宋時(shí)權(quán)，李繼勇，邵紅云，張貴玲，夏凌燕

中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院（山東 東營(yíng) 257000）

0 引言

纖維加砂壓裂工藝是壓裂施工的一項(xiàng)技術(shù)[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(wǎng)絡(luò)，使壓裂支撐劑固結(jié)成團(tuán)，限制支撐劑的自由移動(dòng)，達(dá)到理想的充填效果[3-6]，形成具有良好導(dǎo)流能力的油氣通道[7-8]，保證壓裂施工的作業(yè)質(zhì)量。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中完整評(píng)價(jià)壓裂用纖維標(biāo)準(zhǔn)較為缺乏[9-12]，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》、SY/T 5185—2016《礫石充填防砂水基攜砂液性能評(píng)價(jià)方法》，以及中石化勝利油田標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 1020 2676—2018《壓裂用纖維技術(shù)要求》，對(duì)壓裂用纖維進(jìn)行性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。結(jié)合纖維實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)部分性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了完善，研制一套纖維固砂性能評(píng)價(jià)裝置，通過(guò)該裝置對(duì)纖維固砂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為纖維相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和優(yōu)選纖維提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

羥丙基瓜爾膠，工業(yè)一級(jí)品；陶粒（支撐劑），（0.425～0.850）mm，壓力級(jí)別69 MPa；壓裂用纖維（2種），工業(yè)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(xué)電子顯微鏡，WST-4KCH，wishtech 電子；無(wú)目鏡倒置熒光顯微鏡，EVOS f1，美國(guó)AMG 公司；纖維固砂能力評(píng)價(jià)裝置，自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 壓裂液的制備

壓裂液基液按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%稱(chēng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)0.12%的纖維加入至基液中；稠化型纖維攜砂壓裂液按質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǔ)上，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%交聯(lián)劑，攪拌使其交聯(lián)為凍膠。

1.2.2 纖維分散性評(píng)價(jià)

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(wú)目鏡倒置熒光顯微鏡觀察纖維在壓裂液中的分散狀態(tài)。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(píng)價(jià)

1）纖維攜砂性能力評(píng)價(jià)。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(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)液。將評(píng)價(jià)液轉(zhuǎn)入250 mL量筒，立即使用黑色記號(hào)筆標(biāo)記此時(shí)陶粒最上端的位置，在室溫下令其自然沉降。120 min 后測(cè)量當(dāng)前陶粒最上端與記號(hào)位置之間的距離，對(duì)比相同時(shí)間內(nèi)陶粒的沉降高度，得到纖維最佳添加量。

2）纖維固砂能力評(píng)價(jià)。為評(píng)價(jià)研究纖維對(duì)支撐劑的固砂效果，研制了一套模擬裝置對(duì)纖維的固砂能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)裝置如圖1所示。

圖1 纖維固砂能力評(píng)價(jià)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置及原理：裝置由儲(chǔ)液罐部分、驅(qū)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將支撐劑穩(wěn)固，在地層流體流動(dòng)情況下，會(huì)突破纖維的固砂作用，將支撐劑沖散運(yùn)移，影響導(dǎo)流能力，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)可以得到不同纖維的固砂能力數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)不同纖維的固砂能力。

實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確稱(chēng)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(cè)樣品轉(zhuǎn)入至評(píng)價(jià)裝置。通過(guò)多次前期實(shí)驗(yàn)，制定了評(píng)價(jià)參數(shù)。使用評(píng)價(jià)裝置，在上下閉合壓力2.5 MPa、驅(qū)替壓力0.3 MPa、驅(qū)替液（水）19 L 條件下評(píng)價(jià)纖維的固砂能力。待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將收集器中陶粒烘干稱(chēng)重，按照式（1）計(jì)算纖維固砂率。

式中：μ為纖維固砂率，%；m1為實(shí)驗(yàn)流失支撐劑質(zhì)量，g；m2為實(shí)驗(yàn)加入支撐劑質(zhì)量，g。

2 結(jié)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(wú)目鏡倒置熒光顯微鏡進(jìn)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(tài)

