劉付臣 周曉金 楊振周 趙曼玲

(1.中國(guó)石油休斯敦技術(shù)研究中心，北京 100028；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；3.中國(guó)石油西南油氣田頁(yè)巖氣開發(fā)研究院，四川 成都 610000)

0 引言

壓裂技術(shù)是油氣藏增產(chǎn)的一個(gè)重要手段，廣泛應(yīng)用于常規(guī)和非常規(guī)開采中，許多儲(chǔ)層不壓裂增產(chǎn)的話就不能經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)出油氣。其中壓裂液的性能在作業(yè)中起到至關(guān)重要的作用，而滿足壓裂施工中的壓裂液需要有足夠的粘度在儲(chǔ)層產(chǎn)生裂縫并促使裂縫向儲(chǔ)層內(nèi)部擴(kuò)展，從地面攜砂(支撐劑)進(jìn)入裂縫并使支撐劑在裂縫中均勻分布，同時(shí)保證裂縫閉合時(shí)破膠返排、留下高導(dǎo)流率的支撐劑填充層。

北美對(duì)壓裂液的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法一般包括壓裂液粘度[1]和流變性能測(cè)試[2]、靜態(tài)濾失性能測(cè)試、動(dòng)態(tài)濾失性能測(cè)試、降阻性能測(cè)試、和清潔性能測(cè)試。本文主要介紹北美壓裂液的靜態(tài)濾失性能測(cè)試和動(dòng)態(tài)濾失性能測(cè)試評(píng)價(jià)方法。

1 濾失性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

壓裂液的濾失可以從靜態(tài)濾失和動(dòng)態(tài)濾失兩個(gè)方面來進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中，動(dòng)態(tài)濾失可以更好地模擬壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在2006年給出了對(duì)增產(chǎn)改造液的靜態(tài)濾失評(píng)價(jià)方法(ISO 13503-4:2006，Procedure for measuring stimulation and gravel-pack fluid leakoff under static conditions)[2]，又在2014年添加了對(duì)完井液的動(dòng)態(tài)濾失評(píng)價(jià)方法(ISO 13503-6:2014，

Procedure for measuring leakoff of completion fluids under dynamic conditions)[3]。以下的內(nèi)容主要來源于ISO 13503-4:2006[2]和ISO 13503-6:2014[3]。

2 靜態(tài)濾失性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

靜態(tài)濾失評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)ISO 13503-4:2006不考慮液體試樣與多孔濾失介質(zhì)在測(cè)試中發(fā)生反應(yīng)情況。

2.1 壓裂液試樣制備

標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，試樣制備方法和步驟可能會(huì)影響其性能，應(yīng)該按以下所列準(zhǔn)確記錄試樣制備的步驟進(jìn)行：(1)基液組成；(2)對(duì)基液的預(yù)處理，例如過濾；(3)壓裂液試樣的制備，從基液開始描述，例如去離子水，某處自來水，某處海水，或某類有機(jī)溶液；(4)攪拌設(shè)備、攪拌杯體積、總試樣體積；(5)攪拌速度和攪拌時(shí)間；(6)添加組分及其用量；(7)各組分添加順序和添加方法；(8)測(cè)量前靜置/老化時(shí)間；(9)測(cè)試溫度；(10)pH(水基壓裂液)；(11)其他可能會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響的制備方面的信息。

標(biāo)準(zhǔn)特別強(qiáng)調(diào)：在所有的制備步驟中，應(yīng)該盡量減少將空氣帶入壓裂液試樣中。

2.2 測(cè)量方法

濾失測(cè)試通過測(cè)量液體濾失進(jìn)入多孔介質(zhì)的速率來計(jì)算濾失系數(shù)，從而對(duì)完井施工的工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。測(cè)試報(bào)告提出測(cè)試按該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，就應(yīng)該完全地遵循該標(biāo)準(zhǔn)中給出的步驟。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，要確保壓裂液試樣不會(huì)與測(cè)試儀器接觸面反應(yīng)產(chǎn)生污染物，不會(huì)改變測(cè)量組件的關(guān)鍵尺寸，并且不會(huì)損害測(cè)量時(shí)的機(jī)械操作。標(biāo)準(zhǔn)并不要求一定要使用某一類型的濾失筒，但采用的濾失筒必須允許使用濾紙、或天然或合成巖心作為過濾介質(zhì)，并且過濾介質(zhì)在濾失筒內(nèi)的安裝必須保證液體試樣不會(huì)繞過過濾介質(zhì)從出口流出。當(dāng)測(cè)試溫度高于濾液的沸點(diǎn)，濾失測(cè)試設(shè)備上必須采用回壓接收器。濾失筒和回壓接收器的極限使用條件最低應(yīng)為1.0342MPa和121℃。

測(cè)試最好選用滲透率和孔隙度類似于計(jì)劃壓裂地層的天然巖心作為濾失介質(zhì)，也可采用物理性能與天然巖心類似的合成多孔介質(zhì)。用于測(cè)試的巖心應(yīng)切割成2.54cm長(zhǎng)、直徑為2.54cm的圓柱體，并預(yù)先測(cè)定巖心對(duì)空氣的滲透率，再用基液或合成地層液(例如2wt% KCl或4 wt% NH4Cl)飽和。如果不知道地層液的成分，也可以用不與巖心基質(zhì)礦物發(fā)生反應(yīng)的惰性鹽水飽和。

