一种粘弹性流体携砂能力的快速表征方法
阅读说明：本技术 一种粘弹性流体携砂能力的快速表征方法 (Rapid characterization method for sand carrying capacity of viscoelastic fluid ) 是由 姚二冬 柏浩 周福建 汪杰 李源 许航 张梦川 余果林 赵龙昊 杨凯 左洁 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种粘弹性流体携砂能力的快速表征方法。该方法包括配制粘弹性流体溶液,测量获得粘弹性流体溶液的应力曲线；根据应力曲线获得不同浓度的粘弹性流体溶液在不同频率下的粘性模量曲线和弹性模量曲线；根据粘性模量曲线和弹性模量曲线的交点X值和1Hz频率下对应的弹性模量G’值来表粘弹性流体的携砂能力；其中,交点X值越小或1Hz频率下对应的弹性模量G’值越大,携砂能力越强。该方法能够简化实验,降低工作量,实用性广泛,可快速且全面的评价不同类型粘弹性流体的携砂性能,具有较强的实用性和准确性；能够揭示粘弹性流体携砂能力的主要机理和粘弹贡献值。(The invention provides a rapid characterization method of sand carrying capacity of a viscoelastic fluid. Preparing a viscoelastic fluid solution, and measuring to obtain a stress curve of the viscoelastic fluid solution; obtaining a viscous modulus curve and an elastic modulus curve of the viscoelastic fluid solution with different concentrations under different frequencies according to the stress curve; the sand carrying capacity of the viscoelastic fluid is represented according to the intersection X value of the viscous modulus curve and the elastic modulus curve and the corresponding elastic modulus G' value under the frequency of 1 Hz; wherein, the smaller the X value of the intersection point is or the larger the corresponding elastic modulus G' value under the frequency of 1Hz is, the stronger the sand carrying capacity is. The method has the advantages that the experiment can be simplified, the workload is reduced, the practicability is wide, the sand carrying performance of different types of viscoelastic fluids can be evaluated quickly and comprehensively, and the method has strong practicability and accuracy; the main mechanism of sand carrying capacity of the viscoelastic fluid and the viscoelastic contribution value can be revealed.)
技术领域
本发明属于压裂液评价技术领域，涉及一种粘弹性流体携砂能力的快速表征方法。
背景技术
页岩油气等非常规油气是目前世界上最重要的能源资源之一；对于非常规油气藏的开采，需要用压裂液进行携砂造缝。目前主要通过静态和动态携砂实验进行室内压裂液的携砂性能研究：(1)使用量筒等设备进行静态携砂实验，主要包括单颗粒、多颗粒及一定砂浓度沉降试验，但是不能完全代表压裂液的携砂能力，受影响因素较多，不能模拟储层及裂缝的真实情况；(2)使用大型缝隙流动装置进行动态携砂实验，该实验步骤复杂、持续时间长，重复性不好，且需要的压裂液与支撑剂的量较多，成本高。最终，需要将动、静态携砂实验相结合才能验证压裂液的携砂性能好坏，测试过程过于繁琐，耗材使用量较大。
