火山岩油气藏水力压裂难点及其措施

yiwei2004

火山岩可以成为良好的油气储层。由于火山岩的组成、结构及其各种勘探条件的复杂性，火山岩油气藏又是目前油气勘探的难点。常规开采方式很难取得经济产能，必须进行压裂改造。本文针对火山岩储层裂缝破裂和延伸机理认识不清、没有火山岩测试压裂解释方法以及“五高”的压裂难点，介绍了压裂破裂与延伸模型的建立、测试压裂现场快速解释技术、高温压裂液体系、水力压裂裂缝控制与延伸技术等压裂改进技术。
随着世界经济的快速发展，世界各国对石油和天然气的需求量越来越大。然而，大型整装高孔砂岩油气藏已越来越难找到。经过近百年勘探与开发，火山岩油气藏作为一种油气藏类型已受到越来越多的重视，并陆续在国内外含油气盆地中被发现。在美国、古巴、委内瑞拉、巴西、阿根廷，印度和其他一些国家，在风化的侵入岩、裂缝性花岗岩、玄武岩、流纹岩或火山碎屑岩中，获得了工业流气流。我国华北、新疆、松辽盆地等也发现了火山岩油气产层。火山岩地层岩性复杂，孔隙类型复杂，火山岩岩石往往物性差，孔隙度和渗透率都很低，因此世界范围内对火山岩油气藏及其压裂措施认识还不够成熟。近几年来，在国内外没有成型经验条件下，通过加强工程与地质、录井和测井的有机结合，深化火山岩储层特征认识，在火山岩压裂设计基础理论研究、现场控制配套技术等多方面进行攻关并取得重大突破，形成了火山岩储层压裂增产改造技术，见到了明显的增产效果。
1　火山岩油气藏特点
与沉积岩相比，火山岩油气藏的储藏方式、流体滤失机制、岩石特性等方面有很大的不同，火山岩一般呈现以下的特点，即：
① 储层渗透率极低，一般在左右;
② 储层埋藏较深，井深一般超过3000m;
③ 岩性致密、坚硬，抗张强度高，不同段上的岩石密度变化大;
④ 含油井段跨度大，一般在100m以上，高达到400m;
⑤ 天然裂隙、溶孔发育，储层漏失严重。
⑥ 储集空间复杂。岩浆冷凝收缩形成的裂缝和后期构造运动产生的裂缝将气孔互相连通，构成了火山岩的储集空间。储集空间组合主要有原生气孔和裂缝组合、纯裂缝储层、基质溶孔与裂缝组合、斑晶溶孔与裂缝组合等。
因此，常规方式试油或开采，很难见到经济产能，必须进行针对性的压裂改造措施。
2　火山岩压裂难点
火山岩所特有的油气藏特点，使其压裂难度远远高于沉积岩油藏，前期现场实验表明，采用与沉积岩油藏类似的压裂工艺和方法，压裂施工成功率很低。
从油气藏特点和现场试验分析，火山岩压裂难点主要体现在以下几个方面：
① 火山岩储层裂缝破裂和延伸机理认识不清。火山岩裂缝储层属双重介质，人工水力压裂时多裂缝破裂与延伸，与砂岩有根本的不同，主要表现在模拟的压力特征与实际施工压力变化特征有很大区别，造成对施工状况无从分析判断，一有异常情况出现就无法按设计完成施工。
② 没有火山岩测试压裂解释方法。原有的砂泥岩测试压裂解释技术，是以均质为基础，不适用结构复杂的火山岩储层，无法解释火山岩储层在压裂中同时开启的裂缝数目以及每个裂缝开启的程度等参数，不能指导主设计的完善，进而很难确定确保主裂缝形成的控制技术。
③ 高流体滤失：储油空间为双重介质，流体遵从孔隙—裂隙双重滤失机制，压裂液滤失较沉积岩严重。
④ 高启裂梯度：破裂压力梯度、杨氏模量、抗张强度、断裂韧性等均较沉积岩高，造成压裂裂缝在破裂、扩展、延伸过程中的启裂压力均较高，个别井甚至在现有压裂设备条件下无法压开裂缝。
⑤ 高储层温度： 储层温度大多在120℃以上，对压裂液的耐温、交联、携砂性能要求较高，特别是由于天然微裂隙的存在，对压裂液的抗剪切能力提出了比沉积岩更高的要求。
⑥ 高施工泵压：储层埋藏较深，压裂沿程摩阻较高，加上岩性致密、坚硬，造成施工泵压较高，一般都在80MPa 左右，最高可达到95MPa。
⑦ 高砂堵几率：天然微裂隙、溶孔微观发育规律性不强，造成压裂液滤失带有明显的不确定性，岩性致密、坚硬，使压裂裂缝宽度增长受限，这些因素导致在施工过程中砂堵几率明显增大，并且很难预测。
