深層油氣用加重滑溜水壓裂液體系

王麗偉，楊競旭，高瑩，楊戰(zhàn)偉，滕起，韓秀玲，徐敏杰

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油冀東油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004；3.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒 841000）

近年來，深層油氣開發(fā)已成為我國油氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域，作為典型的非常規(guī)油氣藏，它具有埋藏深度大、溫度高、施工壓力高等特點，給儲層改造帶來更多困難[1-2]。塔里木庫車山前區(qū)塊作為典型的超深層氣藏，75%施工井泵壓在100 MPa以上，最高施工壓力達到136 MPa，壓裂增產(chǎn)改造一直是制約其油氣開發(fā)的技術(shù)瓶頸，施工排量也受到極大限制。筆者借鑒頁巖氣用滑溜水成功應(yīng)用的經(jīng)驗和加重壓裂液的優(yōu)點，形成了加重滑溜水體系。

1 超深井改造高施工壓力分析

超深井儲層改造施工時，由于井口壓力高，無法通過提排量滿足體積改造的需要，同時超高壓力下施工安全隱患較高，利用目前的技術(shù)與裝備甚至無法進行施工作業(yè)。

壓裂施工期間井口所受壓力計算見公式（1）。

式中，Pw為井口壓力，MPa；Pb為儲層破裂及延伸壓力，MPa；Pf為摩阻損失（包括孔眼、管柱沿程），MPa；Ph為井筒液柱壓力，MPa。

這個公式表明降低井口壓力的主要措施是增加液柱壓力及降低沿程摩阻。因此，通過增加壓裂液的密度，即增加液柱壓力，可降低井口施工壓力。但在實際施工過程中部分加重壓裂液并沒有顯著降低施工壓力，某施工井施工曲線見圖1。該井井深為7600 m，前置液階段為非加重壓裂液，密度為1.0 g/cm3，最高排量為4.5 m3/min，施工壓力為91～119 MPa，已接近井口最高限壓120 MPa。前置液泵注68 m3后，開始泵注密度為1.35 g/cm3的甲酸鉀加重壓裂液，最高排量仍為4.5 m3/min，按照液柱增加值計算，井口壓力應(yīng)降低26 MPa 左右，實際施工井口壓力卻高達117 MPa，未顯示壓裂液加重后的降壓作用。

圖1 某井加重壓裂液施工壓力曲線

據(jù)統(tǒng)計超深加重壓裂液施工井，普遍存在液體密度增加，施工壓力降低值未達到理論效果。根據(jù)公式（1），影響井口施工壓力另外一個重要參數(shù)是沿程摩阻。由賈因（Jain）（1976）提出的單項流體摩阻系數(shù)關(guān)系計算，見公式（2）～（4）。

可知，壓裂管柱確定后，摩阻損失Pf僅與液體密度及摩阻系數(shù)相關(guān)。沿程摩阻是與液體密度、摩阻系數(shù)及液體黏度正相關(guān)，可見液體摩阻也是決定施工壓力的關(guān)鍵參數(shù)。

隨著深層油氣滲透率、孔隙度進一步劣勢化，如何形成縫網(wǎng)、提高單井產(chǎn)量成為目前丞待解決的難題。基于理論分析及加重壓裂液實際應(yīng)用中存在的問題，借鑒頁巖氣用滑溜水應(yīng)用的經(jīng)驗[3-5]，筆者以庫車山前區(qū)塊為研究對象，通過加重劑、降阻劑及助排劑的合成及優(yōu)選，形成一套高效率加重滑溜水體系。該體系密度增加的同時，還能降低液體黏度及摩阻系數(shù)，達到降低沿程摩阻目的；并對其進行了系統(tǒng)的性能評價，以期為該區(qū)塊的儲層改造提供技術(shù)支持及保障。

2 高效加重滑溜水體系的研發(fā)

常規(guī)滑溜水體系主要組成部分是水和降阻劑，對于加重滑溜水而言，還有一個重要組分是加重劑。主要從加重劑、降阻劑及助排劑3 方面進行高效加重滑溜水的研發(fā)。

