專利名稱：一種泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
煤層氣是賦存于煤層及其圍巖之中的一種自生自儲(chǔ)式非常規(guī)天然氣。它是一種新型的潔凈能源和優(yōu)質(zhì)化工原料，是我國(guó)在21世紀(jì)的重要接替能源之一。開(kāi)發(fā)利用煤層氣， 對(duì)緩解常規(guī)油氣供應(yīng)緊張狀況、改善煤礦安全生產(chǎn)條件、實(shí)施國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、保護(hù)大氣環(huán)境等多方面均具有十分重要的意義。(1)發(fā)展煤層氣工業(yè)，是國(guó)家能源安全的需要隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，對(duì)能源的需求量日益增大，國(guó)內(nèi)能源短缺的形勢(shì)也越來(lái)越緊迫。作為能源主要支柱的石油的供給已難以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展。我國(guó)目前原油年增長(zhǎng)率只有1. 7%，與為適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度所需的4% -5%能源增長(zhǎng)率相差甚遠(yuǎn)。 2000,2001兩年原油純進(jìn)口量均超過(guò)6000萬(wàn)噸。這種局面直接威脅到了我國(guó)的能源安全。 改變這一局面的重要途徑就是根據(jù)我國(guó)實(shí)際地質(zhì)條件和資源環(huán)境，充分開(kāi)發(fā)和利用國(guó)內(nèi)其它資源，來(lái)減輕原油供給的壓力。煤層氣是一種潔凈而經(jīng)濟(jì)的資源，在美國(guó)、加拿大、澳大利亞、英國(guó)、俄羅斯等許多國(guó)家已給予了充分的重視，其中美國(guó)已在多個(gè)盆地投入大規(guī)模的開(kāi)發(fā)，2001年煤層氣產(chǎn)量已達(dá)400多億立方米，約為我國(guó)同期天然氣產(chǎn)量的1. 3倍。我國(guó)具有豐富的煤層氣資源。根據(jù)多方估算，煤層氣資源總量為25-35萬(wàn)億立方米，新一輪全國(guó)煤層氣資源預(yù)測(cè)結(jié)果，我國(guó)煤層氣資源量為31萬(wàn)億立方米，居世界第二位，與我國(guó)陸上常規(guī)天然氣資源量(30萬(wàn)億立方米)相當(dāng)。目前我國(guó)已探明煤層氣儲(chǔ)量為7M億立方米，控制儲(chǔ)量3000多億立方米。因此， 煤層氣是除常規(guī)天然氣以外，資源量最大、最為現(xiàn)實(shí)的潔凈能源，勘探開(kāi)發(fā)煤層氣是國(guó)家能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略最為現(xiàn)實(shí)的選擇。(2)加快利用煤層氣可補(bǔ)充常規(guī)天然氣長(zhǎng)遠(yuǎn)資源量的不足利用常規(guī)天然氣補(bǔ)充石油資源的不足已成為共識(shí)。由于天然氣管道和下游市場(chǎng)制約了天然氣開(kāi)發(fā)和利用的速度，造成了當(dāng)前天然氣后備資源充足的假象，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和天然氣工業(yè)上、下游配套建設(shè)的迅速擴(kuò)大，對(duì)天然氣的需求量將有一個(gè)大的飛躍，將會(huì)出現(xiàn)常規(guī)天然氣供不應(yīng)求、后備資源不足的局面。據(jù)測(cè)算，2020年天然氣需求量達(dá)到1800-2000億立方米，但天然氣產(chǎn)量?jī)H為1200-1300億立方米，而且缺口還會(huì)逐漸拉大。 因此，開(kāi)發(fā)和利用豐富的煤層氣資源，是補(bǔ)充我國(guó)常規(guī)天然氣長(zhǎng)遠(yuǎn)資源不足的重要舉措，也是天然氣工業(yè)發(fā)展由常規(guī)向非常規(guī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。(3)開(kāi)發(fā)中國(guó)東部地區(qū)煤層氣，將會(huì)減輕經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)能源短缺的壓力。從我國(guó)地質(zhì)條件和勘探成果分析，常規(guī)天然氣資源主要分布在中西部地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，66%的天然氣資源、75%的探明儲(chǔ)量、53%的天然氣產(chǎn)量分布于中西部地區(qū)，西氣東輸要依賴于長(zhǎng)輸管線才能將西部天然氣資源輸送至東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。而中國(guó)東部煤層氣資源非常豐富，75%的煤層氣資源分布于中東部地區(qū)，這些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和較發(fā)達(dá)地區(qū)煤層氣就近開(kāi)發(fā)利用，不受輸氣管線的限制。