压裂液黏度对脉冲频率响应机理试验研究

， ，，

(中南大学 a.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点试验室；b.地球科学与信息物理学院， 长沙 410083)

1 研究背景

目前页岩气开采之热持续高涨，页岩气属于一种自生自储型非常规性能源，页岩储层具有低渗低孔的特性，所以一般要采用特殊的钻井技术——水力压裂对页岩储层进行改造，改善储层渗流通道，从而提高页岩气开采率[1-2]。

在页岩储层压裂过程中，前置液阶段，压裂液流变性能的变化对于储层造缝有着很大的影响，张士诚等[3]采用大尺寸真三轴试验系统对露头页岩开展了水力压裂裂缝扩展模拟试验，试验结果发现高黏度压裂液能够增加压裂速率，并诱导最优裂缝平面的单独扩展，但减少井筒附近的迂曲度的最好方法是增大压裂液黏度；龙政军[4]通过试验分析压裂液性能对于压裂过程中造缝效果的影响，得出当地层渗透率一定时，压裂液的黏度越高，渗黏比越小，最优裂缝半长值就越大。在支撑剂阶段，压裂液的携砂性能直接关系到支撑剂在裂缝中的铺置，进而影响压裂改造的效果。不同浆液的流变性对于施工过程有着重要的影响[5-6]。目前，国内外主要采用常规流变试验评价压裂液携砂性能，并以黏度作为携砂性能判断的最重要指标之一[7-11]。王全平[12]用比面积法表征了钻井液的剪切稀释性，认为在相同速梯范围内，τo/ηs，τo/η∞，n(τo表示钻井液动切力，ηs表示钻井液结构黏度，η∞表示钻井液极限高剪切黏度，n表示钻井液流性指数)具有一致性，都能定量表征钻井液的剪切稀释性。江小玲等[13]对剪切稀释性相关性进行了研究，得出流性指数n与动塑比YP/PV(YP表示钻井液动切力，PV表示钻井液塑性黏度)有较好的相关性。常规水力压裂易出现压裂液用量大、能量利用率低、体积压裂效果不明显等问题。为了解决这些问题，脉冲水力压裂技术在国内于2011年首次提出，脉冲水力压裂在降低注液压力、控制压裂效果方面拥有诸多优势，现主要应用于煤矿井下煤层的卸压增透[14]。目前对于当采用脉冲水力压裂时，在脉冲过程中压裂液性能在整个过程的变化情况的研究还比较少，尤其是随着脉冲频率发生改变，压裂液性能的响应情况及响应机理这方面的研究则更少。本文通过采用不同频率对压裂液进行脉冲剪切试验研究，从而得出压裂液流变性能对脉冲频率响应的规律趋势。

2 试验方案

2.1 试验系统

试验所用设备是由本人所在团队自主研制的一套脉冲水力注水试验系统。此系统包括压力注水泵、储能器、脉冲信号发生器(其调节频率范围为1～10 Hz)、水箱(容积为10 L)、电磁阀和导水管等构件组成，如图1所示。

图1 脉冲水力注水试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of pulsed hydraulic injection test system

2.2 试验压裂液

为了减少压裂液体系中其他处理剂对试验结果的影响，试验中简化了体系配方，并且由于只是想通过试验分析出压裂液黏度对脉冲频率响应规律趋势，前期也做过一些预试验，发现当黏度相差20 mPa·s时，试验现象比较明显。因此，本试验只配置了相对高黏和低黏的压裂液体系A和B 2种，以考虑脉冲频率改变对其黏度的影响。试验主要以瓜尔胶液为基液，以四硼酸钠为交联剂，通过调节瓜尔胶浓度配置A压裂液体系和B压裂液体系，A和B 2种压裂液体系的试验配比参数如表1所示。

表1 试验配比参数Table 1 Mix ratio of test fracturing fluids

图2 压裂液的配制Fig.2 Preparation of fracturing fluid

2.3 试验过程

2.3.1 压裂液的配制

将瓜尔胶粉加入8 L

水中，先采用无级调速搅拌器搅拌20 min后，再静置1 h，然后将准备好的0.5 g四硼酸钠加入已配置好的1 L基液中，并不断搅拌，直到出现冻胶为止，如图2所示。

