复杂的地质条件，不能合理地认识地下裂缝变化规律，现 场施工无法根据压力特征做出正确的判断，和采取及时的控制措施。没有满 足耐高温、高压、长时间施工需要的压裂工作液体系和配套的工具管柱。在 埋藏深( 4 6 5 0 m ) 、温度高( 1 7 8 7 ) 巨厚( 1 6 8 2 m ) 的火山岩储层实施压裂 施工，所需的压裂工作液和工具管柱，在国内尚无成型技术。应开展深层火 山岩压裂改造配套技术研究。 1 3国内外火山岩储层压裂及相关工艺技术发展现状 1 3 1国内外测试压裂诊断技术的发展现状 火山岩储层岩性致密，孔渗极低，必须通过大型压裂才能具备工业开采 价值。目前国内外的很多深层天然气藏都面临此问题的困扰，压裂技术难题 方面主要表现是多方面的，其中测试压裂是大型压裂施工设计和产量预测等 哈尔滨理t 大学t 程硕i 二学位论文 的关键”1 1 2 ，主要是根据压裂施工停泵后井底或井口压力随时间的变化确定与 压裂设计及现场分析相关的参数。关于测试压裂解释方法的方法有很多，主 要存在以下几个流派。 早在1 9 5 7 年，g o d b e y 和h o d g e s 就认识到在水力压裂施工过程中分析压 力数据的重要性。但是直到1 9 7 9 年，n o l t e t 3j 建立了一套经典的压降分析方法 ( 裂缝校正或测试压裂分析) ，用以估计闭合压力，压裂液效率，滤失系数和 裂缝几何尺寸。以后n o l t e t 4 】【5 1 又先后发表了许多论文，论述裂缝压降分析方 法及其改进方法。 自n o l t e 提出系统的压降曲线分析方法后，国内也陆续参数进行了部分 研究应用工作，并提出了一系列改进措施。1 9 8 6 年王鸿勋教授指导孟维宏 6 1 在考虑了裂缝闭合后有延伸的情况，并找到了一种利用压降曲线早期段确定 压裂参数的新方法；1 9 8 9 年张士诚 7 1 注意到用二维模型分析压降曲线存在很 多局限性，提出了拟三维压降曲线分析方法，更符合实际的地层情况，从而 很好的解决了目前遇到的诸多问题。 1 9 8 9 年，m e y c 8 1 提出了模型修正二维裂缝满足质量守恒和动量方程。引 进了返排、干扰闭合、注液和闭合时与时间有关的滤失系数，以及液体流变 性的影响。还介绍了一个归纳出来的g 函数( 不完全b 函数形式) 。这个g 函数是一个比最初n o l t e 的g 函数更全面的函数形式。m e y e r 还提出了一种 新的分析方法，用裂缝面积、渗流阻力和滤失速度来确定地层渗透率以及与 渗透率有关的不稳定性。 1 9 9 0 年n o t l e _ 1 9 1 于发表的一篇名为“非理想状况下的压降曲线分析方法”的 文章。在文章中，n o t l e 考虑了裂缝高度的增长、缝长的变化、支撑剂的作 用、以及裂缝张开等影响因素。这些非理想因素的引入，对n o t l e 最初建立 在理想假设条件下的压降曲线分析法，是一个重大的完善与改进。l e e 又引 入了b i o t 的能量方程，针对g d k 裂缝模型对n o l t e 的早期工作进行了改进。 1 9 9 1 年，h m u k h e r j 甜”1 等人对n o l t e 的压降曲线分析在处理图形和计算 与压力有关的滤失上进行了修正。并总结出一个滤失系数与净压力之间的经 验关系式。 1 9 9 3 年，m a y e r h o f e d “1 提出了一个裂缝校正程序。对于流动速率变化的 情况，m a y e r h o f e r 运用叠加的方法来处理具有无限大导流能力的裂缝，并假 设闭合期间的滤失系数与压力有关。m a y e r h o f e r 又在后来的论文中指出这种 方法存在问题，因为在闭合期间忽略了裂缝的物质平衡。