壓裂液返排率影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

王方祥，孫立波，趙陽(yáng)，臧春雷，劉曉旭，劉宗奇

1.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283 2.中國(guó)石油大港油田公司井下作業(yè)分公司，天津 300280

水力壓裂技術(shù)已經(jīng)被證實(shí)是一項(xiàng)可大大提高頁(yè)巖油氣藏和致密油氣藏采收率的技術(shù)[1]。該技術(shù)往往向地層注入上萬(wàn)方水基壓裂液，需要的裂縫支撐劑可達(dá)到數(shù)噸。壓裂作業(yè)后需燜井一段時(shí)間，然后開井返排壓裂液?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明，目前壓裂液返排率一般少于30%[2,3]。提高壓裂液的返排率主要有兩個(gè)目的：一是最小化地層和壓裂壁面?zhèn)?，殘存于裂縫或者巖石基質(zhì)中的壓裂液通過(guò)影響油氣相對(duì)滲透率而降低油氣生產(chǎn)速率[4]；二是最小化淡水消耗量，返排的壓裂液可以為以后的壓裂作業(yè)重復(fù)利用，這對(duì)于特定非常規(guī)油氣田的開發(fā)可以相應(yīng)地減少總消耗水量[5]。

造成低返排率的原因主要有兩個(gè)：一方面由于強(qiáng)制作用或自吸作用導(dǎo)致壓裂液侵入巖石基質(zhì)，另一方面由于毛細(xì)管作用、重力作用和相對(duì)滲透率效應(yīng)導(dǎo)致壓裂液滯留在支撐劑裂縫中[6,7]。HOWARD等[8]對(duì)支撐劑填充管的研究表明，當(dāng)將表面活性劑添加到壓裂液中時(shí)，可提高壓裂液的返排率。SHAHIDZADEH等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，潤(rùn)濕性可以顯著地影響壓裂液的返排。艾池等[10]通過(guò)建立返排過(guò)程裂縫中壓裂液速度分布模型，計(jì)算得出越靠近裂縫口處的壓裂液返排速度越快。王雷等[11]進(jìn)行了壓裂液返排速度對(duì)支撐劑回流量影響的實(shí)驗(yàn)研究，使用裂縫模擬實(shí)驗(yàn)裝置模擬壓裂的返排過(guò)程，得出控制支撐劑回流的最佳臨界流量為300mL/min。

前期多數(shù)的研究利用隙縫槽模型，采用黏滯力和毛細(xì)管力解釋多孔介質(zhì)中的穩(wěn)定泄流[12,13]，給出的結(jié)論多為定性的分析，實(shí)驗(yàn)研究均沒(méi)有考慮重力的影響[14]，對(duì)于多孔介質(zhì)中不同驅(qū)替方向下的不穩(wěn)定泄流的研究較少。影響壓裂液返排率的因素較多，包括驅(qū)替方向、地層壓力、界面張力、壓裂液黏度和支撐劑潤(rùn)濕性等，掌握各因素的影響規(guī)律可為壓裂液返排控制和開發(fā)更高返排率的壓裂液體系提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與理論依據(jù)。

1 壓裂液返排無(wú)量綱分析

壓裂后壓裂液的返排時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)天或數(shù)十天，而室內(nèi)實(shí)驗(yàn)無(wú)法做到如此長(zhǎng)的時(shí)間，所以針對(duì)影響裂縫中壓裂液返排的參數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱分析，建立無(wú)量綱變量組，推導(dǎo)壓裂液返排模型的無(wú)量綱時(shí)間，將實(shí)驗(yàn)變量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而得到與現(xiàn)場(chǎng)工況相對(duì)應(yīng)的室內(nèi)時(shí)間，所有的實(shí)驗(yàn)也都采用無(wú)量綱時(shí)間進(jìn)行描述。

1.1 無(wú)量綱時(shí)間的建立

1)通過(guò)整合多個(gè)參數(shù)來(lái)減少參數(shù)的總數(shù)量。例如，Δρg表示重力部分，因此可通過(guò)Δρg取代ρw、ρa(bǔ)ir和g。實(shí)驗(yàn)涉及的變量如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)變量

