林 波，劉通義，2，譚浩波，魏 俊

1.成都佰椿石油科技有限公司，四川 成都 610500 2.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500 3.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 塘沽 300451

通過對壓裂液濾失的文獻(xiàn)調(diào)研及研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者對具有造壁性的壓裂液體系的濾失研究較多，其濾失量主要由受濾餅控制的濾失系數(shù)確定；而對于無造壁性的壓裂液體系，其濾失特性及濾失控制機(jī)理不同，在這方面的研究還很少，使得壓裂液的濾失研究不全。

新型的締合壓裂液體系（GRF壓裂液）是一種疏水締合結(jié)構(gòu)流體，在濾失控制方面，由于水不溶物含量極低而不具造壁性，而傳統(tǒng)的理論認(rèn)為壓裂液的濾失受到壓裂液黏度、地層流體壓縮性和壓裂液造壁性等3個(gè)因素的共同作，恒不能描述該壓裂液向地層作動態(tài)滲流的情況，因此對GRF壓裂液的濾失特性進(jìn)行研究是很有必要的。

1 GRF壓裂液的濾失性能評價(jià)

GRF壓裂液的濾失控制需要一定的空間，濾失時(shí)不會在介質(zhì)表面形成濾餅，因此采用濾紙作為濾失介質(zhì)來測定壓裂液濾失量顯然不合適。根據(jù)實(shí)際情況，采用巖芯作為濾失介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是準(zhǔn)確有效的，所以設(shè)計(jì)一套適合此種壓裂液的濾失量簡易測定裝置并建立一種準(zhǔn)確可行的濾失測定方法對此類壓裂液的濾失評價(jià)是很有意義的。

1.1 濾失量測定裝置

設(shè)計(jì)并制作了能夠模擬儲層壓力和溫度條件的壓裂液濾失量測定裝置，如圖1所示。主要組成為：一個(gè)可控制的壓力源（氮?dú)猓?、一個(gè)用鎳鉻合金制成、可承受30 MPa工作壓力的壓裂液容器、一套加熱系統(tǒng)、一個(gè)巖芯夾持器以及一個(gè)合適的支架。壓裂液容器有溫度計(jì)插孔、耐油密封圈、用以支撐過濾介質(zhì)的墊片以及用以控制濾液排放的、位于濾液排放管上的閥門。濾失裝置可加熱至200℃，并加20 MPa圍壓和12 MPa內(nèi)壓。

圖1 高溫高壓巖芯濾失儀簡易圖Fig.1 Diagram of high temperatureand high pressure core filtration instrumentation

1.2 濾失性能評價(jià)方法

1.2.1 巖芯準(zhǔn)備

巖芯前期處理，標(biāo)準(zhǔn)鹽水測出液測滲透率Ka，統(tǒng)計(jì)好巖芯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，放置備用。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)測定

選取一定滲透率的巖芯作為濾失介質(zhì)，采用上述實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行測定，該濾失測定儀的操作步驟同高溫高壓濾失儀相近：

（1）將巖芯放入巖芯夾持器中，加上環(huán)壓到高于預(yù)測濾失壓差1.5 MPa左右；（2）取350 mL壓裂液裝入密閉測試容器，開啟加熱裝置，將壓裂液加熱到實(shí)驗(yàn)要求值；（3）用氮?dú)庠趬毫岩簽V失介質(zhì)兩端造成要求的壓差，打開閥門并在規(guī)定時(shí)間（1，4，9，16，25，36 min）記錄濾出液的體積。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

將濾液體積對濾失時(shí)間平方根作圖，初步按造壁濾失系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算，但應(yīng)注意的是，通過此方法測得的壓裂液濾失系數(shù)是在特定的巖芯滲透率下得到的，這不能與高溫高壓濾失儀測得的數(shù)據(jù)混淆。

