压裂液降滤失性能的实验研究.pdf

2 0 1 6年第 2期 童 堪茬 科技 1 5 3 数 字化 矿 山 压裂液降滤失性能的实验研究 杨聪萍，赵运祥，郭大立 西南石油大学理学院，四川 成都 6 1 0 5 0 0 摘要本文对常规聚合物压裂液滤失机理进行了实验分析，重点研究了具有造壁性压裂液的受滤饼控制的滤失系数 c 。 实验发 现 在滤失的初始阶段 ，滤 失速度较快 ，短 时间后 滤饼 形成并不断增厚 ，滤失速度减慢并趋于稳定。通过降滤失 实 验 对比分析 ，降滤失剂浓度 为 4 ％ 比浓度 为 1 ％ 的滤失 系数 降低 了 4 1 ． 0 4 ％，说明 了降滤失效果好。 关键 字压裂液滤失滤饼滤失 系数滤失速度 中图分 类号T E 3 1 2 文献标识码B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 6 6 Ex pe r i m e n t a l s t udy o n t he pr o pe r t y o f f r a c t ur i ng flu i d l o s s Ya n g Co n g p i n g Zh a o Yu n - x i a ng Gu o Da l i F a c u l t y o f s c i e n c e o f S o u t h we s t P e t r o l e u m Un i v e r s i ty, S i c h u a n Ch e n g d u 6 1 0 5 0 0 Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r , t h e fi l t r a t i o n me c h a n i s m o f c o n v e n t i o n a l p o l y m e r f r a c t u r i n g fl u i d i s a n a l y s e d t h r o u g h t h e e x p e r i m e n t ． W e h a v e e mp h a t i c a l l y s t u d i e d o n t h e fi l t r a t i o n c o e ffi c i e n t C3 wh i c h i s c o n t r o l l e d b y t h e fi l t e r c a k e ． T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e fi l t r a t i o n r a t e i s v e r y f a s t i n t h e i n i t i a l s t a g e o f t h e fi l t r a t i o n ． W i t h t h e p a s s a g e o f t i me ， t h e fi l t e r c a k e i s g e t t i n g mo r e a n d mo r e t h i c k e r , a n d fi l t r a t i o n r a t e i s s l o we d d o wn a n d t e n d s t o b e s t a b l e ． T h e fil t r a t i o n c o e ffi c i e n t o f f r a c t u r i n g fl u i d r e d u c e d b y 4 1 ． 0 4 ％ wi t h t h e i n c r e a s e o f c o n c e n tr a t i o n s o f t h e fi l tra t e l o s s a d d i t i v e f r o m 1 ％ t o 4 ％ b y c o mp a r i n 2 t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s ．I t s h o ws t h a t t h e fl u i d l o s s e ffe c t i S we l 1 ． Ke y W o r d s p r o p e r t y o f fra c t u r i n g fl u i d l o s s fi l t e r c a k e fi l t r a t i o n c o e ffi c i e n t fi l tr a t i o n r a t e 我国煤层气藏大多属于中高煤阶孔渗差，必须 经过水力压裂后才能投产。