2.1 加重劑的優(yōu)選

壓裂液體系用加重劑通常要溶解度高、溶解速度快、加重密度大與其它處理劑和儲層流體的配伍性要好，通常有氯化物、硝酸鹽、甲酸鹽、溴鹽及它們的復(fù)合鹽等幾類[6-8]。氯化鉀價格低廉，但加重密度較低；NaNO3加重壓裂液密度為1.32 g/cm3，考慮到安全隱患，在新疆禁用；甲酸鹽及溴鹽體系可加重至1.5 g/cm3以上，成本高出KCl 加重壓裂液5 倍以上；另外還有一些復(fù)合鹽體系[9-11]，選擇復(fù)合鹽加重的目的在于考慮成本和加重密度2 者之間的平衡，達到可行的加重鹽組合。

綜合考慮以上因素，選擇價格低廉、貨源充足的氯化鈣作為加重劑。氯化鈣無毒、無臭，吸濕性極強，極易潮解，易溶于水，同時大量放熱（其溶解焓為-176.2 J/g）。無水氯化鈣溶于水放熱嚴重，不利于現(xiàn)場施工，因此選擇二水氯化鈣作為加重滑溜水加重劑，放熱溫和，可操作性更強。二水氯化鈣產(chǎn)品形態(tài)、生產(chǎn)方式及產(chǎn)地多樣化，且應(yīng)用于不同的行業(yè)，故沒有形成統(tǒng)一的氯化鈣標準。作為滑溜水加重劑使用，由于硫酸鹽對管柱腐蝕有一定的影響，故選擇符合國標GB/T 26520—2011 的工業(yè)氯化鈣，該標準對氯化鈣中硫酸鹽含量進行了明確規(guī)定。根據(jù)這一要求，選取了3 種工業(yè)二水氯化鈣進行配制，見圖2。1#工業(yè)二水氯化鈣雜質(zhì)含量高，呈現(xiàn)棕黃色；2#工業(yè)二水氯化鈣溶于水有白色沉淀；3#工業(yè)二水氯化鈣能夠形成無色透明溶液。因此選擇雜質(zhì)含量更低的3#工業(yè)氯化鈣作為滑溜水加重劑使用，降低對儲層的傷害。

圖2 3 種CaCl2在水中的溶解情況

2.2 耐高鹽降阻劑的研發(fā)

合成了具有特殊結(jié)構(gòu)的長鏈聚丙烯酰胺類聚合物FA31，在合成過程中添加了耐高溫、耐高濃度二價離子鹽的單體，分子量600 萬左右，耐氯化鈣35×104mg/L，降阻劑在密度為1.35 g/cm3的二水氯化鈣溶液中具有良好的減阻性、溶解性和耐溫性。

2.3 助排劑的優(yōu)選

與常規(guī)壓裂液不同，在加重溶液中液體密度大，液體內(nèi)部分子之間的距離變小，分子間引力增大，液體的表面張力也會相應(yīng)越大。Q/SY 17376—2017中提到氣井氟碳類和非氟碳類助排劑表面張力標準值為≤25 mN/m 和≤27 mN/m。常用的某一性能優(yōu)良的助排劑YL-3 在常規(guī)壓裂液和該加重滑溜水中的表面張力分別為22.78 mN/m 和32.10 mN/m（見表1），可見密度對表面張力的影響非常明顯。因此優(yōu)選出加重滑溜水專用助排劑ZD-4，其與加重滑溜水配伍性良好，用量在0.5%時表面張力為26.53 mN/m，具有良好的助排效果。

表1 助排劑在不同溶液中的表面張力 （mN/m）

3 高效加重滑溜水體系的性能

低成本高效加重滑溜水體系由水、二水氯化鈣加重劑、降阻劑FA31、助排劑ZD-4 組成。加重劑加量為46%，壓裂液密度為1.35 g/cm3，降阻劑用量為0.05%～0.15%，助排劑用量為0.5%。

3.1 降阻劑溶解性能

由于大量二價鈣離子的存在嚴重影響降阻劑分子的分散及水溶性，因此該加重滑溜水配制過程為水中先行加入降阻劑FA31，溶脹完畢后再加入二水氯化鈣。不同降阻劑濃度形成的加重水溶液黏度數(shù)據(jù)見表2。可知，降阻劑溶脹5 min，黏度可達到最終黏度的90%以上，然后加入二水氯化鈣，在0.1%降阻劑中，黏度為6.56 mPa·s?？芍?，該降阻劑具有良好的溶解性能，在現(xiàn)場配制簡便可行。

