一种泡沫压裂液对储层的伤害性测试方法 【技术领域】
本发明涉及一种泡沫压裂液对储层的伤害性测试方法。背景技术 煤层气是赋存于煤层及其围岩之中的一种自生自储式非常规天然气。 它是一种新 型的洁净能源和优质化工原料， 是我国在 21 世纪的重要接替能源之一。开发利用煤层气， 对缓解常规油气供应紧张状况、 改善煤矿安全生产条件、 实施国民经济可持续发展战略、 保 护大气环境等多方面均具有十分重要的意义。
(1) 发展煤层气工业， 是国家能源安全的需要
随着国民经济的快速增长， 对能源的需求量日益增大， 国内能源短缺的形势也越 来越紧迫。作为能源主要支柱的石油的供给已难以满足国民经济的飞速发展。我国目前原 油年增长率只有 1.7％， 与为适应国民经济增长速度所需的 4％ -5％能源增长率相差甚远。 2000、 2001 两年原油纯进口量均超过 6000 万吨。这种局面直接威胁到了我国的能源安全。 改变这一局面的重要途径就是根据我国实际地质条件和资源环境， 充分开发和利用国内其 它资源， 来减轻原油供给的压力。
煤层气是一种洁净而经济的资源， 在美国、 加拿大、 澳大利亚、 英国、 俄罗斯等许多 国家已给予了充分的重视， 其中美国已在多个盆地投入大规模的开发， 2001 年煤层气产量 已达 400 多亿立方米， 约为我国同期天然气产量的 1.3 倍。
我国具有丰富的煤层气资源。根据多方估算， 煤层气资源总量为 25-35 万亿立方 米， 新一轮全国煤层气资源预测结果， 我国煤层气资源量为 31 万亿立方 米， 居世界第二 位， 与我国陆上常规天然气资源量 (30 万亿立方米 ) 相当。
目前我国已探明煤层气储量为 754 亿立方米， 控制储量 3000 多亿立方米。因此， 煤层气是除常规天然气以外， 资源量最大、 最为现实的洁净能源， 勘探开发煤层气是国家能 源可持续发展战略最为现实的选择。
(2) 加快利用煤层气可补充常规天然气长远资源量的不足
利用常规天然气补充石油资源的不足已成为共识。 由于天然气管道和下游市场制 约了天然气开发和利用的速度， 造成了当前天然气后备资源充足的假象， 随着国民经济的 快速发展和天然气工业上、 下游配套建设的迅速扩大， 对天然气的需求量将有一个大的飞 跃， 将会出现常规天然气供不应求、 后备资源不足的局面。据测算， 2020 年天然气需求量达 到 1800-2000 亿立方米， 但天然气产量仅为 1200-1300 亿立方米， 而且缺口还会逐渐拉大。 因此， 开发和利用丰富的煤层气资源， 是补充我国常规天然气长远资源不足的重要举措， 也 是天然气工业发展由常规向非常规发展的必然趋势。
(3) 开发中国东部地区煤层气， 将会减轻经济发达地区能源短缺的压力。
从我国地质条件和勘探成果分析， 常规天然气资源主要分布在中西部地区。据统 计， 66％的天然气资源、 75％的探明储量、 53％的天然气产量分布于中西部地区， 西气东输 要依赖于长输管线才能将西部天然气资源输送至东部经济发达地区。 而中国东部煤层气资
源非常丰富， 75％的煤层气资源分布于中东部地区， 这些经济发达和较发达地区煤层气就 近开发利用， 不受输气管线的限制。因此充分开发利用东部煤层气资源能减缓东部能源短 缺的压力。
煤炭开采过程中向大气释放的甲烷以及煤炭燃烧释放出来的二氧化碳是大气温 室气体的重要来源， 我国每年由于采煤向大气释放的煤层甲烷量高达 60 亿立方米， 占全球 这种重要温室气体同样来源的 46％。加快煤层气的开发利用可 以减少甲烷气体向大气的 排放， 有效地改善我们赖于生存的环境。
煤层气井储层中常存在粘土， 由于其组成不同， 当外来液体侵入时， 会发生粘土的 运移或膨胀， 使得煤层储层的渗透率明显下降。粘土稳定剂是利用粘土表面化学离子交换 的特点， 通过改变结合离子而改变其理化性质， 或破坏其离子交换能力， 或破坏双电层离子 之间的斥力， 达到防止粘土水合膨胀或分散运移的效果。 其中， 常用的无机盐粘土稳定剂的 作用机理如下 ：