近年来，各大油田开展了大量的压裂改造技术在火山岩勘探中的研究与应用工作。针对火山岩特点，确定了大排量、中低砂比、大规模、造长缝的压裂改造主导思想，以使压裂裂缝尽量多、尽量远地沟通天然微裂缝和溶孔，达到提供油流通道的目标。针对火山岩压裂难点，形成了抗高温、抗高压、抗砂堵、降滤失降启裂、快返排的火山岩压裂改造“三抗二降一快”的主体工艺，大大提高了火山岩压裂的施工成功率和措施有效率。
3　火山岩压裂改造技术
3.1　压裂破裂与延伸模型的建立
根据以往对火山岩储层天然裂缝发育状况的研究成果，将深层特殊岩性水力压裂裂缝延伸，归纳为“千层饼”与“仙人掌”两类建立物理模型，再根据深层火山岩与普通砂岩破裂机理的区别，加入与时间相关的三个gamma 因子：滤失因子ML、体积因子MV、开度因子MO，更好地描述多裂缝在水力压力下的延伸过程。
3.2　测试压裂现场解释技术
根据火山岩压裂裂缝不同启裂与延伸的两个基本形式，同时针对孔隙、溶洞及裂缝各自的滤失特性，分别研究和标定出它们的滤失特征点，并确定出分段拟合的解释原则，建立了测试压裂解释方法。为实现快速解释，将火山岩裂缝型储层按滤失特征细分为9级，研究标定出各自的解释特征曲线，形成快速解释图版，方便现场快速解释，保证在3h内完成解释和主压裂设计的完善。
3.3　压裂液体系性能的要求
根据火山岩储层的地质特点和压裂工艺的总体需要，压裂液体系必须具备以下性能要求：
① 良好的流变性能。火山岩储层厚度巨大，要求的施工规模大，单层加砂量将达到以上。压裂液总用量达到以上。在现有设备条件下，这一规模的压裂需要的施工时间将近180min。因此，要求压裂液必须具有良好的抗剪切性能; 在储层温度下，2. 5～3h的施工过程中，都必须具有足够的粘度，以及良好的造缝和携砂性能。
② 延迟交联性能。储层埋深在3000m以上，最深达到4000多m，如果交联作用发生在高剪切区即井筒中，则压裂液由于受到高剪切作用，降解严重。导致流变性能降低。为了减轻压裂液的剪切降解程度，要求压裂液具有延缓交联性能，控制压裂液交联作用主要发生在低剪切区即裂缝中，使剪切降解作用降到最小。
③ 良好的返排性能。特低渗透、低孔隙度的致密储层岩石，对压裂液伤害非常敏感，要求压裂施工完成后，压裂液在一定时间内发生化学降解，由大分子变成小分子，实现迅速返排，以减少对储集层的伤害。
④ 低滤失性能。压裂液的滤失性能是除粘度以外对裂缝几何形状产生直接影响的因素，压裂液向油层内的渗滤性决定压裂液的压裂效率，是决定施工成败和费用高低的因素之一。火山岩深气层微裂缝发育，压裂液容易滤失，使压裂液效率降低，导致施工失败。因此要求压裂液体系具有低滤失性。
⑤ 低摩阻性能。受压裂地面设备水马力限制，火山岩深气层压裂液应具有低摩阻性能，这是保证大型压裂施工顺利的关键之一。压裂液摩阻高，则对压裂设备能力、井下管柱和工具的耐压指标要求高，出现故障的几率增加，既增加施工费用，又增加施工难度。在这方面，大庆油田已经研制出了高温压裂液体系，并在实际中取得成功。
3.4　水力压裂裂缝控制与延伸技术
为保证形成一条足够宽和长的主裂缝，对于裂缝为“千层饼”的地层，必须保证只开启三条以内的主裂缝，并使其正常延伸；对于“仙人掌”而言，应尽量减少“小掌”数量，同时控制压裂液的滤失，阻止由于“小掌”过液不过砂导致的主裂缝内局部砂浓度过高，造成砂桥而使得施工失败。
4　几点认识与结论
① 火山岩油气藏分布广泛，但由于埋藏深、渗透率低、岩石致密，储集空间复杂等特点，必须进行压裂才能产生工业流油。
② 火山岩油气藏压裂有缺乏针对火山岩储层的压裂优化模型、现有的测试压裂解释技术对火山岩的针对性不强、压裂液不能满足高温储层的要求、以及高流体滤失、高启裂梯度、高储层温度、高施工泵压、高砂堵几率的特点，施工难度较大。
③ 针对火山岩压裂难点，形成了压裂破裂与延伸模型的建立、测试压裂现场解释技术、高温压裂液体系、水力压裂裂缝控制与延伸技术的压裂改造技术措施。
④ 火山岩油气藏压裂还处于起步阶段，还需要进一步的完善与发展。
                                  ——内蒙古石油化工，2008年第2期

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