深水救援井连通压裂液性能研究

唐海雄 （中海石油 （中国）有限公司深圳分公司，广东 深圳518067）

刘卫红 （长江大学石油工程学院，湖北 武汉430100）

韦红术 （中海石油 （中国）有限公司深圳分公司，广东 深圳518067）

许明标，王俊祥 （长江大学石油工程学院，湖北 武汉430100）

王荣耀，张玉亭 （中海油研究总院，北京100027）

深水救援井是指在深水钻井过程中当油气井发生井喷或着火事故时，在事故井附近的安全区域所打的一口与事故井连通的定向井[1]。其基本原理是通过救援井井眼轨迹与事故井井眼轨迹在地层的某个层位会合，将高密度的钻井液或水泥浆通过救援井输入事故井，以达到油气井灭火或控制井喷的目的[2]。如果救援井与事故井不能成功交会时，则需要采用压裂的方式来达到救援井与事故井的连通，此时压裂所用的压裂液即为连通压裂液。深水救援井连通压裂液因深水环境的特殊性以及压裂目的的特殊性，其配方设计与用于增产作业的压裂液有一定的区别。笔者针对深水救援井连通压裂液的特点，室内设计了一种压裂液体系，并对其性能进行了研究。

1 深水救援井连通压裂液性能设计要求及配方设计

在深水条件下进行压裂作业时，由于水深的原因，表面施工压力有可能超过地面施工设备和井口元件的额定压力，为了解决这一问题，往往采用加重压裂液进行压裂作业[3～5]。与用于增产作业的压裂液体系相比，救援井压裂液的主要功能是压裂地层，产生裂缝，从而将救援井与事故井进行连通。因此对救援井压裂液的性能要求中，往往不需要考虑储层保护的问题。同时，救援井压裂液的主要目的是造缝，当所造裂缝与事故井连通后，后续泵入的将是用于控制事故井的压井液或者封堵事故井的水泥浆。救援井压裂液的功能与增产作业用的压裂液体系中的前置液功能类似，一般不需携砂或者很少携砂，体系所用增稠剂一般用线性胶，不需要交联增稠处理，也不需要破胶返排处理。因此在深水环境下，对救援井的压裂液设计主要考虑的性能如下：

1）加重性能 为了降低地面设备的压力负荷，一般采用NaBr盐水基液进行加重[6，7]，其密度最高可达1.5g/cm3。

2）增稠性能 为了防止压裂液渗漏，从而影响压裂液的有效造缝，同时也为了降低摩阻，压裂液体系中应加入线性胶增稠。

3）耐剪切性能 压裂液在高压下注入地层的过程中会受到泵及管路中的剪切作用，因此要求压裂液有一定的耐剪切性能。

4）低温下流变稳定性 在深水作业中压裂液的温度可接近泥线温度，因此要求压裂液在低温下具有较好的流变稳定性。

5）高温稳定性 在井底及地层高温条件下要求压裂液具有一定的抗高温稳定性。

6）降阻性能 为了尽可能地降低地面设备的压力负荷，提高压裂效率，压裂液在管路中流动时应具有较低的摩阻。

针对以上性能要求，通过实验室的筛选研究，选取了改性生物聚合物VIS作为体系的稠化剂，并采用NaBr盐水加重；为防止细菌的滋生，体系中加入了一定量的SWQ作为杀菌剂；为了保持井壁稳定，体系中加入了一定量的KCl作为黏土稳定剂；同时为了降低摩阻，体系中加入了少量的聚丙烯酰胺PAM。通过大量的室内研究，最终确定体系的配方为：淡水＋0.4%VIS－2＋0.4%SWQ＋3%KCl＋0.05%PAM＋98%NaBr（配方百分数为质量分数）。

2 压裂液性能评价

2.1 压裂液体系的加重性能

为了适应不同水深及地层的需要，对压裂液的加重性能进行了研究，考虑到压裂液在地层中的停留时间较短，因此选择热滚条件为140℃×2h，流变测定温度为60℃，试验结果见表1。

表1 压裂液体系加重性能评价

从表1可以看出，随着NaBr质量分数的增加，体系的密度逐渐增大，当质量分数达到98%时，体系的最高密度可达1.50g/cm3，而NaBr的加入对体系的流变性能影响不大。

2.2 压裂液体系的耐温性能

压裂液注入地层后，可能会受到地层的高温作用而降解，从而影响体系的流变性能，压裂施工的作业时间一般不超过2h，即使受到高温作用也是短暂的。室内考察了不同温度下、热滚2h后对体系性能的影响，试验结果见表2。从表2可以看出，压裂液体系在高温时仍能表现出较好的流变性，说明压裂液体系具有一定的耐温性能。

