續(xù)化蕾, 李煥文, 王云飛, 李 歡, 王天賜, 馮 斌

(1長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院 2中石油煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院 3中國(guó)石油青海油田采油一廠采油工藝研究所 4玉門油田分公司老君廟采油廠)

作為一種非常規(guī)能源，煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)研究受到越來(lái)越多的關(guān)注[1-3]。煤儲(chǔ)層通常具有低孔、低滲、低壓以及微裂縫發(fā)育等特點(diǎn)，因此，在外來(lái)流體進(jìn)入煤儲(chǔ)層時(shí)，極容易引起水鎖傷害，從而影響煤層氣的滲流能力，對(duì)煤層氣的高效合理開(kāi)發(fā)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[4-5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)低孔、低滲油藏水鎖傷害的研究較多[6-12]，而對(duì)煤層氣儲(chǔ)層水鎖傷害的研究及報(bào)道相對(duì)較少，煤層氣儲(chǔ)層水鎖損害的主要影響因素及防治措施相對(duì)不夠完善[13-14]。筆者以鄂爾多斯盆地某煤層氣儲(chǔ)層為研究對(duì)象，主要評(píng)價(jià)了煤樣含水率、滲透率、表面潤(rùn)濕性以及入井流體表面張力對(duì)煤層氣儲(chǔ)層水鎖傷害的影響，并在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了煤層氣儲(chǔ)層水鎖防治措施的研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

一、煤層氣儲(chǔ)層水鎖傷害影響因素

1. 煤樣含水率對(duì)水鎖傷害的影響

參照文獻(xiàn)[14]的實(shí)驗(yàn)方法，將煤樣處理成不同的含水率，測(cè)定煤樣含水率對(duì)煤層氣儲(chǔ)層水鎖傷害的影響。煤樣的初始滲透率相同，均為0.46 mD，煤樣表面的潤(rùn)濕性相同，接觸角均為25°，入井流體的表面張力均為64.3 mN/m。

由實(shí)驗(yàn)可知，隨著煤樣含水率的不斷升高，水鎖傷害率也逐漸增大，煤儲(chǔ)層傷害程度趨于嚴(yán)重。當(dāng)煤樣含水率達(dá)到50%時(shí)，水鎖傷害率可以達(dá)到52.2%，為強(qiáng)水鎖。這是由于入井流體的侵入對(duì)煤儲(chǔ)層的滲流能力具有很強(qiáng)的阻礙作用，當(dāng)煤儲(chǔ)層含水率較小時(shí)，毛細(xì)管阻力較弱，水鎖對(duì)煤儲(chǔ)層的滲流能力影響較??；隨著含水率的增大，入井流體將煤儲(chǔ)層孔隙中的氣體逐漸推向深處，形成較大的毛細(xì)管阻力，孔隙內(nèi)外之間的壓差不足以克服這種阻力，嚴(yán)重阻礙了煤層氣的解吸和滲流，水鎖傷害程度增大。

2. 煤樣滲透率對(duì)水鎖傷害的影響

使用不同初始滲透率的煤樣，測(cè)定煤樣滲透率對(duì)煤層氣儲(chǔ)層水鎖傷害的影響[14]。煤樣含水率均為50%，煤樣表面的潤(rùn)濕性相同，接觸角均為25°，入井流體的表面張力均為64.3 mN/m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤樣滲透率對(duì)水鎖傷害的影響

由表1可知，隨著煤樣初始滲透率的逐漸增大，水鎖傷害率減小，煤儲(chǔ)層初始滲透率對(duì)水鎖傷害程度的影響較大。這是由于煤儲(chǔ)層滲透率越大，孔隙半徑也較大，即入井流體對(duì)煤層氣滲流能力的阻礙作用減弱，水鎖損害程度下降。