2)表1中所有變量相乘得到一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)：

(Δp)x1×(d)x2×(t)x3×(l)x4×(Δρg)x5×(σcosθ)x6×(ug)x7×(uL)x8×(h)x9×(w)x10

(1)

3)以基礎(chǔ)無(wú)量綱變量的形式表示每一個(gè)變量，即質(zhì)量M、長(zhǎng)度L、時(shí)間T：

[ML-1T-2]x1×[L]x2×[T]x3×[L]x4×[ML-2T-2]x5×[ML-2]x6×[ML-1L-1]x7

×[ML-1T-1]x8×[L]x9×[L]x10

(2)

4)由于式(2)是一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)，可以表示為[M0L0T0]。然后兩邊乘以質(zhì)量、長(zhǎng)度和時(shí)間，得到線性同源公式：

M:x1+x5+x6+x8=0

L:-x1+x2+x4-2x5-2x6-x7-x8+x9+x10=0

T:-2x1+x3-2x5-x7-x8=0

(3)

求得線性同源方程組的解，該解包含全部獨(dú)立無(wú)量綱參數(shù)，其中之一即無(wú)量綱時(shí)間:

(4)

1.2 無(wú)量綱時(shí)間的實(shí)例計(jì)算

在實(shí)驗(yàn)室條件下，實(shí)驗(yàn)變量的取值見(jiàn)表2，現(xiàn)場(chǎng)條件下實(shí)際參數(shù)的取值見(jiàn)表3。

表2 實(shí)驗(yàn)變量的取值

表3 實(shí)際參數(shù)的取值

由式(4)可得：

td=3.13349×10-8×tlab

(5)

3.13349×10-8×tlab=1.82×10-12×tfield

(6)

tfield=17217.69705×tlab

(7)

式中：tlab為實(shí)驗(yàn)室時(shí)間；tfield為現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間。即實(shí)驗(yàn)室取時(shí)間值為1s時(shí)，則對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)取值為4.78h。

2 壓裂液返排三維模型實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為模擬裂縫中壓裂液返排的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)容器由2塊有機(jī)玻璃制成的透明板組成。兩塊板之間的空隙利用支撐劑填充，然后用螺母和螺栓擰緊。設(shè)置3個(gè)注入口和1個(gè)流出口。實(shí)驗(yàn)容器的尺寸長(zhǎng)×高×寬為300mm×300mm×10mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental container diagram

實(shí)驗(yàn)前，利用注射泵向?qū)嶒?yàn)容器內(nèi)注射配制的壓裂液，使其均勻分布到支撐劑中。利用穩(wěn)定的氮?dú)鈿庠?純度為97%)作為驅(qū)替的動(dòng)力，通過(guò)改變氣源壓力模擬地層壓力的影響。驅(qū)替方向分為與重力方向相同、與重力方向相反、無(wú)重力效應(yīng)(即重力中性點(diǎn))3種情況。為保證實(shí)驗(yàn)中三個(gè)注入口的氣體均勻流入，在注入口和支撐劑充填末端之間放置雙層棉布。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在流出口收集排出的壓裂液，通過(guò)RS-232電纜將電子天平連接到計(jì)算機(jī)，自動(dòng)稱重并連續(xù)記錄，計(jì)算返排率。

實(shí)驗(yàn)采用2種不同類型的支撐劑，分別為粒徑16/30目的未經(jīng)過(guò)處理的玻璃微珠和粒徑16/30目的經(jīng)過(guò)處理的玻璃微珠。采用SHAHIDZADEH等[9]提出的方法改變玻璃微珠的潤(rùn)濕性，處理過(guò)的玻璃微珠表面性質(zhì)是親油的，而未經(jīng)處理的玻璃珠表面性質(zhì)是親水的。

