頁巖儲層超臨界CO2壓裂液濾失規律實驗研究

劉真光， 邱正松， 鐘漢毅， 孟猛（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580）

劉真光等.頁巖儲層超臨界CO2壓裂液濾失規律實驗研究[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：113-117

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頁巖儲層超臨界CO2壓裂液濾失規律實驗研究

劉真光， 邱正松， 鐘漢毅， 孟猛
（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580）

劉真光等.頁巖儲層超臨界CO2壓裂液濾失規律實驗研究[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：113-117

摘要壓裂施工過程中，壓裂液的濾失量是影響壓裂裂縫幾何形態和壓裂效果的主要因素,但目前中國還沒有對頁巖儲層超臨界CO2壓裂液濾失規律實驗方面的報道。因此，結合中國典型頁巖氣儲層特征，研究了非線性濾失條件下，不同初始相態的CO2壓裂液在地層巖心中的濾失規律，在此基礎上分析了CO2壓裂液濾失規律的主要影響因素，以及不同實驗條件下CO2壓裂液的濾失機理。實驗結果表明，CO2壓裂液的濾失規律受注入壓力、壓差、裂縫開啟度及壓裂液黏度等因素的影響，隨著注入壓力、壓差、裂縫開啟度的增大，CO2壓裂液濾失速率增大；不同濾失實驗條件下，影響CO2壓裂液濾失規律的主導因素不同，當CO2壓裂液處于超臨界狀態（7.38 MPa，31.1 ℃）時，由于黏度較大，超臨界CO2壓裂液的濾失系數相對較小。

關鍵詞頁巖儲層；超臨界CO2；壓裂液；濾失規律

Study on Filtration Property of Hypercritical CO2Fracturing Fluid for Shale Reservoirs

LIU Zhenguang, QIU Zhengsong, ZHONG Hanyi, MENG Meng
(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao Shandong 266580, China)

Abstract Filter loss of fracturing fluid plays a major role in the geometry of fractures created by the fracturing fluid and the performance of fracturing. Reports on the filtration property of hypercritical CO2fracturing fluid used in shale formation fracturing have not been found at present. Experiments have been conducted on shale reservoir cores (buried at 1,300-2,300 m, with natural fractures developed) taken from the Longmaxi Formation in Sichuan Basin, using a self-made filtration simulator, to study the filtration property of CO2fracturing fluids with different initial phase states, at 55 ℃ and (confining pressure) 20 MPa, and different injection pressures and back pressures. Analyses of the experimental data indicate that in the conditions mentioned above, the filtration coefficient of CO2fracturing fluids is between 1.00×10-4m/min0.5and 48.17×10-4m/min0.5, with the spurt loss being negative. The filtration rate of CO2fracturing fluid increases with increases in injection pressure, differential pressure, and the widths of fractures. The dominant factor affecting the filtration property of CO2fracturing fluid in different conditions is different; at hypercritical state (7.38 MPa, 31.1 ℃), the CO2fracturing fluid, because of its high viscosity, has a lower filtration coefficient.

Key words Shale reservoir; Hypercritical CO2; Fracturing fluid; Filtration property

0　引言

對于低壓低滲水敏性儲層，特別是頁巖儲層，開采之前通常需要進行體積壓裂改造，以提高采收率。常規壓裂液（清水、原油和煉制油、溶劑、乙醇等）主要存在環境保護性能差、用水量大、對儲層傷害大等缺陷。超臨界CO2壓裂液具有對儲層傷害小、返排徹底、成本低、現場易施工等優點[1-3]，是近年來非常規壓裂領域的研究熱點，具有較大的應用前景。因CO2壓裂液黏度較低，現場通常將低黏度CO2壓裂液以較高的速率泵入井眼中，以此解決對攜帶支撐劑所需的黏度要求，但這增大了CO2壓裂液的濾失量[4-5]。

壓裂液的濾失量是影響壓裂裂縫幾何形態和壓裂效果的主要因素[6]。壓裂施工過程中，濾失量越大，形成的裂縫體積越小，壓裂液的有效利用率越低，裂縫中的支撐劑含量越高，越易出現砂堵現象。壓裂施工結束后，一定的濾失速率能夠使已形成的裂縫及時閉合。若濾失速度過慢，裂縫的閉合時間增加，大量支撐劑下沉到底部，影響支撐劑在裂縫中的均勻分布，不能在整個裂縫中起到支撐作用，裂縫變窄，導致增產效果不理想[7]。目前，中國還沒有對頁巖儲層超臨界CO2壓裂液濾失規律實驗方面的報道。因此，研究了不同初始相態的CO2壓裂液在地層巖心中的濾失規律，并在此基礎上探討了CO2壓裂液濾失規律的主要影響因素， 以及在不同實驗條件下CO2壓裂液的濾失機理， 為超臨界CO2壓裂液在油氣鉆采過程中的應用提供了指導。

