（地质学专业论文）大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究.pdf

i s 3 3 0 g 8 论文作者签名： 指导教师签名： 论文评阅人l ： 评阅人2 ： 评阅人3 ： 评阅人4 评阅人5 ： 答辩委员会主席： 王垂逐 壶级王猩短太麽油田箍三丞迪 委员1 ： 隆这挞熬援逝堑太堂理堂瞳 委员2 ： 扬挝篷教援逝江太堂理堂瞳 。 要贝3 ： 汪箍教援逝江太堂理堂瞳 委员4 ： 厦王虚数攫逝江太堂理堂陵 委员5 ： 猩晓邀副熬援逝江太堂理堂医 委员6 ： 夔题进直级工程垣太麽油旦勘拯珏筮婴塞陵 e x a m i n i n gc o m m i t t e ec h a i r p e r s o n ： e x a m i n i n gc o m m i t t e em e m b e r s ： d a t eo f o r a ld e f e n c e ：j u n e1 12 0 1 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿基堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年月 f t 签字日期：年月日 导和一些同志的帮 ? - 7 和论文研究期间对我的关心和帮助。 向在论文中引用到其学术著作和研究成果的众多学术前辈及同仁们表示感谢。 在攻读研究生期间，浙江大学的求是的校风、尊师的光辉典范，给我留下深深的印象， 这必将成为一生最宝贵的财富，在此深深感谢教诲我的浙江大学的尊师。 浙江大学硕十学位论文摘要 摘要 近年来，随着“以气补油”战略的实施，大庆外围深部火山岩的勘探和配套增产技术取 得了突飞猛进的发展。深层天然气加大甩开勘探力度、发现并探明超千亿立方米大型气田， 获得了历史性突破。 但对2 0 0 2 年以来大庆徐深气田井深大于4 0 0 0 m 火山岩储层压裂施工的6 口井9 层施 工数据统计，其支撑剂加入规模6 5 9 3 m 3 ，达到工业气流仅2 层，最高产量6 2 8 1 0 4 m 3 d ， 而其中出现高停泵压力梯度特征3 层，其余井( 层) 也多伴随有近井高摩阻、高滤失等复杂 施工状况，导致压裂改造强度低，压裂后增产效果差，达到工业气流井层数比例远低于深 度小于4 0 0 0 m 的火山岩储层，并且现有的压裂优化技术与深层压裂改造的需要有一定的 差别。因此，本论文针对徐深气田深部火山岩储层压裂成功率低的实际情况，开展徐深气 田深部火山岩压裂增产工艺技术研究。 本文通过建立火山岩储层从压裂设计、测试压裂解释到现场施工控制方法，提高压裂 设计和现场控制措施的针对性与有效性。研究了控制裂缝启裂和延伸的方法，提出了两种 新的g 函数特征意义，进一步完善了测试压裂g 函数解释，采用微裂缝模型模拟裂缝形 态，准确预测出了深部火山岩储层压裂施工的各种难点，提高了深部火山岩储气层的压裂 改造强度与有效性。为徐深气田的不断勘探发现与高效开发提供技术支撑。 关键词：高摩阻高停泵压力梯度压裂设计测试压裂 浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hi m p l e m e n t i n gt h es t r a t e g yo f “c o m p e n s a t i o nt h eo i lw i t hg a s ”，t h e v o l c a n i cr o c k se x p l o r a t i o na n da u x i l i a r yo u t p u tt e c h n o l o g yh a v em a d eag r e a tp r o g r e s si n d a q i n go i lf i e l do u t s k i r t f u r t h e re f f o r tt op r o s p e c t i n gi nd e e pg a s ，f o u n da n dc o n f i r m e das u p e r g a sf i e l d ，w h i c ho v e ro n eh u n d r e db i l l i o nc u b i c ，m a k eah i s t o r i cb r e a k t h r o u g h d a t af r o mt h e9l a y e r sf r o m6w e l l ，w h i c hi sf r a c t u r e dv o l c a n i cr o c kr e s e r v o i rd e e p e rt h a n 4 0 0 0 mi nd a q i n gx u s h e nd e e pg a sw e l ls i n c e 2 0 0 2 s h o w sa f t e r6 5 9 3 m 3p r o p p a n tu s e do n l y t w ol a y e r sg e tt h ec o m m e r c i a lg