压裂液返排率影响因素的实验研究

王方祥，孙立波，赵阳，臧春雷，刘晓旭，刘宗奇

1.中国石油渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司，天津 300283 2.中国石油大港油田公司井下作业分公司，天津 300280

水力压裂技术已经被证实是一项可大大提高页岩油气藏和致密油气藏采收率的技术[1]。该技术往往向地层注入上万方水基压裂液，需要的裂缝支撑剂可达到数吨。压裂作业后需焖井一段时间，然后开井返排压裂液。现场数据表明，目前压裂液返排率一般少于30%[2,3]。提高压裂液的返排率主要有两个目的：一是最小化地层和压裂壁面伤害，残存于裂缝或者岩石基质中的压裂液通过影响油气相对渗透率而降低油气生产速率[4]；二是最小化淡水消耗量，返排的压裂液可以为以后的压裂作业重复利用，这对于特定非常规油气田的开发可以相应地减少总消耗水量[5]。

造成低返排率的原因主要有两个：一方面由于强制作用或自吸作用导致压裂液侵入岩石基质，另一方面由于毛细管作用、重力作用和相对渗透率效应导致压裂液滞留在支撑剂裂缝中[6,7]。HOWARD等[8]对支撑剂填充管的研究表明，当将表面活性剂添加到压裂液中时，可提高压裂液的返排率。SHAHIDZADEH等[9]通过实验研究表明，润湿性可以显著地影响压裂液的返排。艾池等[10]通过建立返排过程裂缝中压裂液速度分布模型，计算得出越靠近裂缝口处的压裂液返排速度越快。王雷等[11]进行了压裂液返排速度对支撑剂回流量影响的实验研究，使用裂缝模拟实验装置模拟压裂的返排过程，得出控制支撑剂回流的最佳临界流量为300mL/min。

前期多数的研究利用隙缝槽模型，采用黏滞力和毛细管力解释多孔介质中的稳定泄流[12,13]，给出的结论多为定性的分析，实验研究均没有考虑重力的影响[14]，对于多孔介质中不同驱替方向下的不稳定泄流的研究较少。影响压裂液返排率的因素较多，包括驱替方向、地层压力、界面张力、压裂液黏度和支撑剂润湿性等，掌握各因素的影响规律可为压裂液返排控制和开发更高返排率的压裂液体系提供实验基础与理论依据。

1 压裂液返排无量纲分析

压裂后压裂液的返排时长达数天或数十天，而室内实验无法做到如此长的时间，所以针对影响裂缝中压裂液返排的参数进行无量纲分析，建立无量纲变量组，推导压裂液返排模型的无量纲时间，将实验变量与现场实际工况进行对比，进而得到与现场工况相对应的室内时间，所有的实验也都采用无量纲时间进行描述。

1.1 无量纲时间的建立

1)通过整合多个参数来减少参数的总数量。例如，Δρg表示重力部分，因此可通过Δρg取代ρw、ρair和g。实验涉及的变量如表1所示。

表1 实验变量

2)表1中所有变量相乘得到一个无量纲常数：

(Δp)x1×(d)x2×(t)x3×(l)x4×(Δρg)x5×(σcosθ)x6×(ug)x7×(uL)x8×(h)x9×(w)x10

(1)

3)以基础无量纲变量的形式表示每一个变量，即质量M、长度L、时间T：

[ML-1T-2]x1×[L]x2×[T]x3×[L]x4×[ML-2T-2]x5×[ML-2]x6×[ML-1L-1]x7

×[ML-1T-1]x8×[L]x9×[L]x10

(2)

4)由于式(2)是一个无量纲常数，可以表示为[M0L0T0]。然后两边乘以质量、长度和时间，得到线性同源公式：

M:x1+x5+x6+x8=0

L:-x1+x2+x4-2x5-2x6-x7-x8+x9+x10=0

T:-2x1+x3-2x5-x7-x8=0

(3)

求得线性同源方程组的解，该解包含全部独立无量纲参数，其中之一即无量纲时间:

(4)

1.2 无量纲时间的实例计算

在实验室条件下，实验变量的取值见表2，现场条件下实际参数的取值见表3。

表2 实验变量的取值

表3 实际参数的取值

由式(4)可得：

td=3.13349×10-8×tlab

(5)

3.13349×10-8×tlab=1.82×10-12×tfield

(6)

tfield=17217.69705×tlab

(7)

式中：tlab为实验室时间；tfield为现场施工时间。即实验室取时间值为1s时，则对应的现场取值为4.78h。

2 压裂液返排三维模型实验

2.1 实验材料及实验装置

图1为模拟裂缝中压裂液返排的实验装置。实验容器由2块有机玻璃制成的透明板组成。两块板之间的空隙利用支撑剂填充，然后用螺母和螺栓拧紧。设置3个注入口和1个流出口。实验容器的尺寸长×高×宽为300mm×300mm×10mm。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental container diagram