1　實驗部分

1.1 實驗裝置

頁巖儲層超臨界CO2壓裂液濾失模擬實驗裝置主要包括7個功能模塊：供氣和氣體增壓模塊，恒壓恒速注氣模塊，抽真空模塊，恒溫模塊，濾失模擬模塊，回壓控制系統和流量計量系統，圍壓加載模塊。其示意圖如圖1所示。所用巖心取自四川盆地龍馬溪組頁巖儲層，埋藏深度為1 300～2 300 m，巖心天然裂縫發育，分別編號為1#和2#，其中2#巖心天然裂縫發育較好。巖心基礎數據見表1。

圖1　超臨界CO2壓裂液濾失規律模擬實驗裝置示意圖

表1　巖心基礎數據

1.2 實驗方法

采用室內靜態濾失實驗的方法，模擬了55 ℃、20 MPa圍壓、不同注入壓力和回壓條件下CO2壓裂液的濾失規律。實驗過程中，首先設置溫度、圍壓和回壓值，然后利用恒壓恒速泵在巖心壓力注入端加壓。注入端的壓力不斷傳遞到回壓端，當回壓端壓力大于設置的回壓值時，回壓閥開啟，CO2壓裂液就完成了整個濾失過程。

實驗使用純度為99%的CO2氣體，采用排飽和NaHCO3溶液的方法計量濾失出的氣體量，即計量常溫常壓下一定時間內出口端氣體排開移液管（或量筒）中飽和NaHCO3溶液的體積。常溫常壓條件下，短時間內CO2在飽和NaHCO3溶液中的溶解量很小，可忽略不計。

實驗步驟如下。①將實驗巖心在150 ℃溫度下干燥24 h，徹底脫水。②使用游標卡尺準確測量巖心的直徑和長度。③將巖心放入巖心夾持器，加圍壓，然后將巖心夾持器置于恒溫水浴箱中，設定恒溫水浴箱溫度，檢查巖心夾持器的密封性。④打開恒壓恒速泵，在實驗巖心兩端施加入口壓力和回壓。⑤打開注氣口閥門，當出口開始出現氣泡時，開始計時。每隔2 min記錄排出的氣體體積。⑥改變注入壓力，重復步驟⑤。⑦改變回壓，重復步驟⑤、⑥。

1.3 實驗結果

依據SY/T 5107—2005行業標準，對靜態濾失實驗的數據進行處理，作累計濾失量對時間平方根的函數圖，并以此計算濾失系數C和初始濾失量[7-9]。

將每條濾失曲線達到穩定后的數據擬合成一條直線，如圖2所示，該擬合直線與縱坐標的截距為初始濾失量。

圖2　1#巖心、回壓0 MPa、不同注入壓力下的濾失曲線

實驗結果表明超臨界CO2壓裂液的初始濾失量為負值。另外，在實驗過程中，通過改變實驗條件，得到不同的濾失系數，其值在1.00×10-4～48.17×10-4m/min1/2之間，不同實驗條件下的濾失系數如表2所示。

2　CO2壓裂液濾失規律及機理分析

2.1 相同回壓、不同注入壓力下的濾失規律

如圖2所示，CO2壓裂液的濾失曲線大致可分為3個階段，分別為Ⅰ初始濾失階段、Ⅱ濾失通道形成階段和Ⅲ穩定濾失階段[9]。第Ⅰ階段在（0～1.5）min1/2之間，濾失系數較小；第Ⅱ階段在（1.5～6）min1/2之間，該階段是在巖心兩端壓力作用下濾失通道的形成過程[10]，濾失系數不斷增大；第Ⅲ階段在6 min1/2之后，濾失系數逐漸趨于穩定。由此可見，在巖心壓力注入端加壓后，CO2壓裂液沿著巖心內部的微裂縫流動，巖心內部閉合的微裂縫在壓力的驅動下，緩慢開啟[11]，開啟度達到最大值后逐漸趨于穩定。

表2　不同實驗條件下1#、2#巖心的濾失系數

如圖3所示，當回壓為2 MPa，在巖心壓力注入端加壓后，壓力不斷向回壓端傳遞，隨著CO2壓裂液不斷濾失到回壓端，回壓端的壓力不斷增大，超過2 MPa后，回壓閥開啟，CO2壓裂液完成整個濾失過程。由圖2、 圖3、 圖4可知， 當回壓為0～4 MPa時，濾失曲線Ⅲ階段的任意時刻，注入壓力8 MPa的濾失系數小于注入壓力6 MPa時的濾失系數， 這是因為當注入壓力為8 MPa時， CO2壓裂液處于超臨界狀態， 相對于氣態黏度較大，黏度超過壓差成為影響CO2壓裂液濾失速率的主導因素。當回壓為0～4 MPa、 注入壓力為10或12 MPa時， 巖心內部CO2壓裂液多處于超臨界狀態，濾失黏滯阻力較大， 但是巖心兩端的壓差較大， 在濾失曲線Ⅲ階段的任意時刻， 注入壓力為10或12 MPa的濾失系數大于注入壓力為6 MPa的濾失系數。