因此充分開(kāi)發(fā)利用東部煤層氣資源能減緩東部能源短缺的壓力。煤炭開(kāi)采過(guò)程中向大氣釋放的甲烷以及煤炭燃燒釋放出來(lái)的二氧化碳是大氣溫室氣體的重要來(lái)源，我國(guó)每年由于采煤向大氣釋放的煤層甲烷量高達(dá)60億立方米，占全球這種重要溫室氣體同樣來(lái)源的46%。加快煤層氣的開(kāi)發(fā)利用可以減少甲烷氣體向大氣的排放，有效地改善我們賴于生存的環(huán)境。煤層氣井儲(chǔ)層中常存在粘土，由于其組成不同，當(dāng)外來(lái)液體侵入時(shí)，會(huì)發(fā)生粘土的運(yùn)移或膨脹，使得煤層儲(chǔ)層的滲透率明顯下降。粘土穩(wěn)定劑是利用粘土表面化學(xué)離子交換的特點(diǎn)，通過(guò)改變結(jié)合離子而改變其理化性質(zhì)，或破壞其離子交換能力，或破壞雙電層離子之間的斥力，達(dá)到防止粘土水合膨脹或分散運(yùn)移的效果。其中，常用的無(wú)機(jī)鹽粘土穩(wěn)定劑的作用機(jī)理如下①離子的電價(jià)效應(yīng)。粘土礦物的離子交換受質(zhì)量作用定律及離子價(jià)的支配。同類型的粘土在環(huán)境條件相同時(shí)，離子的價(jià)數(shù)越高，則吸引力越強(qiáng)，與粘土結(jié)合后不易離子化，微粒之間相互排斥力弱，使粘土礦物的粒子不易分散。②離子濃度效應(yīng)。同種粘土礦物在不同濃度的鹽水溶液中吸收膨脹程度各不相同。③離子大小的幾何效應(yīng)。離子大小與粘土構(gòu)造的適應(yīng)性也是影響離子吸附牢固程度的重要因素之一。④潤(rùn)濕效應(yīng)。表面活性劑吸附在粘土微粒表面的離子交換點(diǎn)上，形成涂膜，試水潤(rùn)濕性的粘土的吸附力很強(qiáng)，可阻止其它離子的交換作用，從而起到穩(wěn)定粘土的作用。在增產(chǎn)技術(shù)研究方面，普遍采用水力壓裂方法增產(chǎn)。在裂縫幾何形態(tài)表征和裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究等方面采用與常規(guī)天然氣藏壓裂相類似的方法，而沒(méi)有建立和形成適合煤層氣特征的壓裂增產(chǎn)理論和方法。 關(guān)于煤層氣井的壓裂造縫機(jī)理，從20世紀(jì)90年代末至今，國(guó)內(nèi)多位學(xué)者進(jìn)行了研究。從室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室和模擬到現(xiàn)場(chǎng)壓裂實(shí)驗(yàn)，從煤巖的理論模型到實(shí)際材料的選取，從考慮單一影響因素到多因素綜合考慮，研究者從不同的角度出發(fā)，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)壓裂實(shí)驗(yàn)，對(duì)于煤層氣井的造縫機(jī)理的認(rèn)識(shí)，已取得了一定的成果，但還沒(méi)有達(dá)到完善、成熟的地步。壓裂作用的機(jī)理是利用高壓液體，將煤層劈開(kāi)裂縫，隨后將加有支撐劑的壓裂液充填裂縫，當(dāng)壓力擴(kuò)散后，煤層中形成具有良好導(dǎo)流能力的人造裂縫。由于在壓裂施工過(guò)程中的壓力激化作用，在人造裂縫周圍的煤層內(nèi)產(chǎn)生更多的次生裂縫，從而增加了煤層的滲透性，達(dá)到改善煤層的導(dǎo)流能力，提高煤層氣井產(chǎn)能的目的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了水力割縫提高低滲透性煤層滲透率的機(jī)理，認(rèn)為在固-氣耦合作用下，通過(guò)割縫的方式可以釋放煤層內(nèi)的部分有效體積應(yīng)力，使部分煤層在割縫后發(fā)生垮落，應(yīng)力場(chǎng)重新分布，煤層內(nèi)的裂縫和裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度張開(kāi)度得以增加，增大了煤層內(nèi)裂縫、裂隙和孔隙的連通面積，從而增大了低滲透層的滲透性。
研究者早期對(duì)于煤層壓裂機(jī)理的認(rèn)識(shí)，主要是借鑒常規(guī)儲(chǔ)層壓裂的研究成果，或是從理論出發(fā)建立簡(jiǎn)單的壓裂模型，忽略了煤儲(chǔ)層的特殊性。對(duì)于裂縫的生長(zhǎng)機(jī)理，或是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)現(xiàn)象對(duì)機(jī)理的簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)，或是僅從理論出發(fā)對(duì)壓裂進(jìn)行研究，缺少實(shí)驗(yàn)的支持，沒(méi)有形成一套完善的壓裂理論體系，從而對(duì)煤層氣井的壓裂生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。雖然近 50年來(lái)廣泛采用水力壓裂技術(shù)，但對(duì)于裂縫生長(zhǎng)機(jī)理，從廣義上說(shuō)還是很不清楚。