液態(tài)CO2流變特性與濾失性能分析

何應(yīng)付，趙淑霞，倫增珉，高 冉，王 歡，劉 玄

(1中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 2南京特雷西能源科技有限公司)

低滲、特低滲油氣藏由于儲(chǔ)層介質(zhì)具有極低的孔隙度和滲透率，需要通過(guò)相關(guān)儲(chǔ)層改造技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)發(fā)[1-2]。隨著水力壓裂技術(shù)在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的運(yùn)用，超臨界CO2壓裂技術(shù)得到了廣泛利用[3-6]。

CO2干法壓裂所使用的液體為液態(tài)CO2，液態(tài)CO2壓裂相對(duì)于常規(guī)壓裂液壓裂來(lái)說(shuō)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：①有較好的儲(chǔ)層保護(hù)性質(zhì)，無(wú)滑溜水壓裂液可能存在的儲(chǔ)層的水敏和水鎖等傷害[7]；②返排迅速。液態(tài)CO2在儲(chǔ)層內(nèi)受熱氣化的CO2能夠自主返排出地層，解決了低壓油氣井壓后返排速度慢、返排率低的問(wèn)題[8]；③CO2在原油中具有較好的溶解降黏效果，增加原油流動(dòng)性[9]。

雖然CO2作為壓裂液具有諸多的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，但由于其特殊的物理性質(zhì)，也增大了壓裂改造作業(yè)的技術(shù)難度，主要體現(xiàn)在：①攜砂能力較差。CO2具有較低的動(dòng)力學(xué)黏度，在液相條件下僅相當(dāng)于清水的十分之一。如此低的黏度值加快了支撐劑在其中的沉降速度，加快了CO2在地層內(nèi)的濾失速度[10-11];②較高的管路摩阻損失。CO2屬于牛頓型流體，分子之間的碰撞增大了流體在管路中流動(dòng)的壓力損失，導(dǎo)致較高的壓裂施工壓力[12-13]。

本文通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)超臨界CO2流體流變特性和濾失性能進(jìn)行了研究，為CO2壓裂中摩阻預(yù)測(cè)和支撐劑在超臨界CO2中沉降規(guī)律研究提供了基礎(chǔ)。

一、實(shí)驗(yàn)裝置與原理

該實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)為高參數(shù)泡沫循環(huán)回路，包括CO2液化、壓裂液泵入、加熱、流變測(cè)試和換熱測(cè)試等部分組成(圖1)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)針對(duì)實(shí)際工程運(yùn)用中壓裂液的流變特性等參數(shù)測(cè)試而設(shè)計(jì)，可用于模擬各種壓裂液在不同工況下的管內(nèi)流動(dòng)狀況，適用于多種壓裂液體系流變特性和傳熱特性研究。

圖1 超臨界CO2回路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，CO2氣瓶?jī)?nèi)的高壓氣體經(jīng)冷卻水槽達(dá)到設(shè)定壓力和溫度，然后經(jīng)過(guò)高壓柱塞泵進(jìn)行加壓，CO2以一定的剪切速率通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試段。當(dāng)需要做混合體系時(shí)，CO2與經(jīng)柱塞泵泵出的壓裂液在泡沫發(fā)生器形成泡沫壓裂液。然后，該泡沫壓裂液經(jīng)電加熱段升溫，進(jìn)入流變特性測(cè)量，該摩擦壓降通過(guò)日本橫河EJA差壓變送器實(shí)時(shí)采集，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)處理流變特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.CO2流體流變特性實(shí)驗(yàn)研究

純CO2流體(液態(tài)—超臨界態(tài))為牛頓流體，其有效黏度不隨剪切速率而變化，只與流體的溫度、壓力有關(guān)。通過(guò)測(cè)試某一條件下的摩擦壓降，即可測(cè)得純CO2流體的有效黏度。實(shí)驗(yàn)采用4 mm內(nèi)徑細(xì)管進(jìn)行測(cè)量，流速為1.0 m/s，實(shí)驗(yàn)溫度為-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、35℃，實(shí)驗(yàn)壓力為10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa，見(jiàn)圖2。