考虑到裂缝中的质 量守恒，象n o l t e 起初所假设的那样，m a y e r h o f e r 也假设滤失速率与压力随 时间的变化率成正比。在该文中介绍了当压裂液线性注入地层时的压降分析 方法，和确定裂缝渗透率、滤饼阻力以及压开的裂缝面积的方法( 如果己知 其中的一个定量参数) 。 1 9 9 6 年，b a r r e d ”1 发表了一篇论文，讨论了压开天然裂缝引起的与压力 有关的滤失。后来他又在1 9 9 8 年发表的论文中【1 3 1 ，依据n o l t e 的g 函数图和 各种导数，确定了非理想型裂缝的性质和特征，验证了与压力有关的滤失的 存在。这项研究成果具有重要意义。 1 9 9 7 年，c a s t i l l t “1 向学术界介绍了“g 函数”图和与压力有关的滤失系 数。c a s t i l l o 的理论认为：既然压降是一个线性的g 函数，那么“以g 函数为 横坐标做出的压降c a r t e s i a n 图在裂缝闭合期间应该是一条直线，斜率等于 p ( 即a e a o ) ，在y 轴上的截距应该等于关井时的理论压力值，这条直线 可确定裂缝闭合的时间，而与直线的偏差可确定闭合压力。”c a s t i l l o 还证实 了在确定裂缝闭合，裂缝延伸和与压力有关的滤失系数( 闭合期间滤失系数 下降) 时，使用g 函数导数是很重要的。 同年，f a n 提出了一个新的解释模型，他结合质量守恒定律确定地层渗 透率和与压力有关的滤失，其方法与修正过的m a y e r h o f e r 分析方法相似。一 旦滤饼中的压力和地层渗透率确定下来，与压力有关的滤失系数就可以计算 出来。 2 0 0 0 年6 月，b r u c er m e r y e r i ”1 和r h e n r yj a c o t 发表了一篇论文，为压 降曲线分析上最新的研究成果。 1 3 2 国内外深部地应力及岩石学特征参数的研究方法 地应力客观存在于地壳中，对油藏的开发起着十分重要的影响，因此地 应力研究具有十分重要的意义1 6 1 。在石油工程中，地应力应用于地层优化 压裂改造、井网布局等方面。射孔与地应力状态以及人工裂缝特征之间存在 着内在的联系，采用定向射孔技术，在合适的方向上( 水平最大主应力方 向) 将油层射开，不但可以保持井筒稳定，也可以使地层出砂得到控制；地 应力是决定人工裂缝的形态和产状的重要因素。 自五十年代起，人们开始使用由发射器和接收器组成的声波测井仪进行 声波测井，这种测井仪具有单极发射的特征。这类仪器最初用来检测初至 波，以便确定地层的纵波速度。随着声波测井技术的发展，能够观察和记录 到全波列信息，从而可以确定横波波速，并用其评价地层特性。然而就单 哈尔演理t 大学t 程硕t ：学位论文 极声源测井技术而言，井眼的物理性质使人们只能确定大于井眼流体声波速 度的横波速度，松软、低速、胶结差的地层中的横波速度无法确定。偶极发 射器和接收器的组合消除了流体速度的限制，尤其是偶极声源可以在井眼中 产生一种挠曲波，以此确定地层的横波速度，而不涉及流体速度【i 9 】f 2 0 l 。 偶极声波测井可以确定快地层和慢地层中的纵横波速度，而长源距声波 测井只能确定快地层中的纵横波速度。从中我们不难看出，偶极声波测井能 够很好的确定地应力剖面、岩石力学性质剖面，而长源距声波测井只能确定 快地层中的地应力剖面、岩石力学性质剖面，且受地层流体和井眼的影响较 大。 由于工程上的需要，地应力的测量技术发展很快，就石油工业而言，已 经发展出了一系列的针对深部地层的测试技术，如微压裂、井下微地震、定 向自然伽玛测井、a s r 、差应变、钻井过程和取心过程的诱导缝分析、岩心 波速各向异性、古地磁等【2 l 】。综上所述，岩石力学性质和地应力是石油开发 过程中的重要参数，室内岩心实验的方法和现场测试方法的成本都非常高， 应用基于测井资料的计算方法不但比实测方法经济，而且可以得到垂向上连 续剖面，并且精度可以满足石油工业的需要，因此进行此项工作是非常有意 义的。 