， ，，

(中南大學(xué) a.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室；b.地球科學(xué)與信息物理學(xué)院， 長沙 410083)

1 研究背景

目前頁巖氣開采之熱持續(xù)高漲，頁巖氣屬于一種自生自儲型非常規(guī)性能源，頁巖儲層具有低滲低孔的特性，所以一般要采用特殊的鉆井技術(shù)——水力壓裂對頁巖儲層進(jìn)行改造，改善儲層滲流通道，從而提高頁巖氣開采率[1-2]。

在頁巖儲層壓裂過程中，前置液階段，壓裂液流變性能的變化對于儲層造縫有著很大的影響，張士誠等[3]采用大尺寸真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對露頭頁巖開展了水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)高黏度壓裂液能夠增加壓裂速率，并誘導(dǎo)最優(yōu)裂縫平面的單獨(dú)擴(kuò)展，但減少井筒附近的迂曲度的最好方法是增大壓裂液黏度；龍政軍[4]通過試驗(yàn)分析壓裂液性能對于壓裂過程中造縫效果的影響，得出當(dāng)?shù)貙訚B透率一定時(shí)，壓裂液的黏度越高，滲黏比越小，最優(yōu)裂縫半長值就越大。在支撐劑階段，壓裂液的攜砂性能直接關(guān)系到支撐劑在裂縫中的鋪置，進(jìn)而影響壓裂改造的效果。不同漿液的流變性對于施工過程有著重要的影響[5-6]。目前，國內(nèi)外主要采用常規(guī)流變試驗(yàn)評價(jià)壓裂液攜砂性能，并以黏度作為攜砂性能判斷的最重要指標(biāo)之一[7-11]。王全平[12]用比面積法表征了鉆井液的剪切稀釋性，認(rèn)為在相同速梯范圍內(nèi)，τo/ηs，τo/η∞，n(τo表示鉆井液動切力，ηs表示鉆井液結(jié)構(gòu)黏度，η∞表示鉆井液極限高剪切黏度，n表示鉆井液流性指數(shù))具有一致性，都能定量表征鉆井液的剪切稀釋性。江小玲等[13]對剪切稀釋性相關(guān)性進(jìn)行了研究，得出流性指數(shù)n與動塑比YP/PV(YP表示鉆井液動切力，PV表示鉆井液塑性黏度)有較好的相關(guān)性。常規(guī)水力壓裂易出現(xiàn)壓裂液用量大、能量利用率低、體積壓裂效果不明顯等問題。為了解決這些問題，脈沖水力壓裂技術(shù)在國內(nèi)于2011年首次提出，脈沖水力壓裂在降低注液壓力、控制壓裂效果方面擁有諸多優(yōu)勢，現(xiàn)主要應(yīng)用于煤礦井下煤層的卸壓增透[14]。目前對于當(dāng)采用脈沖水力壓裂時(shí)，在脈沖過程中壓裂液性能在整個過程的變化情況的研究還比較少，尤其是隨著脈沖頻率發(fā)生改變，壓裂液性能的響應(yīng)情況及響應(yīng)機(jī)理這方面的研究則更少。本文通過采用不同頻率對壓裂液進(jìn)行脈沖剪切試驗(yàn)研究，從而得出壓裂液流變性能對脈沖頻率響應(yīng)的規(guī)律趨勢。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)所用設(shè)備是由本人所在團(tuán)隊(duì)自主研制的一套脈沖水力注水試驗(yàn)系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括壓力注水泵、儲能器、脈沖信號發(fā)生器(其調(diào)節(jié)頻率范圍為1～10 Hz)、水箱(容積為10 L)、電磁閥和導(dǎo)水管等構(gòu)件組成，如圖1所示。

圖1 脈沖水力注水試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulsed hydraulic injection test system