實(shí)驗(yàn)采用三種類型的壓裂液，分別為純水、異丙醇溶液和黃原膠溶液。異丙醇溶液用于研究表面張力對(duì)壓裂液返排率的影響，利用Dunouy表面張力計(jì)測(cè)量流體的界面張力。黃原膠溶液用于研究流體黏度對(duì)壓裂液返排率的影響，采用Bohlin CVOR錐板式流變儀，測(cè)量不同剪切速率下(0.01s-1到100s-1)的流體黏度。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

圖2 與重力方向相同的返排實(shí)驗(yàn)Fig.2 Backflow experiment in the same direction as gravity

3種驅(qū)替方向具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下：①用玻璃微珠填充兩塊玻璃板之間的空間，使用注射泵從容器底部注入壓裂液，使其均勻充滿實(shí)驗(yàn)容器，用支架將容器固定在垂直位置。②調(diào)節(jié)氣源壓力，穩(wěn)定后通過(guò)3個(gè)注入口注入一定壓力的氮?dú)?，同時(shí)流出口收集壓裂液，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄并計(jì)算返排率。③由容器頂部注入氮?dú)饽M與重力方向相同的驅(qū)替，如圖2所示；由容器底部注入氮?dú)饽M與重力方向相反的驅(qū)替，如圖3所示；將容器水平放置，注入氮?dú)饽M無(wú)重力效應(yīng)，如圖4所示。④實(shí)驗(yàn)過(guò)程中打開容器背面的熒光燈，定時(shí)拍照觀察壓裂液返排情況。

圖3 與重力方向相反的返排實(shí)驗(yàn) 圖4 無(wú)重力效應(yīng)的返排實(shí)驗(yàn)Fig.3 Backflow experiment against the direction of gravity Fig.4 Backflow experiment without gravity effect

3 壓裂液返排率影響因素分析

采用控制單一變量的方法開展實(shí)驗(yàn)，研究驅(qū)替方向、地層壓力、界面張力、壓裂液黏度和支撐劑潤(rùn)濕性對(duì)壓裂液返排率的影響規(guī)律。

3.1 驅(qū)替方向

圖5 驅(qū)替方向?qū)毫岩悍蹬怕实挠绊慒ig.5 Influence of displacement direction on backflow rate of fracturing fluid

控制注入氮?dú)獾膲毫?MPa，使用粒徑16/30目的未經(jīng)處理的玻璃微珠填充容器，充滿純水，研究驅(qū)替方向的影響規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。驅(qū)替方向與重力方向相反時(shí)，壓裂液的最終返排率非常低，僅為10.5%。驅(qū)替方向與重力方向相同時(shí)，壓裂液的最終返排率非常高，達(dá)到79.3%。無(wú)重力效應(yīng)時(shí)，壓裂液的最終返排率為37.94%，雖然高于與重力方向相反的情況，但遠(yuǎn)低于與重力方向相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

通過(guò)圖6驅(qū)替照片可知，當(dāng)驅(qū)替方向與重力方向相反時(shí)，出現(xiàn)指進(jìn)現(xiàn)象，并且隨驅(qū)替時(shí)間的延長(zhǎng)，指進(jìn)現(xiàn)象越明顯，逐漸形成暢流路徑。大部分氣體流經(jīng)指進(jìn)的優(yōu)先路徑，在容器頂部產(chǎn)出，而沒(méi)有驅(qū)替支撐劑中的壓裂液。指進(jìn)現(xiàn)象的出現(xiàn)對(duì)壓裂液的返排極為不利，氣體只掠過(guò)了多孔介質(zhì)的一小部分，面積波及系數(shù)較低，即使經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，仍有大量的壓裂液殘留在地層中。因此，在壓裂液返排過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)調(diào)整壓裂液性能盡量避免指進(jìn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.2 地層壓力

使用粒徑16/30目的未經(jīng)處理的玻璃微珠填充容器，充滿純水，與重力方向相反注入氮?dú)?，穩(wěn)定控制壓力為0.5、1、1.5MPa，研究地層壓力的影響規(guī)律結(jié)果如圖7所示。與重力方向相同注入氮?dú)?，不穩(wěn)定控制注入壓力，研究壓力穩(wěn)定性對(duì)返排率的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖6 驅(qū)替方向影響下的驅(qū)替照片F(xiàn)ig.6 Displacement photos under the influence of displacement direction