1 3 3 国内外火山岩储层压裂改造技术的发展现状 压裂工艺技术是火山岩储层获得高产工艺气流的重要手段瞄】 2 3 1 0 火山岩 储层由于储气层为双重介质，施工中存在多条裂缝同时延伸，易导致压裂施 工失败，也是当今世界范围内都在探索和研究的课题。长冈气田是日本最大 的气田，位于日本本州岛中北部长冈市。2 0 世纪7 0 年代末发现，1 9 8 4 年投入 开发。该气田为火山岩储层，以流纹岩为主，属于中新界地层，埋深在 4 0 0 0 m 以上，储层厚度大于1 0 0 m ，温度1 7 7 ，为高压( 5 5 2 m p a ) 储层，储层 具有各向异性的特点，且天然裂缝发育。射孔工艺方面，采用限制射孔厚度 ( 6 1 m ) ，并且避免多裂缝的产生，超压射孔。压裂方面采用高粘液体、高施 工排量，用来减少裂缝弯曲；采用小粒径支撑剂，3 0 6 0 目代替2 0 4 0 目。通常 采用支撑剂段塞处理磨蚀多裂缝，控制加砂浓度避免早期脱砂，实时分析解 释。 如图1 1 日本长冈气田火山岩储层压裂，由于多裂缝发育，支撑剂早期 脱砂，无法完成施工，最大施工规模2 4 t 支撑剂。 # 口m t - 图1 - 1 长冈某井压裂施工曲线 f i g u r e1 - lw e l lo f c h a n g g a n gf r a c t u r i n go p e r a t i o n 图1 2 裂缝剖面及地面施工压力曲线 f i g u r e1 - 2f r a c t u r es e c t i o na n df r a c t u r i n go p e r a t i o na m v e 在国内塔里木油田的深层气井为碳酸盐岩储层；而华北油田的气藏主要 为玄武岩储层。辽河油田，火山岩储层大部分为储油层，通过几十年的油藏 压裂增产措施改造后，形成了比较成熟的火山岩油藏开发压裂工艺技术。 辽河油田已经研发了适应温度在1 2 0 1 8 0 范围的压裂液体系。目前国 内外使用最普遍的水基压裂液体系是以羟丙基胍胶、胍胶、香豆胶等作为增 稠剂，以有机硼、有机锆等为交联剂【2 4 1 。但在高温下加入少量破胶剂就会破 胶，降低压裂液的携砂性能。新型的高温压裂液体系中加入了高温交联剂、 温度稳定剂和络合剂及高温胶囊破胶剂。保证了高温交联剂的耐高温、抗剪 切等特殊性能。 口 m m 。 l 哈尔滨理工大学t 程硕 j 学位论文 辽河油田火山岩压裂有高储层温度、高施工泵压、高流体滤失、高启裂 压力、高砂堵机率的特点，施工难度较大；辽河油田初步形成了基本配套的 火山岩油藏压裂辅助试油试采技术；辽河油田在火山岩压裂降滤失、破岩启 裂技术方面有较大突破；所研制的火山岩压裂辅助试油试采技术在辽河油田 进行大规模的现场推广应用，取得了良好的增产效果和经济效益；辽河油田 火山岩压裂是近几年才兴起的，在加砂量、改造规模上还有待于进一步加 大，相关配套技术还有待于进一步完善。 大庆油田自1 9 8 8 年在芳深l 井登楼库组登三段致密砂岩储气层压裂获日 产超过4 x 1 0 4 m 3 的工业气流，拉开了松辽盆地北部深层天然气勘探的序幕。 随着勘探的不断深入，又在徐家围子地区深部发现了大面积以火山岩为 主的天然气储层，应用砂泥岩压裂技术进行增产改造，施工成功率只有 3 6 ，最大改造规模仅3 0 m 3 ，增产效果差。火山岩储层的压裂增产改造技术 已成为制约这类储层勘探的瓶颈技术之一口”1 2 6 j 。 2 0 0 1 年以来，针对营城组火成岩这种裂缝性、致密气层，国内外尚没有 成型的压裂改造工艺。