絨囊流體提高巖石力學強度作用機制

陳步高

中國石化勝利油田魯明油氣勘探開發有限公司 山東 東營 257000

在石油天然氣資源勘探開發過程中，巖石力學強度影響鉆完井過程的井壁穩定、壓裂過程的裂縫擴展、開采過程中的采收率等，是一項重要的基礎性能。在原始狀態下地層巖石處于平衡狀態，然而在勘探開發過程中，巖石與流體接觸時會使巖石力學強度發生改變，明確流體與地層間相互作用的機理從而采取相應措施可以避免井壁失穩、裂縫擴展失控、儲層出砂等復雜情況的發生[1-2]。絨囊流體作為一種新型的工作流體，廣泛應用于鉆完井[3]、酸化壓裂[4]、修井[5]、提高采收率[6]等石油工程的各個領域，室內研究和現場應用均表明其可以提高巖石力學強度[7]，然而其作用機理不明確，影響了絨囊流體的推廣應用，為此采用室內實驗與力學原理相結合的方法，研究了絨囊流體提高巖石強度的機理。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

實驗材料：囊層劑、絨毛劑、囊膜劑、囊核劑，北京力會瀾博能源技術發展有限公司；氯化鉀，天津市光復科技發展有限公司，分析純級；巖心柱塞：50 mm×25 mm，產地中國四川（露頭）。

實驗儀器：六速旋轉黏度計 ZNN-D6B，山東美科儀器有限公司；高溫高壓巖石三軸流變儀TAR-1500型，長春暉陽科研儀器有限公司；儲層傷害評價系統，海安華達石油儀器有限公司。

1.2 實驗測試

取500 mL蒸餾水按1.3%囊層劑+0.8%絨毛劑+0.15%囊膜劑+1%囊核劑配方用高速攪拌機配制絨囊流體。取500 mL蒸餾水按1.3%囊層劑+0.8%囊毛劑配方用高速攪拌機配制絨囊基液。將配制好的液體靜置30 min，利用密度計、六速旋轉粘度計分別測定2種流體的密度、流變性。

將巖心放在飽和裝置內，加入模擬地層水（8%氯化鉀溶液）飽和巖心24 h；將飽和后的巖心取出放入儲層傷害評價系統巖心夾持器中，將配制好的絨囊流體加入中間容器中；打開恒流恒壓泵以0.05 ml/min流量驅替，注入1.5 PV工作液后停止實驗，記錄驅替時間、驅替壓力。

將封堵后的巖心取出，用熱縮管封裝后裝入高壓釜內，安裝軸向變形傳感器和徑向變形傳感器（LVDT）并調節至中間位置；密封壓力室并向壓力室泵入圍壓油，通過高壓泵施加圍壓15 MPa；打開計算機數據采集系統調好程序一切進入準備狀態，開啟軸向壓力控制器進行軸向加載，直至巖心破壞。記錄加載時間、軸向差應力、軸向應變、徑向應變等。由數據采集系統采集記錄加載過程中巖樣的應力和應變，直至巖樣產生破壞，停止加載。

2 結果與討論

2.1 液體性能評價

絨囊基液與絨囊流體的性能測量結果見表1。由表1可知，在聚合物加量相同的情況下，絨囊流體因其體系內含有絨囊，使得密度降低了0.16 g/cm3，而體系的表觀粘度、塑形粘度、動切力、初切、終切分別提高了24.5 mPa·s、10.0 mPa·s、14.79 Pa、4.60 Pa、5.00 Pa，說明絨囊可以提高體系的粘度及切力進而具有提高體系的封堵能力的潛力。

流體類型 ρ g/cm3 AV mPa·s PV mPa·s YP Pa τ10s τ10min Pa絨囊基液 1.01 52.5 21.0 32.13 11.24 13.50絨囊流體 0.85 77.0 31.0 46.92 15.84 18.50 Pa