現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工大多建立在簡(jiǎn)化的壓裂模型上，或者因?yàn)閷?duì)裂縫生長(zhǎng)了解得太少而不得不采用“經(jīng)驗(yàn)法”作為最有效的壓裂設(shè)計(jì)方法。對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行水力壓裂增產(chǎn)，其控制過(guò)程的實(shí)際技術(shù)被證明不僅非常容易隨環(huán)境變化，而且實(shí)際操作也非常復(fù)雜。甚至有些煤層，水力壓裂對(duì)其不產(chǎn)生任何效果。煤儲(chǔ)層對(duì)水力壓裂有如此不同的反響，其原因有的已清楚，有的僅作推測(cè)，有的目前完全不清楚。由于煤儲(chǔ)層本身的特殊性以及地下條件的復(fù)雜性，煤層氣井的壓裂影響因素很多，但是隨著實(shí)踐的深入，研究者對(duì)于壓裂機(jī)理不斷得出規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。綜上所述，對(duì)煤層氣井的壓裂造縫機(jī)理存在以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)①壓裂受控于煤巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征和物理力學(xué)特性以及煤巖所處的應(yīng)力場(chǎng)。②煤層可視為橫觀各向同性體。③ 裂隙演化經(jīng)歷多個(gè)階段。④應(yīng)考慮煤巖所處的地應(yīng)力場(chǎng)。這些基本認(rèn)識(shí)，還不能滿足壓裂生產(chǎn)的需要，不能有效地用于指導(dǎo)壓裂生產(chǎn)，還需要對(duì)壓裂機(jī)理進(jìn)行深入的研究。煤層有雙孔隙結(jié)構(gòu)，其割理系統(tǒng)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的橫向各向異性，再考慮割理對(duì)于壓裂的控制作用時(shí)，煤層不能簡(jiǎn)化為橫向各向同性體。煤儲(chǔ)集層是由氣、液、煤基質(zhì)組成的三相介質(zhì)，現(xiàn)有研究大都忽略了煤層水，有必要在三相介質(zhì)耦合作用條件下對(duì)壓裂機(jī)理進(jìn)行研究。煤層氣是煤層在地質(zhì)史漫長(zhǎng)的煤化過(guò)程中所生成的以甲烷為主的天然氣，煤層氣是一種非常規(guī)的天然氣資源，也是一種戰(zhàn)略的后備資源。煤層氣井通常進(jìn)行壓裂開(kāi)采，在國(guó)外使用的壓裂液體系包括水、交聯(lián)凍膠和泡沫壓裂液等。壓裂液侵入煤層儲(chǔ)層將造成傷害， 導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率下降，其原因包括壓裂液的吸附作用引起煤基質(zhì)膨脹和堵塞割理，而堵塞割理系統(tǒng)會(huì)限制煤層氣的解吸。壓裂液對(duì)煤層氣井儲(chǔ)層的傷害程度決定了壓裂施工的成敗，尤其是對(duì)低壓低滲透的煤層氣井，最大程度地降低壓裂液對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害就顯得更為重要。由于泡沫壓裂液體系中增稠劑的分子鏈斷裂均勻，破膠迅速?gòu)氐?，破膠液外觀清澈透明，最終破膠液粘度較低(低于5mPa · s)，因而對(duì)儲(chǔ)層的傷害行對(duì)很小。同時(shí)，由于是氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系，可進(jìn)一步降低濾失和促進(jìn)返排，從而使壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害降低到最小程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性測(cè)試方法，該測(cè)定方法能準(zhǔn)確測(cè)試出泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性，為泡沫壓裂液的優(yōu)選提供了理論基礎(chǔ)，且測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，測(cè)試時(shí)間短、測(cè)試成本低、利于推廣。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性測(cè)試方法，包括以下步驟(a)配制標(biāo)準(zhǔn)鹽水，測(cè)定接觸工作液前的鹽水滲透率Ks，驅(qū)替速度低于臨界流速；(b)將工作液通過(guò)巖心；(c)停驅(qū)替泵，關(guān)閉巖心夾持器的入口和出口閥門，使巖樣與工作液接觸；
5
