劉　林　刁　素　黃禹忠　何紅梅

（中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川　德陽(yáng)　618000）

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硝酸鉀示蹤劑對(duì)壓裂液性能影響的研究

劉林刁素黃禹忠何紅梅

（中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川德陽(yáng)618000）

摘要壓裂液示蹤技術(shù)可解決水平井壓后井筒是否通暢，泥巖段液體能否返出等疑問(wèn)，通過(guò)硝酸鉀示蹤劑對(duì)壓裂液的性能影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，表明硝酸鉀與現(xiàn)行壓裂液具有較好的配伍性，滿(mǎn)足流變、破膠要求，巖屑吸附和室內(nèi)全模擬實(shí)驗(yàn)表明吸附量小，巖心傷害實(shí)驗(yàn)表明硝酸鉀基本不會(huì)造成附加傷害，可用于壓裂液示蹤，并優(yōu)選出硝酸鉀加量為4 000 mg／L。在兩口水平井第一級(jí)（B靶）進(jìn)行了應(yīng)用，證實(shí)了示蹤的這兩口水平井分段壓裂后井筒暢通，且各段并非同時(shí)排液，而是按照儲(chǔ)層增能大小，由A靶逐漸至B靶。

關(guān)鍵詞示蹤劑水平井硝酸鉀井筒暢通

修訂回稿日期：2015－12－31

重大專(zhuān)項(xiàng)：本文系國(guó)家科技重大攻關(guān)專(zhuān)項(xiàng)《大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)》（編號(hào)：2016ZX05048）下設(shè)專(zhuān)題《薄層窄河道致密砂巖氣藏水平井壓裂關(guān)鍵技術(shù)》（編號(hào)：2016ZX05048004-003）部分研究?jī)?nèi)容。

0　引言

水平井多級(jí)分段壓裂后，井筒是否暢通，B靶點(diǎn)液體是否返排出井筒，由于缺乏檢測(cè)手段，存在疑問(wèn)。雖然微量物質(zhì)示蹤技術(shù)可以解決上述疑問(wèn)，但成本較高，且需要專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)；N03-雖是第一代示蹤劑，但目前尚未有作為壓裂液示蹤劑的文獻(xiàn)報(bào)道，由于砂巖地層表面帶負(fù)電，N03-在地層表面吸附少，消耗量小，且容易被分光光度計(jì)法檢出，若硝酸鉀滿(mǎn)足壓裂液示蹤劑要求，就可用于水平井分段壓裂示蹤。

1　壓裂液性能評(píng)價(jià)

示蹤劑篩選的原則：地層中背景濃度低、吸附少，不與地層流體及巖石中的礦物反應(yīng)；與所示蹤的流體配伍性好［1-3］；易于檢出；安全無(wú)毒；來(lái)源廣，成本較低；示蹤劑彼此無(wú)反應(yīng)、無(wú)干擾；若用于壓裂液，不影響壓裂液的成破膠性能［4-6］。

對(duì)川西中淺層地層水和配液用水進(jìn)行檢測(cè)，NO3-含量均小于0.04 mg／L，同時(shí)巖石表面帶負(fù)電，NO3-吸附少，且易于檢出，因此，初步選出硝酸鉀作為壓裂液示蹤劑。

壓裂液基礎(chǔ)配方為：0.35%胍膠＋0.3%殺菌劑＋0.5%粘土穩(wěn)定劑＋0.5%助排劑＋0.3%碳酸鈉＋0.5%多功能增效劑，交聯(lián)劑：加量0.3%。

1.1配伍性

分別將2 000 mg／L和4 000 mg／L的硝酸鉀水溶液與SF104-3HF井油田水和凝析油混合，在45℃水浴下放置，48 h后觀察，硝酸鉀水溶液與地層水混合后，未產(chǎn)生渾濁或沉淀現(xiàn)象，與凝析油混合后，也未產(chǎn)生乳化或沉淀現(xiàn)象，說(shuō)明KNO3與地層水或凝析油的配伍性較好。