1.3 性能評價(jià)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)評價(jià)了適合80℃的不同壓裂液體系在幾乎相同滲透率和孔隙度的巖芯中的濾失情況。

GRF 壓 裂 液：0.5%GRF–1H 稠 化 劑 +0.25%GRF–2輔劑+0.1%GRF–3穩(wěn)定劑；

胍膠壓裂液：0.4%胍膠原粉+0.1%溫度穩(wěn)定劑+0.2%破乳劑BZP–2+0.1%pH調(diào)節(jié)劑+0.4%交聯(lián)劑 CYB–100。

兩種壓裂液的濾失曲線見圖2。

圖2 GRF壓裂液與胍膠壓裂液濾失曲線對比（80℃）Fig.2 Filtration curvescomparison of GRFand guargum fracturing fluid（80℃）

數(shù)據(jù)處理后得到壓裂液在巖芯特定滲透率下的濾失系數(shù)及初濾失量，可以評價(jià)壓裂液濾失性能，巖芯相關(guān)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 不同壓裂液的濾失實(shí)驗(yàn)結(jié)果（80℃）Tab.1 Filtration laboratory findingsof different fracturing fluid（80 ℃）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在巖芯液測滲透率為0.49 mD、實(shí)驗(yàn)溫度為80℃條件下，GRF壓裂液雖然初濾失量偏大，但其濾失系數(shù)比胍膠壓裂液的還小。

2 GRF壓裂液濾失控制機(jī)理研究

性能評價(jià)表明GRF壓裂液具有良好的濾失控制性能。然而GRF壓裂液的濾失不受其造壁濾失系數(shù)控制，因此，壓裂液的濾失控制因素應(yīng)該是除濾餅、溶液的黏度、溶液壓縮性之外的第三相。由于GRF壓裂液具有優(yōu)良的黏彈性，所以要研究該壓裂液體系在儲層中的濾失情況，首先就要清楚此類流體在孔隙介質(zhì)中的滲流特征[69]，并結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)研究，簡要闡述GRF壓裂液的濾失控制機(jī)理。

2.1 GRF壓裂液黏彈性對其滲流阻力的影響

真實(shí)的儲層巖芯由無數(shù)大小不等的孔隙和喉道構(gòu)成，黏彈性流體在其中的流動為剪切–拉伸流動，因此GRF壓裂液進(jìn)入孔隙喉道時(shí)必須同時(shí)克服分子鏈流動和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)流動時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，而且網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在流過比自己小的孔喉時(shí)，還必須通過變形或拆散成更小的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來通過，可以想見，其流動阻力將比常見的聚合物溶液的大[1012]。因此，設(shè)法通過實(shí)驗(yàn)來研究GRF壓裂液的黏彈性對其在多孔介質(zhì)中的滲流阻力的影響，可以為GRF壓裂液的濾失控制機(jī)理提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2.1.1 GRF壓裂液的黏彈性測試

測試液體：1#樣品：0.5%GRF–1H，基液黏度，129 mPa·s；2# 樣品：0.5%GRF–1H+0.25%GRF–2；基液黏度，132 mPa·s。

兩種液體表觀黏度基本相同，區(qū)別在于GRF–2的加入會大幅度提高溶液彈性。

松弛時(shí)間即流體在變形恢復(fù)過程中應(yīng)力逐漸降低至最小所需的時(shí)間。引入松弛時(shí)間來表征GRF壓裂液在流動時(shí)產(chǎn)生的黏彈效應(yīng)大小，更能反映壓裂液在孔隙介質(zhì)中的黏彈性。松弛時(shí)間與剪切作用下的剪切速率、剪切應(yīng)力、法向應(yīng)力差存在如下關(guān)系式[1011]