a sf l o wa n dt h eh i g h e s to u t p u ti s6 2 8x10 4 m 3 d ，也eh i 曲 p r e s s u r eg r a d i e n to fp u m ps t u c ko c c u r r e d3 t i m e s ，f i l t r a t i o n ，o t h e r sh a v et h ec o m p l e xs i t u a t i o n s u c ha s ：h i g hf r i c t i o ni nc l o s ew e l l sa n df i l t r a t i o n t h el o w i n t e n s i t yo fr e m o l da n dt h ep o o r o u t p u ta f t e rf r a c t u r e a r ec o m m o n , a c c o r d i n gt h ep a s tt e s t i n gd a t a ，t h er e m o l d i n gs c a l et og e tt h e c o m m e r c i a lg a sf l o ws h o u l di n c r e a s eg r a d u a l l yw i t ht h ed e p t hi n c r e a s i n g s ot h eb i gs c a l ed e e p f r a c t u r i n gi sas i g n i f i c a n tt r e n di nf u t u r e t h e r em u s th a v es o m ed i f f e r e n c et ot h ep r e s e n t t e c h n o l o g yo ff r a c t u r i n go p t i m i z a t i o na n dd e e pf r a c t u r i n gr e m o l d a i mt ot h es i t u a t i o no fl o w s u c c e s sr a t eo ff r a c t u r i n gi nx u s h e nd e e pv o l c a n i cr o c kr e s e r v o i r ，t h i sp a p e ri st h ed i s c u s s i o n a n ds t u d yf o rt e c h n o l o g yo f i n c r e a s i n go u t p u tb yf r a c t u r i n gi nx u s h e nd e e pv o l c a n i cr o c k i tc a l lf o r e s e et h em o s tf r a c t u r i n gi m p l e m e n td i f f i c u l t i e si nd e e pv o l c a n i cr o c kr e s e r v o i r e x a c t l yb ys t u d yt h ed e s i g nm e t h o do ff r a c t u r i n go p t i m i z a t i o nf r o md e e pv o l c a n i cr o c k r e s e r v o i r ，s e tu pt h ec o n t r o lm e t h o do fv o l c a n i cr o c kr e s e r v o i rw h i c hi n c l u d ef r a c t u r i n g d e s i g n ，e x p l a n a t i o no ff r a c t u r i n gt e s t ，c o u l de n h a n c et h eh a r d n e s sa n dv a l i d i t yo ff r a c t u r i n g r e m o l d i n g p r o v i d et h et e c h n i c a ls u p p o r tt ot h ef u r t h e rp r o s p e c ta n dd e v e l o ps u f f i c i e n t l yi n x u s h e ng a sf i e l d k e y w o r d s ：h i g h - f r i c t i o nh i g hp r e s s u r eg r a d i e n to fp u m ps t u c k f r a c t u r i n gd e s i g nt e s t i n gf r a c t u r e i l i 2 3 火山岩储层特征与评价一9 3 火山岩裂缝启裂和延伸因素分析1 4 3 1 火山岩岩石力学测定实验分析1 4 3 2 火山岩微裂缝的描述与模拟方法2 0 3 3 测试压裂诊断裂缝启裂和延伸情况研究2 2 4 压裂工况模拟预测及评价方法研究2 5 4 1 净压力与裂缝延伸关系分析2 5 4 2 岩性变化与裂缝延伸关系研究2 7 4 3 地应力、滤失性及微裂缝与压裂施工关系的研究2 9 5 压裂设计方法研究4 8 6 结论5 2 参考文献5 3 作者简历5 5 浙江大学硕士学位论文 大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 1 绪论 1 1 选题依据及研究意义 近年来，随着“以气补油”战略的实施，大庆外围深部火山岩的勘探和配套增 产技术取得了突飞猛进的发展。