從圖2 可以看出，兩種纖維在壓裂液中分散后呈現(xiàn)出不同的物理狀態(tài)。1#纖維相較于2#纖維具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使其不易在分散過(guò)程中發(fā)生彎曲。但纖維發(fā)生了局部彎折，因此，在使用1#纖維配制壓裂液時(shí)，不宜采用較高的攪拌速率，避免纖維發(fā)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(xiàn)出彎曲但無(wú)折斷的物理狀態(tài)，表現(xiàn)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(lián)劑，攪拌3 min使其交聯(lián)。將配制好的壓裂液試樣轉(zhuǎn)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(xiàn)明顯的纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，展現(xiàn)出良好的分散性。對(duì)比圖3（b）、（d）可以發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)強(qiáng)度的支撐結(jié)構(gòu)，可以有效增大陶粒間的空間距離。2#纖維形成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)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(qiáng)纖維-陶粒結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度均會(huì)對(duì)壓裂液的攜砂性能和固砂性能產(chǎn)生一定的影響。

2.2 纖維靜態(tài)攜砂能力評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)通過(guò)配制稠化型纖維壓裂液，探究不同纖維加量對(duì)壓裂液靜態(tài)攜砂能力的影響，1#纖維不同添加量對(duì)壓裂液攜砂能力的影響如圖4所示。1#纖維不同添加量對(duì)沉降高度的影響見(jiàn)表1。

表1 1#纖維不同加量對(duì)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(dāng)纖維添加量達(dá)到0.7%時(shí)，從圖4 可明顯觀察到陶粒中局部出現(xiàn)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使得陶粒之間的空間距離增大。

2#纖維不同添加量對(duì)壓裂液攜砂能力的影響如圖5所示。2#纖維不同添加量對(duì)沉降高度的影響見(jiàn)表2。

表2 2#纖維不同加量對(duì)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(dāng)纖維加量超過(guò)0.5%時(shí)，纖維在含砂壓裂液中發(fā)生了少量的團(tuán)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(xiàn)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(dòng)態(tài)固砂能力評(píng)價(jià)

利用加工裝置開(kāi)展纖維動(dòng)態(tài)固砂能力實(shí)驗(yàn)，模擬流體流動(dòng)過(guò)程，支撐劑運(yùn)移情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得纖維的固砂率。按照實(shí)驗(yàn)方法對(duì)兩種不同纖維的固砂能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同纖維加量對(duì)固砂率的影響 /%

由表3 數(shù)據(jù)可知，纖維的固砂能力隨加量的增高呈現(xiàn)先升高后降低的總體趨勢(shì)，但不同類(lèi)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(dāng)纖維添加量改變時(shí)，其固砂率未得到明顯提升。這可能由于在一定驅(qū)替壓力的作用下，1#纖維會(huì)發(fā)生一定程度彎折，從而造成纖維所形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的完整性受到一定程度破壞，當(dāng)纖維加量較少時(shí)，液體的流動(dòng)會(huì)使纖維形成支撐劑的流失通道，從而導(dǎo)致固砂效果變差。當(dāng)纖維的添加量增多時(shí)，纖維形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大，從而使其固砂能力得到一定程度的提高；但當(dāng)纖維加量過(guò)高時(shí)，分散性較差的纖維會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)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(dāng)纖維加量增大時(shí)，其固砂效果有較為明顯的提升。這可能是由于具有韌性結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。這種緊密的空間結(jié)構(gòu)能夠有效抵擋驅(qū)替液體的沖擊，維持其空間結(jié)構(gòu)的完整性，從而實(shí)現(xiàn)固砂的目的。

通過(guò)該方法，可以評(píng)價(jià)不同纖維的固砂能力，為優(yōu)選評(píng)價(jià)纖維提供支撐。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)纖維的攜砂和固砂性能進(jìn)行室內(nèi)研究實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了兩種壓裂用固砂纖維的攜砂和固砂能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）纖維的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及物理分散性的差異，均會(huì)對(duì)纖維在攜砂壓裂液中形成的空間結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)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(lèi)的不同，從而使得纖維與陶粒間形成的空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)有所不同，最終可能會(huì)導(dǎo)致攜砂壓裂液在受到驅(qū)替液體的沖擊時(shí)表現(xiàn)出不同的固砂效果。

2）研究設(shè)計(jì)發(fā)明了一套纖維固砂能力評(píng)價(jià)裝置，對(duì)纖維固砂率進(jìn)行了評(píng)價(jià)，對(duì)壓裂用纖維的評(píng)價(jià)和研究實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)可行的研究思路。