3. 煤樣潤(rùn)濕性對(duì)水鎖傷害的影響

將煤樣表面處理成不同的潤(rùn)濕性，測(cè)定煤樣潤(rùn)濕性對(duì)煤層氣儲(chǔ)層水鎖傷害的影響[14]。煤樣初始滲透率相同，均為0.46 mD，煤樣含水率均為50%，入井流體的表面張力均為64.3mN/m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 煤樣潤(rùn)濕性對(duì)水鎖傷害的影響

由表2可知，隨著煤樣表面接觸角的逐漸增大，水鎖傷害率逐漸減小，即煤樣表面越疏水，水鎖傷害程度越小。這是由于毛細(xì)管力的大小與煤樣表面接觸角大小呈反比，因此，為了降低水鎖對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的損害程度，應(yīng)盡可能改變煤儲(chǔ)層表面的潤(rùn)濕性，增大接觸角，使其更加疏水。

4. 入井流體表面張力對(duì)水鎖傷害的影響

加入不同量的表面活性劑降低入井流體的表面張力，測(cè)定入井流體表面張力對(duì)煤層氣儲(chǔ)層水鎖傷害的影響[14]。煤樣初始滲透率相同，均為0.46 mD，煤樣含水率均為50%，煤樣表面的潤(rùn)濕性相同，接觸角均為25°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 入井流體表面張力對(duì)水鎖傷害的影響

由表3可知，隨著入井流體表面張力的降低，水鎖傷害率逐漸減小。這是由于毛細(xì)管力的大小與入井流體的表面張力大小呈正比，因此，為了降低水鎖對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的損害程度，應(yīng)盡可能的降低入井流體的表面張力。

二、煤層氣儲(chǔ)層水鎖防治措施研究

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)水鎖防治措施的研究及應(yīng)用較多，包括注氣、加熱、增大生產(chǎn)壓差、酸化壓裂和加入防水鎖劑等措施[15-16]，其中在入井流體中加入防水鎖劑是防止煤層氣儲(chǔ)層水鎖傷害最有效的措施，防水鎖劑能夠通過(guò)降低溶液表面張力、改變煤巖表面潤(rùn)濕性以及減少煤巖自吸水量等方式來(lái)降低水鎖傷害程度。針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層水鎖傷害因素研究結(jié)果，開(kāi)展了防水鎖劑的優(yōu)選及性能評(píng)價(jià)工作。

1. 防水鎖劑優(yōu)選

室內(nèi)使用A601型-全自動(dòng)表/界面張力儀開(kāi)展了防水鎖劑的優(yōu)選工作。

表4 防水鎖劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注:空白溶液的表面張力為64.3 mN/m。

由表4可知，模擬地層水中加入不同類型的防水鎖劑后，溶液的表面張力呈現(xiàn)出不同程度的下降現(xiàn)象，其中防水鎖劑HRJ-D的效果最好，當(dāng)其加量為0.5%時(shí)，表面張力可以降低至20 mN/m以下。降低表面張力能夠明顯減少煤層氣儲(chǔ)層水鎖傷害程度，因此，選擇HRJ-D作為煤層氣儲(chǔ)層的防水鎖劑。

2. 防水鎖劑性能評(píng)價(jià)

2.1 對(duì)接觸角的影響

將煤樣放置在0.5%HRJ-D溶液中充分浸泡一定時(shí)間后取出，烘干后使用PT-705-B型視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定模擬地層水在防水鎖劑溶液處理后煤樣表面的接觸角大小，并與未經(jīng)處理的空白煤樣表面的接觸角進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)比結(jié)果看出，模擬地層水在未處理煤樣表面的接觸角較小(26.1°)，水潤(rùn)濕性較強(qiáng)；而在0.5%HRJ-D溶液浸泡后的煤樣表面的接觸角明顯增大(74.3°)，潤(rùn)濕性由水濕向油濕方向發(fā)生了轉(zhuǎn)變。這是由于防水鎖劑HRJ-D能夠吸附在煤樣表面，形成一層憎水膜，增大了煤樣表面的疏水性，使水溶液不容易進(jìn)入煤樣深部，從而降低水鎖造成的傷害。