式中：

θfL—松弛時(shí)間，s；

γ—剪切速率，s-1；

τ11-τ22—第一法向應(yīng)力差，Pa；

τ12—剪切應(yīng)力，Pa。

使用德國Themo公司的Haake RS6000流變儀，選用錐板測試系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子C60/1°Ti。利用變剪切模式，測定不同剪切速率下壓裂液的第一法向應(yīng)力差曲線（此處只模擬了在較低剪切速率下的情況），根據(jù)式（1）可求得松弛時(shí)間隨剪切速率的變化曲線（圖 3）。

圖3 兩組樣品的松弛時(shí)間曲線對比Fig.3 Relaxation factor curvescomparison of two samples

松弛時(shí)間計(jì)算結(jié)果表明：在很低的剪切速率下，隨著剪切速率的增大，兩組樣品的松弛時(shí)間都有一段上升過程，而當(dāng)剪切速率超過一個(gè)臨界值，樣品的松弛時(shí)間又隨剪切速率的增大而不斷減??；2#樣品的松弛時(shí)間明顯高于1#樣品，這是由樣品的黏彈性決定的，黏彈性越大，松弛時(shí)間越長。

2.1.2 GRF壓裂液在巖芯中的流動阻力

假設(shè)地層標(biāo)準(zhǔn)鹽水在巖芯中流度為λw，而GRF壓裂液在巖芯中的流度為λp，所以GRF壓裂液在巖芯中的流動阻力可以通過滲流阻抗R0來表示[1213]

式中：R0—聚合物在巖芯中的滲流阻抗，無因次；

λw—鹽水的流度，D（/Pa·s）；

λp—聚合物的流度，D（/Pa·s）；

λ =K/μ；

K—滲透率，mD；

μ—黏度，mPa·s。

那么，根據(jù)理想的假設(shè)條件，采用達(dá)西公式可以推導(dǎo)出滲流阻抗的表達(dá)式

式中：

Qw—鹽水流量，mL/min；

Qp—聚合物流量，mL/min；

Δpp—驅(qū)替鹽水時(shí)壓降，MPa；

Δpw—驅(qū)替聚合物時(shí)壓降，MPa。

可以通過測定GRF壓裂液流過巖芯時(shí)的壓力變化情況來判定壓裂液在巖芯中的流動阻力大小。

采用巖芯驅(qū)替裝置，選取兩組人造巖芯，在相近的滲透率和孔隙度下對比1#、2#GRF壓裂液的流動情況，同時(shí)也考察了不同滲透率對GRF壓裂液的流動影響。

實(shí)驗(yàn)方法：（1）在一定的流速下，用標(biāo)準(zhǔn)鹽水驅(qū)替，直到壓力穩(wěn)定為止，記錄液體體積、壓力隨時(shí)間的變化值；（2）更換液體，在指定流速下，用GRF壓裂液驅(qū)替直至壓力穩(wěn)定為止，記錄液體體積、壓力隨時(shí)間的變化值；

由于是在較低滲透率下的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，所以驅(qū)替時(shí)流速較低，圖4所示為1#、2#樣品在恒定流速為0.5 mL/min、滲透率相近的巖芯中的滲流曲線。

圖4 不同黏彈性流體的滲流曲線Fig.4 Infiltrating curvesof two fluidswith different viscoelasticity

圖5 所示為2#樣品在恒定流速為0.5 mL/min、不同滲透率的巖芯中的滲流曲線。

圖5 2#樣品在不同滲透率巖芯中的滲流曲線Fig.5 Infiltrating curvesof sample2 in different permeability

巖芯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及R0計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 GRF壓裂液在巖芯中的滲流阻抗測試結(jié)果Tab.2 R0 test resultsof GRF fracturing fluid in core

2.1.3 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

（1）結(jié)合GRF壓裂液在巖芯中的滲流曲線和計(jì)算得到的滲流阻抗數(shù)據(jù)可以看出，只需注入很少的PV數(shù)，兩組樣品就能在巖芯中產(chǎn)生相當(dāng)高的壓力，從而建立很大的滲流阻抗R0，并可達(dá)到100以上。