常规滑溜水的基液粘度为1至7mPa.s，可以降低压裂液泵送过程中70％～80％的摩阻损失，但是其携砂能力较差；通过增加泵速形成紊流状态可提高滑溜水的携砂能力，但会增加摩阻损失；而线性胶压裂液虽然粘度高、携砂能力好，但是固相残渣伤害高，且成本高。变粘滑溜水作为一种新型的滑溜水压裂液，即综合了常规滑溜水和线性胶压裂液的优点，又克服了两者的缺点：具有与线性胶压裂液相同的支撑剂携砂性能，同时具有良好的减阻效果，在现场施工过程中，注入压力低，摩阻损失小。但是目前，仍然缺乏针对变粘滑溜水这种粘弹性流体携砂性能的快速表征方法。
目前，一些现有技术报道中提到了关于流变性对携砂能力的影响，其通过测试粘弹模量的方法来表征携砂机理，例如：张昀等通过流变性能，来探究一种低分子聚合物压裂液的携砂性能，探讨了弹性模量、粘性模量与频率变化曲线，进而揭示其携砂能力；刘通义等通过粘、弹性模量的交点及弹性模量的大小G’来表征一种滑溜水压裂液的携砂能力；但是这些现有报道都是在大量流变性及携砂实验基础上得到的，工作量巨大，并且不清楚具体多少粘弹模量能够携砂，即缺少一个是否能够携砂的粘弹模量大小的标准，以减少工作量。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种粘弹性流体携砂能力的快速表征方法。
本发明的目的通过以下技术手段得以实现：
一方面，本发明提供一种粘弹性流体携砂能力的快速表征方法，其包括以下步骤：
配制粘弹性流体溶液，测量获得粘弹性流体溶液的应力曲线；
根据应力曲线获得不同浓度的粘弹性流体溶液在不同频率下的粘性模量曲线和弹性模量曲线；
根据粘性模量曲线和弹性模量曲线的交点X值和1Hz频率下对应的弹性模量G’值来表粘弹性流体的携砂能力；
其中，交点X值越小或1Hz频率下对应的弹性模量G’值越大，携砂能力越强。
发明人通过大量实验创造性的发现，粘性模量和弹性模量的交点X值与1Hz频率下对应的弹性模量G’值能够作为判定粘弹性流体携砂能力关键指标，且具有判断准确性，能够简化实验，降低工作量。交点X值为交点对应的横坐标的频率值。
上述的表征方法中，优选地，当X≤0.01Hz或G’≥2.5Pa时，表明粘弹性流体具有高携砂能力；当0.01Hz＜X＜0.1Hz或0.25Pa＜G’＜2.5Pa时，表明粘弹性流体具有勉强携砂能力；当X≥0.1Hz或G’≤0.25Pa时，表明粘弹性流体不具备携砂能力。
上述的表征方法中，优选地，所述粘弹性流体溶液的配制包括：
在搅拌条件下，于氯化钾水溶液中加入粘弹性聚合物，充分搅拌溶解，配制成不同浓度的粘弹性流体溶液。
上述的表征方法中，优选地，所述氯化钾水溶液的质量浓度为0.1％～8％。
上述的表征方法中，优选地，所述搅拌的转速为1500rpm。
上述的表征方法中，优选地，所述粘弹性聚合物包括减阻剂、变粘减阻剂和线性胶中的一种或多种。
上述的表征方法中，优选地，所述粘弹性流体溶液的体积浓度为0.01％～0.8％。
上述的表征方法中，优选地，获得粘弹性流体溶液的应力曲线具体过程包括：
将不同浓度的粘弹性流体溶液注入到流变仪中，打开循环水浴装置，待流变仪测试腔体中的温度达到实验要求的温度后，采用不同频率对粘弹性流体溶液进行应力扫描，获得应力曲线。
本发明中，流变仪可以采用HAAKE RS6000流变仪。
上述的表征方法中，优选地，根据应力曲线获得不同浓度的粘弹性流体溶液在不同频率下的粘性模量曲线和弹性模量曲线具体过程包括：
选取应力曲线的线性平台区域中值作为固定应力值，对不同浓度的粘弹性流体溶液进行频率扫描，得到不同频率下的粘弹性流体溶液的弹性模量G’和粘性模量G"，进而绘制粘性模量曲线和弹性模量曲线。
另一方面，本发明还提供上述表征方法在粘弹性流体动静态携砂能力定量表征中的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过粘性模量和弹性模量的交点X值与1Hz频率下对应的弹性模量G’值作为判定粘弹性流体携砂能力关键指标，且具有判断准确性，能够简化实验，降低工作量，实用性广泛，可快速且全面的评价不同类型粘弹性流体的携砂性能，具有较强的实用性。
(2)本发明只需要使用流变仪，不需要复杂的动、静态携砂设备，即能够准确表征粘弹性流体的携砂性能，并且不用配制大量粘弹性流体和使用陶粒等支撑剂，降低了耗材成本，减少了时间和场地；还能揭示粘弹性流体携砂能力的主要机理和粘弹贡献值。
附图说明
图1A为0.2％常规滑溜水溶液的粘性模量曲线和弹性模量曲线。
图1B为0.2％变粘滑溜水溶液的粘性模量曲线和弹性模量曲线。
图1C为0.4％常规滑溜水溶液的粘性模量曲线和弹性模量曲线。
图1D为0.4％变粘滑溜水溶液的粘性模量曲线和弹性模量曲线。
图1E为0.6％常规滑溜水溶液的粘性模量曲线和弹性模量曲线。
图1F为0.6％变粘滑溜水溶液的粘性模量曲线和弹性模量曲线。
图2为常规滑溜水溶液与变粘滑溜水溶液的单颗粒静态携砂性能测试结果对比图。
图3A为0.6％常规滑溜水溶液150kg/m3砂浓度静态携砂性能测试结果图。
图3B为0.6％变粘滑溜水溶液150kg/m3砂浓度静态携砂性能测试结果图。
图4A为0.2％常规滑溜水溶液动态携砂性能测试图。
图4B为0.2％变粘滑溜水溶液动态携砂性能测试图。
图4C为0.4％常规滑溜水溶液动态携砂性能测试图。
图4D为0.4％变粘滑溜水溶液动态携砂性能测试图。
