江蘇油田加重壓裂液室內研究

李升芳，金智榮，李太偉

(中國石化江蘇油田分公司工程技術研究院，江蘇 揚州 225009)

江蘇油田具有自主知識產權的耐溫180℃的羧甲基羥丙基胍膠壓裂液已在徐聞X3、徐聞X6等高溫深井、超深井成功應用。但是徐聞地區壓裂井施工時井口壓力通常達到80～90 MPa，在如此高的施工壓力下進行大規模長時間加砂，對設備性能要求較高，且施工排量等受到限制，因此必須優化該壓裂液體系，降低井口施工壓力。

1 技術原理

壓裂施工過程中地面最高泵壓通常用下式表示［1］:

式中，pW為地面井口施工壓力，MPa;pF為壓裂地層破裂壓力，MPa;pf為壓裂液摩擦阻力，MPa;pH為井筒靜液柱壓力，MPa。

地層破裂壓力主要由地層巖石的力學特性決定，要降低壓裂施工時井口的施工壓力，可以通過減小壓裂液的摩擦阻力，或增大壓裂液的靜液柱壓力來實現。鑒于羧甲基羥丙基胍膠壓裂液體系已經使用了具有良好減阻性能的稠化劑和延遲交聯劑，在降低管柱摩擦阻力方面無更多潛力可挖，因此考慮通過增加壓裂液靜液柱壓力來降低地面施工壓力。壓裂液靜液柱壓力計算公式如下:

式中，ρ為壓裂液密度，g/cm3;H為壓裂儲層深度，m。

從上式可以看出，增大壓裂液的密度可以提高壓裂液的靜液柱壓力。壓裂液密度每提高0.1 g/cm3，井筒中壓裂液靜液柱壓力可以提高約1 MPa/km。例如當井深為5000 m時，若壓裂液密度提高0.2～0.3 g/cm3，則壓裂液靜液柱壓力增加10～15 MPa，地面施工壓力可降低10～15 MPa，將大大降低這類深井、超深井的施工難度。

2 配伍性選鹽

加重壓裂液是指在壓裂液中加入鹽類加重劑，通過增加液體密度來增大液柱的壓力，在施工全程中降低井口施工壓力［2］。常用的鹽類有氯化鈉、氯化鉀、硝酸鈉、溴化鈉和溴化鉀等。國內外研究結果表明，采用鹽類加重壓裂液可得到不同密度的配方，密度最大可達 1.70 g/cm3［3］。

2.1 氯化鉀、溴化鉀

不同pH調節劑的流變性對比如圖1所示。鉀離子與羧甲基體系不配伍。且20℃時KCl的溶解度為34 g，此時KCl飽和溶液的密度為1.12 g/cm3，密度偏低。因此排除氯化鉀、溴化鉀為加重劑。

圖1 不同pH調節劑的流變性對比

2.2 氯化鈉

20℃時氯化鈉的溶解度為36 g，相當于質量分數26.47%，最大密度為 1.197 g/cm3，密度偏低，排除氯化鈉為加重劑。

2.3 溴化鈉

20℃時溴化鈉的溶解度為90.8 g，密度為3.203 g/cm3。溴化鈉的密度和溶解度較大，加重效果明顯，國外大多采用溴化鈉作為壓裂液加重材料，但溴化鈉有毒，屬大腦皮層興奮的抑制藥，極少量即可作催眠藥，易導致死亡，且價格昂貴，因此排除溴化鈉為加重劑。

2.4 硝酸鈉

20℃時硝酸鈉的溶解度為87 g，相當于質量分數46.524%，選擇硝酸鈉為加重劑。實驗中硝酸鈉的質量分數為10% ～45%，對應的溶液密度如表1所示。

表1 不同質量分數的硝酸鈉對應的溶液密度

3 流變性測試

對不同NaNO3加量的壓裂液體系進行了流變性測試，結果如圖2和圖3所示。

圖2 30%硝酸鈉體系140℃流變曲線

圖3 40%硝酸鈉體系150℃流變曲線

從圖2和圖3可看出，30%硝酸鈉體系的密度可達1.2199 g/cm3，140 ℃下剪切82 min，黏度可達270 mPa·s，該體系耐溫達140℃;40%硝酸鈉體系的密度可達1.3122 g/cm3，150℃下剪切103 min，黏度可達125 mPa·s，該體系耐溫達150℃。

對以往壓裂井壓前壓后井溫測試數據進行擬合，結果見圖4。壓后停泵時裂縫近井地帶溫度降至原始地層溫度的75% ～80%［4］。耐溫150℃的壓裂液體系可用于187～200℃深井壓裂施工，按地表溫度20℃、地溫梯度3℃/100 m計，壓裂井深可達5567～6000 m。同時40%硝酸鈉體系的密度為1.3122 g/cm3，壓裂液密度每增加0.1 g/cm3，井筒靜液柱壓力增加約1 MPa/km，該體系可降低施工壓力17.4 ～18.7 MPa。

圖4 停泵后溫度恢復與時間的關系

4 結論

1)羧甲基加重壓裂液體系耐溫達150℃，可用于5500～6000 m高溫深井施工。

2)羧甲基加重壓裂液體系密度可達1.3122 g/cm3，與其他體系相比，可降低施工壓力約18 MPa，為深井壓裂提供了一條有效途徑。

［1］伍林，王世彬，雷躍雨.超高溫瓜膠壓裂液加重性能研究［J］.重慶科技學院學報:自然科學版，2011，13(1):98－100.

［2］鄭彬濤郭建春，降低異常破裂壓力儲層壓裂施工壓力技術［J］.油氣井測試，2010，19(3):46 －48.

［3］段志英.國外高密度壓裂液技術新進展［J］.國外高密度壓裂液技術新進展，2010，26(6):32 －33.

［4］王進濤.井溫測井曲線在江蘇油田的研究及應用［J］.中國石油和化工標準與質量，2012(16):145－146.