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1、自生热压裂生热剂用量优化方法刘蜀知孙艾茵刘福健彭轩(西南石油学院,四川南充637001)(辽河石油勘探局,辽宁盘锦124107)(西南油气田分公司,四川遂宁629000)摘要对于高凝、稠油油井的压裂,为避免注入流体对储层造成冷伤害,可采用自生热压裂液进行施工。自生热压裂液是在常规水基压裂液的基础上,添加一定量的亚硝酸钠、氯化铵和盐酸,当它们混合发生化学反应时,会释放出大量的热量。根据热平衡方程,建立自生热压裂过程中井筒温度场的数学模型,并编制出计算施工期间井底压裂液温度变化的软件,针对1口实际施工井,采用正交
2、设计方法研究分析了影响生热剂用量的各种因素,提出了生热剂用量的优化确定方法。关键词自生热压裂热平衡方程井筒温度场生热剂用量正交设计优化方法长期以来,对高凝、稠油油井的压裂,一直采用常规水基压裂液施工,但常出现压裂效果滞后或达不到预期产量的现象。原因是注入地层的冷流体使井底周围的原油冷却,粘度增大,甚至原油析蜡或凝固,堵塞了一部分流动通道,对储层造成了冷伤害,同时也降低了压裂裂缝的导流能力。因此,对高凝、稠油油井的压裂,可采用自生热压裂液。自生热压裂液是在常规水基压裂液的基础上,添加一定量的亚硝酸钠、氯化铵、盐
3、酸以及缓蚀剂。亚硝酸钠和氯化铵是生热剂,当它们在催化剂盐酸存在的条件下混合时,会发生化学放热反应,释放出大量热量,从而使压裂液温度升高1,2。但对某一深度的具体油井,如何确定生热剂和催化剂的浓度,使其一方面能确保在整个施工注液期间井底压裂液的温度高于原油的析蜡温度,另一方面又不至于使压裂液温度过高,降低压裂液的流变性和携砂能力,是自生热压裂需解决的关键问题。在亚硝酸钠与氯化铵反应动力学方程的基础上,根据热平衡方程,推导出含有内热源的压裂井筒温度场计算模型,并编制出计算施工期间井底压裂液温度变化的软件,然后针对
4、辽河油田1口实际施工井,采用正交设计方法研究分析了影响生热剂用量的各种因素,并提出了生热剂用量的优化确定方法。1生热剂化学反应动力学方程当压裂液中的NaNO2和NH4Cl相互混合后,在催化剂的控制下会发生化学反应H+NaNO2+NH4ClNaCl+N2+2H2O(1)反应焓为ΔH0=-332.58kJ/mol化学反应放出大量的热量和气体。热量能够提高压裂液的温度,避免原油析蜡或凝固,同时气体也能对压裂液形成反顶作用,使得压裂施工结束后,压裂液返出量增多,从而提高油井压裂残液返排率,降低污染,提高原油渗流能力,
5、达到增加油井产能的目的。结合理论研究和室内试验可得NaNO与NHCl243的化学反应动力学方程为dC71.+173C1.88exp(-5630/T)(2)=-1.267×10CHdt式中C———体系中生热剂NaNO2或NH4Cl的浓度,mol/L;CH+———体系中催化剂H+的浓度,mol/L;dC———体系中生热剂的消耗速率,mol/(L·min)。dt根据化学反应原理,对放热反应,当给定反应物浓度时,放出的热量是一定的,只存在反应速度的问题。由方程(2)可知,体系温度越高、生热剂和催化剂的初始浓度越大,反
6、应速度越快。2井筒温度场物理、数学模型的建立基金项目:油气藏地质及开发工程国家重点实验室基金资助项目(PLN0141)。作者简介:刘蜀知,1963年生。1984年毕业于西南石油学院采油工程专业,获学士学位,1990年获硕士学位,主要从事油气藏工程和油气井增产方面的教学和科研工作,现任教务处副处长,教授。石油钻采工艺2003年2月(第25卷)第1期462.1假设条件假设注液前充满井筒的积液与地层已达热平衡;以油管中心为轴,各向同性均质;地面注液排量与注液温度不随时间变化;油套管与井筒的尺寸不随井深而改变;忽略井
7、筒内液体与管壁间的热阻,即液体温度跟与之接触的管壁温度相同;设地表面以下某深度处有一恒温点,其温度不随季节而变化。2.2井筒传热物理模型设油管的内半径为rti,外半径为rto;套管的内半径为rci,外半径为rco;水泥环的外半径为rce。(1)以油管中心为轴,径向上单元体的划分见图1。在径向上划分为N个单元体,令r0=rti,r1=rto,r2=rci,r3=rco,r4=rce,ri=ari-1,(i=5,6,...,N),a为等比因子。rN的选择应满足(rN+rN-1)/2处的温度TN始终等于该处的原始地
8、层温度,即热量传递不会波及到此处。图2纵向上单元体的划分时间段内,井深为(Zj-1,Zj)段处的油管单元体及其径向上各单元体,如图3所示。图3温度标点示意图设径向上各单元体的参数为:密度(ρi),比热(Ci),热传导系数(λi);油管积液与注入液体的温度为T0,密度为ρ0,比热为C0;油套环空内充满静止液体。利用傅立叶定律、牛顿公式、能量守衡原理,建立自生热压裂过程中井筒热传导方程。图1径向上单元体
