壓裂液返排率影響因素的實驗研究

王方祥，孫立波，趙陽，臧春雷，劉曉旭，劉宗奇

1.中國石油渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司，天津 300283 2.中國石油大港油田公司井下作業分公司，天津 300280

水力壓裂技術已經被證實是一項可大大提高頁巖油氣藏和致密油氣藏采收率的技術[1]。該技術往往向地層注入上萬方水基壓裂液，需要的裂縫支撐劑可達到數噸。壓裂作業后需燜井一段時間，然后開井返排壓裂液。現場數據表明，目前壓裂液返排率一般少于30%[2,3]。提高壓裂液的返排率主要有兩個目的：一是最小化地層和壓裂壁面傷害，殘存于裂縫或者巖石基質中的壓裂液通過影響油氣相對滲透率而降低油氣生產速率[4]；二是最小化淡水消耗量，返排的壓裂液可以為以后的壓裂作業重復利用，這對于特定非常規油氣田的開發可以相應地減少總消耗水量[5]。

造成低返排率的原因主要有兩個：一方面由于強制作用或自吸作用導致壓裂液侵入巖石基質，另一方面由于毛細管作用、重力作用和相對滲透率效應導致壓裂液滯留在支撐劑裂縫中[6,7]。HOWARD等[8]對支撐劑填充管的研究表明，當將表面活性劑添加到壓裂液中時，可提高壓裂液的返排率。SHAHIDZADEH等[9]通過實驗研究表明，潤濕性可以顯著地影響壓裂液的返排。艾池等[10]通過建立返排過程裂縫中壓裂液速度分布模型，計算得出越靠近裂縫口處的壓裂液返排速度越快。王雷等[11]進行了壓裂液返排速度對支撐劑回流量影響的實驗研究，使用裂縫模擬實驗裝置模擬壓裂的返排過程，得出控制支撐劑回流的最佳臨界流量為300mL/min。

前期多數的研究利用隙縫槽模型，采用黏滯力和毛細管力解釋多孔介質中的穩定泄流[12,13]，給出的結論多為定性的分析，實驗研究均沒有考慮重力的影響[14]，對于多孔介質中不同驅替方向下的不穩定泄流的研究較少。影響壓裂液返排率的因素較多，包括驅替方向、地層壓力、界面張力、壓裂液黏度和支撐劑潤濕性等，掌握各因素的影響規律可為壓裂液返排控制和開發更高返排率的壓裂液體系提供實驗基礎與理論依據。

1 壓裂液返排無量綱分析

壓裂后壓裂液的返排時長達數天或數十天，而室內實驗無法做到如此長的時間，所以針對影響裂縫中壓裂液返排的參數進行無量綱分析，建立無量綱變量組，推導壓裂液返排模型的無量綱時間，將實驗變量與現場實際工況進行對比，進而得到與現場工況相對應的室內時間，所有的實驗也都采用無量綱時間進行描述。

1.1 無量綱時間的建立

1)通過整合多個參數來減少參數的總數量。例如，Δρg表示重力部分，因此可通過Δρg取代ρw、ρair和g。實驗涉及的變量如表1所示。

表1 實驗變量

2)表1中所有變量相乘得到一個無量綱常數：

(Δp)x1×(d)x2×(t)x3×(l)x4×(Δρg)x5×(σcosθ)x6×(ug)x7×(uL)x8×(h)x9×(w)x10

(1)

3)以基礎無量綱變量的形式表示每一個變量，即質量M、長度L、時間T：

[ML-1T-2]x1×[L]x2×[T]x3×[L]x4×[ML-2T-2]x5×[ML-2]x6×[ML-1L-1]x7

×[ML-1T-1]x8×[L]x9×[L]x10

(2)

4)由于式(2)是一個無量綱常數，可以表示為[M0L0T0]。然后兩邊乘以質量、長度和時間，得到線性同源公式：

M:x1+x5+x6+x8=0

L:-x1+x2+x4-2x5-2x6-x7-x8+x9+x10=0

T:-2x1+x3-2x5-x7-x8=0

(3)

