硝酸鈉加重海水基壓裂液性能評價*

熊俊杰，趙戰江，安 琦，王世彬

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500）

目前壓裂液配制用水主要為淡水。但對于海上油田壓裂，存在淡水不易獲得或成本較高等問題。海上油田壓裂還受自然環境和平臺空間限制，無法擺放大量壓裂設備及儲液罐。因此對于海上油田大規模壓裂，傳統壓裂液及配液流程難以滿足要求，有必要采用海水基壓裂液及配套連續混配施工技術［1-3］。對于海水油氣田深井、超深井，尤其是東海油氣田儲層埋深較大，除了儲層溫度高以外，還存在地層壓力系數高、閉合應力梯度大等情況［4］。在對其進行壓裂改造時施工壓力通常較高，考慮平臺空間限制和安全因素，壓裂泵數量和泵壓受到較大限制［5］。同時由于通過調整管柱尺寸和施工排量的方法來降低施工壓力可能會增大壓裂施工難度并影響壓裂改造效果，因此需要新的方法和措施更有效地降低壓裂施工井口壓力。通過對海水基壓裂液加重以增大壓裂液的靜液柱壓力是減小壓裂施工井口壓力的有效途徑之一［6］，同時也可解決淡水不易獲得或成本較高的問題。目前，常用的壓裂液加重劑主要有甲酸鹽、NaCl、NaBr 等，NaNO3-NaCl復合鹽加重壓裂液耐溫135℃［7-9］。NaNO3價格大約為常用加重劑NaBr 的1/6，用NaNO3加重海水基壓裂液性價比較高。目前，還未見使用NaNO3加重海水基壓裂液的報道。筆者用NaNO3加重海水與兩性離子胍膠稠化劑、交聯劑及其他添加劑配制壓裂液，研究了壓裂液的耐剪切性（150℃）、濾失性、破膠性和對巖心滲透率與支撐劑導流能力的傷害。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

NaNO3、過硫酸銨，工業級，淄博弘貴東化工有限公司；兩性離子胍膠稠化劑2-羥基-3-（N，N-二甲基甘氨酸基）丙基胍膠（2，3-環氧丙基二甲氨基乙酸鹽與胍膠在堿的乙醇水溶液中發生醚化反應制得）、季銨鹽類黏土穩定劑、氟碳類助排劑、pH 調節劑、季銨鹽類殺菌劑、有機硼鋯交聯劑，自制；海水取自東海海域，礦化度37156.9 mg/L，硬度1903.5 mg/L，主要離子組成（單位mg/L）為：Ca2+392.8、Mg2+1510.7、Na+10168.9、K+393.7、Cl-21602.3、SO42-3036.4、Br-52.1；黃巖2-2氣田H8層巖心，尺寸為φ2.524×3.510（cm）、φ2.521×5.322（cm）、φ2.516×5.337（cm）。

WT-VSA2000B 吳茵混調器，北京科氏力科學儀器有限公司；FANN35旋轉黏度計，美國Baroid公司；CVRO200 高溫高壓流變儀，英國Malvem 公司；動態濾失儀，西南石油大學自制；LDY50-180 型巖心流動實驗儀、CDLY-2006 型導流能力測試儀，海安石油科技公司。

1.2 壓裂液的配制及性能評價

（1）壓裂液的配制。①基液：先配制一定濃度的NaNO3海水溶液，再按0.52%的加量加入兩性離子胍膠稠化劑，充分溶脹后，再加入一定量的黏土穩定劑、助排劑、pH 調節劑、殺菌劑，混合均勻后制得壓裂液基液。②壓裂液：向裝有基液的混調器中加入1.1%的交聯劑，高速攪拌，直至完全交聯形成壓裂液凍膠。

（2）稠化劑溶脹性能評價。在500 r/min轉速下將稠化劑加入盛有500 mL 實驗用水的吳茵混調器中，使混調器在500 r/min 轉速下高速攪拌，每隔一定時間測定溶液黏度，直至黏度穩定，實驗溫度20℃。