(d)開(kāi)驅(qū)替泵，測(cè)定工作液的滲透率Ksa，驅(qū)替速度低于臨界流速；(e)關(guān)閉驅(qū)替泵，結(jié)束實(shí)驗(yàn)；(f)通過(guò)Ks和Ksa，計(jì)算出傷害率Dk。所述步驟(a)中，鹽水濃度為0.5%。所述步驟(b)中，將工作液以低于臨界流速的流量通過(guò)巖心。所述步驟(b)中，工作液的注入量應(yīng)大于2倍孔隙體積。所述步驟(C)中，巖樣與工作液接觸達(dá)IOh以上。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是能準(zhǔn)確測(cè)試出泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性，為泡沫壓裂液的優(yōu)選提供了理論基礎(chǔ)，且測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，測(cè)試時(shí)間短、測(cè)試成本低、利于推廣。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅限于此。實(shí)施例本發(fā)明涉及的一種泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性測(cè)試方法，包括以下步驟(a)按地層水的總礦化度配制標(biāo)準(zhǔn)鹽水(本發(fā)明采用0. 5%的鹽水)，測(cè)定接觸工作液前的鹽水滲透率Ks，驅(qū)替速度低于臨界流速；(b)將工作液以低于臨界流速的流量通過(guò)巖心，注入量應(yīng)大于2倍孔隙體積；(c)停驅(qū)替泵，關(guān)閉巖心夾持器的入口和出口閥門，使巖樣與工作液接觸達(dá)IOh以上；(d)開(kāi)驅(qū)替泵，測(cè)定工作液的滲透率Ksa，驅(qū)替速度低于臨界流速；(e)關(guān)閉驅(qū)替泵，結(jié)束實(shí)驗(yàn)；(f)通過(guò)Ks和Ksa，計(jì)算出傷害率Dk。通過(guò)Ks和Ksa，計(jì)算出傷害率Dk的公式如下
τ^- —
Γ π — s — ·Μ、，1 nno/,LZk — — Λ ι υυ /O
Ks式中，Dk—滲透率傷害率；Ks——接觸工作液前測(cè)定的鹽水滲透率，10_3 μ m2 ；Ksa——接觸工作液后測(cè)定的滲透率，10_3 μ m2。上述泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性測(cè)試方法，能準(zhǔn)確測(cè)試出泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性，為泡沫壓裂液的優(yōu)選提供了理論基礎(chǔ)，且測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，測(cè)試時(shí)間短、測(cè)試成本低、利于推廣。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性測(cè)試方法，其特征在于，包括以下步驟(a)配制標(biāo)準(zhǔn)鹽水，測(cè)定接觸工作液前的鹽水滲透率Ks，驅(qū)替速度低于臨界流速；(b)將工作液通過(guò)巖心；(c)停驅(qū)替泵，關(guān)閉巖心夾持器的入口和出口閥門，使巖樣與工作液接觸；(d)開(kāi)驅(qū)替泵，測(cè)定工作液的滲透率Ksa，驅(qū)替速度低于臨界流速；(e)關(guān)閉驅(qū)替泵，結(jié)束實(shí)驗(yàn)；(f)通過(guò)Ks和Ksa，計(jì)算出傷害率Dk。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性測(cè)試方法，其特征在于，所述步驟(a)中，鹽水濃度為0.5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性測(cè)試方法，其特征在于，所述步驟(b)中，將工作液以低于臨界流速的流量通過(guò)巖心。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性測(cè)試方法，其特征在于，所述步驟(b)中，工作液的注入量應(yīng)大于2倍孔隙體積。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性測(cè)試方法，其特征在于，所述步驟(c)中，巖樣與工作液接觸達(dá)IOh以上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性測(cè)試方法。該泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性測(cè)試方法包括測(cè)定接觸工作液前的鹽水滲透率Ks、將工作液通過(guò)巖心、巖樣與工作液接觸、測(cè)定工作液的滲透率Ksa、通過(guò)Ks和Ksa，計(jì)算出傷害率Dk等步驟。本發(fā)明能準(zhǔn)確測(cè)試出泡沫壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害性，為泡沫壓裂液的優(yōu)選提供了理論基礎(chǔ)，且測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，測(cè)試時(shí)間短、測(cè)試成本低、利于推廣。
文檔編號(hào)E21B43/26GK102454402SQ20101053167
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者袁俊海 申請(qǐng)人:袁俊海