液態CO2流變特性與濾失性能分析

何應付，趙淑霞，倫增珉，高 冉，王 歡，劉 玄

(1中國石化石油勘探開發研究院 2南京特雷西能源科技有限公司)

低滲、特低滲油氣藏由于儲層介質具有極低的孔隙度和滲透率，需要通過相關儲層改造技術實現商業開發[1-2]。隨著水力壓裂技術在頁巖儲層中的運用，超臨界CO2壓裂技術得到了廣泛利用[3-6]。

CO2干法壓裂所使用的液體為液態CO2，液態CO2壓裂相對于常規壓裂液壓裂來說具有諸多優點：①有較好的儲層保護性質，無滑溜水壓裂液可能存在的儲層的水敏和水鎖等傷害[7]；②返排迅速。液態CO2在儲層內受熱氣化的CO2能夠自主返排出地層，解決了低壓油氣井壓后返排速度慢、返排率低的問題[8]；③CO2在原油中具有較好的溶解降黏效果，增加原油流動性[9]。

雖然CO2作為壓裂液具有諸多的技術優點，但由于其特殊的物理性質，也增大了壓裂改造作業的技術難度，主要體現在：①攜砂能力較差。CO2具有較低的動力學黏度，在液相條件下僅相當于清水的十分之一。如此低的黏度值加快了支撐劑在其中的沉降速度，加快了CO2在地層內的濾失速度[10-11];②較高的管路摩阻損失。CO2屬于牛頓型流體，分子之間的碰撞增大了流體在管路中流動的壓力損失，導致較高的壓裂施工壓力[12-13]。

本文通過試驗，對超臨界CO2流體流變特性和濾失性能進行了研究，為CO2壓裂中摩阻預測和支撐劑在超臨界CO2中沉降規律研究提供了基礎。

一、實驗裝置與原理

該實驗測試系統為高參數泡沫循環回路，包括CO2液化、壓裂液泵入、加熱、流變測試和換熱測試等部分組成(圖1)。本實驗系統專門針對實際工程運用中壓裂液的流變特性等參數測試而設計，可用于模擬各種壓裂液在不同工況下的管內流動狀況，適用于多種壓裂液體系流變特性和傳熱特性研究。

圖1 超臨界CO2回路實驗系統總圖

實驗測試時，CO2氣瓶內的高壓氣體經冷卻水槽達到設定壓力和溫度，然后經過高壓柱塞泵進行加壓，CO2以一定的剪切速率通過實驗測試段。當需要做混合體系時，CO2與經柱塞泵泵出的壓裂液在泡沫發生器形成泡沫壓裂液。然后，該泡沫壓裂液經電加熱段升溫，進入流變特性測量，該摩擦壓降通過日本橫河EJA差壓變送器實時采集，最后通過計算機處理流變特性的實驗數據。

二、實驗結果分析

1.CO2流體流變特性實驗研究

純CO2流體(液態—超臨界態)為牛頓流體，其有效黏度不隨剪切速率而變化，只與流體的溫度、壓力有關。通過測試某一條件下的摩擦壓降，即可測得純CO2流體的有效黏度。實驗采用4 mm內徑細管進行測量，流速為1.0 m/s，實驗溫度為-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、35℃，實驗壓力為10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa，見圖2。

圖2 純CO2流體黏度測試

從圖2中可以看出，本實驗測得純CO2的有效黏度與文獻[12]的數據基本匹配，表明該實驗測試系統可靠性高。由測試結果可以看出，純CO2保持“液態—超臨界態”，隨著溫度升高，有效黏度逐漸減小；隨著壓力增大，有效黏度逐漸增大。

2.CO2流體摩擦阻力特性實驗研究

結合現場施工條件，重點考察了液態CO2在管柱中流動時的沿程摩擦阻力。實驗條件為：溫度10℃、20℃，壓力10 MPa、20 MPa，流速0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s(流速0.5 m/s的實驗點采用6 mm管徑，其他實驗點均采用4 mm管徑)。基于實驗的數據，分析了摩擦壓降梯度與流速的關系(圖3)，摩擦壓降梯度Δpl的計算公式為：

圖3 液態CO2摩擦壓降梯度隨流速變化關系

(1)

式中：Δpf—摩擦壓降，Pa；

L—水平摩阻壓降測試管長度，m。

從圖3可以看出，CO2的摩擦壓降梯度會隨著流速的增大而迅速增大。值得注意的是，CO2的摩擦壓降梯度與其密度和黏度直接相關，而CO2的密度和黏度又與溫度負相關而與壓力正相關。所以，CO2的摩擦壓降梯度也是與溫度和壓力相關的一個變量。由于雷諾數Re包括了黏度、密度以及管徑參數，一般而言，采用雷諾數Re來評價液態CO2摩擦阻力系數λ，結果如圖4所示。

圖4 液態CO2摩擦阻力系數與雷諾數的關系曲線

由圖4可以看出，隨著液態CO2的雷諾數Re增大，其摩擦阻力系數λ降低。通過擬合，當雷諾數Re在2.8×104～1.3×105的范圍內，液態CO2的摩擦阻力系數λ和雷諾數Re可由式(2)來關聯：