2.2 試驗(yàn)壓裂液

為了減少壓裂液體系中其他處理劑對試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)中簡化了體系配方，并且由于只是想通過試驗(yàn)分析出壓裂液黏度對脈沖頻率響應(yīng)規(guī)律趨勢，前期也做過一些預(yù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)黏度相差20 mPa·s時(shí)，試驗(yàn)現(xiàn)象比較明顯。因此，本試驗(yàn)只配置了相對高黏和低黏的壓裂液體系A(chǔ)和B 2種，以考慮脈沖頻率改變對其黏度的影響。試驗(yàn)主要以瓜爾膠液為基液，以四硼酸鈉為交聯(lián)劑，通過調(diào)節(jié)瓜爾膠濃度配置A壓裂液體系和B壓裂液體系，A和B 2種壓裂液體系的試驗(yàn)配比參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)配比參數(shù)Table 1 Mix ratio of test fracturing fluids

圖2 壓裂液的配制Fig.2 Preparation of fracturing fluid

2.3 試驗(yàn)過程

2.3.1 壓裂液的配制

將瓜爾膠粉加入8 L

水中，先采用無級調(diào)速攪拌器攪拌20 min后，再靜置1 h，然后將準(zhǔn)備好的0.5 g四硼酸鈉加入已配置好的1 L基液中，并不斷攪拌，直到出現(xiàn)凍膠為止，如圖2所示。

2.3.2 脈沖剪切試驗(yàn)

將配制好的壓裂液放入水箱中，基于前期已做試驗(yàn)結(jié)果，通過調(diào)節(jié)脈沖信號發(fā)生器，現(xiàn)分別采用0,1,3，5,7 Hz頻率對壓裂液進(jìn)行脈沖剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)中保持流量為10 mL/s不變，采用容量杯收集下剪切后的壓裂液體，待達(dá)到所要求體積時(shí)，迅速利用DNN-D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對剪切后的壓裂液的黏度進(jìn)行測試，并記錄下結(jié)果。

3 壓裂液流變性能

壓裂液屬于一種特殊的鉆井液，在鉆井液工藝學(xué)中，一般高分子化合物的水溶液以及乳狀液等都是一種假塑性流體，該類流體的流變曲線是通過原點(diǎn)并凸向剪切應(yīng)力軸的曲線[15]。假塑性流體的流動特點(diǎn)為：只要給此類流體施加一個很小的剪切應(yīng)力就能使之產(chǎn)生流動，且不存在靜切應(yīng)力，它的黏度隨剪切應(yīng)力的增大而降低;假塑性流體區(qū)別于塑性流體的重要特點(diǎn)為：假塑性流體剪切應(yīng)力與剪切速率之比總是變化的，亦即在流變曲線中無直線段。塑性流體在剪切速率增大到一定程度時(shí)，剪切應(yīng)力和剪切速率之比是一個常數(shù)，在這個范圍的流變曲線為直線[16-17]。

假塑性流體服從冪律方程，即

τ=Kγn。

(1)

式中：τ為流體受到的剪切應(yīng)力；γ為流體的剪切速率，在脈沖剪切過程中，γ隨著頻率的增大而增大；n為假塑性流體的流性指數(shù)；K為假塑性流體的稠度系數(shù)。

當(dāng)采用脈沖流體時(shí)，考慮到頻率特性(即流體對頻率的剪切稀釋響應(yīng))的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]對脈沖鉆井液流體研究,可知脈沖水力壓裂時(shí)脈沖流體的速度為

(2)

式中：v表示脈沖流體的實(shí)際速度；v0表示脈沖發(fā)生器脈沖流體的理想速度；Rf表示平均水力摩擦系數(shù);f表示脈沖發(fā)生器發(fā)生頻率。其中平均摩擦系數(shù)Rf為

(3)

式中：τ0表示脈沖流體屈服應(yīng)力；ηp表示脈沖流體塑性黏度；ρ表示脈沖流體密度；va表示脈沖流體平均流速；D表示管道外徑。

由式(1)和式(2)可知當(dāng)頻率f越大時(shí)，γ也越大，則對壓裂液的剪切稀釋作用越強(qiáng)。

目前通常采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)來測量流體的流變參數(shù)，讀取600，300 r/min的刻度盤讀數(shù)分別為θ600，θ300，利用式(4)來求得流性指數(shù)n，利用式(5)和式(6)分別計(jì)算塑性黏度ηp和結(jié)構(gòu)黏度ηs。