1.2流變性能

1.2.1成膠性能

對(duì)壓裂液基液分別不加（空白樣）和加入2 000 mg／L、4 000 mg／L硝酸鉀，加入交聯(lián)劑，考查成膠性能，3種壓裂液均能在1 min時(shí)可挑，且凍膠光滑，但加入2 000 mg／L硝酸鉀的壓裂液交聯(lián)效果最好，其次為4 000 mg／L硝酸鉀壓裂液，最后是空白樣。說(shuō)明硝酸鉀的加入有助于提高壓裂液成膠性能。1.2.2流變性能

對(duì)分別加入4 000 mg／L、2 000 mg／L硝酸鉀的壓裂液凍膠，在170 s-1，50℃下進(jìn)行流變實(shí)驗(yàn)，剪切120 min后，壓裂液凍膠黏度分別為94.93 mPa·s、114.8 mPa·s，均能滿(mǎn)足壓裂液攜砂性能要求。

1.2.3破膠性能

對(duì)不加、分別加入2 000 mg／L、4 000 mg／L硝酸鉀的壓裂液凍膠進(jìn)行破膠實(shí)驗(yàn)（均加入100 mg／L過(guò)銨），結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可知，加入100 mg／L過(guò)銨的3種凍膠在180 min時(shí)均未破膠，但是之后各樣品再補(bǔ)加100 mg／L過(guò)銨后，在210 min時(shí)3個(gè)樣品均能破膠，并且加入硝酸鉀的凍膠的破膠液黏度均稍大于不加硝酸鉀的凍膠的破膠液黏度；同時(shí)也可看出，相同時(shí)間下加入2 000 mg／L的硝酸鉀的凍膠的破膠液黏度最高，其次為加入4 000 mg／L的凍膠的破膠液黏度，黏度最低的為空白樣。

破膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明硝酸鉀會(huì)延緩破膠性能，2 000 mg／L較4 000 mg／L加量對(duì)破膠的影響更大，但是只需要稍微增加破膠劑加量，加入硝酸鉀的壓裂液凍膠可以完全破膠。

1.2.4成膠、破膠對(duì)示蹤劑濃度的影響

該實(shí)驗(yàn)是在壓裂液基液中加入一定濃度的硝酸鉀，分別檢測(cè)壓裂液成膠前和破膠后NO3-濃度的變化情況。

表1　硝酸鉀加量對(duì)破膠性能的影響表

在壓裂液基液中分別加入2 000 mg／L和4 000 mg／L硝酸鉀、交聯(lián)劑、破膠劑（過(guò)銨），在45℃水浴下放置破膠，分別在16 h、24 h和48 h取出破膠液，過(guò)濾，用離子色譜儀測(cè)定濾液中NO3-的濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　成、破膠對(duì)硝酸鉀濃度的影響表

1）加入不同濃度硝酸鉀的壓裂液在成、破膠過(guò)程均表現(xiàn)出一定NO3-的損失量。損失主要由以下兩種作用引起的，第一，羥丙基胍膠分子鏈上具有多個(gè)羥基，可以通過(guò)氫鍵作用和NO3-中的氧原子結(jié)合，從而“固定”住游離的NO3-；第二，胍膠經(jīng)過(guò)交聯(lián)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，也可以圈閉住含有NO3-的溶液。

2）相同過(guò)銨加量下，相同時(shí)間NO3-的損失量表現(xiàn)為：2 000 mg／L加量＞4 000 mg／L，這交聯(lián)質(zhì)量一致，即加入2 000 mg／L硝酸鉀的基液形成的凍膠質(zhì)量比4 000 mg／L的好，由于凍膠交聯(lián)質(zhì)量越好，其空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更緊密，因此對(duì)陰離子的圈閉能力更強(qiáng)。

3）加入4 000 mg／L的硝酸鉀的壓裂液在成、破膠過(guò)程N(yùn)O3-變化很特殊，表現(xiàn)出48 h后NO3-的損失量突然下降，基本上沒(méi)有損失，原因尚不明確，但對(duì)于其用于壓裂液示蹤劑來(lái)說(shuō)卻是非常理想的一個(gè)特征。

