壓裂用纖維攜砂和固砂性能實驗研究

宋時權，李繼勇，邵紅云，張貴玲，夏凌燕

中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院（山東 東營 257000）

0 引言

纖維加砂壓裂工藝是壓裂施工的一項技術[1-2]，將壓裂用纖維均勻分散到壓裂液中，與支撐劑混合，纖維利用自身形成網絡，使壓裂支撐劑固結成團，限制支撐劑的自由移動，達到理想的充填效果[3-6]，形成具有良好導流能力的油氣通道[7-8]，保證壓裂施工的作業質量。

現行標準中完整評價壓裂用纖維標準較為缺乏[9-12]，結合行業標準SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》、SY/T 5185—2016《礫石充填防砂水基攜砂液性能評價方法》，以及中石化勝利油田標準Q/SH 1020 2676—2018《壓裂用纖維技術要求》，對壓裂用纖維進行性能評價實驗。結合纖維實際應用情況對部分性能評價實驗進行了完善，研制一套纖維固砂性能評價裝置，通過該裝置對纖維固砂性能進行評價，為纖維相關標準的制定和優選纖維提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

羥丙基瓜爾膠，工業一級品；陶粒（支撐劑），（0.425～0.850）mm，壓力級別69 MPa；壓裂用纖維（2種），工業品；ZNN-D6，青島同春石油儀器有限公司；恒速攪拌器，JB50-D，上海申順生物科技有限公司；光學電子顯微鏡，WST-4KCH，wishtech 電子；無目鏡倒置熒光顯微鏡，EVOS f1，美國AMG 公司；纖維固砂能力評價裝置，自制。

1.2 實驗方法

1.2.1 壓裂液的制備

壓裂液基液按質量分數0.6%稱量羥丙基瓜爾膠，在500 r/min 條件下攪拌溶解；稠化型纖維壓裂液按照質量分數0.12%的纖維加入至基液中；稠化型纖維攜砂壓裂液按質量分數20%的砂量加入到壓裂液中，使陶粒與纖維混合均勻；凍膠型纖維壓裂液在稠化型纖維壓裂液基礎上，加入質量分數0.3%交聯劑，攪拌使其交聯為凍膠。

1.2.2 纖維分散性評價

按照1.2.1中的壓裂液配制方法，取兩種壓裂用纖維，分別配制凍膠型纖維壓裂液，使用無目鏡倒置熒光顯微鏡觀察纖維在壓裂液中的分散狀態。然后配制凍膠型纖維攜砂壓裂液，使用電子顯微鏡觀察纖維在含砂壓裂液中的分散情況。

1.2.3 纖維攜砂及固砂能力評價

1）纖維攜砂性能力評價。按照稠化型纖維攜砂壓裂液配制方法分別制備200 mL 纖維加量分別為0%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的實驗評價液。將評價液轉入250 mL量筒，立即使用黑色記號筆標記此時陶粒最上端的位置，在室溫下令其自然沉降。120 min 后測量當前陶粒最上端與記號位置之間的距離，對比相同時間內陶粒的沉降高度，得到纖維最佳添加量。

2）纖維固砂能力評價。為評價研究纖維對支撐劑的固砂效果，研制了一套模擬裝置對纖維的固砂能力進行評價，評價裝置如圖1所示。

圖1 纖維固砂能力評價裝置

實驗裝置及原理：裝置由儲液罐部分、驅替部分、上下閉合壓力部分、填砂部分組成，該裝置模擬了壓裂施工后纖維依靠網狀結構將支撐劑穩固，在地層流體流動情況下，會突破纖維的固砂作用，將支撐劑沖散運移，影響導流能力，通過模擬實驗可以得到不同纖維的固砂能力數據，評價不同纖維的固砂能力。

實驗方法：量取50.00 g 去離子水，加入0.30 g羥丙基瓜爾膠配制成0.6%瓜爾膠基液。取36.00 g瓜爾膠基液于50 mL 燒杯中，準確稱量0.108 0±0.002 g 纖維加入瓜爾膠基液中，攪拌5 min 使其分散均勻，緩慢加入30.00 g 烘干后的陶粒，攪拌5 min 后將所得待測樣品轉入至評價裝置。通過多次前期實驗，制定了評價參數。使用評價裝置，在上下閉合壓力2.5 MPa、驅替壓力0.3 MPa、驅替液（水）19 L 條件下評價纖維的固砂能力。待實驗結束后將收集器中陶粒烘干稱重，按照式（1）計算纖維固砂率。

式中：μ為纖維固砂率，%；m1為實驗流失支撐劑質量，g；m2為實驗加入支撐劑質量，g。

2 結果與討論

2.1 纖維的物理分散性

1）量取50.00 g去離子水配制0.6%瓜爾膠基液，隨后加入0.06 g 纖維，攪拌20 min 使其分散均勻。用膠頭滴管取適量試樣至載玻片上，將氣泡除掉后蓋上蓋玻片，使用無目鏡倒置熒光顯微鏡進行放大觀察，兩種纖維的圖像如圖2所示。

