絨囊流體提高巖石力學(xué)強(qiáng)度作用機(jī)制

陳步高

中國(guó)石化勝利油田魯明油氣勘探開發(fā)有限公司 山東 東營(yíng) 257000

在石油天然氣資源勘探開發(fā)過程中，巖石力學(xué)強(qiáng)度影響鉆完井過程的井壁穩(wěn)定、壓裂過程的裂縫擴(kuò)展、開采過程中的采收率等，是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性能。在原始狀態(tài)下地層巖石處于平衡狀態(tài)，然而在勘探開發(fā)過程中，巖石與流體接觸時(shí)會(huì)使巖石力學(xué)強(qiáng)度發(fā)生改變，明確流體與地層間相互作用的機(jī)理從而采取相應(yīng)措施可以避免井壁失穩(wěn)、裂縫擴(kuò)展失控、儲(chǔ)層出砂等復(fù)雜情況的發(fā)生[1-2]。絨囊流體作為一種新型的工作流體，廣泛應(yīng)用于鉆完井[3]、酸化壓裂[4]、修井[5]、提高采收率[6]等石油工程的各個(gè)領(lǐng)域，室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用均表明其可以提高巖石力學(xué)強(qiáng)度[7]，然而其作用機(jī)理不明確，影響了絨囊流體的推廣應(yīng)用，為此采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與力學(xué)原理相結(jié)合的方法，研究了絨囊流體提高巖石強(qiáng)度的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

實(shí)驗(yàn)材料：囊層劑、絨毛劑、囊膜劑、囊核劑，北京力會(huì)瀾博能源技術(shù)發(fā)展有限公司；氯化鉀，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司，分析純級(jí)；巖心柱塞：50 mm×25 mm，產(chǎn)地中國(guó)四川（露頭）。

實(shí)驗(yàn)儀器：六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì) ZNN-D6B，山東美科儀器有限公司；高溫高壓巖石三軸流變儀TAR-1500型，長(zhǎng)春暉陽科研儀器有限公司；儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)系統(tǒng)，海安華達(dá)石油儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

取500 mL蒸餾水按1.3%囊層劑+0.8%絨毛劑+0.15%囊膜劑+1%囊核劑配方用高速攪拌機(jī)配制絨囊流體。取500 mL蒸餾水按1.3%囊層劑+0.8%囊毛劑配方用高速攪拌機(jī)配制絨囊基液。將配制好的液體靜置30 min，利用密度計(jì)、六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)分別測(cè)定2種流體的密度、流變性。

將巖心放在飽和裝置內(nèi)，加入模擬地層水（8%氯化鉀溶液）飽和巖心24 h；將飽和后的巖心取出放入儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)系統(tǒng)巖心夾持器中，將配制好的絨囊流體加入中間容器中；打開恒流恒壓泵以0.05 ml/min流量驅(qū)替，注入1.5 PV工作液后停止實(shí)驗(yàn)，記錄驅(qū)替時(shí)間、驅(qū)替壓力。

將封堵后的巖心取出，用熱縮管封裝后裝入高壓釜內(nèi)，安裝軸向變形傳感器和徑向變形傳感器（LVDT）并調(diào)節(jié)至中間位置；密封壓力室并向壓力室泵入圍壓油，通過高壓泵施加圍壓15 MPa；打開計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)好程序一切進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，開啟軸向壓力控制器進(jìn)行軸向加載，直至巖心破壞。記錄加載時(shí)間、軸向差應(yīng)力、軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變等。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集記錄加載過程中巖樣的應(yīng)力和應(yīng)變，直至巖樣產(chǎn)生破壞，停止加載。

2 結(jié)果與討論

2.1 液體性能評(píng)價(jià)

絨囊基液與絨囊流體的性能測(cè)量結(jié)果見表1。由表1可知，在聚合物加量相同的情況下，絨囊流體因其體系內(nèi)含有絨囊，使得密度降低了0.16 g/cm3，而體系的表觀粘度、塑形粘度、動(dòng)切力、初切、終切分別提高了24.5 mPa·s、10.0 mPa·s、14.79 Pa、4.60 Pa、5.00 Pa，說明絨囊可以提高體系的粘度及切力進(jìn)而具有提高體系的封堵能力的潛力。

流體類型 ρ g/cm3 AV mPa·s PV mPa·s YP Pa τ10s τ10min Pa絨囊基液 1.01 52.5 21.0 32.13 11.24 13.50絨囊流體 0.85 77.0 31.0 46.92 15.84 18.50 Pa

2.2 封堵性能評(píng)價(jià)