深层天然气加大甩开勘探力度、发现并探明超 千亿立方米大型气田，获得了历史性突破。为了在2 0 1 0 年再交2 0 0 0 亿立方米 的天然气探明地质储量，需要开展井深在3 8 0 0 4 5 0 0 m 储层压裂增产技术研究， 由于深层火山岩岩石物性差异大，绝大部分井需要采取压裂增产措施。因此， 为适应大庆深部火山岩储气层勘探目标的实现，非常有必要开展火山岩的压裂 工艺研究。 统计2 0 0 2 年以来( 3 8 0 0 4 5 0 0 ) m 储层压裂施工共1 51 2 井2 3 层，储层岩性有 砂岩l 层、砂砾岩4 层、流纹岩1 0 层、凝灰岩4 层、角砾岩2 层、安山岩2 层， 岩性复杂，实际加砂施工规模由( 6 5 1 l o ) m 3 ，设计最低符合率2 1 ，平均8 0 4 ， 有81 2 井设计符合率小于8 0 ，占3 4 8 ；有5 层高停泵压力梯度储层，占2 1 ； 有9 层达到工业气流，占3 9 ；有1 0 层压后产水，占4 3 5 ；渗透率小于l m d 有1 3 层，占5 6 5 ；解释微裂缝3 以上的7 层，占3 0 4 。 小于3 8 0 0 m 储层压裂施工共5 5 口井7 3 层，储层岩性有砂岩2 层、砂砾岩 2 2 层、流纹岩1 1 层、凝灰岩1 8 层、角砾岩3 层、英安岩l 层、玄武岩1 层， 岩性复杂，实际加砂施工规模由( 1 8 1 2 5 ) m 3 ，设计最低符合率2 1 ，平均8 8 ， 有1 4 口井设计符合率小于8 0 ，占1 9 ；有1 7 层高停泵压力梯度储层，占2 3 ； 有3 4 层达到工业气流，占4 6 6 ；有1 2 层压后产水，占1 6 4 ；渗透率小于 l x l o 3 岬2 有2 8 层，占3 8 3 ；解释微裂缝3 以上的1 7 层，占2 3 3 。 可以看出：( 3 8 0 0 - 4 5 0 0 ) m 储层压裂设计符合率比小于3 8 0 0 m 储层压裂设计 低8 ；达到工业气流层低7 8 ；渗透率小于l m d 层多1 8 2 ；压后产水多2 7 1 ； 解释微裂缝3 以上的多7 1 。 因此，( 3 8 0 0 4 5 0 0 ) m 储层比小于3 8 0 0 m 储层致密、设计符合率低，并且压 后产水的比例高，裂缝复杂。分析原因认为是( 3 8 0 0 4 5 0 0 ) m 储层，温度压力较 高，目前设计方法存在不完善，工艺上在保证规模的前提下，如何控制裂缝延 伸是一个需要研究的问题。据国外介绍当储层深度大于3 5 0 5 m 后，垂向应力与 浙江大学硕士学位论文大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 水平应力差减小，这说明深层压裂施工易产生多裂缝，垂向延伸控制能力差， 裂缝水平延伸小。 由于深层的复杂性，因此，要从机理研究入手。常规深层岩石破裂基本符 合i 类破裂模式，在现有的压裂软件中基本可以较好模拟，但对于深层，由于高 温高压和长期的地质作用，普遍存在岩石变形，使其与线弹性变形有较大差异。 因此，在深层压裂设计时，必须考虑这些因素的影响，才能使设计符合实际。 为此，首先应该通过室内岩石力学试验、岩石破裂实验搞清深层岩石力学特性， 找到描述深层岩石力学特性的方法，找到地应力计算方法或校正方法，为压裂 模拟计算提供依据；通过现场小型压裂试验，压裂施工情况模拟和施工拟合分 析计算，配合裂缝测试，找到深层裂缝破裂延伸的影响因素，理论上探索储层 破裂的机理、渗流、滤失机理，深层压裂设计优化。 因此通过对压裂裂缝启裂和延伸因素的分析、压裂工况模拟预测和评价方 法的研究、测试压裂和裂缝诊断技术的研究，建立徐深气田深部火山岩的压裂 模型和设计方法。 通过对徐深气田深部火山岩压裂工艺技术研究，能提高徐深气田深部储层 的压裂成功率，对加快徐深气田储量的开发动用和增储上产具有重要的现实意 义。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国内外相关技术现状 中原油田的濮深1 5 井，沙- - 4 ，井段4 8 8 8 1 4 9 1 4 9 m ；4 6 9 4 4 4 7 0 7 1 m 。用 f r a c p r o 软件进行三维压裂设计优化，高密度射孔，套管注入方式，加砂压 裂时平均排量提高n 4 1 6m 3 m i n ，力p c a r b o 陶粒4 0 5 0 1 1 1 3 , 稳定产量4 2 8 0 m 3 d 2 1 。 