疏松砂巖濾失規律研究

張麗平，鄒 劍，張云鵬，牟 媚，朱艷華，安恒序

(1.中國海洋石油有限公司 天津分公司，天津 300459；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300459)

隨著海洋油氣的開發，已逐步開始采用壓裂作為增產的手段。目前海上儲層多為疏松砂巖儲層，滲透率分布在10～9000 mD[1]。在中高滲儲層壓裂過程中，由于縫內壓差的存在，容易導致壓裂液向巖石基質內濾失。濾失液量越大，壓裂所形成的裂縫體積越小，液體效率越低，同時濾失液量的增加也增加了砂堵的風險[2]。經典濾失理論認為，濾失系數主要受控于液體黏度及液體造壁性能[3]，而中高滲儲層短時間內難以形成有效濾餅[4]，導致大量壓裂液濾失進入地層，加劇地層孔隙中的微粒運移及壓裂液殘渣在巖石表面的吸附[5]。對于疏松砂巖儲層壓裂增加液體黏度，能明顯降低濾失液量[6]，同時濾失系數與濾失液量呈正相關。

為明確疏松砂巖儲層濾失規律，本文采用巖板模擬中高滲巖心進行靜態濾失實驗，分別設置不同壓差在不同滲透率巖板中進行濾失系數研究。

1 材料與方法

1.1 實驗設備

本次實驗參照標準《SY/T 5107-2016水基壓裂液性能評價方法》進行，所用實驗設備主要包括：氮氣瓶、減壓閥、壓力表、高溫高壓靜態失水儀、掃描電鏡、線切割儀器等。

1.2 實驗材料

天然疏松砂巖巖心非均質強、強度低，在實驗中易碎，脫落的顆粒可能造成設備堵塞，并且在高滲儲層中壓裂液濾失不一定能形成有效濾餅，不適用于濾失實驗。通過掃描電鏡實測天然疏松砂巖巖樣孔徑為30～300 μm，如圖1所示。市面現有定孔徑濾紙孔徑過小，均小于 25 μm，不能模擬天然巖心孔喉范圍。

圖1 天然巖心孔喉尺寸(綠色為尺寸標定)

根據現場實際，人工壓制不同滲透率的固結巖心。采用線切割制成直徑 50 mm，厚 5 mm 的目標尺寸巖板(如圖2所示)，同時切割標準尺寸巖樣，測滲透率，結果如表1所示。所有實驗用巖板均采用3%KCl負壓飽和。

表1 濾失用巖板對應標準尺寸巖樣滲透率

圖2 制備巖樣及線切割后巖板(左下)

1.3 實驗方案

實驗參考室內靜態濾失實驗方法開展膠粉質量分數3.0%、不同壓差條件下的濾失系數測試實驗，用氮氣在濾失介質兩端形成濾失壓差，研究室溫下不同濾失壓差下的壓裂液濾失規律。單次實驗壓裂液用量 400 mL，濾失 121 min，打開閥門測試11個時間節點(1、4、9、16、25、36、49、64、81、100、121 min)的濾出液體積，實驗方案如表2所示。

表2 巖板濾失實驗方案

2 結果與討論

不同滲透率及壓力下的巖板濾失實驗如圖3所示。儲層滲透率與縫內壓差是影響壓裂液累計濾失量最重要的兩個因素。通過實驗看出，在相同滲透率下累計濾失量隨著壓差的增加而增加；對比不同滲透率的濾失情況看出，隨著滲透率的增加，濾失液量明顯增大。

圖3 不同滲透率巖板在不同壓力下的累計濾失量

在相同壓差條件下，對比不同滲透率(100 mD、1500 mD 與 3 000 mD)巖板的濾失累計液量看出(如圖4、圖5)，在低縫內壓差的情況下，不同滲透率巖板累計濾失液量差別不大，這是由于在低壓差作用下凍膠易在巖板表面形成濾餅，且濾失系數相當，此時濾失主要受壓裂液自身性能影響。隨著滲透率的增加，尤其在壓差較大的情況下累計濾失液量明顯增加。這是因為當縫內壓力逐漸升高，儲層滲透率成為影響濾失的主導因素，高滲透率會明顯增加壓裂液的累計濾失量。

圖4 低壓差下不同滲透率巖板的累計濾失液量

圖5 高壓差下不同滲透率巖板的累計濾失液量

計算不同滲透率巖板與不同壓差條件下的濾失系數，發現濾失液量與濾失系數受縫內壓差的影響，相同滲透率條件下隨著縫內壓差的增加濾失液量與濾失系數均增加，如圖6圖7所示。同一巖板滲透率下擬合濾失系數與壓差，發現濾失系數與壓差的指數呈線性關系。

圖6 巖板濾失系數與壓差關系

圖7 巖板累計濾失量與壓差關系

對比相同縫內壓差下不同滲透率的濾失系數，如圖8所示。可以看出，相同縫內壓差條件下的濾失系數相當，濾失系數基本不受滲透率影響，濾失系數敏感于縫內壓差。高滲透率巖板受較大孔徑的影響，在大于 1 MPa 壓差的情況下，短時間內無法形成濾餅，初濾失量大帶來了較高的濾失液量。而當濾餅形成后，濾失系數受造壁性能的影響，濾餅在巖板表面形成了有效遮擋。

圖8 巖板累計濾失系數與滲透率關系

3 結論

通過設置不同滲透率巖板在不同壓差下的濾失實驗，得出：

1)在低縫內壓差(小于 1 MPa)的情況下，壓裂液濾失主要受自身性能影響，與滲透率無關。隨著縫內壓差的增加，在高縫內壓差(大于 1 MPa)的情況下，壓裂液濾失液量明顯受滲透率影響，高滲透率巖板受大孔徑的影響，初期難以形成濾餅，初濾失液量大，同時高滲透率會明顯增加壓裂液的累計濾失量。

2)儲層滲透率與縫內壓差是影響累計濾失液量的兩個關鍵因素，但當濾餅形成后，濾失系數受控于壓裂液自身造壁性能，儲層滲透率基本不影響濾失系數。對同一滲透率條件下濾失系數與壓差的關系進行擬合，發現濾失系數與壓差的指數呈線性關系。