北美压裂液滤失性的评价方法概述

刘付臣 周晓金 杨振周 赵曼玲

(1.中国石油休斯敦技术研究中心，北京 100028；2.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 102206；3.中国石油西南油气田页岩气开发研究院，四川 成都 610000)

0 引言

压裂技术是油气藏增产的一个重要手段，广泛应用于常规和非常规开采中，许多储层不压裂增产的话就不能经济地产出油气。其中压裂液的性能在作业中起到至关重要的作用，而满足压裂施工中的压裂液需要有足够的粘度在储层产生裂缝并促使裂缝向储层内部扩展，从地面携砂(支撑剂)进入裂缝并使支撑剂在裂缝中均匀分布，同时保证裂缝闭合时破胶返排、留下高导流率的支撑剂填充层。

北美对压裂液的性能评价标准和方法一般包括压裂液粘度[1]和流变性能测试[2]、静态滤失性能测试、动态滤失性能测试、降阻性能测试、和清洁性能测试。本文主要介绍北美压裂液的静态滤失性能测试和动态滤失性能测试评价方法。

1 滤失性能的评价标准

压裂液的滤失可以从静态滤失和动态滤失两个方面来进行评价，其中，动态滤失可以更好地模拟压裂施工现场。国际标准化组织(ISO)在2006年给出了对增产改造液的静态滤失评价方法(ISO 13503-4:2006，Procedure for measuring stimulation and gravel-pack fluid leakoff under static conditions)[2]，又在2014年添加了对完井液的动态滤失评价方法(ISO 13503-6:2014，

Procedure for measuring leakoff of completion fluids under dynamic conditions)[3]。以下的内容主要来源于ISO 13503-4:2006[2]和ISO 13503-6:2014[3]。

2 静态滤失性能的评价标准

静态滤失评价标准ISO 13503-4:2006不考虑液体试样与多孔滤失介质在测试中发生反应情况。

2.1 压裂液试样制备

标准认为，试样制备方法和步骤可能会影响其性能，应该按以下所列准确记录试样制备的步骤进行：(1)基液组成；(2)对基液的预处理，例如过滤；(3)压裂液试样的制备，从基液开始描述，例如去离子水，某处自来水，某处海水，或某类有机溶液；(4)搅拌设备、搅拌杯体积、总试样体积；(5)搅拌速度和搅拌时间；(6)添加组分及其用量；(7)各组分添加顺序和添加方法；(8)测量前静置/老化时间；(9)测试温度；(10)pH(水基压裂液)；(11)其他可能会对测试结果产生影响的制备方面的信息。

标准特别强调：在所有的制备步骤中，应该尽量减少将空气带入压裂液试样中。

2.2 测量方法

滤失测试通过测量液体滤失进入多孔介质的速率来计算滤失系数，从而对完井施工的工程设计提供指导。测试报告提出测试按该标准进行，就应该完全地遵循该标准中给出的步骤。在进行测试时，要确保压裂液试样不会与测试仪器接触面反应产生污染物，不会改变测量组件的关键尺寸，并且不会损害测量时的机械操作。标准并不要求一定要使用某一类型的滤失筒，但采用的滤失筒必须允许使用滤纸、或天然或合成岩心作为过滤介质，并且过滤介质在滤失筒内的安装必须保证液体试样不会绕过过滤介质从出口流出。当测试温度高于滤液的沸点，滤失测试设备上必须采用回压接收器。滤失筒和回压接收器的极限使用条件最低应为1.0342MPa和121℃。

测试最好选用渗透率和孔隙度类似于计划压裂地层的天然岩心作为滤失介质，也可采用物理性能与天然岩心类似的合成多孔介质。用于测试的岩心应切割成2.54cm长、直径为2.54cm的圆柱体，并预先测定岩心对空气的渗透率，再用基液或合成地层液(例如2wt% KCl或4 wt% NH4Cl)饱和。如果不知道地层液的成分，也可以用不与岩心基质矿物发生反应的惰性盐水饱和。