通过对该层压裂施工分析，虽加砂规模较小、未获工业气流，但仍证明应用现 有的压裂设计软件结合对超深层的力学特点的认识，可以解决超深井层的压裂 问题。 大庆油田自2 0 0 2 年徐深1 井试气压裂获得成功，经过多年多的科研攻关与现 场试验，初步形成了一套以施工风险预测、现场快速解释、裂缝延伸安全施工 控制、高温压裂液和耐高温高压压裂管柱为核心的火山岩储气层压裂改造技术 嘲。该技术基本上解决了小于4 0 0 0 m 米火山岩储气层的增产难题，使压裂施工成 2 浙江人学硕十学位论文大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 功率由原来的3 6 提高多j 9 0 ，对开发井改造有一定的借鉴意义。在应用过程中 积累了很多各类工况的实际施工数据特别是井下压力资料，这些可为分析各类 工况压裂裂缝破裂与延伸的特点研究提供坚实的基础。 陈勉针对我国深层的地层特征较为详细的论述了目前所面临的挑战：( 1 ) 深 部地层岩石力学参数的预测、监测和检测精度的提高；( 2 ) 高温高压条件下岩石 变形- 9 破坏的细观力学机理研究；( 3 ) 多重孔隙地层中与应力相关的多相渗流油 藏模拟技术研究；( 4 ) 基于地震速度谱的高精度地层坍塌压力、破裂压力预测方 法研究；( 5 ) 非平面多水力裂缝的干扰、弯曲、转向的岩石力学判别准则及其在 水平井水力压裂中的应用；( 6 ) 地层漏失压力的力学机理与钻井安全泥浆密度的 设计理论；( 7 ) 深部地层岩石后效变形的有限变形理论与本构方程的建立h 3 。该 文章对深层的岩石力学特征进行了系统的研究，为我们开展深层压裂优化方法 研究提供了较好的基础，利用该理论与国外的深层压裂设计模型相结合可较好 的完成徐深气田深层压裂施工数据的反演拟合工作。 日本m i n a m i n a g a o k a - 气田火山岩储层曾进行过压裂，井段4 0 2 9 4 4 3 7 0 7 m ， 进行了6 次压裂，4 次成功。该气田压裂的研究有世界上大型服务公司哈里伯顿 公司与压裂模型的专业研究公司p i n n a c l e 公司参加，虽然施工井数与成功实施的 规模较小，但对火山岩测试压裂及加砂压裂施工数据分析的研究很经典 1 。该技 术也是我们现在测试压裂解释技术的基础。 r g a g a r w a l 针对深层致密气藏产量预测难的实际，创新采用了典型曲线法 的预测方法拍。采油工程研究院现有的气井产量预测软件就是采用该方法。该方 法对致密砂岩气藏的压后产量预测符合率超过了9 0 ；但在火山岩储层压裂产 量预测符合率存在很多不适应，通过对上述方法的修正方法调研，如果采用针 对各岩相、岩性构造进行分别修正可以提高产量预测的符合率。 w ：w a u d 介绍了用大粘度的压裂液启裂裂缝和改善支撑剂铺置，减少近井 裂缝弯曲影响1 。该方法在徐深气田压裂改造中已经广泛应用，但大粘度压裂液 段塞的粘度、强度、用量以及注入方式还较单一，因此，今后还需要根据国内 外的经验开展优化研究。 世界上用于压裂历史拟合的软件较多。8 0 年代根据不同的用途和目的，国外 各石油公司或服务公司都有自己研制的全三维或拟三维压裂模型和软件，较有 浙江大学硕士学位论文大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 代表性的是： 美p i n n a c l e 公司的f r a c p r o p t l 0 3 压裂软件，包括了二维、拟三维、集总 三维模型。对于裂缝形态复杂的情况，采用等效裂缝概念进行计算模拟裂缝延 伸。 美国s t m l a b 公司的g o h f e r 压裂软件，是一套全三维压裂模拟器，可 以模拟非对称裂缝延伸情况。 美 雪n s i 公司s t i m p l a n 压裂软件，包括了二维、拟三维、全三维模型。 可以较准确地模拟裂缝高度。 s c h l u m b e r g e r z , x的s t i m c a d e 压裂设计软件，其中有很多该公司对 各种复杂工况的研究分析及应对措施。对系统分析工况以及对控制措施的有效 性评价很有益处。 以上这些模型，大庆油田都已经拥有，并已能熟练应用。现在很多复杂井( 层) 工况的拟合分析技术已经应用于现场实际。 通过以上调研可以看出，以往的施工数据积累以及对世界上工况拟合分析 的工具的拥有和熟练掌握，可以为火山岩压裂施工工况预测奠定基础。 从调研结果看：国内外进行深度大于4 0 0 0 m 储层压裂改造的文献不多，主 要是介绍工艺的实施情况，可借鉴的施工成功经验太少，而未见关于深度大于 4 0 0 0 m 储层裂缝的启裂和延伸、压裂工况的模拟和预测及压裂设计方法的详细 报道，因此，本课题的研究具有自主研究开发的先决条件。 1 3 论文研究内容 1 ) 徐深气田深部火山岩的地质特征分析 ( 1 ) 区域构造及沉积特征； ( 2 ) 岩性发育及分布特征； ( 3 ) 储层特征及评价。 2 ) 火山岩裂缝启裂和延伸因素分析 ( 1 ) 火山岩岩石力学测定实验分析； ( 2 ) 火山岩的微裂缝的描述与模拟方法研究； ( 3 ) 测试压裂诊断裂缝启裂和延伸情况研究。 