圖2 壓裂液中纖維的物理狀態

從圖2 可以看出，兩種纖維在壓裂液中分散后呈現出不同的物理狀態。1#纖維相較于2#纖維具有更高的結構強度，使其不易在分散過程中發生彎曲。但纖維發生了局部彎折，因此，在使用1#纖維配制壓裂液時，不宜采用較高的攪拌速率，避免纖維發生較高的彎折率，影響纖維攜砂性能。圖2（b）中，2#纖維在壓裂液中分散后呈現出彎曲但無折斷的物理狀態，表現出較好的韌性，在一定程度上減少因攪拌速率而造成的纖維彎折，從而提升壓裂液的攜砂性能。

2）量取100.00 g去離子水配制0.6%瓜爾膠基液，加入0.12 g纖維，攪拌20 min使其分散均勻，隨后加入20.00 g陶粒，攪拌5 min，最后加入0.30 g交聯劑，攪拌3 min使其交聯。將配制好的壓裂液試樣轉至比色皿中，使用電子顯微鏡放大觀察，如圖3所示。

圖3 纖維在陶粒間的分散情況

從圖3 可以看出，纖維的加入均能使陶粒在壓裂液中具有較好的懸浮性能，兩種纖維均可以在陶粒之間均勻的分散，且均未出現明顯的纖維團聚現象，展現出良好的分散性。對比圖3（b）、（d）可以發現，兩種纖維均能在含砂壓裂液中均勻分散，其中，1#纖維能夠在陶粒之間形成具有一定結構強度的支撐結構，可以有效增大陶粒間的空間距離。2#纖維形成的結構強度相對1#纖維較弱，但纖維與陶粒之間的包裹程度更為緊密，可在一定程度上增強纖維-陶粒結構的抗沖刷能力，提高纖維壓裂液的固砂率。因此，纖維的分散性和結構強度均會對壓裂液的攜砂性能和固砂性能產生一定的影響。

2.2 纖維靜態攜砂能力評價

實驗通過配制稠化型纖維壓裂液，探究不同纖維加量對壓裂液靜態攜砂能力的影響，1#纖維不同添加量對壓裂液攜砂能力的影響如圖4所示。1#纖維不同添加量對沉降高度的影響見表1。

表1 1#纖維不同加量對沉降高度的影響

圖4 不同加量的1#纖維含砂壓裂液

從表1中可以得出，隨著1#纖維加量的增大，壓裂液的攜砂能力未得到明顯的提升。但當纖維添加量達到0.7%時，從圖4 可明顯觀察到陶粒中局部出現少量的空隙，這是由于一定量的纖維在支撐劑之間形成了具有一定結構強度的空間網狀結構，從而使得陶粒之間的空間距離增大。

2#纖維不同添加量對壓裂液攜砂能力的影響如圖5所示。2#纖維不同添加量對沉降高度的影響見表2。

表2 2#纖維不同加量對沉降高度的影響

圖5 不同加量的2#纖維含砂壓裂液

從表2 中可以看出，壓裂液的攜砂能力隨著2#纖維加量的增大而顯著提高。由圖5 可以看到，當纖維加量超過0.5%時，纖維在含砂壓裂液中發生了少量的團聚，影響了纖維的物理分散性，但是該纖維加量下，壓裂液能展現出較好的攜砂能力，因此，該纖維的最佳加量為0.5%。

2.3 纖維動態固砂能力評價

利用加工裝置開展纖維動態固砂能力實驗，模擬流體流動過程，支撐劑運移情況，通過實驗獲得纖維的固砂率。按照實驗方法對兩種不同纖維的固砂能力進行評價，評價結果見表3。

表3 不同纖維加量對固砂率的影響 /%

由表3 數據可知，纖維的固砂能力隨加量的增高呈現先升高后降低的總體趨勢，但不同類型纖維的固砂效果存在差異。其中，1#纖維的固砂能力較差，并且當纖維添加量改變時，其固砂率未得到明顯提升。這可能由于在一定驅替壓力的作用下，1#纖維會發生一定程度彎折，從而造成纖維所形成的空間網狀結構的完整性受到一定程度破壞，當纖維加量較少時，液體的流動會使纖維形成支撐劑的流失通道，從而導致固砂效果變差。當纖維的添加量增多時，纖維形成的網狀結構強度增大，從而使其固砂能力得到一定程度的提高；但當纖維加量過高時，分散性較差的纖維會產生團聚現象，從而影響固砂性能。

2#纖維相比1#纖維具有較好的固砂效果。當纖維加量增大時，其固砂效果有較為明顯的提升。這可能是由于具有韌性結構的2#纖維能夠與支撐劑之間形成較為致密的包裹，形成緊密的空間結構。這種緊密的空間結構能夠有效抵擋驅替液體的沖擊，維持其空間結構的完整性，從而實現固砂的目的。

通過該方法，可以評價不同纖維的固砂能力，為優選評價纖維提供支撐。

3 結論

通過對纖維的攜砂和固砂性能進行室內研究實驗，并通過實驗評價了兩種壓裂用固砂纖維的攜砂和固砂能力，實驗結果表明：

1）纖維的結構強度以及物理分散性的差異，均會對纖維在攜砂壓裂液中形成的空間結構強度產生不同程度的影響，從而影響纖維壓裂液的攜砂固砂性能。但由于纖維種類的不同，從而使得纖維與陶粒間形成的空間結構的特點有所不同，最終可能會導致攜砂壓裂液在受到驅替液體的沖擊時表現出不同的固砂效果。

2）研究設計發明了一套纖維固砂能力評價裝置，對纖維固砂率進行了評價，對壓裂用纖維的評價和研究實驗提供了一個可行的研究思路。