（3）壓裂液性能測定。參照石油天然氣行業標準SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》，評價壓裂液的耐剪切性能（150℃、170 s-1）、濾失性能（80℃）、破膠性能，測定巖心基質滲透率損害率。

（4）壓裂液對支撐劑導流能力傷害率的測定。在室內模擬地層條件，利用導流能力測試儀對35%NaNO3加重海水基壓裂液進行支撐劑（陶粒）的導流能力測試。實驗儀采用API 標準導流室，鋪砂濃度為5 kg/m2。在120℃下，注入去離子水，測得不同壓力下的支撐劑導流能力，然后在6.9 MPa 的壓力下注入800 mL破膠液（破膠溫度80℃，過硫酸銨加量0.1%，破膠時間240 min），再注入蒸餾水測試支撐劑導流能力，按損害前后導流能力差值與損害前導流能力的比值計算導流能力損害率。

2 結果與討論

2.1 NaNO3加量對壓裂液基液的影響

2.1.1 基液密度

壓裂液中NaNO3質量分數為15%、25%、30%和35%時，壓裂液密度（20℃）呈線性增加，分別為1.111、1.156、1.173和1.196 g/cm3。通過實驗數據線性回歸得到NaNO3含量與海水基壓裂液密度的關系為：ρ=0.4206c+1.0486，R2為0.9989。式中，ρ—壓裂液密度（g/cm3），c—NaNO3含量（%）。使用35%NaNO3進行加重，壓裂液密度為1.20 g/cm3，若繼續增大NaNO3加量至飽和溶液，壓裂液密度可達1.26 g/cm3。但外界條件變化時，NaNO3易析出。綜合考慮優選35%NaNO3進行加重，可有效增大壓裂液凈液柱壓力，實現降低施工壓力約2 MPa/1000 m。

2.1.2 基液黏度

NaNO3加量對海水基壓裂液基液黏度的影響見表1。隨著NaNO3加量及放置時間的增加，基液黏度降低，但降幅較小，黏度降低率僅為5%。NaNO3加量及放置時間對壓裂液基液黏度影響較小。鹽含量較高時，存在部分鹽析現象，兩性離子胍膠分子發生卷曲，導致黏度降低；兩性離子胍膠屬于植物膠改性物，受細菌影響較大，因此隨放置時間延長黏度有所降低。后續實驗中NaNO3的加量均為35%。

表1 NaNO3加量對壓裂液基液黏度的影響

2.2 稠化劑溶脹性能

0.52%兩性離子胍膠在35%NaNO3海水溶液及海水中的溶脹性能見圖1。兩性離子胍膠在海水中的溶脹性能好于在35% NaNO3海水溶液中，攪拌60 min后的黏度較高；在海水中僅需10 min即可達到最終黏度的85%，而在NaNO3海水溶液中需溶脹20 min 才可達到該值。高礦化度水屬于強電解質，使用高礦化度水配制兩性離子胍膠溶液時，強電解質先于水分子快速進入胍膠分子中，從而屏蔽有效電荷，減弱離子間排斥作用引起的鏈擴展，導致溶脹性能變差。NaNO3海水溶液礦化度高于海水，導致兩性離子胍膠在NaNO3海水溶液中溶脹性能比在海水溶液中差［10-13］。

圖1 兩性離子胍膠在不同海水溶液中的溶脹性能

2.3 壓裂液性能評價

2.3.1 耐剪切性能評價

壓裂液凍膠黏度隨剪切時間的變化見圖2。壓裂液凍膠在150℃、170 s-1下連續剪切120 min 后的黏度保持在76 mPa·s 以上，說明壓裂液在150℃下的耐剪切性能良好，滿足壓裂施工要求。

