压裂液悬砂及支撑剂沉降机理实验研究

刘建坤 ，吴峙颖 ，吴春方 ，蒋廷学 ，眭世元

（1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100101；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

压裂液悬砂性是衡量压裂液性能的重要参数，是支撑剂优化选择的最基本指标，也是决定压裂施工成败及压后增产效果的关键因素之一。目前实验室内压裂液悬砂性及支撑剂沉降性能测试评价的方法主要有2种：一种是基于Stokes理论公式的单颗粒支撑剂沉降法[2-8]，是在静态状态下观察并测定单颗粒支撑剂在压裂液中沉降至容器底部所需时间并计算出沉降速率；但单颗粒支撑剂沉降法很难反应携砂液携带群体支撑剂的沉降特性。另一种是携砂液（多颗粒）悬砂性能测试法[5，9]，是在静止状态下观察并测定携砂液中不同砂浓度的支撑剂完全沉降所需时间并推算沉降速度。该方法比起单颗粒的支撑剂沉降法更能客观地反映压裂液的悬砂及支撑剂的沉降特性，更接近压裂实际情况。支撑剂在多颗粒或携砂液中的沉降与单颗粒的自由沉降机理是完全不同的[9]。多颗粒沉降时，由于颗粒间相互的干扰作用，使支撑剂的沉降速度低于单颗粒的自由沉降速度[9]。单颗粒支撑剂沉降法及携砂液（多颗粒）悬砂性能测试法，只能得出单颗粒支撑剂的沉降速度和携砂液中多颗粒支撑剂完全沉降的速度，只能从宏观角度间接地反映支撑剂在压裂液中的悬浮情况，而无法定量实时地给出携砂液中支撑剂的沉降变化规律，在压裂液性能评价及支撑剂的优选时针对性不强。针对以上问题，研制了“XS-I型”压裂液悬砂及支撑剂沉降物理模拟实验装置，开展了不同粒径支撑剂在不同砂比的SRFP-1型压裂液携砂液中的悬砂能力及沉降机理实验研究；通过新型装置研制及采用新的实验方法，进一步探索压裂液悬砂及支撑剂沉降机理。

1 实验装置原理及功能

1.1 装置的原理及组成

采用由中国石化石油工程技术研究院自主研制的“XS-I型压裂液悬砂及支撑剂沉降物理模拟实验装置”（图1、图2），开展压裂液的悬砂性能以及支撑剂的沉降特性实验研究。

图1 实验装置的结构示意图

图2 压裂液悬砂及支撑剂沉降物理模拟实验装置

该装置主要由主体框架结构、可视化悬砂测定容器（悬砂测定容器内筒、悬砂测定容器外筒、环形空间）、支撑剂质量测量系统（支撑剂托盘、重量传感器、升降器、计时控制器）、加热及温度控制系统（恒温水浴、循环管路）、数据采集处理系统（计算机、数据采集卡、数据采集软件）组成，其中可视化悬砂测定容器和支撑剂质量测量系统安装于主体框架结构上。

1.2 装置的主要功能

采用本装置开展实验，不仅能定量的给出不同密度及粒径的支撑剂在不同砂比的携砂液中的完全沉降时间、沉降量这2个重要指标，而且在实验过程中能实时、定量给出支撑剂沉降速率与沉降时间的关系曲线，沉降量与沉降时间的关系曲线。实验装置有加热及温度控制系统，能模拟储层温度条件及添加破胶剂等情况下压裂液悬砂能力的变化规律，比起目前常采用的常温悬砂实验，更符合现场压裂的实际情况，更能客观真实的反映储层条件下压裂液的悬砂及携砂能力。实验装置与液体接触部分都进行了耐腐蚀处理，不仅能开展活性水、滑溜水、压裂液等非腐蚀性液体的悬砂实验，而且能开展地面交联酸等腐蚀性液体的悬砂评价实验。