3 ) 压裂工况模拟预测及评价方法研究 4 浙江人学硕士学位论文 大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 ( 1 ) 净压力与裂缝延伸关系分析； ( 2 ) 岩性变化与裂缝延伸关系研究； ( 3 ) 地应力、滤失性及微裂缝与压裂施工关系的研究。 4 ) 压裂设计方法研究 浙江大学硕士学位论文 大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 2 徐深气田深部火山岩地质特征分析 2 1 区域构造及沉积特征 徐家围子断陷位于中部徐家围子北安断陷带上，为松辽盆地北部深层规模 较大的断陷，近南北向展布，南北长9 5 k i n ，中部最宽6 0 k m ，面积4 3 0 0 k m 2 。由 宋西、徐西两条边界断裂控制的箕状断陷。宋西断裂与徐西断裂共同控制了徐 家断陷两个西陡东缓斜列的箕状断陷，总体走向n n w ，延伸长度9 3 k i n ，东倾， 倾角1 0 2 0 0 。断裂北段的主要活动期为沙河子组地层沉积时期与营二、三段沉 积时期，南段主要活动期为营城组沉积时期，断裂强烈的挤压作用发生于营二 段沉积前，表现为沿断面产生了轴面斜歪的向斜构造。徐西断裂总体走向n n w ， 延伸长度9 6 k i n ，东倾，倾角7 3 5 0 ，该断裂大规模拉张活动始于沙河子组沉积 时期，强烈的伸展作用导致沙河子组超覆于火石岭组顶面之上，地层向控陷断 层楔状加厚隋1 。 在宋西和徐西断裂伸展期，由于断裂沿走向转折，伸展量存在差异，形成 三凹两隆的构造格局，即由宋站低隆起和丰乐低隆起分割徐家围子断陷形成三 个次级断陷( 图2 1 ) 。宋站低凸起北起1 1 2 测线，南至1 0 0 测线，为火石岭组、 沙河子组沉积时期的凹中隆，沙河子组末发生的强烈的挤压隆升使沙河子组发 生强烈剥蚀，营城组沉积以后的多次构造活动使其又有小幅度隆起。丰乐低凸 起北起6 0 测线，南至4 8 测线，形成演化与宋站鼻状构造相似，差别在于沙河 子组末的挤压隆升弱一些。南北向受丰乐低凸起和宋站低凸起分割成三个局部 深坳陷，即肇州次洼、杏山次洼和安达次洼1 。 安达次洼位于徐家围子断陷的北部，是由宋西断裂北段控制的西断东超的 箕状断陷，发育火石岭组、沙河子组地层，尽管被宋站低凸起相隔厚度减薄， 但总体是连续沉积。杏山次洼位于徐家围子断陷的中部，北部受徐西、宋西两 条边界断裂控制，南部仅受徐西断裂控制的西断东超断陷，是徐家围子断陷的 主体。 6 烈 够浙江大学硕士学位论文 大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 火石岭组、沙河子组 营城组地层发育齐全，南 围子断陷南部，受徐西断 之间，沙河子组地层向东 育火石岭组、沙河子组、 徐东斜坡带、徐中构造带 地层发育，厚度高值区位于南部，北部宋西断裂以东 部营城组仅发 裂南段控制西 斜坡迅速减薄 营一段和营四 和徐西断坡带 育营一段和营四段。肇州次洼位于徐家 断东超，沙河子组地层厚度5 0 0 8 0 0 m ，通过丰乐低凸起与杏山次洼相连，发 段。断陷主体东西向受断裂控制形成了 1 0 l 浙江大学硕士学位论文大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 徐家围子断陷深层沉积演化总的规律是由以扇三角洲湖泊体系为主过渡 到以河流、河流三角洲湖泊体系为主1 。 上述沉积特征决定了生、储、盖的发育特征。断陷期火石岭组与营城组处 于断陷盆地形成初期和末期，断陷湖盆水体较浅，密集段泥岩相对不发育，主 要形成砂岩、砂砾岩和火山岩等储层。沙河子组处于盆地演化的中期，为断陷 盆地发育的鼎盛时期，密集段较为发育，形成断陷期烃源岩和局部盖层，在盆 地边缘扇三角洲沉积区及深湖湖底扇沉积区则发育储层。登一段和登三、四段 处于坳陷盆地形成初期和末期，湖盆水体较浅，沉降速率低，密集段泥岩相对 不发育，主要发育碎屑岩储层。登二段为坳陷湖盆发育的鼎盛时期，密集段较 为发育，形成深层重要的盖层。泉一、二段河流相沉积层序，发育河流体系砂 岩储层，但河流沉积体系中，特别是泉二段泥岩约占地层总厚度的6 0 以上， 形成深层天然气藏的盖层n 2 。 2 2 火山岩发育及分布特征 徐家围子断陷深层自下而上发育的地层有火石岭组、沙河子组、营城组和 登娄库组及泉头组一段、二段。断陷期地层火山岩比较发育。火山岩在各层序 均有出现，但主要发育于火石岭组和营城组。 徐深气田已先后发现了四个深层气田( 汪家屯、升平、昌德、兴城) ，其中 兴城气田规模最大，升平次之。升平气田自下而上发育4 套含气层段：基岩、 营城组火山岩和砾岩、登娄库组砂岩和砂砾岩、泉头组一段砂岩( 图2 2 ) ；兴 城气田发育营城组火山岩和砾岩，营四段的砂砾岩和营一段、营三段的火山岩 储层具有分布较广、厚度大的特点，是该区开发的主要目的层段。 浙江大学硕士学位论文大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 系统组段岩性组合岩性特征 年龄 q a ) 紫褐色泥岩爽灰白加氏0 泉 等。一7 “；0 # 。