；

(4)

ηp=θ600-θ300；

(5)

ηs=θ300-ηp。

(6)

通常我們用n值來表征鉆井液的剪切稀釋性能，若n值較低，則其有較強(qiáng)的剪切稀釋性。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 相對高黏壓裂液脈沖剪切試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用A配方配制好的相對高黏壓裂液體系，采用不同頻率對其進(jìn)行脈沖剪切稀釋，試驗(yàn)后的塑性黏度和結(jié)構(gòu)黏度如圖3(a)所示，試驗(yàn)后的表觀黏度和流性指數(shù)如圖3(b)所示。

圖3 高黏壓裂液黏度和流性指數(shù)隨頻率變化的關(guān)系曲線Fig.3 Curves of viscosity and liquidity index of highly viscous fracturing fluid vs. frequency

從圖3(a)可以看到相對高黏壓裂液在受到脈沖頻率剪切作用后，結(jié)構(gòu)黏度和塑性黏度都發(fā)生了顯著變化，其中在1 Hz頻率的剪切作用下壓裂液塑性黏度有了稍許提升，在頻率達(dá)到3 Hz后塑性黏度急劇下降，而后隨著頻率的增加，塑性黏度的變化也不是很明顯；結(jié)構(gòu)黏度隨著頻率的增加一直減小，最后趨于平穩(wěn)，這是由于脈沖作用對壓裂液的分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞作用，到最后由于壓裂液的結(jié)構(gòu)已經(jīng)很小了，脈沖剪切作用也會受到很大抑制，使得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

從圖3(b)可以看出表觀黏度隨著頻率的增大而減少，但增大到5 Hz時(shí)，黏度變化已不是很明顯，流性指數(shù)的變化分為2個階段，存在一個臨界頻率值fc，在頻率沒有達(dá)到臨界頻率值fc(5 Hz附近)時(shí)，流性指數(shù)隨著頻率的增大而增加，在達(dá)到臨界頻率值fc后，頻率的增大會導(dǎo)致流性指數(shù)的減小。

當(dāng)采用1 Hz脈沖頻率對壓裂液進(jìn)行剪切稀釋時(shí)，壓裂液表觀黏度只下降了5 mPa·s，這表明1 Hz脈沖頻率對瓜爾膠壓裂液已經(jīng)產(chǎn)生了部分剪切稀釋效用；當(dāng)采用3 Hz脈沖頻率時(shí)，瓜爾膠壓裂液的表觀黏度急劇下降，這說明3 Hz的脈沖頻率對瓜爾膠結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的破壞作用，使得其大部分結(jié)構(gòu)還來不及恢復(fù)就被剪切作用所拆散，也反映出此時(shí)瓜爾膠壓裂液結(jié)構(gòu)的拆散速度比其結(jié)構(gòu)的恢復(fù)速度要大得多；在用5 Hz脈沖頻率進(jìn)行剪切時(shí)，壓裂液的表觀黏度進(jìn)一步下降，下降到了6.5 mPa·s，但下降的幅度已不是很大；到采用7 Hz脈沖頻率時(shí)，已基本對瓜爾膠壓裂液表觀黏度沒什么影響。

由圖3(b)可看出，流性指數(shù)的變化趨勢和表觀黏度的大致相反，隨著頻率的增大，流性指數(shù)逐漸呈現(xiàn)增大的趨勢，在達(dá)到最大值后，繼續(xù)增加頻率，流性指數(shù)反而呈現(xiàn)減小的趨勢。這是因?yàn)槌跏紩r(shí)壓裂液的結(jié)構(gòu)較為完整，表觀黏度較高，所以表現(xiàn)出比較好的剪切稀釋性。隨著頻率的增大，脈沖頻率的剪切作用開始對壓裂液的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了破壞，使得壓裂液的剪切稀釋性越來越弱，待頻率增大到一定值時(shí)，由于試驗(yàn)流量是一定的，單次脈沖的作用必然受到削弱，使得相對應(yīng)的剪切作用也受到了抑制，加上壓裂液本身的分子結(jié)構(gòu)也破壞的比較小，脈沖作用也會不如以前那么明顯。所以在繼續(xù)增大頻率后，流性指數(shù)會有些許下降，這表明壓裂液的剪切稀釋性有了部分回彈。

