[发明专利]用于确定低渗透率材料中的非常规液体渗吸的方法

说明书

本发明涉及用于确定水力压裂液向含烃岩层中的渗吸的方法。更具体地，本发明涉及用于确定某些非常规流动参数以测定水力压裂液随时间向低渗透率含烃岩层中的渗吸的实验室方法。

技术领域

本发明涉及用于确定水力压裂液在含烃岩层中的渗吸量的方法。更具体地，本发明涉及用于确定某些非常规流动参数以测定水力压裂液随时间延长而向低渗透率含烃岩层中的渗吸的实验室方法。

背景技术

非常规烃页岩气资源对于满足世界不断增长的能源需求展现出巨大的潜力。水平井的水力压裂是从页岩气和其他非常规储层中采收天然气的一种广泛使用的技术，这些储层的部分特征在于极低的渗透率。这种烃采收方法通常涉及使用大量压裂液和支撑剂。水基压裂液(其目前最常用于水力压裂中)包含约99％的淡水或回收水，并添加有诸如表面活性剂、减摩剂、杀菌剂、粘土稳定剂和防垢剂之类的化学品。

在页岩气储层中的水力压裂和关井阶段期间，大量的压裂液将通过水力裂缝流入到周围的页岩地层中。一定量的水力压裂液(通常主要由水构成)通过被称为“渗吸”的过程而被吸收到含烃地层中的页岩或其他岩石中。这是已知的，因为虽然有一定量的压裂液从地层中回收，但是大量的压裂液损失在地层中。自发渗吸是人们所关注的，因为自发渗吸是在一些压裂液返排到地表之后的较长关井闭期间液体被地层吸收的机理。渗吸的一个定义包括一种流体(例如水)驱替另一种不混溶流体(诸如不混溶烃)的过程。

渗吸的过程对页岩气采收具有许多实际意义。液体渗吸可以引起气体相对渗透率的损失，并导致含烃地层中裂缝-基质界面附近的化学改变区。诸如水之类的水力流体渗吸到页岩中可能会减少井中的烃采收。达西定律(Darcy’s law)一般性地描述了流体通过多孔介质的流动。然而，部分地由于低渗透率介质(例如页岩)中强烈的固-液相互作用，达西定律并不总是能够充分地描述非常规的页岩地层中的液体流动模式。“致密”岩层具有低渗透率，并且包括页岩、致密碳酸盐岩以及致密砂岩。

因此，需要精确和有效的方法来测定其中可能存在非常规流动的低渗透率含烃地层中的流体的非常规渗吸。

发明内容

本发明描述了用于测定和确定水力压裂液向低渗透率含烃地层中的非常规流体渗吸的方法。在本发明中，将低渗透率介质中的非常规液体流动行为称为“非常规流动行为”，这是因为它不符合达西定律，并且术语“非达西流动”通常用于描述偏离了基于高渗透率介质中的高流速(这种情况在本文不适用)的达西定律的流体流动行为。本发明涉及用于确定某些非常规流动参数以测定水力压裂液随时间而向低渗透率含烃地层中的渗吸的实验室方法。实验室试验能够确定非常规流动指数“n”和传输参数“D(θ)”，从而精确测定和确定流体随时间向低渗透率含烃岩层中的渗吸。

因此，本文公开了一种确定低渗透率含烃岩石基质中的流体渗吸速率的方法。该方法包括以下步骤：制备由低渗透率含烃岩石基质获得的样品，该样品用于流体的自发渗吸试验，该流体能够有效地用于低渗透率含烃岩石基质的水力压裂中；以及对样品进行自发渗吸试验。该方法还包括以下步骤：记录流体随时间向样品中的累积渗吸；确定非常规流动指数，该非常规流动指数表示非常规流动，并且该非常规流动指数基于这样的关系假设，在该关系假设中，流入样品并导致累积渗吸的液体流量是样品的压力梯度的幂函数；以及测定在自发渗吸试验之后沿着样品的液体体积含量空间分布。

该方法还包括：基于(1)在自发渗吸试验之后沿着样品的液体体积含量空间分布；(2)在自发渗吸试验之前样品的初始液体含量；以及(3)非常规流动指数，从而确定样品的传输参数的步骤：以及基于非常规流动指数和传输参数从而确定流体随时间向低渗透率含烃基质中的渗吸速率。

在该方法的一些实施方案中，样品选自由页岩、致密碳酸盐岩以及致密砂岩所组成的组。在其他实施方案中，样品包括页岩。在一些实施方案中，样品的制备步骤还包括以下步骤：将样品形成为具有长度L以及穿过长度L的均匀横截面的柱状，该样品具有流体接触部分、非流体接触部分以及上方空气流动部分；使来自样品的非流体接触部分的蒸发源最小化；以及使空气在样品的上方空气流动部分处流动。