我们结合改造目的层埋藏深度跨度大，储层温度范围 大，气层性质变化大，厚度小，渗透率低，自然产能低的特点，开展以提高 深层气井压裂成功率的深气井压裂改造配套技术研究。从压裂的优化设计、 产能预测、压裂液、支撑剂、压裂管柱到压裂方式，不断发展了以致密深气 层压裂改造为主的压裂增产技术，对油气勘探中起到积极作用。 1 4 本论文研究的意义与内容 本课题来源于中国石油勘探与生产分公司项目：火成岩、灰岩等特殊储 层试油( 含措施改造) 配套技术研究。 1 4 1 研究意义 通过对特低孔渗的安山岩、流纹岩、凝灰岩等火山岩储层改造工艺技术 攻关研究，形成适合于深层火山岩的储层增产工艺技术，较大幅度提高单井 产量，为正确评价储层产能和提交商业价值储量、东西部油气资源接替提供 技术保障。 哈尔滨理_ t 大学t 程硕t 。学位论文 1 4 2 研究内容 火山岩储层含有较为发育的天然裂缝，在进行水力压裂施工时，天然裂 缝对人工水力裂缝的延伸会产生影响，不仅影响裂缝的延伸轨迹，也影响压 裂液的滤失，因此认识天然裂缝是基础口7 1 。天然裂缝的产状、规模、密度等 均受区域构造应力场的控制，基于以上认识，必须通过先进的实验手段及力 学方法充分认识天然裂缝。同时，水力压裂的目的是通过储层改造实现增 产；施工材料的优选则是以最大限度降低对储层伤害、满足工艺要求为原 则，因此也必须充分认识储层基质及天然裂缝。在储层认识的基础上，通过 开展火成岩储层裂缝破裂与延伸分析技术、火成岩储层压裂净压力解释方法 等研究，形成火成岩储层压裂施工风险预测技术、火成岩储层测试压裂解释 方法；通过建立井下净压力精确计算、实时压裂液效率计算方法建立火成岩 储层压裂施工状况判断分析方法，从而有效地选择固体、液体降滤、封堵， 变排量施工等配套技术。在压裂液研究中重点开展适合储层特点的耐高温、 耐剪切的压裂液体系。 通过现场施工试验，不断总结认识，达到室内试验和现场施工较好统 一。具体研究内容如下： 1 深层火山岩储层压裂破裂与延伸力学模型的建立； 2 深层火山岩储层测试压裂的分析与完善，形成测试压裂诊断方法； 3 深层火山岩储层地应力研究与应用； 4 深层火山岩储层压裂施工控制技术； 5 低伤害1 5 0 高温压裂液配方的研制与完善。 哈尔滨理t 大学t 程硕 二学位论文 第2 章储层的地质特征 2 1 火山岩储层的类型 大庆探区火山岩储层主要是指火山喷发岩形成的储集层，常见的有玄武 岩、安山岩、粗面岩、流纹岩，此处，还有火山碎屑岩( 包括各种成分的集块 岩、火山角砾岩、凝灰岩) ，由于后者的成因及分布均与火山喷发岩密切相 关，故从油气勘探的角度往往把火山喷发岩和火山碎屑岩形成的储集层统称 为火山岩储集层口”。火山岩储层埋藏深( 3 0 0 0 - - 4 5 0 0 m ) ，井内温度高 ( 1 0 0 一- 1 7 0 * c ) ，岩性致密( 渗透率0 0 0 1 , 4 ) 1 m d e ) ，孔隙度低( 1 2 ) ，火山岩成 分较复杂( 包括火山岩孔隙、裂缝、溶洞性储层、凝灰岩、变质岩和安山岩等 等) ，这类致密复杂岩性储层只有通过压裂改造才能进行确切评价和商业开 采。 大庆探区火山岩储集层主要集中在徐家围子断陷带，以岩性气藏为主。 在安达断陷和林甸断陷局部发育火山岩，其气源特征与徐家围子断陷带类 似。徐家围子断陷带营城组、火石岭组火山岩发育集中，由于其位于有利生 烃断陷中，具有优先富集天然气的条件，从而形成大面积岩性气藏口8 1 。其火 山岩储集物性受埋藏深度影响很小，受火山岩喷发时的岩性、岩相及后期改 造作用影响较大。按成因可划分为原生孔隙、次生孔隙和裂缝3 种类型。按 空间类型组合，主要归结为裂缝、孔隙及裂缝和孔隙组成的复合型3 种。以 孔隙裂缝组合为主的火山岩储层，孔隙、裂缝均很发育，常产于与沉积岩接 触部位，安山岩是其典型代表。