圖2 純CO2流體黏度測(cè)試

從圖2中可以看出，本實(shí)驗(yàn)測(cè)得純CO2的有效黏度與文獻(xiàn)[12]的數(shù)據(jù)基本匹配，表明該實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)可靠性高。由測(cè)試結(jié)果可以看出，純CO2保持“液態(tài)—超臨界態(tài)”，隨著溫度升高，有效黏度逐漸減?。浑S著壓力增大，有效黏度逐漸增大。

2.CO2流體摩擦阻力特性實(shí)驗(yàn)研究

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，重點(diǎn)考察了液態(tài)CO2在管柱中流動(dòng)時(shí)的沿程摩擦阻力。實(shí)驗(yàn)條件為：溫度10℃、20℃，壓力10 MPa、20 MPa，流速0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s(流速0.5 m/s的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)采用6 mm管徑，其他實(shí)驗(yàn)點(diǎn)均采用4 mm管徑)?；趯?shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，分析了摩擦壓降梯度與流速的關(guān)系(圖3)，摩擦壓降梯度Δpl的計(jì)算公式為：

圖3 液態(tài)CO2摩擦壓降梯度隨流速變化關(guān)系

(1)

式中：Δpf—摩擦壓降，Pa；

L—水平摩阻壓降測(cè)試管長(zhǎng)度，m。

從圖3可以看出，CO2的摩擦壓降梯度會(huì)隨著流速的增大而迅速增大。值得注意的是，CO2的摩擦壓降梯度與其密度和黏度直接相關(guān)，而CO2的密度和黏度又與溫度負(fù)相關(guān)而與壓力正相關(guān)。所以，CO2的摩擦壓降梯度也是與溫度和壓力相關(guān)的一個(gè)變量。由于雷諾數(shù)Re包括了黏度、密度以及管徑參數(shù)，一般而言，采用雷諾數(shù)Re來(lái)評(píng)價(jià)液態(tài)CO2摩擦阻力系數(shù)λ，結(jié)果如圖4所示。

圖4 液態(tài)CO2摩擦阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

由圖4可以看出，隨著液態(tài)CO2的雷諾數(shù)Re增大，其摩擦阻力系數(shù)λ降低。通過(guò)擬合，當(dāng)雷諾數(shù)Re在2.8×104～1.3×105的范圍內(nèi)，液態(tài)CO2的摩擦阻力系數(shù)λ和雷諾數(shù)Re可由式(2)來(lái)關(guān)聯(lián)：

λ=0.3163Re-0.25

(2)

該式平均相關(guān)系數(shù)為0.999，平均偏差為0.27%。同時(shí)，根據(jù)雷諾數(shù)Re和摩擦壓降梯度Δpl的定義，得到關(guān)系式(3)：

Δpl=0.15815ρ0.75u1.75D-1.25μ0.25

(3)

3.CO2流體濾失特性實(shí)驗(yàn)研究

液態(tài)CO2通過(guò)高壓泵注入地層，在井筒內(nèi)不斷吸熱，到達(dá)井底時(shí)溫度升高仍為液態(tài)；在地層壓開(kāi)裂縫后，液態(tài)CO2在裂縫內(nèi)不斷吸熱，變成超臨界狀態(tài)。通過(guò)研究CO2流體在不同相態(tài)下的動(dòng)態(tài)濾失特性，并與標(biāo)準(zhǔn)鹽水進(jìn)行對(duì)比，為后續(xù)壓裂施工參數(shù)優(yōu)化提供參考。

為了確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中CO2為液態(tài)，實(shí)驗(yàn)條件為：巖心入口壓力12.0 MPa、出口壓力8.5 MPa、溫度10℃，砂巖巖心滲透率0.516 mD、孔隙度9.0%。采用巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置，按照SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》中實(shí)驗(yàn)步驟，記錄液態(tài)CO2經(jīng)過(guò)砂巖巖心不同時(shí)間下的動(dòng)態(tài)濾失量和濾失速率。為了便于統(tǒng)一對(duì)比，實(shí)驗(yàn)中液態(tài)CO2濾失量按1 atm、20℃狀態(tài)下氣態(tài)體積折算，濾失速率為巖心入口處狀態(tài)下的速率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

按SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》中的方法將累計(jì)濾失量與時(shí)間的平方根進(jìn)行關(guān)聯(lián)。由圖5可以看出,液態(tài)CO2的濾失速率隨時(shí)間的增大而逐漸減小，然后趨于穩(wěn)定值，在17 min后，濾失達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后濾失速率為0.014 m/min。

