壓裂用纖維攜砂性能影響因素分析

蓋玉葉，張貴玲，宋時(shí)權(quán)，邵紅云，牟英華，趙俊橋

中國(guó)石化勝利油田分公司 石油工程技術(shù)研究院（山東 東營(yíng)257000）

壓裂用纖維因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近年來應(yīng)用越來越廣泛。其主要是在壓裂施工過程中添加一定量纖維，依靠纖維材料形成的類似網(wǎng)狀的互繞結(jié)構(gòu)來固定支撐劑[1]，以提高壓裂液的攜砂能力，并使支撐劑在裂縫內(nèi)均勻鋪置，減少地層吐砂，從而提高改造效果。在攜砂液中添加纖維，可以提高支撐劑的輸送能力，能夠?qū)⒅蝿┹斔偷礁h(yuǎn)的位置形成較長(zhǎng)的水力裂縫，并且有助于控制支撐劑的沉降高度，從而增強(qiáng)壓裂過程中裂縫縫高的控制[2]。目前勝利油田壓裂用纖維的檢測(cè)評(píng)價(jià)是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 1020 2676—2018[3]，但實(shí)驗(yàn)人員在使用標(biāo)準(zhǔn)過程中，發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)存在壓裂用纖維攜砂性能與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用不能緊密結(jié)合，不能全面反映纖維質(zhì)量等問題。為解決現(xiàn)有方法不能真實(shí)反映其攜砂性能的問題，通過室內(nèi)研究，對(duì)壓裂用纖維的加入量、壓裂液濃度（以下濃度均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、陶粒砂比及體積密度進(jìn)行了細(xì)化研究，從而為實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)評(píng)價(jià)提供相應(yīng)的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

主要試劑有：壓裂用纖維；羥丙基瓜爾膠（工業(yè)一級(jí)品）；低中高密度陶粒。

主要儀器包括：秒表，精度±0.1 s；分析天平，感量0.001 g；燒杯（250 mL）；量筒（100 mL、500 mL）；攪拌器；玻璃棒。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)步驟:①在清水中加入一定濃度的羥丙基瓜爾膠,用攪拌器將二者混合均勻,配制壓裂液基液；②根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要加入一定量的纖維及陶粒，并混合均勻，再將混合液倒入100 mL量筒中；③將上述的壓裂液混合液置于室溫中,放置120 min，將支撐劑在量筒中的沉降體積及沉降時(shí)間記錄下來。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同纖維加量對(duì)攜砂性能的影響

按照標(biāo)準(zhǔn)要求：纖維加入量為0.5 g。但不同的纖維加入量也會(huì)影響纖維的攜砂性能，按照纖維和陶粒同時(shí)加入的方式，開展纖維濃度對(duì)攜砂性能影響的實(shí)驗(yàn)，取3個(gè)燒杯，分別在不同燒杯中放入100 mL壓裂液，同時(shí)加入0.3 g、0.5 g、0.7 g纖維及17 g陶粒，攪拌均勻，再把混有纖維及陶粒的壓裂液倒入量筒中，觀察陶粒沉降體積及沉降時(shí)間。

從表1中可以看出，當(dāng)纖維加量在一定濃度范圍內(nèi)，隨著纖維加量的增加，陶粒完全沉降時(shí)間及沉降體積也在增加，主要是由于纖維加量的增大，增強(qiáng)了其交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，從而提高了壓裂液的攜砂性能。雖然纖維的濃度能提高其攜砂性能，但由于考慮到纖維成本以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工要求[4]，標(biāo)準(zhǔn)中纖維的加量建議為0.5 g。

表1 不同纖維加量下陶粒的沉降體積及沉降時(shí)間

2.2 不同壓裂液濃度對(duì)纖維攜砂性能的影響

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，考察纖維的攜砂性能是用0.4%的羥丙基瓜爾膠溶液，但基液的濃度也會(huì)影響到纖維的攜砂性能，為此分別配制0.4%、0.5%、0.6%羥丙基瓜爾膠溶液，再同時(shí)加入17 g陶粒及0.5 g纖維，觀察纖維的攜砂性能（表2）。