表2 不同降阻劑濃度形成的水溶液黏度特性

3.2 降阻劑耐溫性能

采用高溫高壓旋轉(zhuǎn)流變儀測試0.1%降阻劑的加重滑溜水的耐溫耐剪切性能，對比高溫剪切前后的黏度變化見圖3。

圖3 加重滑溜水高溫剪切（150 ℃、16 min）前后的黏度變化

由圖3 可知，高溫剪切前黏度為9.48 mPa·s，再次降低至25 ℃時黏度為8.53 mPa·s。黏度可恢復(fù)到初始黏度的90%，說明高分子結(jié)構(gòu)未被破壞，該降阻劑具有良好的耐溫性能。

3.3 降阻劑耐高鹽性能

實驗室用清水和35×104mg/L 氯化鈣鹽水配制滑溜水，測試滑溜水黏度，觀察降阻劑溶解性能，結(jié)果見表3?？芍吞锍Ｓ媒底鑴? 和降阻劑2 在氯化鈣鹽水中不能完全溶脹，有絮狀物漂浮和沉降，黏度變化較小，氯化鈣鹽水的黏度為3.29 mPa·s，說明降阻劑在該鹽水中幾乎沒有溶脹。耐高鹽降阻劑FA31 在清水中的黏度為7.61 mPa·s，在氯化鈣鹽水中的黏度為6.56 mPa·s，溶脹均勻，無絮狀物漂浮或沉降。說明，降阻劑FA31 具有良好的耐高鹽性能。

表3 不同降阻劑在清水和氯化鈣鹽水中的黏度

3.4 減阻性能

實驗采用常規(guī)的管路摩阻測試設(shè)備，摩阻管路長度4 m，最大排量10 L/min，管線內(nèi)徑為4.6 mm，通過測定滑溜水流經(jīng)管路的壓降和流量進行摩阻測試。根據(jù)流體力學(xué)，降阻率可以表示為摩阻系數(shù)的降低，即：DR=（1-λ/λ0）×100%。由公式可知：

式中，D為管路內(nèi)徑，m；ΔP為流體摩阻壓差，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；υ為流體流速，m/s；l為管路長度，m。由公式（5）可見，當實驗管路確定后，保持對同樣流速下的清水和滑溜水進行比較，摩阻系數(shù)與流體密度和摩阻壓降相關(guān)，將式（5）帶入DR計算可得式（6）。

由式（6）可知，若液體不加重，少量的降阻劑對密度影響極小，密度可約等于清水的密度，則降阻率僅與壓降有關(guān)。但對于加重滑溜水而言，密度能夠提高15%～50%，因此加重滑溜水的減阻率較常規(guī)滑溜水降阻率低。針對筆者研究的加重滑溜水（密度為1.35 g/cm3）進行系列摩阻測試，見圖4?？梢娪捎谑芏喾N因素影響，減阻效果不僅與流速相關(guān)，流速增大到一定數(shù)值，減阻增量有所降低，還與流體密度和降阻劑濃度也關(guān)系密切。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在0.1%降阻劑條件下，未加重時降阻率達到75%，加重時降阻率約為62%，減阻效果明顯。因此本研究采用0.05%～0.15%作為加重滑溜水中降阻劑的濃度。

圖4 降阻劑對加重滑溜水降阻性能的影響

3.5 傷害性能測試

該加重滑溜水中含有大量的二水氯化鈣，工業(yè)化學(xué)品中不可避免含有一定的不溶性雜質(zhì)，會對巖心產(chǎn)生一定的傷害。根據(jù)行業(yè)標準SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》，進行巖心傷害率測試。初始滲透率0.125 mD，傷害后滲透率0.111 mD，傷害率11.2%，可見，通過控制添加劑質(zhì)量關(guān)，能夠降低該滑溜水對巖心的傷害程度。

4 結(jié)論

1.通過分析加重壓裂液現(xiàn)場實施存在的問題及頁巖氣滑溜水成功應(yīng)用的經(jīng)驗，篩選高效加重劑及助排劑，研發(fā)了耐高鹽耐高溫降阻劑，形成了高效加重滑溜水技術(shù)。

2.該滑溜水耐高濃度氯化鈣35×104mg/L，加重密度為1.35 g/cm3，具有良好的耐溫耐剪切性能和助排性能，降阻率為62%，巖心傷害率為11.2%，能夠有效降低施工壓力及施工風(fēng)險，為超高壓超深井儲層改造提供新的技術(shù)支持。