圖3　1#巖心、回壓2 MPa、不同注入壓力下的濾失曲線

圖4　1#巖心、回壓4 MPa、不同注入壓力下的濾失曲線

2.2 相同壓差、不同注入壓力下的濾失規律

如圖5所示，CO2壓裂液的濾失曲線也大致分為3個階段。當壓差一定時，在濾失曲線Ⅲ階段的任意時刻，隨著注入壓力的增大，巖心兩端的微裂縫開啟度不斷增大，濾失系數不斷增大。當注入壓力為10 MPa時，壓差為6 MPa和壓差為10 MPa的曲線幾乎完全重合。這是因為注入壓力為10 MPa、壓差為6 MPa時，巖心兩端壓差相對較小，但是巖心兩端的壓力較大，巖心兩端微裂縫開啟度相對較大；注入壓力為10 MPa、壓差為10 MPa時，壓差相對較大，但巖心回壓端壓力較小，回壓端微裂縫開啟度相對較小；在壓差和裂縫開啟度的共同作用下，這2種不同濾失條件下的濾失系數、濾失規律幾乎完全相同。由圖5、圖6可知，1#和2#巖心在相同壓差、不同注入壓力條件下的濾失規律相似。

圖5　1#巖心、相同壓差、不同注入壓力下的濾失曲線

圖6　2#巖心、相同壓差、不同注入壓力下的濾失曲線

2.3 相同注入壓力、不同回壓下的濾失規律

如圖7所示，CO2壓裂液的濾失曲線也大致分為三個階段。當注入壓力為6 MPa時，在濾失曲線Ⅲ階段的任意時刻，隨著回壓的增大，壓差不斷減小，濾失驅動力不斷減小，濾失系數不斷減小。

圖7　1#巖心、注入壓力6 MPa、不同回壓下的濾失曲線

如圖8、 圖9所示， 當注入壓力為8 MPa時，回壓2、4 MPa的濾失曲線幾乎完全重合。如圖10所示，當注入壓力達到10 MPa時， 回壓0、2、4 MPa的濾失曲線幾乎完全重合。與圖5、圖6中2條曲線重合的現象相同， 都是在壓差和裂縫開啟度共同影響下，使得不同的濾失條件下濾失規律幾乎完全相同。

圖8　1#巖心、注入壓力8 MPa、不同回壓下的濾失曲線

圖9　2#巖心、注入壓力8 MPa、不同回壓下的濾失曲線

圖10　2#巖心、注入壓力10 MPa、不同回壓下的濾失曲線

由圖8、圖9可知，1#和2#巖心在相同注入壓力、不同回壓條件下的濾失規律相似。由圖7～圖10可以看出，隨著注入壓力的增大，壓差對CO2壓裂液的濾失規律影響越來越小，當注入壓力達到10 MPa時，0～4 MPa回壓對CO2壓裂液的濾失規律幾乎沒有影響。

3　結論

1.CO2壓裂液的濾失曲線沒有明顯的分段，但大致可分為三個階段，分別為Ⅰ初始濾失階段、Ⅱ濾失通道形成階段和Ⅲ穩定濾失階段。濾失系數開始較小，隨后不斷增大，最后趨于穩定。本文實驗濾失條件下，CO2壓裂液的濾失系數在1.00×10-4～48.17×10-4m/min1/2之間，初始濾失量為負值。

2.CO2壓裂液的濾失規律受注入壓力、壓差、裂縫開啟度及壓裂液黏度等綜合因素的影響。隨著注入壓力、回壓的增大，巖心兩端的微裂縫開啟度不斷增大，CO2壓裂液的濾失系數不斷增大。隨著注入壓力的增大，壓差對CO2壓裂液的濾失規律的影響越來越小；當注入壓力為10 MPa時，0～4 MPa回壓對CO2壓裂液的濾失速率幾乎沒有影響。

3.不同的濾失條件下，巖心濾失量的主導因素不同。當注入壓力為8 MPa，回壓為0～4 MPa時，CO2壓裂液的黏度是巖心濾失量的主導因素，在濾失曲線Ⅲ階段的任意時刻，注入壓力8 MPa時濾失系數要小于6 MPa時的濾失系數。當注入壓力大于10 MPa，回壓0～4 MPa時，壓差是巖心濾失量的主導因素，在濾失曲線Ⅲ階段的任意時刻，注入壓力大于10 MPa時的濾失系數大于6 MPa時的濾失系數。

參 考 文 獻

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收稿日期（2015-8-9；HGF=1506F8；編輯 付玥穎）

作者簡介：第一劉真光，1990年生，在讀碩士研究生，主要從事油氣井工作液的研究。電話 15054205293；E-mail：456LZG@163.com。

基金項目：國家自然科學基金重點資助項目（51034007，U1262202）；中央高校基本科研業務費專項資金（10CX04010A）。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.023

中圖分類號：TE357.12

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）01-0113-05