2.2 封堵性能評價

室溫下絨囊流體、絨囊基液、地層水對天然巖心的注入結果如圖1所示。從圖1中可以看出在相同的注入體積下，不同流體對巖心的封堵壓力隨時間變化相差較大。地層水在注入過程中壓力上升比較平穩，在210 min后達到平衡，注入1.5 PV后停止此時壓力僅為0.90 MPa。絨囊基液在注入過程封堵壓隨時間的變化分成3個階段，第一階段封堵壓力隨時間的增加緩慢增加，第二階段隨著時間的增加封堵壓力快速增加達到最大值，第三階段隨時間的增加壓力開始波動，注入1.5 PV后停止此時最大的封堵壓力為3.24 MPa。絨囊流體對巖心的暫堵分成2個階段，第一階段隨時間的增加封堵壓力緩慢上升，第二階段隨時間的增加封堵壓力快速增加，直至注入1.5 PV后停止，此時最大封堵壓力可達9.91 MPa。對比注入曲線發現：水不具有封堵性能，注入壓力增長緩慢且壓力最低；在相同的聚合物加量及實驗條件下，絨囊增加體系封堵壓力可達6.67 MPa，說明絨囊對體系的封堵性能影響較大。

圖1 不同流體封堵時間-壓力曲線

2.3 不同流體注入后巖石力學參數變化量性能評價

不同類型的流體作用好巖石力學參數的變化情況不同，從圖2中可以看出，對于巖心抗壓強度而言，飽和時最大，飽和后均有所降低，但是注入流體后的情況相差較大。飽和后注入地層水抗壓強度降低明顯，飽和后注入絨囊基液在原基礎上降低了4.42 MPa，而飽和后注入絨囊流體時在原基礎上提高了10.02 MPa。未飽和的巖心彈性模量最高，飽和后彈性模量最低，但注入封堵性能較強的流體后彈性模量較飽和后巖心明顯提高，注入絨囊基液后彈性模量提高了4.11 GPa，注入絨囊流體后彈性模量提高了6.51 GPa。未飽和巖心的泊松比為0.25，飽和后巖心的泊松比增加到0.49，而注入封堵性流體后巖石的泊松比明顯降低，當注入絨囊基液時泊松比降低了0.16，當注入絨囊流體時泊松比降低了0.25。對比絨囊基液與絨囊流體的巖石力學實驗結果表明，在相同的聚合物加量條件下及實驗條件下，絨囊可以提高巖心的力學參數。

圖2 不同條件下巖石力學參數變化

3 提高巖石力學強度作用機制

由前文可知絨囊是改變巖石力學強度的關鍵。根據有效應力原理，巖心受到的外部載荷等于孔隙水壓與巖石有效應力之和[8]。飽和后巖心內部充滿了地層水，但是水不具有封堵性能。當巖石受外力壓縮時地層水會流到巖石之外，沒有產生孔壓，外力全部由巖石承擔，所以其抗壓強度、彈性模量較小，泊松比最大。飽和后注入的絨囊基液體系內有水化后的高分子，具有一定的封堵性能，但是結合封堵實驗和巖石力學參數實驗可知其封堵性能較弱，如圖2所示絨囊基液只在彈性變形階段提高了巖石時的強度，表現為巖石的彈性模量增加了4.11 GPa，但達到了突破壓力后封堵產生的孔隙壓力減小，所以對抗壓強度影響較小。飽和后注入的絨囊流體因體系內含有絨囊，封堵能力較強，在巖石受壓縮變形過程中絨囊產生了封堵力，使巖心內部產生了較大的孔隙壓力，這個壓力與巖石的骨架顆粒共同承擔外力。當巖石的骨架強度一定時，絨囊的封堵力使巖石可以承擔更大的載荷，從圖2中可以看出注入絨囊后比注入地層水、絨囊基液后巖石的強度整體提高，表現為巖石的抗壓強度、彈性模量分別提高了10.02 MPa、6.50 GPa，泊松比減小了0.18。由此可知絨囊流體提高巖石力學強度的作用機制是絨囊增強了體系封堵能力，在巖心受外力變形時產生孔隙壓力承擔了部分外力，所以整體上提高了巖石的強度。

4 結束語

（1）在相同聚合物含量的條件下，體系內因絨囊的存在，降低了體系的密度，增加了體系的表觀粘度、塑形粘度、動切力、初切、終切，提高了體系的封堵能力及注入后的巖石強度。囊流體提高巖石力學強度的作用機制是注入巖心內部的絨囊流體，在巖石壓縮變形過程中產生孔隙壓力即封堵力，巖石的骨架顆粒與孔隙壓力共同承擔外力，使巖石的強度整體提高。

（2）絨囊流體作為一種含氣核的流體，其封堵性能還受地層環境如溫度、壓力的及地層本身物性如孔隙度、孔喉半徑等影響，還應進行相關研究。