壓裂液懸砂及支撐劑沉降機理實驗研究

劉建坤 ，吳峙穎 ，吳春方 ，蔣廷學(xué) ，眭世元

（1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

壓裂液懸砂性是衡量壓裂液性能的重要參數(shù)，是支撐劑優(yōu)化選擇的最基本指標，也是決定壓裂施工成敗及壓后增產(chǎn)效果的關(guān)鍵因素之一。目前實驗室內(nèi)壓裂液懸砂性及支撐劑沉降性能測試評價的方法主要有2種：一種是基于Stokes理論公式的單顆粒支撐劑沉降法[2-8]，是在靜態(tài)狀態(tài)下觀察并測定單顆粒支撐劑在壓裂液中沉降至容器底部所需時間并計算出沉降速率；但單顆粒支撐劑沉降法很難反應(yīng)攜砂液攜帶群體支撐劑的沉降特性。另一種是攜砂液（多顆粒）懸砂性能測試法[5，9]，是在靜止?fàn)顟B(tài)下觀察并測定攜砂液中不同砂濃度的支撐劑完全沉降所需時間并推算沉降速度。該方法比起單顆粒的支撐劑沉降法更能客觀地反映壓裂液的懸砂及支撐劑的沉降特性，更接近壓裂實際情況。支撐劑在多顆粒或攜砂液中的沉降與單顆粒的自由沉降機理是完全不同的[9]。多顆粒沉降時，由于顆粒間相互的干擾作用，使支撐劑的沉降速度低于單顆粒的自由沉降速度[9]。單顆粒支撐劑沉降法及攜砂液（多顆粒）懸砂性能測試法，只能得出單顆粒支撐劑的沉降速度和攜砂液中多顆粒支撐劑完全沉降的速度，只能從宏觀角度間接地反映支撐劑在壓裂液中的懸浮情況，而無法定量實時地給出攜砂液中支撐劑的沉降變化規(guī)律，在壓裂液性能評價及支撐劑的優(yōu)選時針對性不強。針對以上問題，研制了“XS-I型”壓裂液懸砂及支撐劑沉降物理模擬實驗裝置，開展了不同粒徑支撐劑在不同砂比的SRFP-1型壓裂液攜砂液中的懸砂能力及沉降機理實驗研究；通過新型裝置研制及采用新的實驗方法，進一步探索壓裂液懸砂及支撐劑沉降機理。

1 實驗裝置原理及功能

1.1 裝置的原理及組成

采用由中國石化石油工程技術(shù)研究院自主研制的“XS-I型壓裂液懸砂及支撐劑沉降物理模擬實驗裝置”（圖1、圖2），開展壓裂液的懸砂性能以及支撐劑的沉降特性實驗研究。

圖1 實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 壓裂液懸砂及支撐劑沉降物理模擬實驗裝置

該裝置主要由主體框架結(jié)構(gòu)、可視化懸砂測定容器（懸砂測定容器內(nèi)筒、懸砂測定容器外筒、環(huán)形空間）、支撐劑質(zhì)量測量系統(tǒng)（支撐劑托盤、重量傳感器、升降器、計時控制器）、加熱及溫度控制系統(tǒng)（恒溫水浴、循環(huán)管路）、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)（計算機、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集軟件）組成，其中可視化懸砂測定容器和支撐劑質(zhì)量測量系統(tǒng)安裝于主體框架結(jié)構(gòu)上。

1.2 裝置的主要功能

采用本裝置開展實驗，不僅能定量的給出不同密度及粒徑的支撐劑在不同砂比的攜砂液中的完全沉降時間、沉降量這2個重要指標，而且在實驗過程中能實時、定量給出支撐劑沉降速率與沉降時間的關(guān)系曲線，沉降量與沉降時間的關(guān)系曲線。實驗裝置有加熱及溫度控制系統(tǒng)，能模擬儲層溫度條件及添加破膠劑等情況下壓裂液懸砂能力的變化規(guī)律，比起目前常采用的常溫懸砂實驗，更符合現(xiàn)場壓裂的實際情況，更能客觀真實的反映儲層條件下壓裂液的懸砂及攜砂能力。實驗裝置與液體接觸部分都進行了耐腐蝕處理，不僅能開展活性水、滑溜水、壓裂液等非腐蝕性液體的懸砂實驗，而且能開展地面交聯(lián)酸等腐蝕性液體的懸砂評價實驗。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