①离子的电价效应。粘土矿物的离子交换受质量作用定律及离子价的支配。
同类型的粘土在环境条件相同时， 离子的价数越高， 则吸引力越强， 与粘土结合后 不易离子化， 微粒之间相互排斥力弱， 使粘土矿物的粒子不易分散。
②离子浓度效应。同种粘土矿物在不同浓度的盐水溶液中吸收膨胀程度各不相 同。
③离子大小的几何效应。 离子大小与粘土构造的适应性也是影响离子吸附牢固程 度的重要因素之一。
④润湿效应。表面活性剂吸附在粘土微粒表面的离子交换点上， 形成涂膜， 试水润湿性的粘土的吸附力很强， 可阻止其它离子的交换作用， 从而起到稳定粘 土的作用。
在增产技术研究方面， 普遍采用水力压裂方法增产。在裂缝几何形态表征和裂缝 扩展规律研究等方面采用与常规天然气藏压裂相类似的方法， 而没有建立和形成适合煤层 气特征的压裂增产理论和方法。
关于煤层气井的压裂造缝机理， 从 20 世纪 90 年代末至今， 国内多位学者进行了研 究。 从室内的实验室和模拟到现场压裂实验， 从煤岩的理论模型到实际材料的选取， 从考虑 单一影响因素到多因素综合考虑， 研究者从不同的角度出发， 经过大量实验室及现场压裂 实验， 对于煤层气井的造缝机理的认识， 已 取得了一定的成果， 但还没有达到完善、 成熟的 地步。
压裂作用的机理是利用高压液体， 将煤层劈开裂缝， 随后将加有支撑剂的压裂液 充填裂缝， 当压力扩散后， 煤层中形成具有良好导流能力的人造裂缝。 由于在压裂施工过程 中的压力激化作用， 在人造裂缝周围的煤层内产生更多的次生裂缝， 从而增加了煤层的渗 透性， 达到改善煤层的导流能力，
提高煤层气井产能的目的。通过实验方法研究了水力割缝提高低渗透性煤层渗 透率的机理， 认为在固 - 气耦合作用下， 通过割缝的方式可以释放煤层内的部分有效体积 应力， 使部分煤层在割缝后发生垮落， 应力场重新分布， 煤层内的裂缝和裂缝的数量、 长度 张开度得以增加， 增大了煤层内裂缝、 裂隙和孔隙的连通面积， 从而增大了低渗透层的渗透 性。
研究者早期对于煤层压裂机理的认识， 主要是借鉴常规储层压裂的研究成果， 或 是从理论出发建立简单的压裂模型， 忽略了煤储层的特殊性。 对于裂缝的生长机理， 或是在 实验的基础上通过现象对机理的简单认识， 或是仅从理论出发对压裂进行研究， 缺少实验 的支持， 没有形成一套完善的压裂理论体系， 从而对煤层气井的压裂生产进行指导。 虽然近 50 年来广泛采用水力压裂技术， 但对于裂缝生长机理， 从广义上说还是很不清楚。 现场压裂 施工大多建立在简化的压裂模型上， 或者因为对裂缝生长了解得太少而不得不采用 “经验 法” 作为最有效的压裂设计方法。 对煤储层进行水力压裂增产， 其控制过程的实际技术被证 明不仅非常容易随环境变化， 而且实际操作也非常复杂。 甚至有些煤层， 水力压裂对其不产 生任何效果。煤储层对水力压裂有如此不同的反响， 其原因有的已清楚， 有的仅作推测， 有 的目前完全不清楚。
由于煤储层本身的特殊性以及地下条件的复杂性， 煤层气井的压裂影响因素很 多， 但是随着实践的深入， 研究者对于压裂机理不断得出规律性的认识。
综上所述， 对煤层气井的压裂造缝机理存在以下几点认识 ： ①压裂受控于煤岩的 结构构造特征和物理力学特性以及煤岩所处的应力场。②煤层可视为横观各向同性体。③ 裂隙演化经历多个阶段。④应考虑煤岩所处的地应力场。这些基本认识， 还不能满足压裂 生产的需要， 不能有效地用于指导压裂生产， 还需要对压裂机理进行深入的研究。 煤层有双 孔隙结构， 其割理系统表现出强烈的横向各向异性， 再考虑割理对于压裂的控制作用时， 煤 层不能简化为横向各向同性体。煤储集层是由气、 液、 煤基质组成的三相介质， 现有研究大 都忽略了煤层水， 有必要在三相介质耦合作用条件下对压裂机理进行研究。 煤层气是煤层在地质史漫长的煤化过程中所生成的以甲烷为主的天然气， 煤层气 是一种非常规的天然气资源， 也是一种战略的后备资源。 煤层气井通常进行压裂开采， 在国 外使用的压裂液体系包括水、 交联冻胶和泡沫压裂液等。 压裂液侵入煤层储层将造成伤害， 导致储层渗透率下降， 其原因包括压裂液的吸附作用引起煤基质膨胀和堵塞割理， 而堵塞 割理系统会限制煤层气的解吸。