表2 压裂液体系的耐温性能

2.3 压裂液体系的低温流变性能

在深水作业中，由于泥线温度较低，压裂液在泥线附近会受到低温的作用。室内对不同温度下，压裂液体系热滚2h后的流变性能进行了测试，试验结果见表3。从表3可以看出，在温度低至4℃时，虽然体系的黏度有较大幅度的增加，但是体系的总体黏度并不是很高，考虑到剪切作用对黏度的影响，体系的黏度在泥线处的升幅还会降低。所以，泥线低温并不会对体系的流变性产生很大的影响。

表3 温度对压裂液体系流变性的影响

2.4 压裂液体系的耐剪切性能

压裂液在注入地层的过程中，在泵和管道中会受到剪切作用。室内在剪切速率为511s－1的条件下，模拟了不同的剪切时间对体系黏度的影响，试验结果见图1。

由图1可以看出，体系在511s－1的剪切速率下，经过1h后，其黏度保留率仍有70%以上，说明体系具有较好的耐剪切性能。

图1 压裂液体系耐剪切性能评价

2.5 压裂液体系降阻性能评价

一般在压裂过程中，压裂液黏度增加，管道摩阻和泵的功率损失也增加，为了有效地利用泵的效率，降低压裂液摩阻是非常必要的。

水基压裂液常用降阻剂有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等水溶性合成聚合物。植物胶及其衍生物和各种纤维素衍生物也可以降低摩阻。降阻剂降阻的原理是抑制紊流。当以高速度往小管线内泵送流体时，低黏度流体趋向于达到高度紊流，这种紊流会转变成高的摩擦阻力。在高速泵送的流体中加入少量高分子降阻剂时，高分子聚合物链以及它对水分子的内在亲和力使流体分子有序化，能减轻和减少液流中的漩涡和涡流，因而起到紊流抑制作用，降低泵送阻力。

在深水救援井压裂液的基本配方中，含有一定量的天然植物胶，在一定浓度范围内，植物胶可以起到降摩阻的作用，但浓度过高则会增加摩阻。而在降摩阻的聚合物中，合成聚丙烯酰胺 （PAM）的降阻性能最好。试验采用摩阻环路装置，对基液的降阻性能以及含有不同PAM加量的压裂体系的降阻性能进行了评价，试验结果见表4。

从表4可以看出，基液与清水相比，其降阻率可达28.9%，而在体系中加入一定量的PAM后，其降阻率可以进一步提高，但是加入过量的PAM，由于对体系黏度的影响，降阻率反而下降。故选择在体系中加入质量分数0.05%的PAM可以进一步降低摩阻。

表4 不同种类基液对清水的降阻率

3 结论

1）深水救援井连通压裂作业时，表面施工压力有可能超过地面施工设备和井口元件的额定压力，为了解决这一问题，往往采用加重压裂液进行压裂作业。

2）确定了适合深水救援井连通压裂液的基本配方：淡水＋0.4%VIS＋0.4%SWQ＋3%KCl＋0.05%PAM＋98%NaBr（配方百分数为质量分数）。

3）室内研究表明，该压裂液体系具有较好的加重性能，能够适合不同地层的需要，体系耐温可达140℃，并具有较好的耐剪切性能及降阻性能，能够满足深水救援井连通压裂液的需要。

[1]郭永峰，纪少君，唐长全 .救援井——墨西哥湾泄油事件的终结者 [J].国外油田工程，2010，26（9）：64～65.

[2]Maehs J，Macafee D，Renne S，etal.Successful relief well drilling utilizing gyroscopic MWD（GMWD）for re entry into an existing cased hole [J].SPE116274，2008.

[3]肖晖，郭建春，何春明 .加重压裂液的研究与应用 [J].石油与天然气化工，2013，42（2）：168～172.

[4]Bajal J，Gurmen N M，Holicek R A，etal.Engineered application of a weighted fracturing fluid in deep water[J].SPE98348，2006.

[5]Qiu X P，Martch E，Morgenthaler L，etal.Design criteria and application of high－density brine－based fracturing fluid for deepwater frac packs [J].SPE124704，2009.

[6]Satya Gupta D V，Carman P，Venugopal R.High－density brine－based fracturing fluid for ultra－deep fracturing stimulation [J].SPE159822，2012.

[7]Park E，Olson K E，Weber B J.Systematic approach to the design and application of a well－fracturing fluid to ensure deepwater production [J].SPE103089，2006.