λ=0.3163Re-0.25

(2)

該式平均相關系數為0.999，平均偏差為0.27%。同時，根據雷諾數Re和摩擦壓降梯度Δpl的定義，得到關系式(3)：

Δpl=0.15815ρ0.75u1.75D-1.25μ0.25

(3)

3.CO2流體濾失特性實驗研究

液態CO2通過高壓泵注入地層，在井筒內不斷吸熱，到達井底時溫度升高仍為液態；在地層壓開裂縫后，液態CO2在裂縫內不斷吸熱，變成超臨界狀態。通過研究CO2流體在不同相態下的動態濾失特性，并與標準鹽水進行對比，為后續壓裂施工參數優化提供參考。

為了確保實驗過程中CO2為液態，實驗條件為：巖心入口壓力12.0 MPa、出口壓力8.5 MPa、溫度10℃，砂巖巖心滲透率0.516 mD、孔隙度9.0%。采用巖心驅替實驗裝置，按照SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評價方法》中實驗步驟，記錄液態CO2經過砂巖巖心不同時間下的動態濾失量和濾失速率。為了便于統一對比，實驗中液態CO2濾失量按1 atm、20℃狀態下氣態體積折算，濾失速率為巖心入口處狀態下的速率,實驗結果見圖5。

按SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評價方法》中的方法將累計濾失量與時間的平方根進行關聯。由圖5可以看出,液態CO2的濾失速率隨時間的增大而逐漸減小，然后趨于穩定值，在17 min后，濾失達到穩定狀態，穩定后濾失速率為0.014 m/min。

圖5 液態CO2的濾失速率隨時間的關系(8.5 MPa，10℃)

圖6為滑溜水壓裂液濾失性能測試曲線。實驗發現，滑溜水壓裂液的累計濾失量在開始一段時間內曲線斜率偏大，之后近似為一條直線，表現在某一段時間內的平均濾失速率則是先迅速減小，之后趨于穩定值，穩定后的濾失速率約為0.012 m/min。對比液態CO2濾失特征曲線發現，當液態CO2與滑溜水壓裂液達到穩定濾失狀態時，兩者的穩定濾失速率相差不大，但是初濾失速率存在明顯差異，滑溜水壓裂液的初始濾失速率明顯高于液態CO2初始濾失速率。

圖6 滑溜水壓裂液濾失性能測試

觀察液態CO2濾失實驗的巖心切片，對比濾失前后巖心端面孔隙變化，見圖7。

圖7 液態CO2濾失實驗前后巖心端面

由圖7看出，液態CO2濾失后巖心端面的巖石孔隙變大，由此可知，高壓的CO2具有疏通巖石孔道的作用。在地層條件下，實施有關的CO2壓裂之后，CO2疏通巖石孔道對低滲油氣藏的開采是很有利的。

為了確保實驗過程中CO2為超臨界態，實驗條件為：巖心入口壓力12.0 MPa、出口壓力8.5 MPa、溫度35℃、45℃、55℃，砂巖巖心滲透率0.516 mD、孔隙度9.0%。按照SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評價方法》中實驗步驟，記錄超臨界CO2經過砂巖巖心不同時間下的動態濾失量和濾失速率。為了便于統一對比，實驗中超臨界CO2濾失量按1 atm、20℃狀態下氣態體積折算，濾失速率為巖心入口處狀態下的速度。實驗結果見圖8。

圖8 超臨界CO2的濾失速率隨時間的關系

從圖8實驗結果可以看出，超臨界CO2的濾失速率隨時間的增大而減小，然后趨于穩定值，在8 min后，濾失達到穩定狀態。同時，隨著溫度的升高，濾失速率增大，但濾失量有所減小(這是因為溫度升高，CO2黏度降低，比容增大，雖然巖心入口濾失速率增大，但統一為標準狀況后，累計濾失量反而變小)。

圖8中35℃、45℃、55℃下超臨界CO2穩定后濾失速率分別為0.050 m/min、0.070 m/min、0.072 m/min。將超臨界CO2濾失后的巖心切片，對比濾失前后巖心端面孔隙變化，見圖9。由圖9對比可以看出，與液態CO2的濾失相似，巖石孔隙尺寸也變大，由此可以得出，低黏的液態CO2和超臨界CO2均能疏通巖石孔隙。

圖9 超臨界CO2濾失實驗前后巖心端面

三、結論

(1)液態CO2的摩擦壓降梯度隨著其流速的增大而迅速增大，且摩阻壓降梯度與液態CO2的密度、黏度等參數有直接的關系。進一步考慮液態CO2的密度、黏度與系統的溫度、壓力直接相關，所以液態CO2的摩擦壓降梯度也隨著系統的溫度、壓力的變化而變化。

(2)超臨界CO2的濾失速率，隨著時間先增大后減小最后不變，本研究中在測試8 min后，濾失趨于穩定，濾失量與濾失時間線性相關。同時，隨著溫度的升高，濾失速率增大，但濾失量有所減小。