圖2 壓裂液凍膠黏度隨剪切時間的變化

在兩性離子胍膠加量為0.52%時，向35%NaNO3海水基壓裂液和海水基壓裂液中加入不同量的交聯劑，在150℃、170 s-1下剪切120 min后的黏度見圖3。在相同交聯劑加量（0.6%）下，海水基壓裂液凍膠黏度顯著高于35% NaNO3海水基壓裂液凍膠。這是由于加入NaNO3后，大量帶電荷的離子包圍在稠化劑分子周圍，與純海水相比進一步減少了交聯劑與稠化劑分子發生交聯反應的幾率［14-15］，交聯強度大大降低，導致耐剪切性能顯著降低。當交聯劑加量增至1.1%后，交聯劑與稠化劑分子發生交聯反應的幾率得到提高，能形成完善的空間網絡結構，耐剪切性能提高。而在海水基壓裂液中交聯劑加量大于0.6%時，壓裂液黏度降低。

圖3 交聯劑對兩種海水基壓裂液黏度的影響

2.3.2 濾失性能評價

在80℃下，測得35% NaNO3海水基壓裂液（0.35%兩性離子胍膠、0.8%交聯劑）的濾失量為0.008 m3/m2、動態濾失速度為 3.69×10-4m/min（φ2.524×3.510（cm）巖心滲透率0.038×10-3μm2）。壓裂液濾失性能良好，滿足石油天然氣行業標準SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術條件》要求。

2.3.3 破膠性能評價

在60和80℃、過硫酸銨加量為0.1%的條件下，35% NaNO3海水基壓裂液凍膠（0.35%兩性離子胍膠、0.8%交聯劑）在不同破膠時間下的黏度見表2。由表可見，壓裂液在3數4 h 可完全破膠，滿足壓裂液破膠要求。增加過硫酸銨用量或提高破膠溫度可縮短壓裂液破膠時間。

表2 NaNO3海水基壓裂液凍膠在不同破膠時間下的黏度

2.3.4 巖心基質滲透率損害率評價

由表3數據可見，35%NaNO3海水基壓裂液對儲層巖心基質的滲透率損害率為23.3%，低于標準SY/T 6376—2008要求的≤30%，壓裂液對儲層的傷害較小。實驗過程中NaNO3等鹽分有可能在小孔喉中析出而形成堵塞，導致滲透率損害率增大；在壓裂施工結束后，隨著返出液返出，鹽將不斷溶解，對地層的傷害逐漸減弱。

表3 壓裂液對巖心基質滲透率損害率

2.3.5 支撐劑導流能力傷害率評價

加重海水基壓裂液破膠液注入前后的支撐劑導流能力隨閉合壓力的變化見圖4。隨著閉合壓力升高，破膠液注入前后的導流能力快速降低，傷害率總體呈快速增大趨勢。閉合壓力為41.4、82.7 MPa 時的導流能力傷害率分別為37.07%、41.89%。在實驗過程中，NaNO3等鹽分有可能附著在支撐劑表面形成堵塞，導致傷害后導流能力較傷害前降低。在壓裂液返排過程中，鹽分將不斷溶解返出，導流能力有所增大。

圖4 加重海水基壓裂液破膠液注入前后的支撐劑導流能力隨閉合壓力的變化

3 結論

用35% NaNO3加重海水、0.52%兩性離子胍膠稠化劑、1.2%有機硼鋯交聯劑及其他添加劑配制的壓裂液密度為1.20 g/cm3。壓裂液可有效增大壓裂液凈液柱壓力，實現降低施工壓力約2 MPa/1000 m。NaNO3海水對胍膠稠化劑溶脹性能的影響大于海水，現場配液時應適當延長稠化劑溶脹時間。NaNO3加重海水基壓裂液具有良好的高溫耐剪切性能和降濾失性能；在60℃和80℃下，壓裂液在3數4 h 完全破膠，壓裂液對巖心基質滲透率損害率及支撐劑導流能力傷害率較低，滿足壓裂施工要求。