图像统计结果表明，储层面孔率一般为 1 * o - - 3 ，最高达5 左右，孔隙宽度小于0 2 m m ，微孔和微缝较多，是火山 岩中相对优质储层。 流纹岩储集空间属于孔隙和少量裂缝型组合类型，孔隙直径变化大，缺 乏连续性。可见，流纹岩气孔分布非均质性较强，渗透性相对偏低。以纯裂 缝为主的储层主要是各类凝灰岩以及厚层火山岩体的中部，其孔隙基本不发 育，岩石面孔率低，以微裂缝为主，宏观缝多被方解石充填，此类火山岩储 层物性很差口”。由于强烈的构造运动使得非常致密的火山岩产生了许多裂 缝，从而为油气运移及储集提供了良好的条件。徐家围子断陷分布的火山岩 条带明显，断陷中部和西部边界断裂上发育的火山岩处在湖相烃源岩之中， 钻井已经证实具有较好的成藏条件和较大的勘探潜力。 2 2 火山岩储层复杂岩性的表现特征 对于深层火山岩的岩心和测井资料的分析表明，火山岩储层由于岩石致 密，脆性较大，在构造运动的作用下容易产生裂缝，图2 1 是徐深l 井的岩 心照片，可以清晰地看到岩块内的大气孔以及不同时期的多组系裂缝，这些 裂缝在地层条件下尽管大多数是闭合的，但由于高储层压力的作用，对于地 下天然气的渗流起到了关键的作用p 0 1 叫。 a ) 3 5 3 l m 流纹岩岩块内大气孔 b ) 3 6 3 3 m 岩自破碎彤成的炸裂缝 图2 1 火山岩储层岩心裂缝发育情况 f i g u r e2 - 1f i s s u r ed e v e l o p m e n tc o n d i t i o no f l a v al a y e rc o r e 图2 2 为岩心薄片镜下鉴定分析结果，基质为凝灰级球粒流纹岩岩块和 石英、长石晶屑，细粒填隙物为凝灰质与火山熔岩物质，局部见有火山玻 璃。火山灰具脱玻化、绿泥石化，常见缝合线构造，说明岩石的压溶作用较 强。长石晶屑粘土化强烈，碳酸岩化普遍，方解石填于粒问并交代颗粒。 a ) 火山角砾岩，砾间孔b ) 集块岩，砾间孔及缝合线 图2 - 2 火山岩储层岩心薄片镜下鉴定 f i g u r e 2 - 2l a v al a y e rc o r eb yt h i ns e c t i o n s 哈尔滨理工大学t 程硕1 学位论文 从图2 3 的成像测井资料获得营城组顶部流纹岩天然裂缝的发育情况，可 以判断高角、网状裂缝极其发育，裂缝定量参数分别为6 0 4 3 条，米，等效面 积2 9 4 m 2 m ，面孔率为o 8 7 。 图2 - 3 肇深l o 井9 2 u 号层成像成果图 f i g u r e2 - 3z h a o s h e n l o w e l l9 2 i i r e s e r v o i r p r o g r e s s i v ei m a g e r y 压裂现场施工压力对比也可以看到火山岩储层裂缝发育的特征，表现在 由于天然裂缝的开启导致压裂液过量滤失( 压裂液的滤失系数高出储层岩心测 试一个数量级以上) 、“多裂缝效应”产生的较高净压力以及早期砂堵导致施工 失败。 l i斛 h 膦 乡 k 。卫 f 图2 - 4 升深1 0 1 井j 8 8 号层压裂施上曲线 f i g u r e 2 - 4s h e n g s h e ni o l w e l l j 8 8r e s e r v o i rf r a c t u r i n go p e r a t i o nc u r v e 哈尔滨理工大学t 程顾 ：学位论文 图2 4 是以往施工的升深1 0 1 井j 8 8 号层施工曲线，对瞬时停泵处的压 降曲线分析得到：目的层滤失严重，表明发育天然裂缝，系统摩阻高 ( 2 8 3 m p a ) ，入口压降损失大，动态缝宽窄，应该在压裂前进行裂缝的降阻预 处理和压裂液的降滤失处理，而限于当时的认识，实际施工时未采取任何处 理措施，该井在加陶粒仅6 m 3 时就产生砂堵，导致施工失败。 