江苏油田加重压裂液室内研究

2015-06-10李升芳金智荣李太伟

精细石油化工进展 2015年2期

李升芳，金智荣，李太伟

(中国石化江苏油田分公司工程技术研究院，江苏扬州 225009)

江苏油田具有自主知识产权的耐温180℃的羧甲基羟丙基胍胶压裂液已在徐闻X3、徐闻X6等高温深井、超深井成功应用。但是徐闻地区压裂井施工时井口压力通常达到80～90 MPa，在如此高的施工压力下进行大规模长时间加砂，对设备性能要求较高，且施工排量等受到限制，因此必须优化该压裂液体系，降低井口施工压力。

1 技术原理

压裂施工过程中地面最高泵压通常用下式表示［1］:

式中，pW为地面井口施工压力，MPa;pF为压裂地层破裂压力，MPa;pf为压裂液摩擦阻力，MPa;pH为井筒静液柱压力，MPa。

地层破裂压力主要由地层岩石的力学特性决定，要降低压裂施工时井口的施工压力，可以通过减小压裂液的摩擦阻力，或增大压裂液的静液柱压力来实现。鉴于羧甲基羟丙基胍胶压裂液体系已经使用了具有良好减阻性能的稠化剂和延迟交联剂，在降低管柱摩擦阻力方面无更多潜力可挖，因此考虑通过增加压裂液静液柱压力来降低地面施工压力。压裂液静液柱压力计算公式如下:

式中，ρ为压裂液密度，g/cm3;H为压裂储层深度，m。

从上式可以看出，增大压裂液的密度可以提高压裂液的静液柱压力。压裂液密度每提高0.1 g/cm3，井筒中压裂液静液柱压力可以提高约1 MPa/km。例如当井深为5000 m时，若压裂液密度提高0.2～0.3 g/cm3，则压裂液静液柱压力增加10～15 MPa，地面施工压力可降低10～15 MPa，将大大降低这类深井、超深井的施工难度。

2 配伍性选盐

加重压裂液是指在压裂液中加入盐类加重剂，通过增加液体密度来增大液柱的压力，在施工全程中降低井口施工压力［2］。常用的盐类有氯化钠、氯化钾、硝酸钠、溴化钠和溴化钾等。国内外研究结果表明，采用盐类加重压裂液可得到不同密度的配方，密度最大可达 1.70 g/cm3［3］。

2.1 氯化钾、溴化钾

不同pH调节剂的流变性对比如图1所示。钾离子与羧甲基体系不配伍。且20℃时KCl的溶解度为34 g，此时KCl饱和溶液的密度为1.12 g/cm3，密度偏低。因此排除氯化钾、溴化钾为加重剂。

图1 不同pH调节剂的流变性对比

2.2 氯化钠

20℃时氯化钠的溶解度为36 g，相当于质量分数26.47%，最大密度为 1.197 g/cm3，密度偏低，排除氯化钠为加重剂。

2.3 溴化钠

20℃时溴化钠的溶解度为90.8 g，密度为3.203 g/cm3。溴化钠的密度和溶解度较大，加重效果明显，国外大多采用溴化钠作为压裂液加重材料，但溴化钠有毒，属大脑皮层兴奋的抑制药，极少量即可作催眠药，易导致死亡，且价格昂贵，因此排除溴化钠为加重剂。

2.4 硝酸钠

20℃时硝酸钠的溶解度为87 g，相当于质量分数46.524%，选择硝酸钠为加重剂。实验中硝酸钠的质量分数为10% ～45%，对应的溶液密度如表1所示。

表1 不同质量分数的硝酸钠对应的溶液密度

3 流变性测试

对不同NaNO3加量的压裂液体系进行了流变性测试，结果如图2和图3所示。

图2 30%硝酸钠体系140℃流变曲线

图3 40%硝酸钠体系150℃流变曲线

从图2和图3可看出，30%硝酸钠体系的密度可达1.2199 g/cm3，140 ℃下剪切82 min，黏度可达270 mPa·s，该体系耐温达140℃;40%硝酸钠体系的密度可达1.3122 g/cm3，150℃下剪切103 min，黏度可达125 mPa·s，该体系耐温达150℃。

对以往压裂井压前压后井温测试数据进行拟合，结果见图4。压后停泵时裂缝近井地带温度降至原始地层温度的75% ～80%［4］。耐温150℃的压裂液体系可用于187～200℃深井压裂施工，按地表温度20℃、地温梯度3℃/100 m计，压裂井深可达5567～6000 m。同时40%硝酸钠体系的密度为1.3122 g/cm3，压裂液密度每增加0.1 g/cm3，井筒静液柱压力增加约1 MPa/km，该体系可降低施工压力17.4 ～18.7 MPa。