2.3 數(shù)據(jù)分析

在直線坐標(biāo)上用濾失體積對(duì)時(shí)間(min)作圖，如果得到的濾失曲線為線性，那么該濾失是由粘度控制的，如果為非線性，那么濾失取決于試樣的造壁性能。

如果濾失體積對(duì)時(shí)間(min)為線性，用以下公式計(jì)算出濾失控制系數(shù)

式中：k為對(duì)液體的滲透率(D)；φ為濾失介質(zhì)的有效孔隙度；ΔP為濾失介質(zhì)兩邊的壓差(Pa)；μ為濾液在測(cè)試溫度下的粘度(Pa·s)。

如果發(fā)現(xiàn)濾失體積對(duì)時(shí)間(min)為非線性，那么用濾失體積(mL)對(duì)時(shí)間的平方根作圖，將最后三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(常見的為16min、25min、和36min)形成的直線反推回縱坐標(biāo)軸，得到時(shí)間為0時(shí)的截距，再計(jì)算出該直線的斜率。得到這兩個(gè)數(shù)值后，可以用以下公式計(jì)算出造壁系數(shù)初濾失量SL(m3/m2)為：

式中：m為濾失曲線的斜率為多孔介質(zhì)的截面面積(m2)；b為在時(shí)間為0時(shí)的濾失體積(m3)。

3 動(dòng)態(tài)濾失性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

動(dòng)態(tài)濾失測(cè)試是指壓裂液剪切流過巖心表面時(shí)的濾失。在動(dòng)態(tài)條件下，濾餅的形成和壓裂液的濾失行為與靜態(tài)條件下不同。室內(nèi)濾失試驗(yàn)顯示：對(duì)低滲透率(<1.0mD)地層的濾失，存在一個(gè)動(dòng)態(tài)效應(yīng)；這是由于壓裂液會(huì)在低滲透率巖心表面形成濾餅，而且濾餅的厚度取決于剪切效果。而當(dāng)?shù)貙拥臐B透率高于50mD時(shí)，壓裂液只形成很少量的濾餅，因此這個(gè)動(dòng)態(tài)效應(yīng)則較小。動(dòng)態(tài)濾失系數(shù)通過對(duì)以時(shí)間和時(shí)間的平方根為變量的濾失量進(jìn)行二次回歸得到。同樣，動(dòng)態(tài)濾失評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)ISO 13503—6:2014只適用于液體試樣與多孔濾失介質(zhì)在測(cè)試中不發(fā)生反應(yīng)的情況。采用支撐劑導(dǎo)流筒進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，巖心尺寸應(yīng)根據(jù)導(dǎo)流筒的尺寸來設(shè)計(jì)，但厚度最小不小于9.5mm。動(dòng)態(tài)濾失測(cè)試支撐劑導(dǎo)流筒示意圖如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)濾失測(cè)試支撐劑導(dǎo)流筒示意圖

3.1 測(cè)試步驟

(1)將巖心用鹽水進(jìn)行飽和，并測(cè)量巖心對(duì)鹽水的滲透率；(2)制備壓裂液試樣并測(cè)量其他性能(例如粘性及流變性能)；(3)按照設(shè)計(jì)的濾失壓差設(shè)置入口壓力和回壓，常見的回壓為0.69MPa或更高，對(duì)低滲透率的巖心來說，濾失壓差最小應(yīng)為6.9MPa；(4)加熱濾失筒至指定的測(cè)試溫度；(5)開始測(cè)試時(shí)，先在濾失閥關(guān)閉的情況下，將試樣按制定的剪切速率流過巖心端面，監(jiān)測(cè)試樣溫度和流速、壓差、以及試樣在進(jìn)入濾失筒前的相關(guān)性能如pH和粘度；然后打開濾失閥，收集濾液，記錄濾失量隨時(shí)間的變化，每分鐘至少記錄一個(gè)濾失量數(shù)據(jù)，至少記錄60min。在濾液收集過程中要注意盡量減少濾液的揮發(fā)；可以采用天平測(cè)量濾失量。

3.2 數(shù)據(jù)分析

壓裂液試樣流過巖心表面的剪切速率可以用以下公式計(jì)算得到：

單位截面上的動(dòng)態(tài)濾失液累計(jì)量Vc對(duì)濾失時(shí)間的函數(shù)可以用三個(gè)濾失參數(shù)來表達(dá)：與時(shí)間成正比的動(dòng)態(tài)濾失系數(shù)Cd，與時(shí)間的平方根成正比的造壁系數(shù)Cw，和一個(gè)恒定參數(shù)，初濾失量SL。這三個(gè)動(dòng)態(tài)濾失參數(shù)由以下方法計(jì)算得到：將單位截面上的濾液累計(jì)體積(mL/cm2)對(duì)時(shí)間(min)的平方根作圖，對(duì)得到的曲線使用多項(xiàng)式回歸，其中，單位截面上的濾液累計(jì)體積為變量，時(shí)間或時(shí)間的平方根為自變量：

式中：Vc為單位截面上的動(dòng)態(tài)濾失液累計(jì)量(mL/cm2)；Cd為動(dòng)態(tài)濾失系數(shù)為造壁系數(shù)為初濾失量(mL/cm2，等于cm)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)壓裂液濾失性評(píng)價(jià)方法，詳細(xì)論述了壓裂液靜態(tài)及動(dòng)態(tài)狀態(tài)下的濾失測(cè)試步驟、測(cè)試結(jié)果分析方法等，為國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開發(fā)的室內(nèi)壓裂液濾失性評(píng)價(jià)提供了參考。