4.2 相對低黏壓裂液脈沖剪切試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用配方B配制的相對較低黏壓裂液，采用不同頻率對其進(jìn)行脈沖剪切稀釋，試驗(yàn)后的表現(xiàn)塑性黏度和結(jié)構(gòu)黏度如圖4(a)所示，試驗(yàn)后的表觀黏度和流性指數(shù)如圖4(b)所示。

圖4 低黏壓裂液黏度和流性指數(shù)隨頻率變化的關(guān)系曲線Fig.4 Curves of viscosity and liquidity index of lowly viscous fracturing fluid vs. frequency

當(dāng)使用相對低黏壓裂液時(shí)，由圖4(a)可以看到開始時(shí)塑性黏度對于表觀黏度的貢獻(xiàn)值比較大，隨著頻率的增加，塑性黏度和結(jié)構(gòu)黏度都急劇減小，但是在頻率達(dá)到7 Hz時(shí)，結(jié)構(gòu)黏度有了些許上升，這可能是由于試驗(yàn)流量是一定的，7 Hz的單次脈沖作用相較于其他低頻的單次脈沖作用要低一些，對壓裂液的分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞也小一些。此時(shí)結(jié)構(gòu)黏度在表觀黏度的占比也有了增加，這對于壓裂液中的支撐劑階段，則有利于提高攜砂效果。

采用較低黏度的壓裂液時(shí)，表觀黏度和流性指數(shù)隨著頻率的變化趨勢大致和較高黏度相近。

由圖4(b)可以看到采用較低黏度(10 mPa·s)壓裂液時(shí)，黏度已經(jīng)變化得不是很明顯，變化幅度在2 mPa·s以內(nèi)，這是因?yàn)榈宛ざ鹊膬瞿z結(jié)構(gòu)較小，導(dǎo)致剪切稀釋難度增大，所以效果不是很明顯。流性指數(shù)n的變化趨勢大致和高黏壓裂液的剪切稀釋試驗(yàn)一樣，但變化幅度不是很大，主要集中在0.7～0.9這一范圍內(nèi)，這可能與低黏壓裂液本身性質(zhì)有關(guān)。

5 結(jié) 論

通過配置相對高黏和低黏的壓裂液體系，研究不同脈沖頻率的剪切作用對壓裂液黏度的影響，從而探究壓裂液黏度對于脈沖頻率的響應(yīng)機(jī)理，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)高黏壓裂液體系在不同脈沖頻率作用下，隨著頻率的增大，壓裂液表觀黏度先是不斷受到剪切稀釋而減小，當(dāng)頻率達(dá)到5 Hz左右，壓裂液表觀黏度基本穩(wěn)定，壓裂液的流性指數(shù)n則是隨著頻率的增大先增加后減少，且當(dāng)頻率為5 Hz時(shí)流性指數(shù)n達(dá)到最大值；塑性黏度在低頻下黏度上升，流阻增大不利于頁巖儲層的擴(kuò)縫，在高頻下塑性黏度下降并趨于穩(wěn)定，有利于形成裂縫網(wǎng)絡(luò)；結(jié)構(gòu)黏度則隨著脈沖頻率增加一直減小，最后趨于平穩(wěn)，不利于壓裂液動態(tài)攜砂的穩(wěn)定。

(2)低黏壓裂液體系隨著頻率增加時(shí)，結(jié)構(gòu)黏度較塑性黏度變化平緩，有利于支撐劑的運(yùn)移，對于壓裂后期裂縫的穩(wěn)定有著重要作用；壓裂液的表觀黏度和流性指數(shù)n對于不同脈沖頻率作用下的剪切稀釋響應(yīng)效果不是很明顯。

(3)采用脈沖水力壓裂技術(shù)改造頁巖氣儲層時(shí)，可通過調(diào)節(jié)脈沖頻率來改變壓裂液流變性從而提高壓裂液造縫、擴(kuò)縫以及動態(tài)攜砂效果，進(jìn)而提高壓裂效果。

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