水力压裂过程中，压裂 液通过高压手段被挤入地层。压裂液的液相在强大 的压差作用下会滤失在地层中，大量滤失的压裂液 在地层中累积会大大地增加造缝难度，同时也难以 形成较宽的裂缝，另一方面压裂液的滤失系数较高 会造成携砂液在裂缝中提前脱砂形成砂堵。在煤储 层水力压裂过程中，必须有效控制压裂液的滤失系 数和滤失速度，以免过早出现脱砂，缩短主裂缝的 穿透度 ，降低压裂效果 [ 1 - 2 ] o因此 ，必须选择合理的 压裂液体系，有效的降低压裂液滤失，形成有效滤 饼 ，并使形成的滤饼降低对裂缝渗透率的伤害 口 ] 。 因此 ，开采煤层气的一个很关键的因素就是有效地 控制压裂液向煤层中的滤失。 1 滤失机理分析 为了便于对压裂液滤失机理研究和滤失模型的 收稿 日期2 0 1 5 1 0 1 3 作者 简介杨聪 萍 1 9 9 0 一，女 ，陕西渭 南人 ，硕 士 ，主要从 事煤层气储层增产措施改造研究。 建立，通常假设压裂液从压裂裂缝到地层是一维流 动的，并且流动总是垂直于压裂裂缝的壁面。通过 简化之后 ，全部的问题就可以用三个流体滤失系数 来描述 [ 4 - 7 1 。 经典滤失理论认为压裂液在地层中的滤失受三 种机理的控制，分别为滤液粘度、地层流体的压缩 性及压裂液的造壁性。尤其是压裂液造壁性 ，它是 压裂液滤失影响因素的关键所在。压裂液综合滤失 系数 C控制着压裂液的滤失速度，它是综合以上三 种机理定义出来的。影响综合滤失系数 C的三个因 素就是受压裂液粘度控制的滤失系数 C 、受地层 流体压缩性控制的滤失 系数 C 和造壁性滤失系数 C ，其表达式分别为 c I _ 0 ．1 7 ll j L J C 2 - 0 _1 3 8 4 f。 L j l 5 4 瞧蒺 斜技 2 0 1 6 年 第 2 期 式 中 一 地层有效渗透率 ， m ； 一 缝中净压差 ，MP a ； 一 地层孑 L 隙度，无因次； 一 压裂液视粘度，MP a S ； C 厂一地层流体综合压缩系数， MP a 一 ； G一实验室所测造壁性滤失系数，m ／ mi n ； A p 一实验压差 ，MP a 。 从式 1 中看到，滤失系数 C 与地层参数 ， 缝内外压差 及压裂液粘度 有关。压裂液粘度越大， C 值越小，几个参数值不变时，C 。 值是个常数。但 是在实际滤失过程中，裂缝中各点的滤失速度是不 同的。 C 在一定的地层与流体粘度参数下主要受压力 差 和综合压缩系数 C f 的影响。 压裂液滤失受三种机理控制 ，其综合滤失系数 C可按调和平均法计算 ，计算公式为 4 一 q， C C C C 分压降法计算综合滤失系数为 一 2 C 1 C 2 c 3 5 ～ C 1C 3 √ C 12 4 在相同条件下，使用分压降法计算综合滤失系 数比调和平均法更为合理、准确 ，但调和平均算法 简单 ，仍在普遍使用。 2 压裂液滤失过程 压裂液滤失过程中，一般以瞬时滤失、动态滤 失 、静态滤失来描述滤失性能 的好坏 。 瞬时滤失也称为初滤失，在这段时间内没有形 成滤饼 ，滤失经历的时间短 ，滤失速度很快 ，过程 中滤失速率逐渐降低，最终达到稳定。 滤失的第二阶段是动态滤失 ，压裂液在裂缝表 面逐渐形成滤饼，滤饼不断增厚 ，滤失到一定的时 间后 ，滤失速度减慢 ，此后压裂液继续滤失但滤饼 将不再增厚。 第三阶段为静态滤失，虽然压裂液已经在裂缝 表面形成滤饼 ，但仍然继续滤失，只是滤失速度非 常小 。 通过对上述压裂液的滤失量分析，可以得出， 瞬时滤失在很短时间内滤失速率很大；动态滤失时 间比较长， 滤失速率趋于平缓；静态滤失滤失速率 非常小。 3 实验准备及实验过程 3 ． 1实验原 理 实验方法采取静滤失 ，根据经典的压裂液滤失 评价理论 加 ] ，假设滤失速度和滤失时间的平方根成 反比。用压裂液在滤纸上的滤失数据 ，将滤液体积 对滤失时间平方根作图，再根据公式 6 ，计算 得到具有造壁性压裂液的受滤饼控制的滤失系数 。 滤失速度 和初滤失量 按下式计算 G 0 ． 0 0 5 m 6 以 G _ 声 7 t 8 以 式中 C 3 一受滤饼控制的滤失系数 ，ml ／ ； 1 T I 一滤失曲线的斜率 ，ml ／、 ； 一 滤失 面积 ，c m ； u c 一 滤失速度，m ／ mi n ； t 一滤失时间，mi n ； 一 初滤失量 ，m ／ m ； h一滤失曲线直线段与 Y轴的截距 ，c m 。 