压裂液对煤层气井储层的伤害程度决定了压裂施工的成败， 尤其是对低压低渗透 的煤层气井， 最大程度地降低压裂液对储层造成的伤害就显得更为重要。由于泡沫压裂液 体系中增稠剂的分子链断裂均匀， 破胶迅速彻底， 破胶液外观清澈透明， 最终破胶液粘度较 低 ( 低于 5mPa·s)， 因而对储层的伤害行对很小。同时， 由于是氮气泡沫压裂液体系， 可进 一步降低滤失和促进返排， 从而使压裂液对储层的伤害降低到最小程度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足， 提供一种泡沫压裂液对储层 的伤害性测试方法， 该测定方法能准确测试出泡沫压裂液对储层的伤害性， 为泡沫压裂液 的优选提供了理论基础， 且测试过程简单， 测试时间短、 测 试成本低、 利于推广。
本发明的目的通过下述技术方案实现 ： 一种泡沫压裂液对储层的伤害性测试方 法， 包括以下步骤 ：
(a) 配制标准盐水， 测定接触工作液前的盐水渗透率 Ks， 驱替速度低于临界流速 ；
(b) 将工作液通过岩心 ；
(c) 停驱替泵， 关闭岩心夹持器的入口和出口阀门， 使岩样与工作液接触 ；(d) 开驱替泵， 测定工作液的渗透率 Ksa， 驱替速度低于临界流速 ；
(e) 关闭驱替泵， 结束实验 ；
(f) 通过 Ks 和 Ksa， 计算出伤害率 Dk。
所述步骤 (a) 中， 盐水浓度为 0.5％。
所述步骤 (b) 中， 将工作液以低于临界流速的流量通过岩心。
所述步骤 (b) 中， 工作液的注入量应大于 2 倍孔隙体积。
所述步骤 (c) 中， 岩样与工作液接触达 10h 以上。
综上所述， 本发明的有益效果是 ： 能准确测试出泡沫压裂液对储层的伤害性， 为泡 沫压裂液的优选提供了理论基础， 且测试过程简单， 测试时间短、 测试成本低、 利于推广。 具体实施方式
下面结合实施例， 对本发明作进一步的详细说明， 但本发明的实施方式不仅限于 此。
实施例 ：
本发明涉及的一种泡沫压裂液对储层的伤害性测试方法， 包括以下步骤 ：
(a) 按地层水的总矿化度配制标准盐水 ( 本发明采用 0.5％的盐水 )， 测定 接触工 作液前的盐水渗透率 Ks， 驱替速度低于临界流速 ；
(b) 将工作液以低于临界流速的流量通过岩心， 注入量应大于 2 倍孔隙体积 ；
(c) 停驱替泵， 关闭岩心夹持器的入口和出口阀门， 使岩样与工作液接触达 10h 以 上；
(d) 开驱替泵， 测定工作液的渗透率 Ksa， 驱替速度低于临界流速 ；
(e) 关闭驱替泵， 结束实验 ；
(f) 通过 Ks 和 Ksa， 计算出伤害率 Dk。
通过 Ks 和 Ksa， 计算出伤害率 Dk 的公式如下 ：
式中， Dk——渗透率伤害率 ； Ks——接触工作液前测定的盐水渗透率， 10-3μm2 ；Ksa——接触工作液后测定的渗透率， 10-3μm2。
上述泡沫压裂液对储层的伤害性测试方法， 能准确测试出泡沫压裂液对储层的伤 害性， 为泡沫压裂液的优选提供了理论基础， 且测试过程简单， 测试时间短、 测试成本低、 利 于推广。
以上所述， 仅是本发明的较佳实施例， 并非对本发明做任何形式上的限制， 凡是依 据本发明的技术实质， 对以上实施例所作的任何简单修改、 等同变化， 均落入本发明的保护 范围之内。6