圖7 地層壓力對(duì)壓裂液返排率的影響 圖8 壓力穩(wěn)定性對(duì)壓裂液返排率的影響Fig.7 Influence of formation pressure on Fig.8 The influence of pressure stability on the backflow rate of fracturing fluid backflow rate of fracturing fluid

圖9 不同地層壓力影響下的驅(qū)替照片F(xiàn)ig.9 Displacement photos under the influence of different formation pressures

圖7中返排曲線的斜率表示返排速率，在返排初期，地層壓力越高，返排速率越高，返排率越高；而隨著時(shí)間的推移，高地層壓力所對(duì)應(yīng)的返排速率有所降低，返排率下降，呈現(xiàn)出最終返排率隨地層壓力的升高而降低的規(guī)律。這主要是因?yàn)檩^高地層壓力下，驅(qū)替動(dòng)力強(qiáng)，初期返排速率快，但容易形成指進(jìn)現(xiàn)象，導(dǎo)致后期返排率下降。這可以通過(guò)驅(qū)替照片(見(jiàn)圖9)證實(shí)，觀察驅(qū)替照片發(fā)現(xiàn)，在壓力為0.5MPa條件下，只觀察到一處突破了出口端的指進(jìn)現(xiàn)象。而在1MPa和1.5MPa壓力條件下，觀察到多處指進(jìn)現(xiàn)象，并在容器底部形成明顯的分支。由圖8可見(jiàn)，穩(wěn)定的地層壓力更有利于壓裂液的返排，這是由于地層壓力的波動(dòng)導(dǎo)致返排制度的變化，從而使壓裂液不穩(wěn)定泄流，返排率較低，實(shí)際返排過(guò)程中可能導(dǎo)致地層吐砂。

由此可見(jiàn)，壓裂施工后需利用油嘴控制放噴[15,16]，一是可通過(guò)更換不同直徑的油嘴控制地層壓力，降低初期返排速率，以防止指進(jìn)現(xiàn)象的發(fā)生；二是控制地層壓力的穩(wěn)定性，防止地層能量快速衰竭，保證返排平穩(wěn)進(jìn)行，從而使盡量多的壓裂液返排。

3.3 界面張力

圖10 界面張力對(duì)壓裂液返排率的影響Fig.10 The effect of interfacial tension on the backflow rate of fracturing fluid

圖11 界面張力影響下的驅(qū)替照片F(xiàn)ig.11 Displacement photos under the influence of interfacial tension

與重力方向相反注入氮?dú)猓刂谱⑷雺毫?MPa，使用粒徑16/30目的未經(jīng)處理的玻璃微珠填充容器，分別充滿純水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、1%、1.5%、2%的異丙醇溶液，研究界面張力的影響規(guī)律，結(jié)果如圖10所示。異丙醇溶液的最終返排率明顯高于純水的返排率，高出近30%。在純水中加入異丙醇等表面活性劑能降低液體的界面張力，使液體均勻分散在支撐劑孔隙中，在驅(qū)替過(guò)程中形成了整體推進(jìn)式的驅(qū)替效果，如圖11所示，這意味著更高的面積驅(qū)替效率，從而取得更高的返排率。加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的異丙醇后，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，液體界面張力逐漸下降，最終返排率呈現(xiàn)逐漸增大的規(guī)律，但增大趨勢(shì)逐漸變緩，質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%異丙醇溶液的最終返排率與質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的返排率差別不大。由此可見(jiàn)，在壓裂液體系中，存在一個(gè)較優(yōu)的表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使最終返排率達(dá)到最優(yōu)值。在該研究條件下，異丙醇的最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%。