2 3 本章小结 火山岩储层含有较为发育的天然裂缝，在进行水力压裂施工时，天然裂 缝对人工水力裂缝的延伸会产生影响，不仅影响裂缝的延伸轨迹，也影响压 裂液的滤失，因此认识天然裂缝是基础。天然裂缝的产状、规模、密度等均 受区域构造应力场的控制，基于以上认识，必须通过先进的实验手段及力学 方法充分认识天然裂缝。 哈尔滨理丁大学t 程硕i ：学位论文 第3 章深层火山岩测试压裂诊断方法研究 3 1 基本假设 小型压裂是压裂测试的内容之一，它提供了压裂滤失系数等重要参 数，为加砂压裂的成功提供了保障，尤其对大型压裂( m h f ) 施工更是必不可 少，然而针对火山岩这种“双重介质”储层的压降曲线分析方法没有尝试。因 而在总结国内外研究成果的基础上，针对大庆外围深部气藏压裂后形成多裂 缝和存在天然裂缝性的实际情况，研究滤失系数与压力有关条件下，建立裂 缝性地层压降曲线分析模型，利用g 函数，做出压降特征曲线图和导数图， 进而确定天然裂缝发育程度，修正裂缝参数。同时，准确地预测压裂液效率 和裂缝扩展状况，形成了压力降落过程识别天然裂缝的有效方法。 在建立压降曲线模型时，作了如下假设： 1 滤失系数随压力变化； 2 停泵后，裂缝继续在地层中延伸； 3 幂律液以恒定排量注入对称裂缝中； 4 注入过程中裂缝连续延伸； 5 裂缝在不受支撑剂影响下自由闭合； 6 考虑初滤失的影响 3 2 压降曲线分析模型的建立 3 2 i 质量守恒方程 依据质量守恒定律，注入压裂液总体积一滤失体积v a t ) 一初滤失吃( f ) = 裂缝体积( f ) ，则有： g o ) d r 一巧( f ) 一( f ) 2 v a t ) ( 3 - 1 ) 式中 r ( a ) = 旺彳爿( f ) 】。1( 3 - 2 ) 对于平方根滤失，口，= 1 2 。 不考虑初滤失的流体滤失体积为： 恃2 f 警肛扩f 广删( 3 - 3 ) = 刀c ( f ) 一( f ) 硒位。，口。) 舯 咻2 南- t - f d 等 c 3 川 万( 口。+ 口。 = ) n 7 此处，综合滤失系数c ( t ) 是瞬时值，对于与时间和压力无关的定滤失系 数，口。= 0 。 闭合期间( 停泵裂缝停止延伸后) 的滤失体积为： v z ( t ) _ 2 r 者出 ( 3 - 5 ) 假设滤失系数只是时间的函数，得滤失速度为： 警- 2 c ( f ) j ：者= 衫2 c 删石丢g ( 砒 ( 3 6 ) 停泵时不包括初滤失的压裂液效率仉为： 咄户v i ( t p ) 似9 q d f - v , p ( t ，) l ( 3 - 7 ) 这个效率可用来求延伸时的初滤失体积。 3 2 2 动量方程 针对p k n 模型给出2 d 动量方程： x 分量： 宅： 兰孚h 邶力讪，( 3 - 8 ) 苏 r ，【。j 一 z 分量： 鱼d z = 等附懈埘曲。圳 b ， r ，【日：j 一 、7 y 分量： 哈尔滨理t 大学t 程硕1 j 学位论文 望：0 卯 将动量、质量、裂缝开启压力方程化简得： 1 d l ( t ) 口j = 一 上( f ) d t q 2 而丽亍d w ( o 1 n 1 c 翻f f l 2 丽才 口：上d c ( o c o ) d t 口：上c l a p ( o , t ) a e ( o 。f ) d t 3 2 3 滤失系数 对裂缝性地层或多裂缝地层滤失系数是一个压差的函数，假设为如下形 式： 盟：f 旦堂 4 ( 3 - 1 5 ) c ( 如) l i s i p p j 1 滤失系数为定值 此时= 0 ，即有，c ( t ) = c ( f ，) 。 2 滤失系数与压力相关 对于幂滤系数n 妇的取值范围参考如下： 口。兰1 2 且 1 一o 3 刁压裂液，c l 口。