纤维在含砂压裂液中的悬砂性能评价

2023-01-14宋时权李继勇邵红云张贵玲夏凌燕

科技和产业 2022年12期

宋时权，李继勇，邵红云，张贵玲，夏凌燕

(中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东东营 257000)

纤维加砂压裂技术是目前油气田压裂施工中应用较多的一项技术，是将一定量经过特殊处理或可降解的纤维加入至压裂液中，纤维在压裂液中分散后会与支撑剂之间互相缠绕，形成一定的网状结构固定支撑剂，从而提高压裂液的悬砂性能[1]。纤维加入至含砂压裂液中，纤维和支撑剂之间形成的网状结构能有效阻止支撑剂的下沉，减缓支撑剂的沉降速率，避免因地层缝内砂量减小而造成的裂缝导流能力下降[2-6]。同时，压裂液悬砂性能的提高能有效防止支撑剂回流，并且压后无须关井即可大量排液，使得返排效率也能得到进一步提高[7-10]。纤维作为纤维加砂压裂技术的关键材料，其性能优劣将会直接影响使用该技术的压裂施工作业质量。

在现行的通用评价标准和方法中，对于压裂用纤维的性能评价方法较少。本文结合现行行业标准《砾石充填防砂水基携砂液性能评价方法》(SY/T 5185—2016)中悬砂能力测定方法，以及中石化胜利油田企业标准《压裂用纤维技术要求》(Q/SH1020)中分散性、陶粒静态沉降速度降低率测定方法，对纤维性能进行测定。结合压裂用纤维的实际应用条件，对纤维的相关性能评价实验进行适当改进和补充。为评价纤维性能，通过配制酸、碱、盐溶液对纤维的化学稳定性进行研究，通过配制含纤维基液对纤维的物理分散性进行研究，通过静态携砂实验对纤维在压裂液中的携砂性能进行研究，利用电子显微镜对压裂液中纤维与支撑剂的缠结情况进行研究，利用高温流变仪对含纤维压裂液流变性能进行研究。通过实验设计，对压裂作业所用几种纤维进行性能评价，为纤维性能评价实验提供一种思路。

1 实验部分

1.1 主要材料与仪器

盐酸、氢氧化钠、氯化钠，分析纯，成都科龙化工试剂厂；羟丙基瓜尔胶，工业一级品；陶粒，0.425～0.850 mm；压裂用纤维，工业品，长度5～7 mm；六速旋转黏度计，ZNN-D6，青岛同春石油仪器有限公司；电子显微镜，WST-4KCH，wishtech电子；高温流变仪，HAAKE MARS Ⅲ，赛默飞世尔科技(中国)有限公司；恒速搅拌机，JB50-D，上海申顺生物科技有限公司。

1.2 实验方法

纤维携砂性能评价参考行业标准《砾石充填防砂水基携砂液性能评价方法》(SY/T 5185—2016)中的方法。利用高温流变仪对压裂液粘度进行测定。利用电子显微镜对纤维加砂压裂液体系的微观形貌进行观察。压裂液浓度参照《压裂用植物胶通用技术要求》(SY/T 5764—2007)中“压裂用瓜尔胶技术指标”进行配制，瓜胶浓度为0.6%。

1.2.1 压裂液的配制

为避免压裂液的配制方式对其性能产生影响，对添加剂的加入顺序、搅拌时间、搅拌速度等因素进行严格控制，使各添加剂分散均匀[11]。所有添加剂含量均按质量分数计算，具体实验步骤如下：

1)瓜胶基液的配制。按配方量取所需量准备试验用水加入烧杯中，将搅拌器转速调节至500 r/min至溶液形成可以看见搅拌杆底部的漩涡，然后缓慢加入0.6%瓜胶，搅拌30 min至瓜胶完全溶解。

2)稠化型纤维瓜胶压裂液的配制。称取一定质量步骤1)中瓜胶基液，打开搅拌器，保持转速500 r/min搅拌，加入0.12%纤维，搅拌至纤维分散均匀。

3)稠化型纤维加砂瓜胶压裂液的配制。称取一定质量瓜胶基液，打开搅拌器，保持转速500 r/min搅拌，加入0.12%纤维，搅拌至纤维分散均匀，保持搅拌并缓慢均匀加入20%陶粒。

4)冻胶型纤维瓜胶压裂液制备。称取一定量瓜胶基液，打开搅拌器，保持转速500 r/min搅拌，加入0.12%纤维，搅拌至纤维分散均匀，然后加入0.3%交联剂，搅拌2 min至交联。