（2）1#、2#液體基液黏度基本相同，因此黏度造成的滲流阻力基本相同，意味著兩組液體在流過喉道時(shí)將經(jīng)歷相同的壓力降，但由于2#樣品松弛時(shí)間明顯高于1#，通過孔隙喉道被擠壓變形后，需要更長的時(shí)間來恢復(fù)形變，所以對2#樣品的滲流阻力可想而知就更高了；因此GRF壓裂液的黏彈性決定了壓裂液松弛時(shí)間的長短，進(jìn)而決定了壓裂液在巖芯中流動受到的滲流阻抗的大小，即液體黏彈性越大，松弛時(shí)間越長，液體的滲流阻抗越大。

（3）對比同一種液體（2#樣品），巖芯滲透率越低，GRF壓裂液在孔隙中的滲流阻抗越大，流動就越困難，并且建立有效滲流阻力所需的液體PV數(shù)也越小。

2.2 黏彈性控制濾失機(jī)理的提出

壓裂液濾失性能反映的是地層條件下控制液體滲流的能力，GRF壓裂液由于具有很好的黏彈性，使得其在多孔介質(zhì)中滲流阻力高，由此看來，黏彈性的好壞對壓裂液的濾失性能影響很大，所以這種無造壁性壓裂液的濾失不應(yīng)該僅僅由壓裂液的黏度所控制，還可能與其黏彈性密切相關(guān)。

為了對GRF的濾失控制機(jī)理進(jìn)一步研究，選取純黏性的甘油與GRF壓裂液對比，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案：采用巖芯濾失儀測定GRF壓裂液、甘油（純黏性）在巖芯中的濾失情況，探討兩種流體的濾失性能。

在溫度為20℃、濾失壓差3.5 MPa下分別測定兩種液體的濾失情況，記錄時(shí)間和對應(yīng)的濾失量。濾失曲線如圖6。

從圖6中可以看出，甘油黏度很高但不具有黏彈性，濾失量隨時(shí)間變化增加的速率很快；而GRF壓裂液黏度較甘油低，但濾失一段時(shí)間后濾失量增長很緩慢，說明濾失性能好。

圖6 兩種液體濾失量隨時(shí)間變化曲線（20℃）Fig.6 Variation curveof fluid losswith timeof two fluids（20℃）

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 兩種液體的濾失性能（20℃）Tab.3 Filtration property of two fluids（20℃）

對比兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，壓裂液黏度控制濾失這一觀點(diǎn)對于GRF壓裂液的濾失控制不實(shí)用，相反，實(shí)驗(yàn)研究表明，壓裂液的濾失在很大程度上受其黏彈性控制，這就提出了GRF壓裂液黏彈性控制濾失的機(jī)理。

3 結(jié) 論

（1）提出了一種新型締合壓裂液（GRF壓裂液）的濾失控制研究思路及研究方法，并對其濾失特性進(jìn)行了初步的研究。

（2）通過分析GRF壓裂液濾失現(xiàn)象，設(shè)計(jì)并制作了適合此類壓裂液濾失量測定的簡易裝置，并確定了濾失測定方法，利用此裝置對GRF壓裂液進(jìn)行了濾失性能評價(jià)，結(jié)果表明GRF壓裂液濾失性能良好。

（3）GRF由于具有優(yōu)良的黏彈性，在巖芯孔隙中滲流時(shí)發(fā)生黏彈性響應(yīng)，只要部分液體就能建立有效的滲流阻抗R0，并且黏彈性越強(qiáng)、巖芯滲透率越低，R0就越大，壓裂液滲流越困難。

（4）通過對比具有不同表觀黏度和黏彈性液體的濾失性能，并結(jié)合對GRF壓裂液在巖芯中的滲流實(shí)驗(yàn)，可知黏彈性是GRF壓裂液濾失控制的最主要因素，由此提出了GRF壓裂液黏彈性控制濾失的理論。

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