室溫下絨囊流體、絨囊基液、地層水對(duì)天然巖心的注入結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出在相同的注入體積下，不同流體對(duì)巖心的封堵壓力隨時(shí)間變化相差較大。地層水在注入過程中壓力上升比較平穩(wěn)，在210 min后達(dá)到平衡，注入1.5 PV后停止此時(shí)壓力僅為0.90 MPa。絨囊基液在注入過程封堵壓隨時(shí)間的變化分成3個(gè)階段，第一階段封堵壓力隨時(shí)間的增加緩慢增加，第二階段隨著時(shí)間的增加封堵壓力快速增加達(dá)到最大值，第三階段隨時(shí)間的增加壓力開始波動(dòng)，注入1.5 PV后停止此時(shí)最大的封堵壓力為3.24 MPa。絨囊流體對(duì)巖心的暫堵分成2個(gè)階段，第一階段隨時(shí)間的增加封堵壓力緩慢上升，第二階段隨時(shí)間的增加封堵壓力快速增加，直至注入1.5 PV后停止，此時(shí)最大封堵壓力可達(dá)9.91 MPa。對(duì)比注入曲線發(fā)現(xiàn)：水不具有封堵性能，注入壓力增長(zhǎng)緩慢且壓力最低；在相同的聚合物加量及實(shí)驗(yàn)條件下，絨囊增加體系封堵壓力可達(dá)6.67 MPa，說明絨囊對(duì)體系的封堵性能影響較大。

圖1 不同流體封堵時(shí)間-壓力曲線

2.3 不同流體注入后巖石力學(xué)參數(shù)變化量性能評(píng)價(jià)

不同類型的流體作用好巖石力學(xué)參數(shù)的變化情況不同，從圖2中可以看出，對(duì)于巖心抗壓強(qiáng)度而言，飽和時(shí)最大，飽和后均有所降低，但是注入流體后的情況相差較大。飽和后注入地層水抗壓強(qiáng)度降低明顯，飽和后注入絨囊基液在原基礎(chǔ)上降低了4.42 MPa，而飽和后注入絨囊流體時(shí)在原基礎(chǔ)上提高了10.02 MPa。未飽和的巖心彈性模量最高，飽和后彈性模量最低，但注入封堵性能較強(qiáng)的流體后彈性模量較飽和后巖心明顯提高，注入絨囊基液后彈性模量提高了4.11 GPa，注入絨囊流體后彈性模量提高了6.51 GPa。未飽和巖心的泊松比為0.25，飽和后巖心的泊松比增加到0.49，而注入封堵性流體后巖石的泊松比明顯降低，當(dāng)注入絨囊基液時(shí)泊松比降低了0.16，當(dāng)注入絨囊流體時(shí)泊松比降低了0.25。對(duì)比絨囊基液與絨囊流體的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的聚合物加量條件下及實(shí)驗(yàn)條件下，絨囊可以提高巖心的力學(xué)參數(shù)。

圖2 不同條件下巖石力學(xué)參數(shù)變化

3 提高巖石力學(xué)強(qiáng)度作用機(jī)制

由前文可知絨囊是改變巖石力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)鍵。根據(jù)有效應(yīng)力原理，巖心受到的外部載荷等于孔隙水壓與巖石有效應(yīng)力之和[8]。飽和后巖心內(nèi)部充滿了地層水，但是水不具有封堵性能。當(dāng)巖石受外力壓縮時(shí)地層水會(huì)流到巖石之外，沒有產(chǎn)生孔壓，外力全部由巖石承擔(dān)，所以其抗壓強(qiáng)度、彈性模量較小，泊松比最大。飽和后注入的絨囊基液體系內(nèi)有水化后的高分子，具有一定的封堵性能，但是結(jié)合封堵實(shí)驗(yàn)和巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)可知其封堵性能較弱，如圖2所示絨囊基液只在彈性變形階段提高了巖石時(shí)的強(qiáng)度，表現(xiàn)為巖石的彈性模量增加了4.11 GPa，但達(dá)到了突破壓力后封堵產(chǎn)生的孔隙壓力減小，所以對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較小。飽和后注入的絨囊流體因體系內(nèi)含有絨囊，封堵能力較強(qiáng)，在巖石受壓縮變形過程中絨囊產(chǎn)生了封堵力，使巖心內(nèi)部產(chǎn)生了較大的孔隙壓力，這個(gè)壓力與巖石的骨架顆粒共同承擔(dān)外力。當(dāng)巖石的骨架強(qiáng)度一定時(shí)，絨囊的封堵力使巖石可以承擔(dān)更大的載荷，從圖2中可以看出注入絨囊后比注入地層水、絨囊基液后巖石的強(qiáng)度整體提高，表現(xiàn)為巖石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量分別提高了10.02 MPa、6.50 GPa，泊松比減小了0.18。由此可知絨囊流體提高巖石力學(xué)強(qiáng)度的作用機(jī)制是絨囊增強(qiáng)了體系封堵能力，在巖心受外力變形時(shí)產(chǎn)生孔隙壓力承擔(dān)了部分外力，所以整體上提高了巖石的強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

（1）在相同聚合物含量的條件下，體系內(nèi)因絨囊的存在，降低了體系的密度，增加了體系的表觀粘度、塑形粘度、動(dòng)切力、初切、終切，提高了體系的封堵能力及注入后的巖石強(qiáng)度。囊流體提高巖石力學(xué)強(qiáng)度的作用機(jī)制是注入巖心內(nèi)部的絨囊流體，在巖石壓縮變形過程中產(chǎn)生孔隙壓力即封堵力，巖石的骨架顆粒與孔隙壓力共同承擔(dān)外力，使巖石的強(qiáng)度整體提高。

（2）絨囊流體作為一種含氣核的流體，其封堵性能還受地層環(huán)境如溫度、壓力的及地層本身物性如孔隙度、孔喉半徑等影響，還應(yīng)進(jìn)行相關(guān)研究。