水力喷射分层加砂压裂液室内研究及现场试验
Outline:
张永国1
,
郑文静2
,
刘友权1
,
张曲3
,
赵万伟1
,
徐迪4
1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
2. 西南石油大学资源与环境学院;
3. 中国石油西南油气田公司勘探事业部;
4. 中国石油川庆钻探工程公司
收稿日期：2011-07-13；修回日期：2011-07-25
基金项目：西南油气田公司科研计划项目(20090305-13)
作者简介：张永国:生于1981年，工程师。2003年毕业于石油大学(华东)化学工程与工艺专业，现在中国石油西南油气田公司天然气研究院从事油气田压裂酸化化学技术研究工作。地址：(610213)四川省成都市双流县华阳镇天研路218号.
摘要：针对目前加砂压裂增产新工艺水力喷射分层压裂加砂对压裂液性能新的特殊要求，在实验室开展了满足该新工艺施工要求的压裂液配方体系的研究，对优化压裂液液体配方、交联剂组成、交联比等进行了室内性能试验。研究出满足该新工艺的压裂液配方和现场应用技术。室内性能评价表明，研制的压裂液满足水力喷射分层压裂加砂对压裂液高剪切后携砂的要求，并在四川须家河广安、合川等区块大斜度井、水平井的水力喷射分层压裂施工中得到成功应用，累计增加天然气产量11.1365×104 m3/d。
关键词：水力喷射 高剪切 油套管液量比 交联 破胶 现场试验
Study on Fracturing Fluid for Hydraulic Jet Sand Fracturing Process in Lab and Field
Outline:
Zhang Yongguo1
,
Zheng Wenjing2
,
Liu Youquan1
, et al
1. Research Institute of Natural Gas Technology, Southwest Oil and Gasfield Company, Chengdu 610213, Sichuan, China;
2. Southwest Petroleum University, School of Resources & Environment, Chengdu 610500, Sichuan, China
Abstract: This paper presents a new sand fracturing technology of hydraulic jet, which needs fracturing fluids with new special performances, so the fracturing fluid system for the new process was studied in laboratory by optimizing the formula of fracturing fluid system, cross-linking agent composition, crosslinking ratio, and etc. A developed fracturing fluid formula and field application technology meets the new process.The lab performance evaluation shows that the fracturing fluid can meet the requirement for carrying sand after shearing highly fracturing fluid by hydraulic jet layer and sand fracturing. The technology has been successfully applied in Guangan, Hechuan and other blocks of Xujiahe in Sichuan high-angle wells, horizontal well hydraulic fracturing jet layer. The natural gas production increases accumulatively 11.1365×104 m3/d.
Key words:
hydraulic jet high shear liquid volume ratio of tubing and casing crosslinking gel breaking field test
不同管柱水力喷射分层压裂加砂的原理为：根据分层层数和具体压裂层段，在压裂管柱(油管)上对应施工段初设计4~6个5 mm~7 mm的喷嘴，施工时采用基液携带少量高硬度的石英砂对储层目标井段进行喷射射孔，射孔后通过原管柱加砂，套管为了避免高负压补充液体。该工艺与传统分层加砂压裂工艺相比，其优势在于无须封隔器可实现分层压裂；且因井下无封隔器，便于后续修井作业，压裂管柱可以是生产管柱；不需要提前进行射孔，还可对需压裂的储层目标井段实现精确定位压裂，提高压裂效果[1-3]。
