硝酸钾示踪剂对压裂液性能影响的研究

刘　林　刁　素　黄禹忠　何红梅

（中国石化西南油气分公司工程技术研究院，四川　德阳　618000）



硝酸钾示踪剂对压裂液性能影响的研究

刘林刁素黄禹忠何红梅

（中国石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳618000）

摘要压裂液示踪技术可解决水平井压后井筒是否通畅，泥岩段液体能否返出等疑问，通过硝酸钾示踪剂对压裂液的性能影响进行评价，表明硝酸钾与现行压裂液具有较好的配伍性，满足流变、破胶要求，岩屑吸附和室内全模拟实验表明吸附量小，岩心伤害实验表明硝酸钾基本不会造成附加伤害，可用于压裂液示踪，并优选出硝酸钾加量为4 000 mg／L。在两口水平井第一级（B靶）进行了应用，证实了示踪的这两口水平井分段压裂后井筒畅通，且各段并非同时排液，而是按照储层增能大小，由A靶逐渐至B靶。

关键词示踪剂水平井硝酸钾井筒畅通

修订回稿日期：2015－12－31

重大专项：本文系国家科技重大攻关专项《大型油气田及煤层气开发》（编号：2016ZX05048）下设专题《薄层窄河道致密砂岩气藏水平井压裂关键技术》（编号：2016ZX05048004-003）部分研究内容。

0　引言

水平井多级分段压裂后，井筒是否畅通，B靶点液体是否返排出井筒，由于缺乏检测手段，存在疑问。虽然微量物质示踪技术可以解决上述疑问，但成本较高，且需要专门的检测机构；N03-虽是第一代示踪剂，但目前尚未有作为压裂液示踪剂的文献报道，由于砂岩地层表面带负电，N03-在地层表面吸附少，消耗量小，且容易被分光光度计法检出，若硝酸钾满足压裂液示踪剂要求，就可用于水平井分段压裂示踪。

1　压裂液性能评价

示踪剂筛选的原则：地层中背景浓度低、吸附少，不与地层流体及岩石中的矿物反应；与所示踪的流体配伍性好［1-3］；易于检出；安全无毒；来源广，成本较低；示踪剂彼此无反应、无干扰；若用于压裂液，不影响压裂液的成破胶性能［4-6］。

对川西中浅层地层水和配液用水进行检测，NO3-含量均小于0.04 mg／L，同时岩石表面带负电，NO3-吸附少，且易于检出，因此，初步选出硝酸钾作为压裂液示踪剂。

压裂液基础配方为：0.35%胍胶＋0.3%杀菌剂＋0.5%粘土稳定剂＋0.5%助排剂＋0.3%碳酸钠＋0.5%多功能增效剂，交联剂：加量0.3%。

1.1配伍性

分别将2 000 mg／L和4 000 mg／L的硝酸钾水溶液与SF104-3HF井油田水和凝析油混合，在45℃水浴下放置，48 h后观察，硝酸钾水溶液与地层水混合后，未产生浑浊或沉淀现象，与凝析油混合后，也未产生乳化或沉淀现象，说明KNO3与地层水或凝析油的配伍性较好。

1.2流变性能

1.2.1成胶性能

对压裂液基液分别不加（空白样）和加入2 000 mg／L、4 000 mg／L硝酸钾，加入交联剂，考查成胶性能，3种压裂液均能在1 min时可挑，且冻胶光滑，但加入2 000 mg／L硝酸钾的压裂液交联效果最好，其次为4 000 mg／L硝酸钾压裂液，最后是空白样。说明硝酸钾的加入有助于提高压裂液成胶性能。1.2.2流变性能

对分别加入4 000 mg／L、2 000 mg／L硝酸钾的压裂液冻胶，在170 s-1，50℃下进行流变实验，剪切120 min后，压裂液冻胶黏度分别为94.93 mPa·s、114.8 mPa·s，均能满足压裂液携砂性能要求。

1.2.3破胶性能

对不加、分别加入2 000 mg／L、4 000 mg／L硝酸钾的压裂液冻胶进行破胶实验（均加入100 mg／L过铵），结果见表1。

从表1可知，加入100 mg／L过铵的3种冻胶在180 min时均未破胶，但是之后各样品再补加100 mg／L过铵后，在210 min时3个样品均能破胶，并且加入硝酸钾的冻胶的破胶液黏度均稍大于不加硝酸钾的冻胶的破胶液黏度；同时也可看出，相同时间下加入2 000 mg／L的硝酸钾的冻胶的破胶液黏度最高，其次为加入4 000 mg／L的冻胶的破胶液黏度，黏度最低的为空白样。

破胶实验结果说明硝酸钾会延缓破胶性能，2 000 mg／L较4 000 mg／L加量对破胶的影响更大，但是只需要稍微增加破胶剂加量，加入硝酸钾的压裂液冻胶可以完全破胶。