色粉砂岩、砂岩 头口h 一- “一* 日! e l z 女嘲紫红色泥岩与荻白 _ _ “麟日瞄h 日m _ _ 日糯 。i 一，。i 一 色砂岩、粉砂岩 n 2 0 四 荻褐色泥岩灾簿层 砂岩 登 灰白色中厚层砂密 娄 与灰褐色泥岩互层 库 硬黑色泥岩爽簿屡 白 轿砂岩、砂密 垩 下 硬臼色含砾粗砂岩 i 一 1 2 t 0 陋荫勰国龆礴 上酃中酸性火山质 、，1 v、， 砾岩、沉凝灰岩， ，vvv 下部厚屡流纹岩、营城 、，vv 流纹质碎屑豢爽暗 色泥岩 o口oo ，、，、 二 j u _ l _ - - _ l 誓虹o 良；，：二一。囊 上郁灰黑色泥岩、 _ -o 沙河煤线 中下部黑色 囊黟8 彩“譬。二移x5 锈 一审一pu 1 4 4 | d 、，、，v 侏 t 1 ，基性火山岩、火 山碎腾岩爽酸性火 上火石岭 矿v、 罗 山岩 1 5 6 m 板岩、千枚老、囊 c 登 基雇 棱岩和花岗岩 p 表1 1 铸体薄片分析及全直径岩心统计结果 岩性 块 孔隙度渗透率面孔率 金直径岩心 数 x l o 。3 p , m 2 平均孔隙度 64 6 2 4 50 0 1 3 2 3 3 o 5 1 8 0( 1 9 块) 7 7 4 流纹岩 4 2 2 1 8 20 0 0 4 6 1 9 70 0 1 5( 3 块) 6 6 7 角砾岩 4 2 0 一1 5 9 0 0 0 3 8 一o 2 60 0 4 ( 5 3 块) 4 7 4 凝灰岩 36 1 7 50 0 1 4 0 0 4 5l 2 ( 7 块) 4 2 3 集块岩 9 浙江大学硕+ 学位论文大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 及面孔率差异大( 表1 1 ) 。其中流纹岩孔隙较发育，具有较大的孔隙度、渗透 率，集块岩孔、渗最差。 ( 2 ) 气藏储集空间复杂多样 火山岩储层岩石类型多样，从安山岩到流纹岩均见产气层，1 既有熔岩类， 也有火山碎屑岩储层。储集空间主要为各种类型的孔隙与各种成因的裂缝构成， 组合类型多样。火山岩相控制了火山岩的原始储集条件，喷溢相上部亚相熔岩 是原始状态下储集性能最有利的相带，具有物性好，分布广泛的特点。其次为 爆发相热碎屑流亚相，基质收缩缝和斑晶溶蚀孔为主，发育于爆发相上部，在 火山间歇期或构造抬升期易遭受风化淋滤作用形成次生溶孔n3 1 。 所以气藏储集空间主要有砾间孔+ 熔洞+ 裂缝型、熔洞+ 微孔型、微孔+ 微裂 缝型和微孔。 砾间孔+ 熔洞+ 裂缝型：最有利的储集空间组合类型，常见于流纹质角砾 岩中o 熔洞+ 微孔型：比与裂缝结合的孔隙类型差一些，主要见于风化壳流纹质 凝灰岩中。 微孔+ 微裂缝型：是较差的储集空间组合类型主要见于凝灰岩中及少部分 集块岩岩块中。 微孔：是最差的储集空间组合类型，主要见于凝灰岩中。 ( 3 ) 孔隙度、渗透率总体上低，属于低孔、低渗储层 孔隙度主要分布在4 1 0 之间，渗透率主要分布在o 1x 1 0 。心以下( 图 2 3 ) 。 图2 - 3 孔隙度、渗透率分布频率图 ( 4 ) 井间、岩性间渗透率差异大，储层具有明显的非均质特征 1 0 浙江大学硕士学位论文大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 虽然各种岩性平均孔隙度差异不大，在5 0 1 0 0 之间，但渗透率差异却较 大，在0 0 2 4 3 1 0 x l o 3 岬2 之间，分别如图2 _ 4 和图2 5 所示。 i 乏o ，、l o o 琶8 o 捌 主8 o t o 2 o o o 瀛蔹老凝灰老舞苏岩复块岩移琢岩 飞唾_ o 墨 一 o x 毳z o 襞 裰薮巷靠琢岩鬻灰岩妻鬟老移砾老 图2 - 4 不同岩性平均孔隙度、渗透率对比柱状图 n r n r n n 图2 - 5 不同井平均孔隙度、渗透率对比柱状图 分析表明，不同井、相同岩心的孔隙度和渗透率差异很大，显示出储层在平 面上非均质性变化较大特点。图2 - 6 为不同井流纹岩平均孔隙度、渗透率的对比。 3 0 。o 一2 5 0 、 邑2 0 0 型1 5 0 雪1 0 0 啄5 0 o ，o 1 0 0 粤1 0 o 芑 1 诲0 1 萋o o l 仅0 0 1 图2 - 6 不同井流纹岩平均孔隙度、渗透率对比图 另外，同一口井、相同岩性的孔隙度和渗透率，在纵向上的变化比较复杂， 规律性不强，有的变化大( 图2 7 ) ，有的变化却不大( 图2 8 ) 。 凇黜凇蚴黜龇 & l ( j n 魏q 图2 7 升深更2 井角砾岩、流纹岩孔隙度、渗透率与井深关系图( 变化大) 图2 - 8 升深2 0 2 井流纹岩孔隙度、渗透率与井深关系图( 变化小) ( 5 ) 火山岩残余水饱和度高 火山岩残余水饱和度高，集中分布在4 0 8 0 之间，且随孔隙度增加，总体 上有一定下降趋势。图2 - 9 为1 9 块常规小柱塞岩心和1 4 块全直径岩心残余水饱 和度散点图。可看出：孔隙型火山岩岩心残余水饱和度比裂缝型火山岩岩心的 要低。孔隙型火山岩残余水饱和度平均值为5 2 1 8 ，裂缝型火山岩残余水饱和 度平均值为7 1 3 5 。 