该工艺大量的压裂液从油管注入，套管补充部分液体。施工过程中液体通过喷嘴时的线速度可达到200 m/s~300 m/s，前后压差可达到20 MPa~30 MPa，按孔眼处剪切速率计算，压裂液在通过喷嘴时受到的剪切速率高达30 000 s-1以上，导致常规压裂液通过喷嘴后被高剪切成水状，失去继续携砂能力[4]。
1 水力喷射工艺对压裂液性能要求研究
不同管柱水力喷射分层压裂加砂对压裂液性能的要求如下：
(1) 压裂液须具备尽可能抗高剪切的能力，使压裂液通过喷嘴经高剪切后分子组成不会被彻底破坏，具有一定恢复能力。
(2) 压裂液通过喷嘴经高剪切后与套管补充压裂液接触，两者混合后能在3 s~5 s迅速恢复压裂液的携砂能力，在10 s内形成新冻胶。
(3) 形成的新冻胶仍然具有较好的耐温耐剪切性，在170 s-1下剪切1 h~3 h，压裂液粘度≥100 mPa·s，可满足不同施工规模的需要。
2 室内模拟试验方法的建立
模拟该工艺喷嘴对压裂液的高剪切破坏行为，采用25 000 r/min的高速粉碎机在实验室内代替喷嘴对压裂液实施高剪切。将油管冻胶倒入高速粉碎机中运行2 min，将冻胶搅碎成水状后再与一定比例的套管压裂液混合，对形成的新冻胶进行相关性能评价试验。试验流程如图 1。
3 室内压裂液性能评价
通过对工艺的研究，结合压裂液工作原理，该工艺从套管补充的压裂液，可促进受高剪切破坏后的油管压裂液恢复。套管泵注液量所占比例越高，越有利于压裂液恢复良好的携砂能力。但由于整个管路中无封隔器，所以施工过程中需要准确地控制环空压力，防止压力过高使压裂液进入已压开的下层储层中，所以该工艺主压裂过程中环空排量需要尽可能地控制低，从而保证施工作业的顺利进行。
3.1 交联性能
由于压裂液通过喷嘴时受到的高剪切作用，压裂液网状结构被破坏成较多的小分子结构，增大交联液用量可提高压裂液交联质量、耐剪切及恢复性能。通过室内对不同油套管液量比、不同交联剂用量下压裂液恢复及静态沉砂速度的试验，得到满足油套管液量比≤6:1时的压裂液配方技术，可实现油套混合快速恢复携砂能力，结果见图 2和图 3。
由图 2可以看出，保持交联比不变的情况下，随油套管液量比增加，压裂液静态沉砂速度加快，携砂性能降低；保持油套管液量比不变时，压裂液静态沉砂速度随交联比的增大而降低，携砂性能变好。
由图 3可以看出，在交联比不变的情况下，随油套管液量比增大，压裂液交联时间变长，对压裂液及时恢复携砂性能有影响；在油套管液量比不变的情况下，增大交联比，压裂液交联时间缩短，有利于压裂液快速恢复携砂能力。
通过交联、沉砂实验结果可得出，随油套管液量比的增大，需要适当增大交联比，以提高压裂液的携砂性能。
3.2 破胶性能
破胶试验采用过硫酸盐为破胶剂，在70 ℃下进行破胶试验，破胶剂加量为0.04%。将不同油套管液量比的混合压裂液放入70 ℃水浴锅中，每隔一定时间取出，用千德乐3500LS粘度计测试压裂液粘度，实验结果见图 4~图 6。
通过不同油套管液量比下压裂液破胶实验结果可知，70 ℃下压裂液在3 h~6 h内破胶成水，粘度小于5 mPa·s。在交联比不变的情况下，随油套液量比的增加，压裂液破胶时间变短；而在油套管液量比不变的情况下，随交联比的增加，压裂液破胶时间变长。
3.3 耐剪切稳定性
采用高温高压粘度计M5500对压裂液冻胶进行耐剪切稳定性试验，考察不同油套管液量比和不同破胶剂加量对压裂液耐剪切性能的影响，结果见图 7和图 8。
图 7是破胶液加量为0.3%时，调整油套管液量比为1.33:1和2.5:1进行耐剪切性能评价结果，该结果表示，当油套管液量比增大时，冻胶耐剪切性将变差。
图 8是保持油套管液量比为4:1不变的情况下，改变破胶剂加量进行耐剪切性能评价结果。其中hechuan001-18-X1破胶液加量0.3%，hechuan001-18-X1-4破胶液加量0.2%。由实验结果可知，减少破胶剂的加量，将有助于提高压裂液的耐剪切性能。
4 现场试验情况
应用研制的水力喷射加砂压裂液在四川须家河储层进行了5井次的现场试验，施工成功率100%，累计增加井口测试产量11.1365×104 m3/d(表 1)。
表 1
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表 1 水力喷射压裂液现场施工应用情况
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其中HC001-6-H1井的施工曲线见图 9。
由图 9可以看出，研制的水力喷射压裂液完全符合水力喷射分层压裂工艺的施工要求，可实现直井、水平井等不同井型2~4层分层压裂加砂增产作业的需要。
5 结论
(1) 水力喷射加砂工艺对压裂液性能的要求主要是抗高剪切，通过喷嘴后快速恢复造缝、携砂性能。
(2) 建立了室内模拟压裂液过喷嘴高剪切状态试验方法，通过该方法研制并完善了水力喷射加砂压裂液体系(满足油套管液量比6:1)。
(3) 研制的水力喷射加砂压裂液在四川须家河储层进行了6井次的现场试验，施工成功率100%，累计增加井口测试产量11.1365×104 m3/d。
2011, Vol. 40