煤層氣儲層水鎖傷害影響因素及防治措施研究

續(xù)化蕾, 李煥文, 王云飛, 李 歡, 王天賜, 馮 斌

(1長江大學石油工程學院 2中石油煤層氣有限責任公司工程技術研究院 3中國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，煤層氣的勘探開發(fā)研究受到越來越多的關注[1-3]。煤儲層通常具有低孔、低滲、低壓以及微裂縫發(fā)育等特點，因此，在外來流體進入煤儲層時，極容易引起水鎖傷害，從而影響煤層氣的滲流能力，對煤層氣的高效合理開發(fā)產生嚴重的影響[4-5]。近年來，國內外學者針對低孔、低滲油藏水鎖傷害的研究較多[6-12]，而對煤層氣儲層水鎖傷害的研究及報道相對較少，煤層氣儲層水鎖損害的主要影響因素及防治措施相對不夠完善[13-14]。筆者以鄂爾多斯盆地某煤層氣儲層為研究對象，主要評價了煤樣含水率、滲透率、表面潤濕性以及入井流體表面張力對煤層氣儲層水鎖傷害的影響，并在此基礎上，開展了煤層氣儲層水鎖防治措施的研究及現場試驗。

一、煤層氣儲層水鎖傷害影響因素

1. 煤樣含水率對水鎖傷害的影響

參照文獻[14]的實驗方法，將煤樣處理成不同的含水率，測定煤樣含水率對煤層氣儲層水鎖傷害的影響。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。

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

2. 煤樣滲透率對水鎖傷害的影響

使用不同初始滲透率的煤樣，測定煤樣滲透率對煤層氣儲層水鎖傷害的影響[14]。煤樣含水率均為50%，煤樣表面的潤濕性相同，接觸角均為25°，入井流體的表面張力均為64.3 mN/m。實驗結果見表1。

表1 煤樣滲透率對水鎖傷害的影響

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，煤儲層初始滲透率對水鎖傷害程度的影響較大。這是由于煤儲層滲透率越大，孔隙半徑也較大，即入井流體對煤層氣滲流能力的阻礙作用減弱，水鎖損害程度下降。

3. 煤樣潤濕性對水鎖傷害的影響

將煤樣表面處理成不同的潤濕性，測定煤樣潤濕性對煤層氣儲層水鎖傷害的影響[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。實驗結果見表2。

表2 煤樣潤濕性對水鎖傷害的影響

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，為了降低水鎖對煤層氣儲層的損害程度，應盡可能改變煤儲層表面的潤濕性，增大接觸角，使其更加疏水。

4. 入井流體表面張力對水鎖傷害的影響

加入不同量的表面活性劑降低入井流體的表面張力，測定入井流體表面張力對煤層氣儲層水鎖傷害的影響[14]。煤樣初始滲透率相同，均為0.46 mD，煤樣含水率均為50%，煤樣表面的潤濕性相同，接觸角均為25°。實驗結果見表3。

表3 入井流體表面張力對水鎖傷害的影響

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，為了降低水鎖對煤層氣儲層的損害程度，應盡可能的降低入井流體的表面張力。

二、煤層氣儲層水鎖防治措施研究

目前，國內外針對水鎖防治措施的研究及應用較多，包括注氣、加熱、增大生產壓差、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層水鎖傷害最有效的措施，防水鎖劑能夠通過降低溶液表面張力、改變煤巖表面潤濕性以及減少煤巖自吸水量等方式來降低水鎖傷害程度。針對煤層氣儲層水鎖傷害因素研究結果，開展了防水鎖劑的優(yōu)選及性能評價工作。

1. 防水鎖劑優(yōu)選

室內使用A601型-全自動表/界面張力儀開展了防水鎖劑的優(yōu)選工作。

表4 防水鎖劑優(yōu)選實驗結果

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出不同程度的下降現象，其中防水鎖劑HRJ-D的效果最好，當其加量為0.5%時，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層水鎖傷害程度，因此，選擇HRJ-D作為煤層氣儲層的防水鎖劑。

2. 防水鎖劑性能評價

2.1 對接觸角的影響

將煤樣放置在0.5%HRJ-D溶液中充分浸泡一定時間后取出，烘干后使用PT-705-B型視頻光學接觸角測量儀測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，并與未經處理的空白煤樣表面的接觸角進行對比。

對比結果看出，模擬地層水在未處理煤樣表面的接觸角較小(26.1°)，水潤濕性較強；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°)，潤濕性由水濕向油濕方向發(fā)生了轉變。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，使水溶液不容易進入煤樣深部，從而降低水鎖造成的傷害。

2.2 對煤樣自吸水量的影響

通過研究防水鎖劑處理前后的煤樣自吸水量大小，來評價防水鎖劑的效果。將煤樣使用0.5%HRJ-D溶液充分浸泡一段時間后取出，烘干，測定不同時間的自吸水量，并與未經處理的空白煤樣的自吸水量進行對比。實驗結果見圖1。

圖1 防水鎖劑對煤樣自吸水量的影響

由圖1可知，未經處理的煤樣200 min自吸水量為2.58 g，而經過0.5%HRJ-D防水鎖劑溶液處理過的煤樣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，使表面產生疏水特性，較大程度的降低了毛細管力作用，使液相難以通過自發(fā)滲吸的方式進入煤樣內部，能夠有效防止入井流體侵入對煤儲層造成水鎖損害。

2.3 降低水鎖傷害能力

0.5%HRJ-D溶液侵入煤樣后對滲透率的損害情況和防水鎖效果與空白煤樣作對比，煤巖初始滲透率均為0.46 mD。實驗結果見圖2。

圖2 防水鎖劑HRJ-D降低水鎖傷害能力實驗結果

由圖2可知，使用模擬地層水作為入井流體侵入時，煤樣的滲透率隨著含水率的升高呈明顯下降趨勢，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，煤樣滲透率隨含水率的上升變化不大，說明防水鎖劑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能夠通過降低溶液表面張力、增大接觸角(改變潤濕性)等方式來降低毛細管阻力，有效防止入井流體侵入煤儲層時水鎖現象的發(fā)生，從而為煤層氣的高效合理開發(fā)提供保障。

3. 防水鎖劑現場應用

2016年開始，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，開井生產后，與未使用防水鎖劑的鄰井M井相對比，日產氣量明顯提高，表皮系數顯著下降，取得了明顯的增產效果。見表5。

表5 煤層氣井防水鎖傷害施工效果

三、結論

(1)煤層氣儲層水鎖傷害影響因素研究結果表明，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，為降低水鎖對煤層氣儲層的損害程度，應研究合適的防水鎖措施。

(2)防水鎖劑的優(yōu)選及性能評價表明，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對煤樣滲透率的影響，起到了良好的防水鎖效果。

(3)現場使用防水鎖劑HRJ-D的煤層氣井日產氣量明顯高于未使用水鎖劑的鄰井，并且表皮系數顯著下降，說明加入HRJ-D后有效降低了水鎖損害，提高了煤層氣井的單井產量。