5)冻胶型纤维加砂瓜胶压裂液制备。称取一定量瓜胶基液，打开搅拌器，保持转速500 r/min搅拌，加入0.1 2%纤维，搅拌至纤维分散均匀，保持搅拌并缓慢均匀加入20%陶粒，最后加入0.3%交联剂搅拌2 min至交联。

1.2.2 纤维抗溶蚀性能评价

取相同质量本实验所需的6种不同类型纤维置于实验台面对比其外观形貌，如图1所示。

图1 实验用纤维样品

分别使用盐酸、氢氧化钠、氯化钠配制pH=2的酸溶液、pH=10的碱溶液和矿化度为0.2 g/L的盐溶液。分别量取250 mL酸溶液并置于6个烧杯中，准确称取6种纤维5.00 g并加入酸液中，在30 ℃水浴温度下静置2 h后取出，将纤维反复漂洗至pH=7后用烘箱烘干称重，计算6种纤维的质量损失率。继续按照此步骤计算6种纤维在酸、碱、盐溶液种的质量损失率，以此评价纤维的抗溶蚀性能。

1.2.3 纤维物理分散性评价

将6种不同类型的纤维按照1.2.1节中方法配制冻胶型纤维压裂液，称取100.00 g瓜胶基液，将搅拌器转速调至500 r/min搅拌，加入0.12 g纤维，搅拌至纤维分散均匀，然后加入0.30 g交联剂，搅拌2 min至交联，按照此方法配制6种不同的冻胶型纤维压裂液，观察不同纤维在压裂液中的分散情况。

1.2.4 纤维携砂性能评价

1)陶粒沉降速度测定方法参照《砾石充填防砂水基携砂液性能评价方法》(SY/T 5185—2016)中砾石沉降速度测定方法。用试验筛选取实验所需粒径的陶粒(0.420～0.500 mm)，将200 mL配制好的瓜胶基液倒入至250 mL量筒中，在30 ℃条件下，用镊子夹取一粒陶粒，放入液面下20 mm处，松开镊子，使其自然沉降。记录陶粒均匀沉降一段距离L所需时间t，重复测定3次，取平均值。砾石沉降速度为

(1)

2)纤维携砂能力对比。按照1.2.1节中方法配制200 mL稠化型纤维瓜胶压裂液，倒入250 mL量筒中，观察陶粒沉降情况，对比6组陶粒在120 min后沉入量筒底部的情况。

3)纤维加量对携砂性影响。依次配制200 mL纤维加量为0%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的冻胶型纤维加砂压裂液，其中砂粒加量为20%，倒入250 mL量筒。压裂液倒入量筒后立即使用马克笔标记陶粒最上方所在位置，120 min后再对陶粒最上方所在位置进行标记，利用直尺量出陶粒120 min内的沉降高度，并拍照记录沉降情况，以120 min内的沉降高度作为纤维静态携砂性能的评判依据。

1.2.5 纤维对压裂液流变性能影响

按照最优纤维加量0.3%配制成冻胶型纤维瓜胶压裂液，利用高温流变仪测量压裂液的黏度，测试条件为：①温度25 ℃，剪切速率170 s-1，剪切1 h；②温度100 ℃，剪切速率170 s-1，剪切1 h。

2 结果与讨论

2.1 纤维的物理分散性

6种纤维的分散性实验结果如图2所示。

图2 纤维在基液中的分散

从图2可以看出，6种纤维均能均匀分散在瓜胶压裂液中，且无明显的团聚现象。这表明所选取的6种不同类型纤维均具有良好的分散性能，不会导致压裂液在流动过程发生团聚现象。

2.2 纤维的抗溶蚀性

纤维的化学稳定性实验结果见表1。

表1 6种纤维的溶蚀率 %

由表1可得，6种纤维均表现出良好的抗溶蚀性，在酸、碱和盐溶液中均能表现出较小的溶蚀率。在盐溶液中，6种纤维的质量损失均很小，证明盐溶液对纤维质量的影响均较小，不会产生明显的溶蚀现象。其中，5#纤维化学稳定性最好，质量损失均小于1%，表现出优异的抗溶蚀性。纤维材质的差异会使其具有不同的稳定性和强度，因此要求压裂用纤维在地层条件下保持较好的抗地层水溶蚀性能[12]。