實驗采用SRFP-1型壓裂液體系。結(jié)合多尺度體積壓裂工藝需求，分別對低黏度壓裂液（0.15%增稠劑SRFP-1+0.3%黏土穩(wěn)定劑SRCS-1+0.1%助排劑SRCU-1，黏度為9～12 mPa·s）、中黏度壓裂液（0.2%SRFP-1+0.3%SRCS-1+0.1%SRCU-1+0.12%交聯(lián)劑SRFC-1，黏度為24～27mPa·s）、中高黏度壓裂液（0.30%SRFP-1+0.3%SRCS-1+0.1%SRCU-1+0.16%SRFC-1，黏度為 48～51 mPa·s）的懸砂特性進行實驗研究。支撐劑采用3種粒徑的等密度（2.7×103kg/m3）陶粒支撐劑，分別為小粒徑（70/140目陶粒）、中粒徑（40/70目陶粒）、大粒徑支撐劑（30/50目陶粒）。

2.2 實驗方法

以鄂南致密油儲層壓裂時溫度場模擬結(jié)果為依據(jù)，在40 ℃下，設(shè)計了3組懸砂實驗。

①配制不同砂比（5%～30%）下的待測攜砂液，并在正式實驗前持續(xù)攪拌攜砂液。②啟動溫度控制系統(tǒng)，通過溫度顯示控制系統(tǒng)設(shè)定實驗溫度，對可視化懸砂測定容器和整個循環(huán)系統(tǒng)進行加溫，直至達到實驗要求溫度后（40 ℃），開始壓裂液懸砂能力評價實驗。③開啟升降器，把支撐劑托盤降低到可視化懸砂測定容器的最低端處。④把攪拌均勻的待測攜砂液加入可視化懸砂測定容器直至內(nèi)筒標準液位處，當(dāng)攜砂液加入結(jié)束后，迅速通過升降器把支撐劑托盤升起到標定的位置，對重量傳感器顯示數(shù)據(jù)進行清零，同時計時器開始自動計時。⑤實驗中數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)自動采集攜砂液中支撐劑沉降到支撐劑托盤上的質(zhì)量、沉降時間、實時沉降速率、實驗溫度等信號；當(dāng)支撐劑沉降量、沉降速率趨于穩(wěn)定直至保持不變時，結(jié)束數(shù)據(jù)采集，關(guān)閉溫度控制系統(tǒng)降溫，結(jié)束本次測試實驗。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 壓裂液的懸砂特征

低黏度壓裂液對于小粒徑的支撐劑具有一定的懸浮能力；在5%的砂比下，支撐劑充分沉降時間為20 min，但隨著小粒徑支撐劑的砂比加大（10%～15%），支撐劑充分沉降時間逐漸變短（10～12 min），懸砂能力也隨之變差。低黏度壓裂液對于中粒徑及大粒徑的支撐劑懸砂能力較差，即便是在5%的低砂比下也很難持續(xù)懸砂，中粒徑支撐劑的充分沉降時間為5.5 min，而大粒徑支撐劑的充分沉降時間驟減至1.4 min。故低黏度壓裂液只適合于在低砂比（＜10%）條件下攜帶小粒徑支撐劑進行加砂，不適宜攜帶中（或大）粒徑支撐劑或作為主加砂階段的攜砂液。

中黏度壓裂液無論在低砂比還是中高砂比條件下，對小粒徑的陶粒支撐劑（70/140目）有良好的懸浮能力，即使在中高砂比下，支撐劑充分沉降時間達到350 min，完全滿足攜砂的需要；但對中粒徑及大粒徑的陶粒支撐劑，只在小于15%砂比條件下有著良好的懸砂能力，當(dāng)砂比達到20%時，懸砂性能發(fā)生驟降，懸砂能力變?nèi)酢９手叙ざ葔毫岩哼m合于攜帶小粒徑支撐劑及在中砂比（＜15%）條件下攜帶中粒徑及大粒徑陶粒支撐劑進行加砂施工，不適宜作為主加砂高砂比階段或連續(xù)加砂方式的攜砂液。

中高黏度壓裂液無論在低砂比還是在中高砂比下對于小粒徑支撐劑還是中大粒徑支撐劑，都有著非常好的懸浮能力；即使對于大粒徑的陶粒支撐劑，在25%砂比下，支撐劑充分沉降時間達到1580 min，在30%砂比下，支撐劑充分沉降時間達到1150 min，懸砂能力較優(yōu)。故中高黏度壓裂液適宜作為主加砂高砂比階段或連續(xù)加砂方式下的攜砂液。

采用等密度支撐劑條件下，SRFP-1型壓裂液中支撐劑充分沉降時間與壓裂液黏度、支撐劑粒徑、攜砂液砂比密切相關(guān)（表2）；壓裂液黏度是影響支撐劑充分沉降時間及壓裂液懸砂性能的最主要的因素，其次是支撐劑粒徑及攜砂液砂比。