图2 - 9 不同类型火山岩残余水饱和度 1 2 浙江大学硕十学位论文大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 1 8 块全直径岩心( 凝灰岩、流纹岩、砂砾岩) 核磁实验给出的残余水饱和 度测试结果，其数值与趋势均与气水相渗实验一致，( 表2 - 2 ) 。可看出，砂砾岩 的残余水饱和度比流纹岩、凝灰岩的大得多。 表2 - 2核磁测试残余水饱和度和可动水饱和度统计结果 残余水饱和度，可动水饱和度， 岩性 最小值最大值平均值最小值最大值平均值 流纹岩 4 2 55 6 44 9 9 4 3 6 5 7 55 0 1 凝灰岩 4 7 15 9 35 3 14 0 75 2 94 6 9 砂砾岩 5 7 88 2 67 1 11 7 44 2 22 8 9 1 3 浙江入学硕+ 学位论文大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 3 火山岩裂缝启裂和延伸因素分析 水力裂缝启裂与延伸的影响因素包括地质和工程因素两类。地质因素有： 岩性、物性、力学性质、微裂缝和构造应力等，其中主要影响因素为代表目的 层与上下隔层力学性质差别的应力差、断裂韧性和微裂缝发育等参数；工程因 素有：井身结构、完井方式、施工参数、压裂液性能及采用的压裂工艺等，主 要影响因素有施工排量、压裂液粘度及携砂液密度等。 上述各因素，目前可利用软件模拟的因素有：构造应力、岩石的弹性模量、 泊松比、比奥特数，水平最小应力、孔隙度、渗透率、射孔位置、压裂液粘度、 滤失系数、摩阻、施工排量、砂比及加砂量等，但现所有商业压裂裂缝形态与 参数计算软件均默认水力裂缝为对称等长双翼裂缝n 钔。 当模拟同一射孔段产生多条裂缝时，只能采用等效多裂缝进行模拟，此时 模拟结果受操作者对地层认识不同影响较大。因此，研究3 8 0 0 4 5 0 0 m 压裂裂缝 启裂和延伸机理是非常必要的。 通过研究3 8 0 0 4 5 0 0 m 压裂裂缝启裂和延伸主要影响因素是：高停泵压力梯 度、应力波动大、裂缝滑移和微裂缝影响。 3 1 火山岩岩石力学测定实验分析 3 1 1 、岩石力学三轴实验分析 ( 1 ) 岩石力学参数与深度关系不大，在深度接近的情况下，杨氏模量相差非 常悬殊。图3 1 可以看出在深度4 2 0 0 m 以上杨氏模量随深度的增加而减小，在 深度4 2 0 0 m 以下杨氏模量随深度的增加而增加。 弋f 乒一 乃 7 f 7 y 3 5 0 03 7 0 0 3 9 0 04 1 0 04 3 0 0 4 5 0 04 7 0 04 9 0 05 1 0 05 3 0 0 深度( i ) 图3 - 1 不同岩性岩心三轴实验结果 1 4 o 0 o 0 0 0 o 0 0 o 0 o o o 0 o 0 o 0 0 o o o 0 o o o o 0 0 o 0 o o 5 0 5 0 5 o 5 o 5 o 8 7 7 6 6 5 5 t t 3 3 一重一棚氅略挥 表3 1同一岩性、同一深度岩心三轴实验结果 取芯深度杨氏模量 岩心号岩性 mm p a 4 1 深灰色砾岩 4 4 1 5 9 16 1 1 2 0 4 - 2 深灰色砾岩 4 4 1 5 9 13 3 3 1 0 4 3 深灰色砾岩 4 4 1 5 9 l6 5 7 3 0 8 1 灰色流纹质含角砾熔岩 4 5 7 3 0 86 7 4 2 0 8 2灰色流纹质含角砾熔岩 4 5 7 3 0 87 4 1 3 0 8 3 灰色流纹质含角砾熔岩 4 5 7 3 0 88 0 8 4 0 3 1 1 安山质火山角砾岩 4 1 4 1 86 1 9 2 0 3 1 2 安山质火山角砾岩 4 1 4 1 85 1 8 0 0 3 1 3 安山质火山角砾岩 4 1 4 1 85 5 9 5 0 1 6 1 流纹质晶屑灰岩 5 0 3 5 27 0 6 6 0 1 6 2 流纹质晶屑灰岩 5 0 3 5 28 9 3 3 0 1 6 3 流纹质晶屑灰岩 5 0 3 5 27 5 3 1 0 0 4 1玄武角砾熔岩4 0 2 6 4 54 8 3 7 0 0 4 2 玄武角砾熔岩 4 0 2 6 4 54 7 2 6 0 0 4 3 玄武角砾熔岩 4 0 2 6 4 55 5 0 3 0 ( 3 ) 3 8 0 0 m 以下火山岩的岩石力学参数与3 8 0 0 m 以上火山岩的岩石力学参 数对比。3 8 0 0 m 以上储层杨氏模量从小到大的顺序：凝灰岩、玄武安山岩、砂 砾岩、安山岩、流纹岩、安山岩、凝灰角砾熔岩、火山角砾岩( 图3 2 ) 。 翰嬲 嬲 霞 嚣 震 旋： 爹 匿 鹱 熏 艮羼隧慝 膏岩之贰安山岩砂砾嵩安山岩敞者安山岩誓赢角砥熔岩火山 i 糟 不同岩性 图3 - 23 8 0 0 m 以上火山岩的岩石力学参数实验结果 3 8 0 0 m 以下储层杨氏模量从小到大的顺序：角砾凝灰岩、玄武角砾熔岩、 深灰色砾岩、安山质火山角砾岩、流纹岩、灰绿色流纹岩、球粒流质岩、灰色 流纹质含角砾熔岩、流纹质晶屑灰岩( 图3 3 ) 。两种深度下相同岩性的岩心所 1 5 一 一 一 一 一 一 一 一 。 