实验前，利用注射泵向实验容器内注射配制的压裂液，使其均匀分布到支撑剂中。利用稳定的氮气气源(纯度为97%)作为驱替的动力，通过改变气源压力模拟地层压力的影响。驱替方向分为与重力方向相同、与重力方向相反、无重力效应(即重力中性点)3种情况。为保证实验中三个注入口的气体均匀流入，在注入口和支撑剂充填末端之间放置双层棉布。实验过程中，在流出口收集排出的压裂液，通过RS-232电缆将电子天平连接到计算机，自动称重并连续记录，计算返排率。

实验采用2种不同类型的支撑剂，分别为粒径16/30目的未经过处理的玻璃微珠和粒径16/30目的经过处理的玻璃微珠。采用SHAHIDZADEH等[9]提出的方法改变玻璃微珠的润湿性，处理过的玻璃微珠表面性质是亲油的，而未经处理的玻璃珠表面性质是亲水的。

实验采用三种类型的压裂液，分别为纯水、异丙醇溶液和黄原胶溶液。异丙醇溶液用于研究表面张力对压裂液返排率的影响，利用Dunouy表面张力计测量流体的界面张力。黄原胶溶液用于研究流体黏度对压裂液返排率的影响，采用Bohlin CVOR锥板式流变仪，测量不同剪切速率下(0.01s-1到100s-1)的流体黏度。

2.2 实验步骤

图2 与重力方向相同的返排实验Fig.2 Backflow experiment in the same direction as gravity

3种驱替方向具体的实验步骤如下：①用玻璃微珠填充两块玻璃板之间的空间，使用注射泵从容器底部注入压裂液，使其均匀充满实验容器，用支架将容器固定在垂直位置。②调节气源压力，稳定后通过3个注入口注入一定压力的氮气，同时流出口收集压裂液，计算机自动记录并计算返排率。③由容器顶部注入氮气模拟与重力方向相同的驱替，如图2所示；由容器底部注入氮气模拟与重力方向相反的驱替，如图3所示；将容器水平放置，注入氮气模拟无重力效应，如图4所示。④实验过程中打开容器背面的荧光灯，定时拍照观察压裂液返排情况。

图3 与重力方向相反的返排实验 图4 无重力效应的返排实验Fig.3 Backflow experiment against the direction of gravity Fig.4 Backflow experiment without gravity effect

3 压裂液返排率影响因素分析

采用控制单一变量的方法开展实验，研究驱替方向、地层压力、界面张力、压裂液黏度和支撑剂润湿性对压裂液返排率的影响规律。

3.1 驱替方向

图5 驱替方向对压裂液返排率的影响Fig.5 Influence of displacement direction on backflow rate of fracturing fluid

控制注入氮气的压力1MPa，使用粒径16/30目的未经处理的玻璃微珠填充容器，充满纯水，研究驱替方向的影响规律，结果如图5所示。驱替方向与重力方向相反时，压裂液的最终返排率非常低，仅为10.5%。驱替方向与重力方向相同时，压裂液的最终返排率非常高，达到79.3%。无重力效应时，压裂液的最终返排率为37.94%，虽然高于与重力方向相反的情况，但远低于与重力方向相同的实验结果。

通过图6驱替照片可知，当驱替方向与重力方向相反时，出现指进现象，并且随驱替时间的延长，指进现象越明显，逐渐形成畅流路径。大部分气体流经指进的优先路径，在容器顶部产出，而没有驱替支撑剂中的压裂液。指进现象的出现对压裂液的返排极为不利，气体只掠过了多孔介质的一小部分，面积波及系数较低，即使经过相当长的时间，仍有大量的压裂液残留在地层中。因此，在压裂液返排过程中，应通过调整压裂液性能尽量避免指进现象的出现。

3.2 地层压力

使用粒径16/30目的未经处理的玻璃微珠填充容器，充满纯水，与重力方向相反注入氮气，稳定控制压力为0.5、1、1.5MPa，研究地层压力的影响规律结果如图7所示。与重力方向相同注入氮气，不稳定控制注入压力，研究压力稳定性对返排率的影响，结果如图8所示。

图6 驱替方向影响下的驱替照片Fig.6 Displacement photos under the influence of displacement direction

图7 地层压力对压裂液返排率的影响 图8 压力稳定性对压裂液返排率的影响Fig.7 Influence of formation pressure on Fig.8 The influence of pressure stability on the backflow rate of fracturing fluid backflow rate of fracturing fluid

图9 不同地层压力影响下的驱替照片Fig.9 Displacement photos under the influence of different formation pressures

图7中返排曲线的斜率表示返排速率，在返排初期，地层压力越高，返排速率越高，返排率越高；而随着时间的推移，高地层压力所对应的返排速率有所降低，返排率下降，呈现出最终返排率随地层压力的升高而降低的规律。这主要是因为较高地层压力下，驱替动力强，初期返排速率快，但容易形成指进现象，导致后期返排率下降。这可以通过驱替照片(见图9)证实，观察驱替照片发现，在压力为0.5MPa条件下，只观察到一处突破了出口端的指进现象。而在1MPa和1.5MPa压力条件下，观察到多处指进现象，并在容器底部形成明显的分支。由图8可见，稳定的地层压力更有利于压裂液的返排，这是由于地层压力的波动导致返排制度的变化，从而使压裂液不稳定泄流，返排率较低，实际返排过程中可能导致地层吐砂。