3 - 2实验 流程 测定不含支撑剂的压裂液在一定温度和压力下 通过滤纸的滤失性。测定温度为压裂液适用温度范 围。试验压差为 3 ． 5 MP a ，回压按仪器要求确定。 a 加样在测试筒中装人仪器规定量的压裂液 样品，放置 2片圆形滤纸 滤纸面积为 2 2 ． 6 c m2 ， 装好滤筒并放进加热套内。 b 对样品加热、加压按仪器说明书，给滤筒 施加初始压力，在 3 0 mi n内加热到测定温度。 c 测试当温度达到测定温度 ， 试验压差为 3 ． 5 MP a ，滤液开始流出，同时记录时间、滤液的累积 滤失量 ，精确到 0 ． 1 ml ，测定时间为 3 6 mi n ，测定 过程中，温度允许波动为 5 o C 。 3 - 3 实验 配方 实验采取两种不同的压裂液体系，即压裂液 1 和压裂液 2 ，在两种压裂液体系中降滤失剂浓度为 】 ％～5 ％ 2 0 1 6年第 2期 娃茬 科技 l 5 5 3 ． 4实验结果与分析 在降滤失实验开始时，由于压裂液穿过滤纸时 ， 滤纸上还没有形成滤饼 ，在很短的时间内可能会发 生穿滤现象 ，此阶段为瞬时滤失阶段。随着滤纸表 面逐渐形成滤饼并且增厚 ，流动阻力也趋向于定值 ， 滤失速度减小并趋于稳定。 实验记录了压裂液滤失 3 6 mi n的数据，每 6 mi n 取一个点，画出图 1 所示的压裂液滤失速度与时间 关系的趋势图，可以看出压裂液在地层中的滤失速 度随滤失时间的增加而减小。在滤失初期，滤失速 度下降比较快，在压裂液滤失大致 1 5 mi n 后逐渐减 小并趋于稳定。这是 由于在压裂施工初期，压裂液 在裂缝表面还没有形成有效滤饼，滤失速度比较快 ， 在压裂液滤失一段时间后，滤饼逐渐形成并增厚 ， 压裂液的滤失速度迅速降低并趋于稳定状态，此时 压裂液的滤失受时间的影响较小。 图 1 压裂液的 滤失速度 与时间的关 系 利用记录的压裂液滤失 3 6 分钟数据 ，通过滤 液体积对滤失时间平方根作图，得出斜率和截距 ， 并利用式 6 、 7 、 8 算出降滤失剂的性能参数。 图 2 不 同降滤失 剂浓度 的滤失 系数 关 系 如图 2所示 ，随着降滤失剂浓度 的增大，压裂 液的滤失系数逐渐下降。结合表 1 综合对 比分析得 到降滤失剂浓度为 1 ％- 4 ％时，压裂液的滤失 系 数迅速降低；在降滤失剂浓度为 4 ％时，压裂液的 初滤失量较小且滤失系数下降趋于平缓。说明 4 ％ 浓度的降滤失剂在控制压裂液的初滤失量与造壁性 滤失系数 c 3方面很有效。同时相比之下降滤失剂 浓度 为 4 ％ 时也最为经济 。 表 1 压裂液的降滤失性能参数 降滤失 滤失 滤 失系数 降 压裂液 剂浓度 系数 低 的百分 比 1 ％ 9 ． 0 3 9 8 第一种配方 4 6 I 3 3 ％ 4 ％ 4 ． 8 5 21 1 ％ l 1 ．0 3 7 2 第二种配方 3 5 ．7 5 ％ 4 ％ 7 ．O 9l 1 降滤失剂的滤失系数平均降低百分 比 4 1 ． 0 4 ％ 从表 1 可以看出降滤失剂浓度为 4 ％的配方与 降滤失剂浓度为 l ％ 的配方相 比，滤失系数平均降 低了 4 1 ． 0 4 ％，说明了降滤失效果好。 4 结论 1 在滤失实验开始时， 由于压裂液穿过滤纸时， 滤纸上还没有形成滤饼，在短时间内都会发生穿滤 现象 ，所以在瞬时滤失阶段 ，压裂液的滤失量比较 高。当具有造壁性压裂液在滤纸上形成较完善的滤 饼后 ，压裂液的滤失速度越来越小并且滤失总量趋 于平稳 。 2 压裂液在地层中的滤失速度随滤失时间的增 加而减小。在滤失初期 ，滤失速度下降比较快 ，在 滤失大致 1 5 mi n后趋于稳定 ，并逐渐减小。 3 随着压裂液的降滤失剂浓度的增大，滤失速 度迅速减小 ， 并在降滤失剂浓度为4 ％时出现拐点， 此时压裂液的滤失系数下降趋于平缓且最为经济。 【 参考文献 】 [ 1 ] 王鸿勋 ． 水力压裂原理 [ M] ． 天然气开发技术， 1 9 8 7 2 6 0 ． 2 6 2 ． [ 2 ] 李莹 莹，任 维娜 ，杜希瑶，等 ． 煤层气井压裂 液 滤 失对 储 层 伤 害评 价 [ J ] ． 天 然 气 开发 技 术 ， 2 0 1 3 2 6 0 ． 2 6 2 ． [ 3 ] 曾晓慧，郭大立，王祖文，等 ． 压裂液综合滤失 系数的计算方法研 究 [ J ] ． 西南石油学院学报 自 然科学版 ，2 0 0 5 ，2 7 5 5 3 ． 5 6 ． [ 4] 林波 ． 压裂液滤失控制技术研究 [ D ] ． 西南石油大 学。2 0 1 2 ．