3.2 支撐劑沉降曲線特征

分析SRFP-1型壓裂液的支撐劑沉降曲線中沉降量變化規(guī)律（圖3）及沉降速率變化規(guī)律（圖4）可知，攜砂液中支撐劑沉降可分為快速沉降階段、緩慢沉降過渡階段、穩(wěn)定平衡階段3個階段。不同粒徑的支撐劑在不同砂比的攜砂液中，3個階段持續(xù)時間表現(xiàn)出不同的特征。

同一種黏度壓裂液在同等砂比條件下，隨著支撐劑粒徑的加大，快速沉降階段支撐劑沉降更快，快速沉降階段持續(xù)時間急劇變短，緩慢沉降過渡階段持續(xù)時間也縮短；以低黏度壓裂液為例（圖3和圖4），總支撐劑量中70%～85%的支撐劑在快速沉降階段就已經(jīng)完全沉降。同理，同一種黏度壓裂液加入同一粒徑支撐劑的條件下，隨著 攜砂液中砂比的增大，快速沉降階段持續(xù)時間、緩慢沉降過度階段持續(xù)時間也表出現(xiàn)出變短的規(guī)律。

表2中，在壓裂液黏度及支撐劑粒徑不變的情況下，攜砂液中支撐劑充分沉降后的沉降量均與砂比成正比，隨著攜砂液砂比的增大，支撐劑充分沉降量越多。

低黏度攜砂液中：70/140目的小粒徑支撐劑在進入充分沉降階段時，48.4%～56.9%的支撐劑已沉降；40/70目的中粒徑支撐劑在進入充分沉降階段時，36.8%～51.8%的支撐劑已沉降；30/50目的大粒徑支撐劑在進入充分沉降階段時，36.6%～52.4%的支撐劑已沉降；所以低黏度壓裂液的整體攜砂性較差，支撐劑更易沉降。

中黏度攜砂液中：70/140目的小粒徑支撐劑在進入充分沉降階段時，9.9%～11.1%的支撐劑已沉降；40/70目的中粒徑支撐劑在進入充分沉降階段時，48.8%～52.4%的支撐劑已沉降；30/50目的大粒徑支撐劑在進入充分沉降階段時，41.1%～56.9%的支撐劑已沉降；所以中黏度壓裂液對于小粒徑支撐劑攜砂性能較優(yōu)，當(dāng)攜帶中粒徑及大粒徑支撐劑時，攜砂性能下降明顯。

中高黏度攜砂液中，即使在高砂比下，30/50目的大粒徑支撐劑在充分沉降后，僅有12.0%～13.1%的支撐劑沉降，整體懸砂能力較優(yōu)。但在壓裂液黏度及攜砂液砂比不變情況下，支撐劑的沉降量與支撐劑粒徑之間無較好的相關(guān)性及規(guī)律性。

表2 SRFP-1型壓裂液中支撐劑充分沉降時間

4 結(jié)論與認識

1.研制了“XS-I型”壓裂液懸砂及支撐劑沉降物理模擬實驗裝置，提出了攜砂液懸砂能力及支撐劑沉降特性測試的新方法，解決了攜砂液懸砂能力定量評價的難題；定量地給出了支撐劑在攜砂液中的完全沉降時間及沉降量指標，實時定量地得出了沉降量與沉降時間的關(guān)系、沉降速率與沉降時間的關(guān)系，為壓裂液優(yōu)化及支撐劑的優(yōu)選提供了基礎(chǔ)實驗依據(jù)。

圖3 不同黏度攜砂液中不同粒徑支撐劑的沉降曲線

圖4 中黏度壓裂液中沉降量及沉降速率與沉降時間關(guān)系曲線（15%砂比，40/70目陶粒）

2.攜砂液中支撐劑沉降分為快速沉降、緩慢沉降、穩(wěn)定平衡3個階段；壓裂液懸砂性能及支撐劑沉降特性與壓裂液黏度、支撐劑粒徑、攜砂液砂比密切相關(guān)，壓裂液黏度是影響壓裂液懸砂性能及支撐劑沉降快慢的最主要因素，其次是支撐劑粒徑、攜砂液砂比；攜砂液中支撐劑充分沉降時間隨支撐劑粒徑加大及砂比提高迅速變短，壓裂液黏度越大，這種趨勢越明顯；攜砂液中支撐劑充分沉降后的沉降量與砂比成正比，砂比越大，支撐劑沉降量越多。

3.研究工作僅采用等密度支撐劑，針對不同粒徑支撐劑在不同砂比下，對SRFP-1型壓裂液體系的懸砂能力進行了實驗研究；也可參照文中思路及方法，針對性地開展不同密度支撐劑、不同類型液體體系、不同液體添加劑、不同溫度、不同工藝要求等條件下，壓裂液體系的懸砂能力變化規(guī)律及支撐劑沉降特性，為致密及非常規(guī)儲層高效壓裂改造提供基礎(chǔ)理論支持。