求得線性同源方程組的解，該解包含全部獨立無量綱參數，其中之一即無量綱時間:

(4)

1.2 無量綱時間的實例計算

在實驗室條件下，實驗變量的取值見表2，現場條件下實際參數的取值見表3。

表2 實驗變量的取值

表3 實際參數的取值

由式(4)可得：

td=3.13349×10-8×tlab

(5)

3.13349×10-8×tlab=1.82×10-12×tfield

(6)

tfield=17217.69705×tlab

(7)

式中：tlab為實驗室時間；tfield為現場施工時間。即實驗室取時間值為1s時，則對應的現場取值為4.78h。

2 壓裂液返排三維模型實驗

2.1 實驗材料及實驗裝置

圖1為模擬裂縫中壓裂液返排的實驗裝置。實驗容器由2塊有機玻璃制成的透明板組成。兩塊板之間的空隙利用支撐劑填充，然后用螺母和螺栓擰緊。設置3個注入口和1個流出口。實驗容器的尺寸長×高×寬為300mm×300mm×10mm。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental container diagram

實驗前，利用注射泵向實驗容器內注射配制的壓裂液，使其均勻分布到支撐劑中。利用穩定的氮氣氣源(純度為97%)作為驅替的動力，通過改變氣源壓力模擬地層壓力的影響。驅替方向分為與重力方向相同、與重力方向相反、無重力效應(即重力中性點)3種情況。為保證實驗中三個注入口的氣體均勻流入，在注入口和支撐劑充填末端之間放置雙層棉布。實驗過程中，在流出口收集排出的壓裂液，通過RS-232電纜將電子天平連接到計算機，自動稱重并連續記錄，計算返排率。

實驗采用2種不同類型的支撐劑，分別為粒徑16/30目的未經過處理的玻璃微珠和粒徑16/30目的經過處理的玻璃微珠。采用SHAHIDZADEH等[9]提出的方法改變玻璃微珠的潤濕性，處理過的玻璃微珠表面性質是親油的，而未經處理的玻璃珠表面性質是親水的。

實驗采用三種類型的壓裂液，分別為純水、異丙醇溶液和黃原膠溶液。異丙醇溶液用于研究表面張力對壓裂液返排率的影響，利用Dunouy表面張力計測量流體的界面張力。黃原膠溶液用于研究流體黏度對壓裂液返排率的影響，采用Bohlin CVOR錐板式流變儀，測量不同剪切速率下(0.01s-1到100s-1)的流體黏度。

2.2 實驗步驟

圖2 與重力方向相同的返排實驗Fig.2 Backflow experiment in the same direction as gravity

3種驅替方向具體的實驗步驟如下：①用玻璃微珠填充兩塊玻璃板之間的空間，使用注射泵從容器底部注入壓裂液，使其均勻充滿實驗容器，用支架將容器固定在垂直位置。②調節氣源壓力，穩定后通過3個注入口注入一定壓力的氮氣，同時流出口收集壓裂液，計算機自動記錄并計算返排率。③由容器頂部注入氮氣模擬與重力方向相同的驅替，如圖2所示；由容器底部注入氮氣模擬與重力方向相反的驅替，如圖3所示；將容器水平放置，注入氮氣模擬無重力效應，如圖4所示。④實驗過程中打開容器背面的熒光燈，定時拍照觀察壓裂液返排情況。

圖3 與重力方向相反的返排實驗 圖4 無重力效應的返排實驗Fig.3 Backflow experiment against the direction of gravity Fig.4 Backflow experiment without gravity effect

3 壓裂液返排率影響因素分析

采用控制單一變量的方法開展實驗，研究驅替方向、地層壓力、界面張力、壓裂液黏度和支撐劑潤濕性對壓裂液返排率的影響規律。

3.1 驅替方向

圖5 驅替方向對壓裂液返排率的影響Fig.5 Influence of displacement direction on backflow rate of fracturing fluid