2.3 数据分析

在直线坐标上用滤失体积对时间(min)作图，如果得到的滤失曲线为线性，那么该滤失是由粘度控制的，如果为非线性，那么滤失取决于试样的造壁性能。

如果滤失体积对时间(min)为线性，用以下公式计算出滤失控制系数

式中：k为对液体的渗透率(D)；φ为滤失介质的有效孔隙度；ΔP为滤失介质两边的压差(Pa)；µ为滤液在测试温度下的粘度(Pa·s)。

如果发现滤失体积对时间(min)为非线性，那么用滤失体积(mL)对时间的平方根作图，将最后三个数据点(常见的为16min、25min、和36min)形成的直线反推回纵坐标轴，得到时间为0时的截距，再计算出该直线的斜率。得到这两个数值后，可以用以下公式计算出造壁系数初滤失量SL(m3/m2)为：

式中：m为滤失曲线的斜率为多孔介质的截面面积(m2)；b为在时间为0时的滤失体积(m3)。

3 动态滤失性能的评价标准

动态滤失测试是指压裂液剪切流过岩心表面时的滤失。在动态条件下，滤饼的形成和压裂液的滤失行为与静态条件下不同。室内滤失试验显示：对低渗透率(<1.0mD)地层的滤失，存在一个动态效应；这是由于压裂液会在低渗透率岩心表面形成滤饼，而且滤饼的厚度取决于剪切效果。而当地层的渗透率高于50mD时，压裂液只形成很少量的滤饼，因此这个动态效应则较小。动态滤失系数通过对以时间和时间的平方根为变量的滤失量进行二次回归得到。同样，动态滤失评价标准ISO 13503—6:2014只适用于液体试样与多孔滤失介质在测试中不发生反应的情况。采用支撑剂导流筒进行动态测试时，岩心尺寸应根据导流筒的尺寸来设计，但厚度最小不小于9.5mm。动态滤失测试支撑剂导流筒示意图如图1所示。

图1 动态滤失测试支撑剂导流筒示意图

3.1 测试步骤

(1)将岩心用盐水进行饱和，并测量岩心对盐水的渗透率；(2)制备压裂液试样并测量其他性能(例如粘性及流变性能)；(3)按照设计的滤失压差设置入口压力和回压，常见的回压为0.69MPa或更高，对低渗透率的岩心来说，滤失压差最小应为6.9MPa；(4)加热滤失筒至指定的测试温度；(5)开始测试时，先在滤失阀关闭的情况下，将试样按制定的剪切速率流过岩心端面，监测试样温度和流速、压差、以及试样在进入滤失筒前的相关性能如pH和粘度；然后打开滤失阀，收集滤液，记录滤失量随时间的变化，每分钟至少记录一个滤失量数据，至少记录60min。在滤液收集过程中要注意尽量减少滤液的挥发；可以采用天平测量滤失量。

3.2 数据分析

压裂液试样流过岩心表面的剪切速率可以用以下公式计算得到：

单位截面上的动态滤失液累计量Vc对滤失时间的函数可以用三个滤失参数来表达：与时间成正比的动态滤失系数Cd，与时间的平方根成正比的造壁系数Cw，和一个恒定参数，初滤失量SL。这三个动态滤失参数由以下方法计算得到：将单位截面上的滤液累计体积(mL/cm2)对时间(min)的平方根作图，对得到的曲线使用多项式回归，其中，单位截面上的滤液累计体积为变量，时间或时间的平方根为自变量：

式中：Vc为单位截面上的动态滤失液累计量(mL/cm2)；Cd为动态滤失系数为造壁系数为初滤失量(mL/cm2，等于cm)。

4 结语

本文介绍的国际标准化组织(ISO)压裂液滤失性评价方法，详细论述了压裂液静态及动态状态下的滤失测试步骤、测试结果分析方法等，为国内页岩气开发的室内压裂液滤失性评价提供了参考。