北美壓裂液濾失性的評價方法概述

劉付臣 周曉金 楊振周 趙曼玲

(1.中國石油休斯敦技術研究中心，北京 100028；2.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206；3.中國石油西南油氣田頁巖氣開發研究院，四川 成都 610000)

0 引言

壓裂技術是油氣藏增產的一個重要手段，廣泛應用于常規和非常規開采中，許多儲層不壓裂增產的話就不能經濟地產出油氣。其中壓裂液的性能在作業中起到至關重要的作用，而滿足壓裂施工中的壓裂液需要有足夠的粘度在儲層產生裂縫并促使裂縫向儲層內部擴展，從地面攜砂(支撐劑)進入裂縫并使支撐劑在裂縫中均勻分布，同時保證裂縫閉合時破膠返排、留下高導流率的支撐劑填充層。

北美對壓裂液的性能評價標準和方法一般包括壓裂液粘度[1]和流變性能測試[2]、靜態濾失性能測試、動態濾失性能測試、降阻性能測試、和清潔性能測試。本文主要介紹北美壓裂液的靜態濾失性能測試和動態濾失性能測試評價方法。

1 濾失性能的評價標準

壓裂液的濾失可以從靜態濾失和動態濾失兩個方面來進行評價，其中，動態濾失可以更好地模擬壓裂施工現場。國際標準化組織(ISO)在2006年給出了對增產改造液的靜態濾失評價方法(ISO 13503-4:2006，Procedure for measuring stimulation and gravel-pack fluid leakoff under static conditions)[2]，又在2014年添加了對完井液的動態濾失評價方法(ISO 13503-6:2014，

Procedure for measuring leakoff of completion fluids under dynamic conditions)[3]。以下的內容主要來源于ISO 13503-4:2006[2]和ISO 13503-6:2014[3]。

2 靜態濾失性能的評價標準

靜態濾失評價標準ISO 13503-4:2006不考慮液體試樣與多孔濾失介質在測試中發生反應情況。

2.1 壓裂液試樣制備

標準認為，試樣制備方法和步驟可能會影響其性能，應該按以下所列準確記錄試樣制備的步驟進行：(1)基液組成；(2)對基液的預處理，例如過濾；(3)壓裂液試樣的制備，從基液開始描述，例如去離子水，某處自來水，某處海水，或某類有機溶液；(4)攪拌設備、攪拌杯體積、總試樣體積；(5)攪拌速度和攪拌時間；(6)添加組分及其用量；(7)各組分添加順序和添加方法；(8)測量前靜置/老化時間；(9)測試溫度；(10)pH(水基壓裂液)；(11)其他可能會對測試結果產生影響的制備方面的信息。

標準特別強調：在所有的制備步驟中，應該盡量減少將空氣帶入壓裂液試樣中。

2.2 測量方法

濾失測試通過測量液體濾失進入多孔介質的速率來計算濾失系數，從而對完井施工的工程設計提供指導。測試報告提出測試按該標準進行，就應該完全地遵循該標準中給出的步驟。在進行測試時，要確保壓裂液試樣不會與測試儀器接觸面反應產生污染物，不會改變測量組件的關鍵尺寸，并且不會損害測量時的機械操作。標準并不要求一定要使用某一類型的濾失筒，但采用的濾失筒必須允許使用濾紙、或天然或合成巖心作為過濾介質，并且過濾介質在濾失筒內的安裝必須保證液體試樣不會繞過過濾介質從出口流出。當測試溫度高于濾液的沸點，濾失測試設備上必須采用回壓接收器。濾失筒和回壓接收器的極限使用條件最低應為1.0342MPa和121℃。

測試最好選用滲透率和孔隙度類似于計劃壓裂地層的天然巖心作為濾失介質，也可采用物理性能與天然巖心類似的合成多孔介質。用于測試的巖心應切割成2.54cm長、直徑為2.54cm的圓柱體，并預先測定巖心對空氣的滲透率，再用基液或合成地層液(例如2wt% KCl或4 wt% NH4Cl)飽和。如果不知道地層液的成分，也可以用不與巖心基質礦物發生反應的惰性鹽水飽和。