控制注入氮氣的壓力1MPa，使用粒徑16/30目的未經處理的玻璃微珠填充容器，充滿純水，研究驅替方向的影響規律，結果如圖5所示。驅替方向與重力方向相反時，壓裂液的最終返排率非常低，僅為10.5%。驅替方向與重力方向相同時，壓裂液的最終返排率非常高，達到79.3%。無重力效應時，壓裂液的最終返排率為37.94%，雖然高于與重力方向相反的情況，但遠低于與重力方向相同的實驗結果。

通過圖6驅替照片可知，當驅替方向與重力方向相反時，出現指進現象，并且隨驅替時間的延長，指進現象越明顯，逐漸形成暢流路徑。大部分氣體流經指進的優先路徑，在容器頂部產出，而沒有驅替支撐劑中的壓裂液。指進現象的出現對壓裂液的返排極為不利，氣體只掠過了多孔介質的一小部分，面積波及系數較低，即使經過相當長的時間，仍有大量的壓裂液殘留在地層中。因此，在壓裂液返排過程中，應通過調整壓裂液性能盡量避免指進現象的出現。

3.2 地層壓力

使用粒徑16/30目的未經處理的玻璃微珠填充容器，充滿純水，與重力方向相反注入氮氣，穩定控制壓力為0.5、1、1.5MPa，研究地層壓力的影響規律結果如圖7所示。與重力方向相同注入氮氣，不穩定控制注入壓力，研究壓力穩定性對返排率的影響，結果如圖8所示。

圖6 驅替方向影響下的驅替照片Fig.6 Displacement photos under the influence of displacement direction

圖7 地層壓力對壓裂液返排率的影響 圖8 壓力穩定性對壓裂液返排率的影響Fig.7 Influence of formation pressure on Fig.8 The influence of pressure stability on the backflow rate of fracturing fluid backflow rate of fracturing fluid

圖9 不同地層壓力影響下的驅替照片Fig.9 Displacement photos under the influence of different formation pressures

圖7中返排曲線的斜率表示返排速率，在返排初期，地層壓力越高，返排速率越高，返排率越高；而隨著時間的推移，高地層壓力所對應的返排速率有所降低，返排率下降，呈現出最終返排率隨地層壓力的升高而降低的規律。這主要是因為較高地層壓力下，驅替動力強，初期返排速率快，但容易形成指進現象，導致后期返排率下降。這可以通過驅替照片(見圖9)證實，觀察驅替照片發現，在壓力為0.5MPa條件下，只觀察到一處突破了出口端的指進現象。而在1MPa和1.5MPa壓力條件下，觀察到多處指進現象，并在容器底部形成明顯的分支。由圖8可見，穩定的地層壓力更有利于壓裂液的返排，這是由于地層壓力的波動導致返排制度的變化，從而使壓裂液不穩定泄流，返排率較低，實際返排過程中可能導致地層吐砂。

由此可見，壓裂施工后需利用油嘴控制放噴[15,16]，一是可通過更換不同直徑的油嘴控制地層壓力，降低初期返排速率，以防止指進現象的發生；二是控制地層壓力的穩定性，防止地層能量快速衰竭，保證返排平穩進行，從而使盡量多的壓裂液返排。

3.3 界面張力

圖10 界面張力對壓裂液返排率的影響Fig.10 The effect of interfacial tension on the backflow rate of fracturing fluid

圖11 界面張力影響下的驅替照片Fig.11 Displacement photos under the influence of interfacial tension