4）過(guò)銨加量越高，其N(xiāo)O3-的損失量越低，說(shuō)明破膠越徹底，聚合物對(duì)陰離子的圈閉作用減弱，NO3-的損失越少。

1.2.5室內(nèi)全模擬實(shí)驗(yàn)

成、破膠過(guò)程中，硝酸鉀濃度有一定的損失，實(shí)際壓裂施工中，破膠后的壓裂液與巖石壁面接觸，巖石壁面對(duì)硝酸鉀可能也會(huì)有吸附，因此，本實(shí)驗(yàn)的目的是同時(shí)考慮壓裂液成膠、破膠和巖屑吸附過(guò)程中對(duì)壓裂液中NO3-濃度的影響。

1）破膠液制備。采用MP23-2H的巖屑，在壓裂液中加入4 000 mg／L、2 000 mg／L硝酸鉀、500 mg／L破膠劑和交聯(lián)劑，置于45℃水浴中，制備破膠液。

2）巖屑吸附實(shí)驗(yàn)。分別取上述樣品48 h的破膠液，與經(jīng)過(guò)1∶50的地層水飽和后的烘干的巖屑混合，檢測(cè)24 h、48 h時(shí)的NO3-含量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3　巖屑吸附對(duì)示蹤劑濃度的影響表（破膠液）

室內(nèi)全模擬實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)成破膠和巖屑吸附作用后，NO3-的含量降低，說(shuō)明巖屑對(duì)破膠液中的NO3-具有一定的吸附量，隨著時(shí)間增加，吸附量降低；相同時(shí)間內(nèi)，硝酸鉀加量越高，NO3-的損失率越低。

1.2.6巖心傷害實(shí)驗(yàn)

采用MP79井JP23的兩塊巖心，對(duì)比了不加硝酸鉀和加入4 000 mg／L硝酸鉀的破膠液的巖心傷害實(shí)驗(yàn)，空白樣的巖心傷害率為20.8%，4 000 mg／L硝酸鉀加量的壓裂液巖心傷害率為21.1%，說(shuō)明4 000 mg／L硝酸鉀加入，對(duì)巖心基本不會(huì)造成附加傷害。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明硝酸鉀與壓裂液具有較好的配伍性，滿(mǎn)足壓裂液示蹤劑的要求，可用于壓裂液示蹤，同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，建議加量為4 000 mg／L。

2　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

采用硝酸鉀示蹤劑，分別在MP79-1HF和GJ13-1HF的第一級(jí)進(jìn)行了應(yīng)用，硝酸鉀加量為4 000 mg／L，現(xiàn)場(chǎng)采用硝酸根試紙對(duì)返排液進(jìn)行了定性檢測(cè)，結(jié)果如表4所示。

表4　硝酸鉀壓裂液示蹤現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表

檢測(cè)結(jié)果可知，MP79-1HF、GJ13-1HF分段壓裂后，第一級(jí)液體分別在開(kāi)井排液后約6 h和8 h開(kāi)始返出，第一級(jí)液體開(kāi)始返出后，NO3-濃度逐漸增加，然后降低，說(shuō)明第一級(jí)的液體在這期間返出率較高；同時(shí)說(shuō)明，水平井壓后各段并非同時(shí)排液，而是按照儲(chǔ)層增能大小［7］，由A靶逐漸至B靶（第一級(jí)）；另外也說(shuō)明這兩口水平井壓后井筒通暢。

3　認(rèn)識(shí)及建議

1）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究說(shuō)明硝酸鉀可用做壓裂液的示蹤劑，考慮吸附影響，建議現(xiàn)場(chǎng)加量4 000 mg／L。

2）現(xiàn)場(chǎng)示蹤結(jié)果說(shuō)明水平井壓后各段并非同時(shí)排液，而是由A靶逐漸至B靶（第一級(jí)），且這兩口水平井壓后井筒通暢。

3）本文的研究為水平井分段改造壓后評(píng)估提供了一種新的手段。

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（編輯：李臻）

作者簡(jiǎn)介:劉林（1972－），高級(jí)工程師，從事儲(chǔ)層改造研究工作。E-mail：493585415@qq.com。

doi：10.3969／j.issn.2095-1132.2016.01.009

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：2095-1132（2016）01-0032-03