表2 不同基液濃度下陶粒的沉降時(shí)間及沉降體積

從表2可以看出，當(dāng)基液在一定的濃度范圍內(nèi)，其沉降時(shí)間及沉降體積也在增大。當(dāng)濃度在0.4%～0.6%變化時(shí)，沉降體積增大18 mL，沉降時(shí)間增大13 min，這是由于隨著基液濃度的升高，基液的黏度也在逐步增加，從而提高了體系對(duì)陶粒沉降的牽制力。但結(jié)合實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，0.4%的羥丙基瓜爾膠溶液對(duì)體積密度較大的陶粒攜砂能力作用較弱，纖維作用很難體現(xiàn)。為此建議修改標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定濃度為0.5%的羥丙基瓜爾膠溶液作為攜砂液。

2.3 不同砂比對(duì)纖維攜砂性能的影響

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，每100 mL壓裂液中要求加入17 g陶粒，但實(shí)際生產(chǎn)過程中，綜合砂比為10%～20%，不同砂比的陶粒也會(huì)對(duì)纖維的攜砂性能有影響，為此展開不同砂比對(duì)沉降時(shí)間及沉降體積的影響研究。取3個(gè)燒杯，分別取10%、15%、20%砂比的陶粒，量取100 mL壓裂液倒入，再在不同燒杯中放入0.5 g纖維攪拌均勻，倒入量筒中，觀察陶粒的完全沉降時(shí)間及沉降體積（表3）。

表3 不同砂比下陶粒的沉降時(shí)間

從表3中可以看出，隨著砂比的增加，陶粒的沉降時(shí)間也在縮短，說明不同砂比的陶粒對(duì)纖維的攜砂能力影響較大，這是因?yàn)槔w維與支撐劑混合，可以使得纖維在支撐劑中分散形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[5]，將支撐劑束縛于其中，阻止支撐劑的運(yùn)移，以改善攜砂液的攜砂能力。但陶粒砂比的增大，纖維形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)比較脆弱[6-7]，影響了其攜砂能力。

2.4 不同陶粒密度對(duì)纖維攜砂性能的影響

實(shí)驗(yàn)中取粒徑425～850μm范圍的3種不同陶粒，其體積密度分別為1.47 g/cm3、1.64 g/cm3、1.84 g/cm3，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，在0.4%的基液中，加入3種陶粒17 g及0.5 g纖維，觀察陶粒的完全沉降體積及沉降時(shí)間。

從表4中可以看出，高密度陶粒的沉降體積要比中密度和低密度的沉降體積小，這是因?yàn)楦呙芴樟Ｆ渲亓σ笥谥小⒌兔芏忍樟＃杆俪两涤诹客驳撞浚c纖維難以形成致密的空間網(wǎng)狀機(jī)構(gòu)[8-9]，建議評(píng)價(jià)方法應(yīng)考慮陶粒的密度影響。

表4 不同密度下陶粒的沉降時(shí)間及沉降體積

3 結(jié)論

通過纖維攜砂性能影響因素分析實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)纖維加量在0.3～0.7 g變化時(shí)，其沉降體積增加了19 mL,沉降時(shí)間增大了11 min,說明纖維顯著改善了壓裂液的攜砂性能。當(dāng)基液濃度在0.4%～0.6%變化時(shí)，沉降體積增大18 mL,沉降時(shí)間增大13 min，說明基液濃度增強(qiáng)了對(duì)陶粒的牽制力。

2）陶粒砂比及陶粒密度的增大，會(huì)降低其沉降時(shí)間及沉降體積，也就是陶粒砂比及密度的增大，降低了纖維的攜砂能力，檢測(cè)人員應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)控制陶粒砂比的量。