1.2.4成胶、破胶对示踪剂浓度的影响

该实验是在压裂液基液中加入一定浓度的硝酸钾，分别检测压裂液成胶前和破胶后NO3-浓度的变化情况。

表1　硝酸钾加量对破胶性能的影响表

在压裂液基液中分别加入2 000 mg／L和4 000 mg／L硝酸钾、交联剂、破胶剂（过铵），在45℃水浴下放置破胶，分别在16 h、24 h和48 h取出破胶液，过滤，用离子色谱仪测定滤液中NO3-的浓度，实验结果见表2。

表2　成、破胶对硝酸钾浓度的影响表

1）加入不同浓度硝酸钾的压裂液在成、破胶过程均表现出一定NO3-的损失量。损失主要由以下两种作用引起的，第一，羟丙基胍胶分子链上具有多个羟基，可以通过氢键作用和NO3-中的氧原子结合，从而“固定”住游离的NO3-；第二，胍胶经过交联形成空间网状结构，也可以圈闭住含有NO3-的溶液。

2）相同过铵加量下，相同时间NO3-的损失量表现为：2 000 mg／L加量＞4 000 mg／L，这交联质量一致，即加入2 000 mg／L硝酸钾的基液形成的冻胶质量比4 000 mg／L的好，由于冻胶交联质量越好，其空间网状结构更紧密，因此对阴离子的圈闭能力更强。

3）加入4 000 mg／L的硝酸钾的压裂液在成、破胶过程NO3-变化很特殊，表现出48 h后NO3-的损失量突然下降，基本上没有损失，原因尚不明确，但对于其用于压裂液示踪剂来说却是非常理想的一个特征。

4）过铵加量越高，其NO3-的损失量越低，说明破胶越彻底，聚合物对阴离子的圈闭作用减弱，NO3-的损失越少。

1.2.5室内全模拟实验

成、破胶过程中，硝酸钾浓度有一定的损失，实际压裂施工中，破胶后的压裂液与岩石壁面接触，岩石壁面对硝酸钾可能也会有吸附，因此，本实验的目的是同时考虑压裂液成胶、破胶和岩屑吸附过程中对压裂液中NO3-浓度的影响。

1）破胶液制备。采用MP23-2H的岩屑，在压裂液中加入4 000 mg／L、2 000 mg／L硝酸钾、500 mg／L破胶剂和交联剂，置于45℃水浴中，制备破胶液。

2）岩屑吸附实验。分别取上述样品48 h的破胶液，与经过1∶50的地层水饱和后的烘干的岩屑混合，检测24 h、48 h时的NO3-含量，实验结果如表3。

表3　岩屑吸附对示踪剂浓度的影响表（破胶液）

室内全模拟实验表明，经过成破胶和岩屑吸附作用后，NO3-的含量降低，说明岩屑对破胶液中的NO3-具有一定的吸附量，随着时间增加，吸附量降低；相同时间内，硝酸钾加量越高，NO3-的损失率越低。

1.2.6岩心伤害实验

采用MP79井JP23的两块岩心，对比了不加硝酸钾和加入4 000 mg／L硝酸钾的破胶液的岩心伤害实验，空白样的岩心伤害率为20.8%，4 000 mg／L硝酸钾加量的压裂液岩心伤害率为21.1%，说明4 000 mg／L硝酸钾加入，对岩心基本不会造成附加伤害。

通过上述实验，说明硝酸钾与压裂液具有较好的配伍性，满足压裂液示踪剂的要求，可用于压裂液示踪，同时，通过实验，建议加量为4 000 mg／L。

2　现场应用

采用硝酸钾示踪剂，分别在MP79-1HF和GJ13-1HF的第一级进行了应用，硝酸钾加量为4 000 mg／L，现场采用硝酸根试纸对返排液进行了定性检测，结果如表4所示。

表4　硝酸钾压裂液示踪现场应用情况表

检测结果可知，MP79-1HF、GJ13-1HF分段压裂后，第一级液体分别在开井排液后约6 h和8 h开始返出，第一级液体开始返出后，NO3-浓度逐渐增加，然后降低，说明第一级的液体在这期间返出率较高；同时说明，水平井压后各段并非同时排液，而是按照储层增能大小［7］，由A靶逐渐至B靶（第一级）；另外也说明这两口水平井压后井筒通畅。

3　认识及建议

1）室内实验研究说明硝酸钾可用做压裂液的示踪剂，考虑吸附影响，建议现场加量4 000 mg／L。

2）现场示踪结果说明水平井压后各段并非同时排液，而是由A靶逐渐至B靶（第一级），且这两口水平井压后井筒通畅。

3）本文的研究为水平井分段改造压后评估提供了一种新的手段。

参考文献

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（编辑：李臻）

作者简介:刘林（1972－），高级工程师，从事储层改造研究工作。E-mail：493585415@qq.com。

doi：10.3969／j.issn.2095-1132.2016.01.009

文献标识码：B

文章编号：2095-1132（2016）01-0032-03