2.3.2 脉冲剪切试验

将配制好的压裂液放入水箱中，基于前期已做试验结果，通过调节脉冲信号发生器，现分别采用0,1,3，5,7 Hz频率对压裂液进行脉冲剪切试验，试验中保持流量为10 mL/s不变，采用容量杯收集下剪切后的压裂液体，待达到所要求体积时，迅速利用DNN-D6六速旋转黏度计对剪切后的压裂液的黏度进行测试，并记录下结果。

3 压裂液流变性能

压裂液属于一种特殊的钻井液，在钻井液工艺学中，一般高分子化合物的水溶液以及乳状液等都是一种假塑性流体，该类流体的流变曲线是通过原点并凸向剪切应力轴的曲线[15]。假塑性流体的流动特点为：只要给此类流体施加一个很小的剪切应力就能使之产生流动，且不存在静切应力，它的黏度随剪切应力的增大而降低;假塑性流体区别于塑性流体的重要特点为：假塑性流体剪切应力与剪切速率之比总是变化的，亦即在流变曲线中无直线段。塑性流体在剪切速率增大到一定程度时，剪切应力和剪切速率之比是一个常数，在这个范围的流变曲线为直线[16-17]。

假塑性流体服从幂律方程，即

τ=Kγn。

(1)

式中：τ为流体受到的剪切应力；γ为流体的剪切速率，在脉冲剪切过程中，γ随着频率的增大而增大；n为假塑性流体的流性指数；K为假塑性流体的稠度系数。

当采用脉冲流体时，考虑到频率特性(即流体对频率的剪切稀释响应)的影响，根据文献[18-19]对脉冲钻井液流体研究,可知脉冲水力压裂时脉冲流体的速度为

(2)

式中：v表示脉冲流体的实际速度；v0表示脉冲发生器脉冲流体的理想速度；Rf表示平均水力摩擦系数;f表示脉冲发生器发生频率。其中平均摩擦系数Rf为

(3)

式中：τ0表示脉冲流体屈服应力；ηp表示脉冲流体塑性黏度；ρ表示脉冲流体密度；va表示脉冲流体平均流速；D表示管道外径。

由式(1)和式(2)可知当频率f越大时，γ也越大，则对压裂液的剪切稀释作用越强。

目前通常采用六速旋转黏度计来测量流体的流变参数，读取600，300 r/min的刻度盘读数分别为θ600，θ300，利用式(4)来求得流性指数n，利用式(5)和式(6)分别计算塑性黏度ηp和结构黏度ηs。

；

(4)

ηp=θ600-θ300；

(5)

ηs=θ300-ηp。

(6)

通常我们用n值来表征钻井液的剪切稀释性能，若n值较低，则其有较强的剪切稀释性。

4 试验结果与分析

4.1 相对高黏压裂液脉冲剪切试验结果与分析

利用A配方配制好的相对高黏压裂液体系，采用不同频率对其进行脉冲剪切稀释，试验后的塑性黏度和结构黏度如图3(a)所示，试验后的表观黏度和流性指数如图3(b)所示。

图3 高黏压裂液黏度和流性指数随频率变化的关系曲线Fig.3 Curves of viscosity and liquidity index of highly viscous fracturing fluid vs. frequency

从图3(a)可以看到相对高黏压裂液在受到脉冲频率剪切作用后，结构黏度和塑性黏度都发生了显著变化，其中在1 Hz频率的剪切作用下压裂液塑性黏度有了稍许提升，在频率达到3 Hz后塑性黏度急剧下降，而后随着频率的增加，塑性黏度的变化也不是很明显；结构黏度随着频率的增加一直减小，最后趋于平稳，这是由于脉冲作用对压裂液的分子网状结构产生了破坏作用，到最后由于压裂液的结构已经很小了，脉冲剪切作用也会受到很大抑制，使得结构强度趋于稳定。

从图3(b)可以看出表观黏度随着频率的增大而减少，但增大到5 Hz时，黏度变化已不是很明显，流性指数的变化分为2个阶段，存在一个临界频率值fc，在频率没有达到临界频率值fc(5 Hz附近)时，流性指数随着频率的增大而增加，在达到临界频率值fc后，频率的增大会导致流性指数的减小。