2 实验部分

2.1 实验材料

实验采用SRFP-1型压裂液体系。结合多尺度体积压裂工艺需求，分别对低黏度压裂液（0.15%增稠剂SRFP-1+0.3%黏土稳定剂SRCS-1+0.1%助排剂SRCU-1，黏度为9～12 mPa·s）、中黏度压裂液（0.2%SRFP-1+0.3%SRCS-1+0.1%SRCU-1+0.12%交联剂SRFC-1，黏度为24～27mPa·s）、中高黏度压裂液（0.30%SRFP-1+0.3%SRCS-1+0.1%SRCU-1+0.16%SRFC-1，黏度为 48～51 mPa·s）的悬砂特性进行实验研究。支撑剂采用3种粒径的等密度（2.7×103kg/m3）陶粒支撑剂，分别为小粒径（70/140目陶粒）、中粒径（40/70目陶粒）、大粒径支撑剂（30/50目陶粒）。

2.2 实验方法

以鄂南致密油储层压裂时温度场模拟结果为依据，在40 ℃下，设计了3组悬砂实验。

①配制不同砂比（5%～30%）下的待测携砂液，并在正式实验前持续搅拌携砂液。②启动温度控制系统，通过温度显示控制系统设定实验温度，对可视化悬砂测定容器和整个循环系统进行加温，直至达到实验要求温度后（40 ℃），开始压裂液悬砂能力评价实验。③开启升降器，把支撑剂托盘降低到可视化悬砂测定容器的最低端处。④把搅拌均匀的待测携砂液加入可视化悬砂测定容器直至内筒标准液位处，当携砂液加入结束后，迅速通过升降器把支撑剂托盘升起到标定的位置，对重量传感器显示数据进行清零，同时计时器开始自动计时。⑤实验中数据采集处理系统自动采集携砂液中支撑剂沉降到支撑剂托盘上的质量、沉降时间、实时沉降速率、实验温度等信号；当支撑剂沉降量、沉降速率趋于稳定直至保持不变时，结束数据采集，关闭温度控制系统降温，结束本次测试实验。

3 实验结果与分析

3.1 压裂液的悬砂特征

低黏度压裂液对于小粒径的支撑剂具有一定的悬浮能力；在5%的砂比下，支撑剂充分沉降时间为20 min，但随着小粒径支撑剂的砂比加大（10%～15%），支撑剂充分沉降时间逐渐变短（10～12 min），悬砂能力也随之变差。低黏度压裂液对于中粒径及大粒径的支撑剂悬砂能力较差，即便是在5%的低砂比下也很难持续悬砂，中粒径支撑剂的充分沉降时间为5.5 min，而大粒径支撑剂的充分沉降时间骤减至1.4 min。故低黏度压裂液只适合于在低砂比（＜10%）条件下携带小粒径支撑剂进行加砂，不适宜携带中（或大）粒径支撑剂或作为主加砂阶段的携砂液。

中黏度压裂液无论在低砂比还是中高砂比条件下，对小粒径的陶粒支撑剂（70/140目）有良好的悬浮能力，即使在中高砂比下，支撑剂充分沉降时间达到350 min，完全满足携砂的需要；但对中粒径及大粒径的陶粒支撑剂，只在小于15%砂比条件下有着良好的悬砂能力，当砂比达到20%时，悬砂性能发生骤降，悬砂能力变弱。故中黏度压裂液适合于携带小粒径支撑剂及在中砂比（＜15%）条件下携带中粒径及大粒径陶粒支撑剂进行加砂施工，不适宜作为主加砂高砂比阶段或连续加砂方式的携砂液。

中高黏度压裂液无论在低砂比还是在中高砂比下对于小粒径支撑剂还是中大粒径支撑剂，都有着非常好的悬浮能力；即使对于大粒径的陶粒支撑剂，在25%砂比下，支撑剂充分沉降时间达到1580 min，在30%砂比下，支撑剂充分沉降时间达到1150 min，悬砂能力较优。故中高黏度压裂液适宜作为主加砂高砂比阶段或连续加砂方式下的携砂液。

采用等密度支撑剂条件下，SRFP-1型压裂液中支撑剂充分沉降时间与压裂液黏度、支撑剂粒径、携砂液砂比密切相关（表2）；压裂液黏度是影响支撑剂充分沉降时间及压裂液悬砂性能的最主要的因素，其次是支撑剂粒径及携砂液砂比。