图4E为0.6％常规滑溜水溶液动态携砂性能测试图。
图4F为0.6％变粘滑溜水溶液动态携砂性能测试图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。以下实施例中所采用的原料若无特殊说明均为常规市售获得。
实施例1：
本实施例提供一种粘弹性流体携砂能力的快速表征方法，其包括以下步骤：
(1)配制粘弹性流体溶液，具体为配制浓度分别为0.2％、0.4％和0.6％的常规滑溜水溶液与变粘滑溜水溶液，例如：
常规滑溜水溶液的配制过程如下：
称取2％的氯化钾水溶液，放置在IKA型六速磁力搅拌器上，以档位为5mot(约为1500rpm)速度进行搅拌，用移液管称取减阻剂(普通聚丙烯酰胺，常规市售)滴入水中，搅拌30s后停止(也可以继续搅拌1～2min，确保减阻剂进一步充分溶解)；分别配制成减阻剂体积浓度为0.2％、0.4％、0.6％的常规滑溜水溶液，将配制好不同浓度的滑溜水溶液静置3min。
变粘滑溜水溶液的配制过程同常规滑溜水溶液，区别在于将减阻剂替换为变粘减阻剂(超高分子量聚丙烯酰胺，常规市售)。
(2)将不同浓度的常规滑溜水溶液或变粘滑溜水溶液分别注入到HAAKE RS6000流变仪中，打开循环水浴装置，待流变仪测试腔体中的温度达到实验要求的25℃温度后，采用不同频率分别对常规滑溜水溶液或变粘滑溜水溶液进行应力扫描，获得应力曲线。
(3)根据应力曲线获得不同浓度的常规滑溜水溶液或变粘滑溜水溶液在不同频率下的粘性模量曲线和弹性模量曲线，如图1A、图1B、图1C、图1D、图1E和图1F所示。
(4)根据粘性模量曲线和弹性模量曲线的交点X值和1Hz频率下对应的弹性模量G’值来表粘弹性流体的携砂能力，实验结果及评价结果如表1所示，其中，交点X值越小或1Hz频率下对应的弹性模量G’值越大，携砂能力越强；具体评价为：
当X≤0.01Hz或G’≥2.5Pa时，表明粘弹性流体具有高携砂能力；当0.01Hz＜X＜0.1Hz或0.25Pa＜G’＜2.5Pa时，表明粘弹性流体具有勉强携砂能力；当X≥0.1Hz或G’≤0.25Pa时，表明粘弹性流体不具备携砂能力。
表1：
实施例2：
为了验证本发明粘弹性流体携砂能力的快速表征方法的准确性，本实施例提供常规滑溜水与变粘滑溜水的静态和动态携砂性能对比实验。
1、常规滑溜水与变粘滑溜水的静态携砂性能对比：
静态携砂性能测试具体步骤如下：
模拟地层盐水按照实施例1的方法配制1000mL一定浓度的滑溜水溶液和变粘滑溜水溶液，分别倒入1000mL的量筒中，取4～5颗40/70目数的陶粒支撑剂，放入量筒中，同时按下秒表，记录支撑剂从900mL下降至400mL高度所需时间，计算单颗粒支撑剂下降时间与高度500mL的比值，即为单颗粒支撑剂下降时间；采用同样的方法测试不同浓度滑溜水溶液和变粘滑溜水溶液单颗粒支撑剂的下降时间。采用同样的方法，测试滑溜水溶液和变粘滑溜水溶液的砂浓度的携砂性能。实验结果如图2、图3A和图3B所示。
2、常规滑溜水与变粘滑溜水的动态携砂性能对比：
动态携砂性能测试具体步骤如下：
模拟地层盐水按照实施例1的方法配制8L一定浓度的滑溜水溶液和变粘滑溜水溶液，倒入搅拌罐中以800rpm转速搅拌，之后倒入砂浓度为150kg/m3的支撑剂，搅拌15分钟；在搅拌状态下，打开搅拌罐出口阀门；使用离心泵将混有支撑剂的滑溜水溶液或变粘滑溜水溶液泵送至可视化的裂缝模型中，泵速约为1.5m3/h；在可视化模型中观察滑溜水溶液或变粘滑溜水溶液对砂浓度的支撑剂动态携砂性能。实验结果如图4A、图4B、图4C、图4D、图4E和图4F所示。
由图4A～图4F携砂图可以看出：携砂性能好的溶液，液体与支撑剂(砂子)不易分离；滑溜水与砂子混合搅拌后呈棕黄色，注入裂缝模型中，因为重力、粗糙度等原因，砂子会逐渐与滑溜水携砂液产生分离、沉降。可以看到常规滑溜水中，0.2％浓度时无法携带，砂子很快沉降至底部，与白色常规滑溜水分离，无法携砂，而变粘滑溜水中可以看到，砂子在模型前端略微突起，证明被携带起，但携砂性能不强，勉强携砂；0.4％浓度时常规滑溜水可以勉强携带砂子，但仍很快分离，砂子在滑溜水带动下，往后部移动，在模型后端略微突起，强于0.2％浓度时两种滑溜水的携砂能力，而变粘滑溜水中可以看到模型前端砂子基本没有沉降，大部分被携带至后端；0.6％浓度时常规滑溜水可以携带起砂子，前端基本充满，但中后段砂子明显沉降，无法全部携带起来，具有高携砂能力，而变粘滑溜水携砂液呈一定弧度往模型后端移动并充满模型，砂子基本不易沉降，大部分堆积于模型后端，整个模型基本上都被棕黄色携砂液覆盖，可见其携砂性能更加优异。
对比图1A～图1F、图2、图3、图4A～图4F和表1可知：在相同浓度时，变粘滑溜水的弹性模量、粘性模量均高于常规滑溜水，且粘弹性模量的交点值远小于常规滑溜水；变粘滑溜水的静态携砂和动态携砂性能均强于常规滑溜水，通过验证实验的图示能够证明本发明的方法具有准确性。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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