疏松砂巖濾失規(guī)律研究

張麗平，鄒 劍，張?jiān)迄i，牟 媚，朱艷華，安恒序

(1.中國海洋石油有限公司 天津分公司，天津 300459；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300459)

隨著海洋油氣的開發(fā)，已逐步開始采用壓裂作為增產(chǎn)的手段。目前海上儲(chǔ)層多為疏松砂巖儲(chǔ)層，滲透率分布在10～9000 mD[1]。在中高滲儲(chǔ)層壓裂過程中，由于縫內(nèi)壓差的存在，容易導(dǎo)致壓裂液向巖石基質(zhì)內(nèi)濾失。濾失液量越大，壓裂所形成的裂縫體積越小，液體效率越低，同時(shí)濾失液量的增加也增加了砂堵的風(fēng)險(xiǎn)[2]。經(jīng)典濾失理論認(rèn)為，濾失系數(shù)主要受控于液體黏度及液體造壁性能[3]，而中高滲儲(chǔ)層短時(shí)間內(nèi)難以形成有效濾餅[4]，導(dǎo)致大量壓裂液濾失進(jìn)入地層，加劇地層孔隙中的微粒運(yùn)移及壓裂液殘?jiān)趲r石表面的吸附[5]。對于疏松砂巖儲(chǔ)層壓裂增加液體黏度，能明顯降低濾失液量[6]，同時(shí)濾失系數(shù)與濾失液量呈正相關(guān)。

為明確疏松砂巖儲(chǔ)層濾失規(guī)律，本文采用巖板模擬中高滲巖心進(jìn)行靜態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)，分別設(shè)置不同壓差在不同滲透率巖板中進(jìn)行濾失系數(shù)研究。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5107-2016水基壓裂液性能評價(jià)方法》進(jìn)行，所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括：氮?dú)馄俊p壓閥、壓力表、高溫高壓靜態(tài)失水儀、掃描電鏡、線切割儀器等。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

天然疏松砂巖巖心非均質(zhì)強(qiáng)、強(qiáng)度低，在實(shí)驗(yàn)中易碎，脫落的顆?？赡茉斐稍O(shè)備堵塞，并且在高滲儲(chǔ)層中壓裂液濾失不一定能形成有效濾餅，不適用于濾失實(shí)驗(yàn)。通過掃描電鏡實(shí)測天然疏松砂巖巖樣孔徑為30～300 μm，如圖1所示。市面現(xiàn)有定孔徑濾紙孔徑過小，均小于 25 μm，不能模擬天然巖心孔喉范圍。

圖1 天然巖心孔喉尺寸(綠色為尺寸標(biāo)定)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，人工壓制不同滲透率的固結(jié)巖心。采用線切割制成直徑 50 mm，厚 5 mm 的目標(biāo)尺寸巖板(如圖2所示)，同時(shí)切割標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖樣，測滲透率，結(jié)果如表1所示。所有實(shí)驗(yàn)用巖板均采用3%KCl負(fù)壓飽和。

表1 濾失用巖板對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖樣滲透率

圖2 制備巖樣及線切割后巖板(左下)

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)參考室內(nèi)靜態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)方法開展膠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%、不同壓差條件下的濾失系數(shù)測試實(shí)驗(yàn)，用氮?dú)庠跒V失介質(zhì)兩端形成濾失壓差，研究室溫下不同濾失壓差下的壓裂液濾失規(guī)律。單次實(shí)驗(yàn)壓裂液用量 400 mL，濾失 121 min，打開閥門測試11個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)(1、4、9、16、25、36、49、64、81、100、121 min)的濾出液體積，實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

表2 巖板濾失實(shí)驗(yàn)方案

2 結(jié)果與討論

不同滲透率及壓力下的巖板濾失實(shí)驗(yàn)如圖3所示。儲(chǔ)層滲透率與縫內(nèi)壓差是影響壓裂液累計(jì)濾失量最重要的兩個(gè)因素。通過實(shí)驗(yàn)看出，在相同滲透率下累計(jì)濾失量隨著壓差的增加而增加；對比不同滲透率的濾失情況看出，隨著滲透率的增加，濾失液量明顯增大。

圖3 不同滲透率巖板在不同壓力下的累計(jì)濾失量

在相同壓差條件下，對比不同滲透率(100 mD、1500 mD 與 3 000 mD)巖板的濾失累計(jì)液量看出(如圖4、圖5)，在低縫內(nèi)壓差的情況下，不同滲透率巖板累計(jì)濾失液量差別不大，這是由于在低壓差作用下凍膠易在巖板表面形成濾餅，且濾失系數(shù)相當(dāng)，此時(shí)濾失主要受壓裂液自身性能影響。隨著滲透率的增加，尤其在壓差較大的情況下累計(jì)濾失液量明顯增加。這是因?yàn)楫?dāng)縫內(nèi)壓力逐漸升高，儲(chǔ)層滲透率成為影響濾失的主導(dǎo)因素，高滲透率會(huì)明顯增加壓裂液的累計(jì)濾失量。

圖4 低壓差下不同滲透率巖板的累計(jì)濾失液量

圖5 高壓差下不同滲透率巖板的累計(jì)濾失液量

計(jì)算不同滲透率巖板與不同壓差條件下的濾失系數(shù)，發(fā)現(xiàn)濾失液量與濾失系數(shù)受縫內(nèi)壓差的影響，相同滲透率條件下隨著縫內(nèi)壓差的增加濾失液量與濾失系數(shù)均增加，如圖6圖7所示。同一巖板滲透率下擬合濾失系數(shù)與壓差，發(fā)現(xiàn)濾失系數(shù)與壓差的指數(shù)呈線性關(guān)系。

圖6 巖板濾失系數(shù)與壓差關(guān)系

圖7 巖板累計(jì)濾失量與壓差關(guān)系

對比相同縫內(nèi)壓差下不同滲透率的濾失系數(shù)，如圖8所示?？梢钥闯?，相同縫內(nèi)壓差條件下的濾失系數(shù)相當(dāng)，濾失系數(shù)基本不受滲透率影響，濾失系數(shù)敏感于縫內(nèi)壓差。高滲透率巖板受較大孔徑的影響，在大于 1 MPa 壓差的情況下，短時(shí)間內(nèi)無法形成濾餅，初濾失量大帶來了較高的濾失液量。而當(dāng)濾餅形成后，濾失系數(shù)受造壁性能的影響，濾餅在巖板表面形成了有效遮擋。

圖8 巖板累計(jì)濾失系數(shù)與滲透率關(guān)系

3 結(jié)論

通過設(shè)置不同滲透率巖板在不同壓差下的濾失實(shí)驗(yàn)，得出：

1)在低縫內(nèi)壓差(小于 1 MPa)的情況下，壓裂液濾失主要受自身性能影響，與滲透率無關(guān)。隨著縫內(nèi)壓差的增加，在高縫內(nèi)壓差(大于 1 MPa)的情況下，壓裂液濾失液量明顯受滲透率影響，高滲透率巖板受大孔徑的影響，初期難以形成濾餅，初濾失液量大，同時(shí)高滲透率會(huì)明顯增加壓裂液的累計(jì)濾失量。

2)儲(chǔ)層滲透率與縫內(nèi)壓差是影響累計(jì)濾失液量的兩個(gè)關(guān)鍵因素，但當(dāng)濾餅形成后，濾失系數(shù)受控于壓裂液自身造壁性能，儲(chǔ)層滲透率基本不影響濾失系數(shù)。對同一滲透率條件下濾失系數(shù)與壓差的關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)濾失系數(shù)與壓差的指數(shù)呈線性關(guān)系。