江蘇油田加重壓裂液室內(nèi)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(shù)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

江蘇油田具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(yīng)用。但是徐聞地區(qū)壓裂井施工時(shí)井口壓力通常達(dá)到80～90 MPa，在如此高的施工壓力下進(jìn)行大規(guī)模長時(shí)間加砂，對(duì)設(shè)備性能要求較高，且施工排量等受到限制，因此必須優(yōu)化該壓裂液體系，降低井口施工壓力。

1 技術(shù)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(xué)特性決定，要降低壓裂施工時(shí)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(shí)現(xiàn)。鑒于羧甲基羥丙基胍膠壓裂液體系已經(jīng)使用了具有良好減阻性能的稠化劑和延遲交聯(lián)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(jì)算公式如下:

式中，ρ為壓裂液密度，g/cm3;H為壓裂儲(chǔ)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(dāng)井深為5000 m時(shí)，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(nèi)外研究結(jié)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(dá) 1.70 g/cm3［3］。

2.1 氯化鉀、溴化鉀

不同pH調(diào)節(jié)劑的流變性對(duì)比如圖1所示。鉀離子與羧甲基體系不配伍。且20℃時(shí)KCl的溶解度為34 g，此時(shí)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(diào)節(jié)劑的流變性對(duì)比

2.2 氯化鈉

20℃時(shí)氯化鈉的溶解度為36 g，相當(dāng)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shí)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(dǎo)致死亡，且價(jià)格昂貴，因此排除溴化鈉為加重劑。

2.4 硝酸鈉

20℃時(shí)硝酸鈉的溶解度為87 g，相當(dāng)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)46.524%，選擇硝酸鈉為加重劑。實(shí)驗(yàn)中硝酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% ～45%，對(duì)應(yīng)的溶液密度如表1所示。

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硝酸鈉對(duì)應(yīng)的溶液密度

3 流變性測試

對(duì)不同NaNO3加量的壓裂液體系進(jìn)行了流變性測試，結(jié)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(dá)1.2199 g/cm3，140 ℃下剪切82 min，黏度可達(dá)270 mPa·s，該體系耐溫達(dá)140℃;40%硝酸鈉體系的密度可達(dá)1.3122 g/cm3，150℃下剪切103 min，黏度可達(dá)125 mPa·s，該體系耐溫達(dá)150℃。

對(duì)以往壓裂井壓前壓后井溫測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖4。壓后停泵時(shí)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(jì)，壓裂井深可達(dá)5567～6000 m。同時(shí)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(fù)與時(shí)間的關(guān)系

4 結(jié)論

1)羧甲基加重壓裂液體系耐溫達(dá)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(dá)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(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，13(1):98－100.

［2］鄭彬濤郭建春，降低異常破裂壓力儲(chǔ)層壓裂施工壓力技術(shù)［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(shù)新進(jìn)展［J］.國外高密度壓裂液技術(shù)新進(jìn)展，2010，26(6):32 －33.

［4］王進(jìn)濤.井溫測井曲線在江蘇油田的研究及應(yīng)用［J］.中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012(16):145－146.