名k善一醛戗爨 浙江大学硕士学位论文火庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 得到的杨氏模量有的比较接近，有的相差较大，推测与所处的岩相、构造有关。 从总的趋势来看凝灰岩最低，流纹岩中等，角砾岩最高。 穸毒 不同岩性 ，歹 图3 - 33 8 0 0 m 以下火山岩的岩石力学参数实验结果 4 ) 与浅层砂岩储层( 杨氏模量一般在5 0 0 0 , - 2 0 0 0 0 m p a 之间、抗压强度较低) 相比，火山岩储层的杨氏模量是它的2 , - - 4 倍，抗压强度也较高。但是深度在3 8 0 0 m 以上与深度3 8 0 0 m 以下火山岩储层的杨氏模量没有明显的高低之分。如表3 2 ， 3 8 0 0 m 以上火山岩储层的杨氏模量既有1 7 2 5 0 m p a 也有8 2 9 1 0 m p a ，大部分集中 在6 5 0 0 0 8 0 0 0 0 m p a ；3 8 0 0 m 以下火山岩储层的杨氏模量既有3 2 4 9 0 m p a 也有 7 8 4 3 3 m p a ，大部分集中在5 0 0 0 0 7 0 0 0 0 m p a 。 表3 - 2 不同岩性岩石力学参数对比 3 8 0 0 m 以下火山岩储层3 8 0 0 m 以下火山岩储层浅层 杨氏模杨氏模 杨氏 岩性岩性 层位 岩性模量 量m p a量m p a b f p a 角砾凝灰岩 3 2 4 9 0 凝灰岩 1 7 2 5 0 萨尔图细砂岩 4 7 0 0 玄武角砾熔岩 5 0 2 2 0 玄武安山岩 3 2 9 3 0葡一组 细砂岩 4 4 0 0 深灰色砾岩 5 3 3 8 7 砂砾岩 6 6 5 0 0 葡二组 细砂岩 4 7 0 0 安山质火山角砾岩 5 6 5 5 7 安山岩 6 9 0 10 东营组细砂岩 2 1 8 0 0 流纹岩 5 9 7 8 7 流纹岩 7 1 2 6 0 沙一段细砂岩 17 3 0 0 灰绿色流纹岩 6 5 1 5 3 安山岩7 2 3 2 0 沙三段细砂岩 1 5 3 0 0 球粒流质岩 7 0 7 7 0 凝灰角砾熔岩 7 9 9 8 0 双阳组 粗砂岩 1 93 0 0 流纹质含角砾熔岩 7 4 13 0 火山角砾岩8 2 9 l o 沙三段砂砾岩 1 8 6 0 0 流纹质晶屑灰岩 7 8 4 3 3 阿尔善组 泥质砂岩 1 10 0 0 1 6 洲 姗 舢 獬 咖 。 自r“口mi” 5 4， l 芒nd一鼙出霎 i 浙江大学硕士学位论文大庆徐深气田深部火山岩压裂增产技术研究 5 ) 高杨氏模量对压裂施工的影响： 高抗压强度意味压裂时岩石不容易破裂，高杨氏模量意味着压裂时的净压 力高，岩石不易破裂、净压力高会导致施工压力高，在相同排量下高施工压 力需要提供的压裂功率高、施工设备多，而且高施工压力也会使施工排量受 限导致加砂困难h 5 1 ； 高杨氏模量意味着压裂时的净压力高，高净压力会使缝高控制更加困难； ( 3 1 ) 高杨氏模量意味着压裂时形成的裂缝宽度较窄，裂缝宽度有限则对我们选 择支撑剂有限制，窄缝施工时最好加小粒径陶粒。 表3 - 3不同岩性的地层对应支撑剂选择 岩性3 8 0 0 m 以下火山岩 3 8 0 0 m 以下火山岩 浅层砂岩 杨氏模量 m p a3 2 4 9 0 ，7 8 4 3 31 7 2 5 0 8 2 1 9 04 4 0 0 2 1 8 0 0 预计缝宽m m 1 21 33 5 支撑剂类型小粒径3 0 5 0 目小粒径3 0 5 0 目常规粒径2 0 4 0 目 3 1 2 、岩石断裂韧性实验分析 岩石的断裂韧性是阻止裂缝扩展的一个量度。裂缝在扩展过程中，受周围 岩石的断裂韧性局c 的控制。根据能量条件，内压( 或通常所说的破裂载荷) 会 在裂缝边缘某一点上诱发一个应力强度因子k 1 ，当它大于岩石的断裂韧性局c 时，裂缝将向前扩展h 1 。即k i k l c 。 它们的这一关系已是任一( 二维、拟三维和全三维) 水力裂缝模型所公认 的裂缝延伸准则。岩石断裂韧性的大小与施工泵压( 即破裂压力和裂缝延伸压 力) 的高低呈正比，与水力裂缝缝长的长短呈反比。因此，它是压裂设计和现 场施工的重要参数n 5 1 。 1 ) 由图3 - 4 可以看出3 8 0 0 m 以上火山岩的断裂韧性基本在7 8 之间波动， 随深度的变化基本没有多大的变化，而且3 8 0 0 m 以下火山岩的断裂韧性明显比 3 8 0 0 m 以上火山岩的断裂韧性要大一些( 图3 5 和表3 4 ) ，所以导致了3 8 0 0 m 以下火山岩压裂施工时的破裂压力和裂缝延伸压力非常高，需要比常规砂岩施 工时更大的功率、更多的设备，施工的难度也比常规砂岩大。 1 7 表3 - 4 不同岩心断裂韧性实验结果 取芯深度 断裂韧性( m p a m l 2 ) 岩心编号 岩性 m 单轴 有效压力条件下 1 流纹质晶屑凝灰岩 4 17 9 3 1 1 9 19 4 8 2 流纹岩 3 9 3 5 3 4 2 0 8 7 2 3 球粒流纹岩 3 8 6 2 1 2 1 98 6 5 4 深灰色安山质火山角砾岩 4 1 4 0 5 1 3 78 8 0 5 玄武质角砾熔岩4 0