由此可见，压裂施工后需利用油嘴控制放喷[15,16]，一是可通过更换不同直径的油嘴控制地层压力，降低初期返排速率，以防止指进现象的发生；二是控制地层压力的稳定性，防止地层能量快速衰竭，保证返排平稳进行，从而使尽量多的压裂液返排。

3.3 界面张力

图10 界面张力对压裂液返排率的影响Fig.10 The effect of interfacial tension on the backflow rate of fracturing fluid

图11 界面张力影响下的驱替照片Fig.11 Displacement photos under the influence of interfacial tension

与重力方向相反注入氮气，控制注入压力1MPa，使用粒径16/30目的未经处理的玻璃微珠填充容器，分别充满纯水、质量分数0.5%、1%、1.5%、2%的异丙醇溶液，研究界面张力的影响规律，结果如图10所示。异丙醇溶液的最终返排率明显高于纯水的返排率，高出近30%。在纯水中加入异丙醇等表面活性剂能降低液体的界面张力，使液体均匀分散在支撑剂孔隙中，在驱替过程中形成了整体推进式的驱替效果，如图11所示，这意味着更高的面积驱替效率，从而取得更高的返排率。加入不同质量分数的异丙醇后，随着质量分数的提高，液体界面张力逐渐下降，最终返排率呈现逐渐增大的规律，但增大趋势逐渐变缓，质量分数2%异丙醇溶液的最终返排率与质量分数1.5%的返排率差别不大。由此可见，在压裂液体系中，存在一个较优的表面活性剂质量分数，使最终返排率达到最优值。在该研究条件下，异丙醇的最优质量分数为1.5%。

3.4 压裂液黏度

与重力方向相反注入氮气，控制注入压力1MPa，使用粒径16/30目的未经处理的玻璃微珠填充容器，充满纯水、质量分数0.015%、0.025%、0.035%、0.045%的黄原胶溶液。在60r/min的测量条件下，黄原胶溶液的黏度分别为56、123、210、324mPa·s，以此研究黏度的影响规律，结果如图12所示。纯水中加入黄原胶后，压裂液的最终返排率明显下降，并且随着质量分数的增加，最终返排率逐渐降低。这是因为黄原胶溶液的黏度随着质量分数的升高而增加，1MPa的压力不足以克服由于压裂液高黏度导致的黏滞力，而使得压裂液的返排率明显降低。所以，在研制压裂液体系时，只要压裂液能够满足携砂要求，则尽量降低压裂液的黏度，以保证压裂液充分的返排。

3.5 支撑剂润湿性

与重力方向相反注入氮气，控制注入压力1MPa，分别使用粒径16/30目的未经过处理的玻璃微珠(亲水)和已处理的玻璃微珠(亲油)填充容器，充满纯水，研究支撑剂润湿性的影响规律，结果如图13所示，驱替效果的实验现象如图14所示。

图12 压裂液黏度对压裂液返排率的影响 图13 支撑剂润湿性对压裂液返排率的影响Fig.12 The effect of viscosity on backflow rate Fig.13 The influence of wettability on backflow rate of fracturing fluid of fracturing fluid

图14 不同润湿性影响下的驱替照片Fig.14 Displacement photos under the influence of different wettability

由图13可见，填充亲油玻璃微珠的压力液最终返排率比填充亲水玻璃微珠的最终返排率高出近两倍，说明亲油性的支撑剂更有利于压裂液的返排。通过驱替照片(见图14)观察到，当填充亲油玻璃微珠时，表现出连续的气体整体推进驱替压裂液的现象，而在亲水玻璃微珠中形成了指进的气体通道。目前以水基压裂液体系为主，亲油性支撑剂具有疏水性，使压裂液更容易被驱替返排，其波及系数远高于填充亲水性支撑剂的多孔介质。但对于油井压裂后的采油，亲油性的支撑剂又不利于原油的采出。因此，研究具有润湿自反转能力的支撑剂，使压裂液返排时为亲油性，采油生产时自动反转为亲水性，将是研究的一个重要方向。

4 结论

1)针对影响裂缝中压裂液返排的参数进行无量纲分析，建立了无量纲变量组，推导了与现场工况相对应的实验无量纲时间，开展了压裂液返排的三维模型实验。

2)驱替方向与重力方向相同时，压裂液的最终返排率最高；与重力方向相反时，由于出现指进现象，导致最终返排率较低。因此，应通过调整压裂液性能尽量避免指进现象的出现。

3)压裂液的最终返排率随地层压力的升高而降低，稳定的地层压力更有利于压裂液的返排。因此，压裂施工后需利用合适直径的油嘴控制压裂液返排。

4)压裂液的最终返排率随界面张力的下降而上升，但上升趋势逐渐变缓，随液体黏度的增加而降低。亲油性的支撑剂更有利于压裂液的返排，研究具有润湿自反转能力的支撑剂将是一个重要的研究方向。