当采用1 Hz脉冲频率对压裂液进行剪切稀释时，压裂液表观黏度只下降了5 mPa·s，这表明1 Hz脉冲频率对瓜尔胶压裂液已经产生了部分剪切稀释效用；当采用3 Hz脉冲频率时，瓜尔胶压裂液的表观黏度急剧下降，这说明3 Hz的脉冲频率对瓜尔胶结构产生了较大的破坏作用，使得其大部分结构还来不及恢复就被剪切作用所拆散，也反映出此时瓜尔胶压裂液结构的拆散速度比其结构的恢复速度要大得多；在用5 Hz脉冲频率进行剪切时，压裂液的表观黏度进一步下降，下降到了6.5 mPa·s，但下降的幅度已不是很大；到采用7 Hz脉冲频率时，已基本对瓜尔胶压裂液表观黏度没什么影响。

由图3(b)可看出，流性指数的变化趋势和表观黏度的大致相反，随着频率的增大，流性指数逐渐呈现增大的趋势，在达到最大值后，继续增加频率，流性指数反而呈现减小的趋势。这是因为初始时压裂液的结构较为完整，表观黏度较高，所以表现出比较好的剪切稀释性。随着频率的增大，脉冲频率的剪切作用开始对压裂液的结构进行了破坏，使得压裂液的剪切稀释性越来越弱，待频率增大到一定值时，由于试验流量是一定的，单次脉冲的作用必然受到削弱，使得相对应的剪切作用也受到了抑制，加上压裂液本身的分子结构也破坏的比较小，脉冲作用也会不如以前那么明显。所以在继续增大频率后，流性指数会有些许下降，这表明压裂液的剪切稀释性有了部分回弹。

4.2 相对低黏压裂液脉冲剪切试验结果与分析

利用配方B配制的相对较低黏压裂液，采用不同频率对其进行脉冲剪切稀释，试验后的表现塑性黏度和结构黏度如图4(a)所示，试验后的表观黏度和流性指数如图4(b)所示。

图4 低黏压裂液黏度和流性指数随频率变化的关系曲线Fig.4 Curves of viscosity and liquidity index of lowly viscous fracturing fluid vs. frequency

当使用相对低黏压裂液时，由图4(a)可以看到开始时塑性黏度对于表观黏度的贡献值比较大，随着频率的增加，塑性黏度和结构黏度都急剧减小，但是在频率达到7 Hz时，结构黏度有了些许上升，这可能是由于试验流量是一定的，7 Hz的单次脉冲作用相较于其他低频的单次脉冲作用要低一些，对压裂液的分子网状结构的破坏也小一些。此时结构黏度在表观黏度的占比也有了增加，这对于压裂液中的支撑剂阶段，则有利于提高携砂效果。

采用较低黏度的压裂液时，表观黏度和流性指数随着频率的变化趋势大致和较高黏度相近。

由图4(b)可以看到采用较低黏度(10 mPa·s)压裂液时，黏度已经变化得不是很明显，变化幅度在2 mPa·s以内，这是因为低黏度的冻胶结构较小，导致剪切稀释难度增大，所以效果不是很明显。流性指数n的变化趋势大致和高黏压裂液的剪切稀释试验一样，但变化幅度不是很大，主要集中在0.7～0.9这一范围内，这可能与低黏压裂液本身性质有关。

5 结 论

通过配置相对高黏和低黏的压裂液体系，研究不同脉冲频率的剪切作用对压裂液黏度的影响，从而探究压裂液黏度对于脉冲频率的响应机理，得出如下几点结论。

(1)高黏压裂液体系在不同脉冲频率作用下，随着频率的增大，压裂液表观黏度先是不断受到剪切稀释而减小，当频率达到5 Hz左右，压裂液表观黏度基本稳定，压裂液的流性指数n则是随着频率的增大先增加后减少，且当频率为5 Hz时流性指数n达到最大值；塑性黏度在低频下黏度上升，流阻增大不利于页岩储层的扩缝，在高频下塑性黏度下降并趋于稳定，有利于形成裂缝网络；结构黏度则随着脉冲频率增加一直减小，最后趋于平稳，不利于压裂液动态携砂的稳定。

(2)低黏压裂液体系随着频率增加时，结构黏度较塑性黏度变化平缓，有利于支撑剂的运移，对于压裂后期裂缝的稳定有着重要作用；压裂液的表观黏度和流性指数n对于不同脉冲频率作用下的剪切稀释响应效果不是很明显。

(3)采用脉冲水力压裂技术改造页岩气储层时，可通过调节脉冲频率来改变压裂液流变性从而提高压裂液造缝、扩缝以及动态携砂效果，进而提高压裂效果。

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