2.3 纤维对压裂液携砂性的影响

2.3.1 陶粒沉降速度

陶粒在不同纤维压裂液中的沉降速度见表2。由表2可得，在压裂液中加入纤维能够明显改善压裂液的携砂能力，陶粒在加纤维压裂液中的沉降速度比不加纤维的压裂液中的沉降速度小。其中，5#的沉降速度最小，其悬砂能力最好。

表2 陶粒在不同纤维压裂液中的沉降速度

2.3.2 纤维悬砂效果

不同纤维的悬砂效果如图3所示。

图3 不同纤维压裂液悬砂效果

由图3可知，纤维的加入均能改善压裂液的携砂性。向稠化型基液中加入不同纤维，陶粒经120 min沉降后，其高度不一。其中5#纤维沉降高度最小，携砂能力最好。加入纤维后的压裂液中，支撑剂的沉降不再遵循斯托克斯定律，纤维与陶粒的相互缠结结构能有效阻止支撑剂下沉[13]。根据陶粒沉降速度实验和悬砂实验结果，筛选出5#纤维做继续研究。

2.4 纤维加量对压裂液携砂性的影响

选取5#纤维，研究纤维加量对压裂液悬砂效果的影响，实验结果如图4所示。

图4 纤维加量对陶粒沉降高度的影响

由图4可知，伴随纤维浓度增加，陶粒在相同时间内的沉降高度逐渐降低，这表明，纤维加量的提高，会使得纤维之间形成的网状结构更加紧密，支撑剂在这种网状结构中间的包裹程度也变得更加紧密，其缠结强度增强，使得陶粒在压裂液中的悬浮时间增加，从而使得陶粒沉降速度减缓。当纤维加量达到0.3%后，陶粒的沉降高度随纤维加量增加的影响变小，此时，纤维加量的增多，对陶粒沉降高度不会产生更加明显的效果。在纤维含砂压裂液体系中，若纤维加量不足，则压裂液携砂能力也将不足，但纤维加量过多则会造成团聚现象，易导致堵塞压裂裂缝，造成压裂液性能不稳定。因此，将0.3%作为5#纤维的最优加量。

2.5 纤维在携砂液中微观结构

将5#纤维配制成冻胶型纤维含砂压裂液，使用电子显微镜观察样品形貌，实验结果如图5所示。

图5 加砂压裂液显微镜图

从图5(a)中可观察到，未加入纤维前，陶粒之间间隙较小；当加入纤维后，从图5(b)中可明显观察到，纤维的加入使得陶粒之间间隙增大，陶粒周围间隙处存在大量以缠结形式存在的纤维。5#纤维具有细长且柔软的结构，在压裂液中分散后，能够在陶粒之间相互缠结，形成一定的空间网状结构，并将陶粒包裹在网状结构内，这种结构使得陶粒之间的间隙增大[14-15]。从陶粒之间间隙观察可得，纤维在压裂液中能够均匀分散，使得陶粒之间充满了纤维，没有明显的团聚现象。正是由于纤维均匀分散在陶粒之间，使得加入纤维后的含砂压裂液在量筒中高度有一定的增高，并且使陶粒的沉降速度被有效减缓，从而提高了压裂液的携砂性能。

2.6 纤维对压裂液流变性的影响

选取5#纤维配制成冻胶状纤维压裂液，在25 ℃、170 s-1条件下，利用高温流变仪恒速率剪切1 h，黏度曲线如图6所示。

图6 黏度曲线(25 ℃)

由图6(a)可得，不含纤维的冻胶型瓜胶压裂液在剪切1 h后，其黏度随剪切时间的增加而减小，最终黏度稳定在850 mPa·s左右。图6(b)中，5#纤维瓜胶压裂液在剪切1 h后，黏度稳定在860 mPa·s左右，与空白对照组相差不大。这说明纤维的加入对压裂液黏度影响较小，不会对压裂液造成明显的增黏或降黏作用。

在100 ℃、170 s-1条件下，利用高温流变仪对不含纤维和5#纤维的冻胶型压裂液恒速率剪切1 h，黏度曲线如图7所示。

图7 黏度曲线(100 ℃)

由图7可得，不含纤维的空白对照组在剪切1 h后，黏度稳定在370 mPa·s左右。加入5#纤维的冻胶状压裂液在剪切1 h之后，黏度稳定在570 mPa·s左右，这与不加纤维的空白压裂液相比，黏度有所提升。高温流变实验表明，向压裂液中加入5#纤维，纤维形成的空间缠结结构能提高压裂液在高温条件下的黏度保留率，这种由纤维互相缠结形成的空间网状结构能够增强压裂液的结构强度，提高了压裂液的耐温性能。