3.4 壓裂液黏度

與重力方向相反注入氮?dú)?，控制注入壓?MPa，使用粒徑16/30目的未經(jīng)處理的玻璃微珠填充容器，充滿純水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.015%、0.025%、0.035%、0.045%的黃原膠溶液。在60r/min的測(cè)量條件下，黃原膠溶液的黏度分別為56、123、210、324mPa·s，以此研究黏度的影響規(guī)律，結(jié)果如圖12所示。純水中加入黃原膠后，壓裂液的最終返排率明顯下降，并且隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，最終返排率逐漸降低。這是因?yàn)辄S原膠溶液的黏度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而增加，1MPa的壓力不足以克服由于壓裂液高黏度導(dǎo)致的黏滯力，而使得壓裂液的返排率明顯降低。所以，在研制壓裂液體系時(shí)，只要壓裂液能夠滿足攜砂要求，則盡量降低壓裂液的黏度，以保證壓裂液充分的返排。

3.5 支撐劑潤(rùn)濕性

與重力方向相反注入氮?dú)?，控制注入壓?MPa，分別使用粒徑16/30目的未經(jīng)過(guò)處理的玻璃微珠(親水)和已處理的玻璃微珠(親油)填充容器，充滿純水，研究支撐劑潤(rùn)濕性的影響規(guī)律，結(jié)果如圖13所示，驅(qū)替效果的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖14所示。

圖12 壓裂液黏度對(duì)壓裂液返排率的影響 圖13 支撐劑潤(rùn)濕性對(duì)壓裂液返排率的影響Fig.12 The effect of viscosity on backflow rate Fig.13 The influence of wettability on backflow rate of fracturing fluid of fracturing fluid

圖14 不同潤(rùn)濕性影響下的驅(qū)替照片F(xiàn)ig.14 Displacement photos under the influence of different wettability

由圖13可見(jiàn)，填充親油玻璃微珠的壓力液最終返排率比填充親水玻璃微珠的最終返排率高出近兩倍，說(shuō)明親油性的支撐劑更有利于壓裂液的返排。通過(guò)驅(qū)替照片(見(jiàn)圖14)觀察到，當(dāng)填充親油玻璃微珠時(shí)，表現(xiàn)出連續(xù)的氣體整體推進(jìn)驅(qū)替壓裂液的現(xiàn)象，而在親水玻璃微珠中形成了指進(jìn)的氣體通道。目前以水基壓裂液體系為主，親油性支撐劑具有疏水性，使壓裂液更容易被驅(qū)替返排，其波及系數(shù)遠(yuǎn)高于填充親水性支撐劑的多孔介質(zhì)。但對(duì)于油井壓裂后的采油，親油性的支撐劑又不利于原油的采出。因此，研究具有潤(rùn)濕自反轉(zhuǎn)能力的支撐劑，使壓裂液返排時(shí)為親油性，采油生產(chǎn)時(shí)自動(dòng)反轉(zhuǎn)為親水性，將是研究的一個(gè)重要方向。

4 結(jié)論

1)針對(duì)影響裂縫中壓裂液返排的參數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱分析，建立了無(wú)量綱變量組，推導(dǎo)了與現(xiàn)場(chǎng)工況相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)無(wú)量綱時(shí)間，開展了壓裂液返排的三維模型實(shí)驗(yàn)。

2)驅(qū)替方向與重力方向相同時(shí)，壓裂液的最終返排率最高；與重力方向相反時(shí)，由于出現(xiàn)指進(jìn)現(xiàn)象，導(dǎo)致最終返排率較低。因此，應(yīng)通過(guò)調(diào)整壓裂液性能盡量避免指進(jìn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3)壓裂液的最終返排率隨地層壓力的升高而降低，穩(wěn)定的地層壓力更有利于壓裂液的返排。因此，壓裂施工后需利用合適直徑的油嘴控制壓裂液返排。

4)壓裂液的最終返排率隨界面張力的下降而上升，但上升趨勢(shì)逐漸變緩，隨液體黏度的增加而降低。親油性的支撐劑更有利于壓裂液的返排，研究具有潤(rùn)濕自反轉(zhuǎn)能力的支撐劑將是一個(gè)重要的研究方向。