與重力方向相反注入氮氣，控制注入壓力1MPa，使用粒徑16/30目的未經處理的玻璃微珠填充容器，分別充滿純水、質量分數0.5%、1%、1.5%、2%的異丙醇溶液，研究界面張力的影響規律，結果如圖10所示。異丙醇溶液的最終返排率明顯高于純水的返排率，高出近30%。在純水中加入異丙醇等表面活性劑能降低液體的界面張力，使液體均勻分散在支撐劑孔隙中，在驅替過程中形成了整體推進式的驅替效果，如圖11所示，這意味著更高的面積驅替效率，從而取得更高的返排率。加入不同質量分數的異丙醇后，隨著質量分數的提高，液體界面張力逐漸下降，最終返排率呈現逐漸增大的規律，但增大趨勢逐漸變緩，質量分數2%異丙醇溶液的最終返排率與質量分數1.5%的返排率差別不大。由此可見，在壓裂液體系中，存在一個較優的表面活性劑質量分數，使最終返排率達到最優值。在該研究條件下，異丙醇的最優質量分數為1.5%。

3.4 壓裂液黏度

與重力方向相反注入氮氣，控制注入壓力1MPa，使用粒徑16/30目的未經處理的玻璃微珠填充容器，充滿純水、質量分數0.015%、0.025%、0.035%、0.045%的黃原膠溶液。在60r/min的測量條件下，黃原膠溶液的黏度分別為56、123、210、324mPa·s，以此研究黏度的影響規律，結果如圖12所示。純水中加入黃原膠后，壓裂液的最終返排率明顯下降，并且隨著質量分數的增加，最終返排率逐漸降低。這是因為黃原膠溶液的黏度隨著質量分數的升高而增加，1MPa的壓力不足以克服由于壓裂液高黏度導致的黏滯力，而使得壓裂液的返排率明顯降低。所以，在研制壓裂液體系時，只要壓裂液能夠滿足攜砂要求，則盡量降低壓裂液的黏度，以保證壓裂液充分的返排。

3.5 支撐劑潤濕性

與重力方向相反注入氮氣，控制注入壓力1MPa，分別使用粒徑16/30目的未經過處理的玻璃微珠(親水)和已處理的玻璃微珠(親油)填充容器，充滿純水，研究支撐劑潤濕性的影響規律，結果如圖13所示，驅替效果的實驗現象如圖14所示。

圖12 壓裂液黏度對壓裂液返排率的影響 圖13 支撐劑潤濕性對壓裂液返排率的影響Fig.12 The effect of viscosity on backflow rate Fig.13 The influence of wettability on backflow rate of fracturing fluid of fracturing fluid

圖14 不同潤濕性影響下的驅替照片Fig.14 Displacement photos under the influence of different wettability

由圖13可見，填充親油玻璃微珠的壓力液最終返排率比填充親水玻璃微珠的最終返排率高出近兩倍，說明親油性的支撐劑更有利于壓裂液的返排。通過驅替照片(見圖14)觀察到，當填充親油玻璃微珠時，表現出連續的氣體整體推進驅替壓裂液的現象，而在親水玻璃微珠中形成了指進的氣體通道。目前以水基壓裂液體系為主，親油性支撐劑具有疏水性，使壓裂液更容易被驅替返排，其波及系數遠高于填充親水性支撐劑的多孔介質。但對于油井壓裂后的采油，親油性的支撐劑又不利于原油的采出。因此，研究具有潤濕自反轉能力的支撐劑，使壓裂液返排時為親油性，采油生產時自動反轉為親水性，將是研究的一個重要方向。

4 結論

1)針對影響裂縫中壓裂液返排的參數進行無量綱分析，建立了無量綱變量組，推導了與現場工況相對應的實驗無量綱時間，開展了壓裂液返排的三維模型實驗。

2)驅替方向與重力方向相同時，壓裂液的最終返排率最高；與重力方向相反時，由于出現指進現象，導致最終返排率較低。因此，應通過調整壓裂液性能盡量避免指進現象的出現。

3)壓裂液的最終返排率隨地層壓力的升高而降低，穩定的地層壓力更有利于壓裂液的返排。因此，壓裂施工后需利用合適直徑的油嘴控制壓裂液返排。

4)壓裂液的最終返排率隨界面張力的下降而上升，但上升趨勢逐漸變緩，隨液體黏度的增加而降低。親油性的支撐劑更有利于壓裂液的返排，研究具有潤濕自反轉能力的支撐劑將是一個重要的研究方向。