圖5 液態(tài)CO2的濾失速率隨時(shí)間的關(guān)系(8.5 MPa，10℃)

圖6為滑溜水壓裂液濾失性能測(cè)試曲線。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滑溜水壓裂液的累計(jì)濾失量在開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)曲線斜率偏大，之后近似為一條直線，表現(xiàn)在某一段時(shí)間內(nèi)的平均濾失速率則是先迅速減小，之后趨于穩(wěn)定值，穩(wěn)定后的濾失速率約為0.012 m/min。對(duì)比液態(tài)CO2濾失特征曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液態(tài)CO2與滑溜水壓裂液達(dá)到穩(wěn)定濾失狀態(tài)時(shí)，兩者的穩(wěn)定濾失速率相差不大，但是初濾失速率存在明顯差異，滑溜水壓裂液的初始濾失速率明顯高于液態(tài)CO2初始濾失速率。

圖6 滑溜水壓裂液濾失性能測(cè)試

觀察液態(tài)CO2濾失實(shí)驗(yàn)的巖心切片，對(duì)比濾失前后巖心端面孔隙變化，見(jiàn)圖7。

圖7 液態(tài)CO2濾失實(shí)驗(yàn)前后巖心端面

由圖7看出，液態(tài)CO2濾失后巖心端面的巖石孔隙變大，由此可知，高壓的CO2具有疏通巖石孔道的作用。在地層條件下，實(shí)施有關(guān)的CO2壓裂之后，CO2疏通巖石孔道對(duì)低滲油氣藏的開(kāi)采是很有利的。

為了確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中CO2為超臨界態(tài)，實(shí)驗(yàn)條件為：巖心入口壓力12.0 MPa、出口壓力8.5 MPa、溫度35℃、45℃、55℃，砂巖巖心滲透率0.516 mD、孔隙度9.0%。按照SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》中實(shí)驗(yàn)步驟，記錄超臨界CO2經(jīng)過(guò)砂巖巖心不同時(shí)間下的動(dòng)態(tài)濾失量和濾失速率。為了便于統(tǒng)一對(duì)比，實(shí)驗(yàn)中超臨界CO2濾失量按1 atm、20℃狀態(tài)下氣態(tài)體積折算，濾失速率為巖心入口處狀態(tài)下的速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 超臨界CO2的濾失速率隨時(shí)間的關(guān)系

從圖8實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，超臨界CO2的濾失速率隨時(shí)間的增大而減小，然后趨于穩(wěn)定值，在8 min后，濾失達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，隨著溫度的升高，濾失速率增大，但濾失量有所減小(這是因?yàn)闇囟壬?，CO2黏度降低，比容增大，雖然巖心入口濾失速率增大，但統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)狀況后，累計(jì)濾失量反而變小)。

圖8中35℃、45℃、55℃下超臨界CO2穩(wěn)定后濾失速率分別為0.050 m/min、0.070 m/min、0.072 m/min。將超臨界CO2濾失后的巖心切片，對(duì)比濾失前后巖心端面孔隙變化，見(jiàn)圖9。由圖9對(duì)比可以看出，與液態(tài)CO2的濾失相似，巖石孔隙尺寸也變大，由此可以得出，低黏的液態(tài)CO2和超臨界CO2均能疏通巖石孔隙。

圖9 超臨界CO2濾失實(shí)驗(yàn)前后巖心端面

三、結(jié)論

(1)液態(tài)CO2的摩擦壓降梯度隨著其流速的增大而迅速增大，且摩阻壓降梯度與液態(tài)CO2的密度、黏度等參數(shù)有直接的關(guān)系。進(jìn)一步考慮液態(tài)CO2的密度、黏度與系統(tǒng)的溫度、壓力直接相關(guān)，所以液態(tài)CO2的摩擦壓降梯度也隨著系統(tǒng)的溫度、壓力的變化而變化。

(2)超臨界CO2的濾失速率，隨著時(shí)間先增大后減小最后不變，本研究中在測(cè)試8 min后，濾失趨于穩(wěn)定，濾失量與濾失時(shí)間線性相關(guān)。同時(shí)，隨著溫度的升高，濾失速率增大，但濾失量有所減小。