2.2 對(duì)煤樣自吸水量的影響

通過(guò)研究防水鎖劑處理前后的煤樣自吸水量大小，來(lái)評(píng)價(jià)防水鎖劑的效果。將煤樣使用0.5%HRJ-D溶液充分浸泡一段時(shí)間后取出，烘干，測(cè)定不同時(shí)間的自吸水量，并與未經(jīng)處理的空白煤樣的自吸水量進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 防水鎖劑對(duì)煤樣自吸水量的影響

由圖1可知，未經(jīng)處理的煤樣200 min自吸水量為2.58 g，而經(jīng)過(guò)0.5%HRJ-D防水鎖劑溶液處理過(guò)的煤樣200 min自吸水量為0.32 g，自吸水量顯著下降。這是由于防水鎖劑HRJ-D能夠在煤樣孔隙表面吸附成膜，使表面產(chǎn)生疏水特性，較大程度的降低了毛細(xì)管力作用，使液相難以通過(guò)自發(fā)滲吸的方式進(jìn)入煤樣內(nèi)部，能夠有效防止入井流體侵入對(duì)煤儲(chǔ)層造成水鎖損害。

2.3 降低水鎖傷害能力

0.5%HRJ-D溶液侵入煤樣后對(duì)滲透率的損害情況和防水鎖效果與空白煤樣作對(duì)比，煤巖初始滲透率均為0.46 mD。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 防水鎖劑HRJ-D降低水鎖傷害能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，使用模擬地層水作為入井流體侵入時(shí)，煤樣的滲透率隨著含水率的升高呈明顯下降趨勢(shì)，滲透率損害率較大；而使用0.5%HRJ-D溶液作為入井流體侵入時(shí)，煤樣滲透率隨含水率的上升變化不大，說(shuō)明防水鎖劑HRJ-D起到了良好的防水鎖傷害效果。這是由于防水鎖劑HRJ-D能夠通過(guò)降低溶液表面張力、增大接觸角(改變潤(rùn)濕性)等方式來(lái)降低毛細(xì)管阻力，有效防止入井流體侵入煤儲(chǔ)層時(shí)水鎖現(xiàn)象的發(fā)生，從而為煤層氣的高效合理開(kāi)發(fā)提供保障。

3. 防水鎖劑現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2016年開(kāi)始，在鄂爾多斯某煤層氣礦區(qū)(EX-1井、EX-2井、EX-3井和EX-4井)的鉆井、壓裂以及完井射孔等作業(yè)流體中均加入0.5%的防水鎖劑HRJ-D，開(kāi)井生產(chǎn)后，與未使用防水鎖劑的鄰井M井相對(duì)比，日產(chǎn)氣量明顯提高，表皮系數(shù)顯著下降，取得了明顯的增產(chǎn)效果。見(jiàn)表5。

表5 煤層氣井防水鎖傷害施工效果

三、結(jié)論

(1)煤層氣儲(chǔ)層水鎖傷害影響因素研究結(jié)果表明，隨著煤樣含水率的升高、滲透率的降低、表面接觸角的減小以及入井流體表面張力的升高，煤層氣儲(chǔ)層水鎖傷害率逐漸升高，水鎖傷害程度加重。因此，為降低水鎖對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的損害程度，應(yīng)研究合適的防水鎖措施。

(2)防水鎖劑的優(yōu)選及性能評(píng)價(jià)表明，加入0.5%HRJ-D防水鎖劑能使溶液的表面張力降低至20 mN/m以下，能使煤樣表面接觸角從26.1°增大到74.3°，200 min自吸水量從2.58 g降低至0.32 g，從而有效減弱入井流體侵入時(shí)對(duì)煤樣滲透率的影響，起到了良好的防水鎖效果。

(3)現(xiàn)場(chǎng)使用防水鎖劑HRJ-D的煤層氣井日產(chǎn)氣量明顯高于未使用水鎖劑的鄰井，并且表皮系數(shù)顯著下降，說(shuō)明加入HRJ-D后有效降低了水鎖損害，提高了煤層氣井的單井產(chǎn)量。