2.3 數據分析

在直線坐標上用濾失體積對時間(min)作圖，如果得到的濾失曲線為線性，那么該濾失是由粘度控制的，如果為非線性，那么濾失取決于試樣的造壁性能。

如果濾失體積對時間(min)為線性，用以下公式計算出濾失控制系數

式中：k為對液體的滲透率(D)；φ為濾失介質的有效孔隙度；ΔP為濾失介質兩邊的壓差(Pa)；μ為濾液在測試溫度下的粘度(Pa·s)。

如果發現濾失體積對時間(min)為非線性，那么用濾失體積(mL)對時間的平方根作圖，將最后三個數據點(常見的為16min、25min、和36min)形成的直線反推回縱坐標軸，得到時間為0時的截距，再計算出該直線的斜率。得到這兩個數值后，可以用以下公式計算出造壁系數初濾失量SL(m3/m2)為：

式中：m為濾失曲線的斜率為多孔介質的截面面積(m2)；b為在時間為0時的濾失體積(m3)。

3 動態濾失性能的評價標準

動態濾失測試是指壓裂液剪切流過巖心表面時的濾失。在動態條件下，濾餅的形成和壓裂液的濾失行為與靜態條件下不同。室內濾失試驗顯示：對低滲透率(<1.0mD)地層的濾失，存在一個動態效應；這是由于壓裂液會在低滲透率巖心表面形成濾餅，而且濾餅的厚度取決于剪切效果。而當地層的滲透率高于50mD時，壓裂液只形成很少量的濾餅，因此這個動態效應則較小。動態濾失系數通過對以時間和時間的平方根為變量的濾失量進行二次回歸得到。同樣，動態濾失評價標準ISO 13503—6:2014只適用于液體試樣與多孔濾失介質在測試中不發生反應的情況。采用支撐劑導流筒進行動態測試時，巖心尺寸應根據導流筒的尺寸來設計，但厚度最小不小于9.5mm。動態濾失測試支撐劑導流筒示意圖如圖1所示。

圖1 動態濾失測試支撐劑導流筒示意圖

3.1 測試步驟

(1)將巖心用鹽水進行飽和，并測量巖心對鹽水的滲透率；(2)制備壓裂液試樣并測量其他性能(例如粘性及流變性能)；(3)按照設計的濾失壓差設置入口壓力和回壓，常見的回壓為0.69MPa或更高，對低滲透率的巖心來說，濾失壓差最小應為6.9MPa；(4)加熱濾失筒至指定的測試溫度；(5)開始測試時，先在濾失閥關閉的情況下，將試樣按制定的剪切速率流過巖心端面，監測試樣溫度和流速、壓差、以及試樣在進入濾失筒前的相關性能如pH和粘度；然后打開濾失閥，收集濾液，記錄濾失量隨時間的變化，每分鐘至少記錄一個濾失量數據，至少記錄60min。在濾液收集過程中要注意盡量減少濾液的揮發；可以采用天平測量濾失量。

3.2 數據分析

壓裂液試樣流過巖心表面的剪切速率可以用以下公式計算得到：

單位截面上的動態濾失液累計量Vc對濾失時間的函數可以用三個濾失參數來表達：與時間成正比的動態濾失系數Cd，與時間的平方根成正比的造壁系數Cw，和一個恒定參數，初濾失量SL。這三個動態濾失參數由以下方法計算得到：將單位截面上的濾液累計體積(mL/cm2)對時間(min)的平方根作圖，對得到的曲線使用多項式回歸，其中，單位截面上的濾液累計體積為變量，時間或時間的平方根為自變量：

式中：Vc為單位截面上的動態濾失液累計量(mL/cm2)；Cd為動態濾失系數為造壁系數為初濾失量(mL/cm2，等于cm)。

4 結語

本文介紹的國際標準化組織(ISO)壓裂液濾失性評價方法，詳細論述了壓裂液靜態及動態狀態下的濾失測試步驟、測試結果分析方法等，為國內頁巖氣開發的室內壓裂液濾失性評價提供了參考。