3.2 支撑剂沉降曲线特征

分析SRFP-1型压裂液的支撑剂沉降曲线中沉降量变化规律（图3）及沉降速率变化规律（图4）可知，携砂液中支撑剂沉降可分为快速沉降阶段、缓慢沉降过渡阶段、稳定平衡阶段3个阶段。不同粒径的支撑剂在不同砂比的携砂液中，3个阶段持续时间表现出不同的特征。

同一种黏度压裂液在同等砂比条件下，随着支撑剂粒径的加大，快速沉降阶段支撑剂沉降更快，快速沉降阶段持续时间急剧变短，缓慢沉降过渡阶段持续时间也缩短；以低黏度压裂液为例（图3和图4），总支撑剂量中70%～85%的支撑剂在快速沉降阶段就已经完全沉降。同理，同一种黏度压裂液加入同一粒径支撑剂的条件下，随着 携砂液中砂比的增大，快速沉降阶段持续时间、缓慢沉降过度阶段持续时间也表出现出变短的规律。

表2中，在压裂液黏度及支撑剂粒径不变的情况下，携砂液中支撑剂充分沉降后的沉降量均与砂比成正比，随着携砂液砂比的增大，支撑剂充分沉降量越多。

低黏度携砂液中：70/140目的小粒径支撑剂在进入充分沉降阶段时，48.4%～56.9%的支撑剂已沉降；40/70目的中粒径支撑剂在进入充分沉降阶段时，36.8%～51.8%的支撑剂已沉降；30/50目的大粒径支撑剂在进入充分沉降阶段时，36.6%～52.4%的支撑剂已沉降；所以低黏度压裂液的整体携砂性较差，支撑剂更易沉降。

中黏度携砂液中：70/140目的小粒径支撑剂在进入充分沉降阶段时，9.9%～11.1%的支撑剂已沉降；40/70目的中粒径支撑剂在进入充分沉降阶段时，48.8%～52.4%的支撑剂已沉降；30/50目的大粒径支撑剂在进入充分沉降阶段时，41.1%～56.9%的支撑剂已沉降；所以中黏度压裂液对于小粒径支撑剂携砂性能较优，当携带中粒径及大粒径支撑剂时，携砂性能下降明显。

中高黏度携砂液中，即使在高砂比下，30/50目的大粒径支撑剂在充分沉降后，仅有12.0%～13.1%的支撑剂沉降，整体悬砂能力较优。但在压裂液黏度及携砂液砂比不变情况下，支撑剂的沉降量与支撑剂粒径之间无较好的相关性及规律性。

表2 SRFP-1型压裂液中支撑剂充分沉降时间

4 结论与认识

1.研制了“XS-I型”压裂液悬砂及支撑剂沉降物理模拟实验装置，提出了携砂液悬砂能力及支撑剂沉降特性测试的新方法，解决了携砂液悬砂能力定量评价的难题；定量地给出了支撑剂在携砂液中的完全沉降时间及沉降量指标，实时定量地得出了沉降量与沉降时间的关系、沉降速率与沉降时间的关系，为压裂液优化及支撑剂的优选提供了基础实验依据。

图3 不同黏度携砂液中不同粒径支撑剂的沉降曲线

图4 中黏度压裂液中沉降量及沉降速率与沉降时间关系曲线（15%砂比，40/70目陶粒）

2.携砂液中支撑剂沉降分为快速沉降、缓慢沉降、稳定平衡3个阶段；压裂液悬砂性能及支撑剂沉降特性与压裂液黏度、支撑剂粒径、携砂液砂比密切相关，压裂液黏度是影响压裂液悬砂性能及支撑剂沉降快慢的最主要因素，其次是支撑剂粒径、携砂液砂比；携砂液中支撑剂充分沉降时间随支撑剂粒径加大及砂比提高迅速变短，压裂液黏度越大，这种趋势越明显；携砂液中支撑剂充分沉降后的沉降量与砂比成正比，砂比越大，支撑剂沉降量越多。

3.研究工作仅采用等密度支撑剂，针对不同粒径支撑剂在不同砂比下，对SRFP-1型压裂液体系的悬砂能力进行了实验研究；也可参照文中思路及方法，针对性地开展不同密度支撑剂、不同类型液体体系、不同液体添加剂、不同温度、不同工艺要求等条件下，压裂液体系的悬砂能力变化规律及支撑剂沉降特性，为致密及非常规储层高效压裂改造提供基础理论支持。