覆膜支撐劑導(dǎo)氣阻水效果可視化試驗(yàn)研究

譚曉華， 丁 磊， 胥偉沖， 瞿 霜， 溫中林

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都 610500；2.中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都 610041；3.四川川慶石油鉆采科技有限公司，四川廣漢 618300；4.中國石油青海油田天然氣開發(fā)公司，青海格爾木 816000）

目前我國大多數(shù)氣藏均屬于不同程度的水驅(qū)氣藏，其中邊底水活躍的氣藏大概占40%～50%。對于水驅(qū)氣藏，隨著開發(fā)進(jìn)行，地層壓力不斷降低，導(dǎo)致氣藏周圍的邊底水進(jìn)入儲層的滲流通道，形成復(fù)雜的氣水關(guān)系，可能出現(xiàn)水錐、水竄等現(xiàn)象；與此同時(shí)，氣相相對滲透率大幅降低，并在井筒中形成積液，影響氣井的產(chǎn)量，甚至?xí)蛩蛨?bào)廢。因此，對于水驅(qū)氣藏的開采應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，阻止水體進(jìn)入井筒，實(shí)現(xiàn)水驅(qū)氣藏的有效開發(fā)。

為提高水侵氣井的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)氣井二次生產(chǎn)的目的，可以對壓裂支撐劑（石英砂等）進(jìn)行覆膜，使其具有疏水導(dǎo)氣的能力，利用其支撐壓裂裂縫時(shí)，裂縫對氣相具有高導(dǎo)流能力，并抑制水相流動(dòng)。國內(nèi)外關(guān)于覆膜支撐劑的研究較多，1970年B.M.Young[1]將糠醇或糠醇樹脂涂覆在固體顆粒上，制成第一批覆膜支撐劑；20世紀(jì)80年代，國外學(xué)者將熱固化樹脂涂覆在骨料上，發(fā)明了預(yù)固化覆膜支撐劑，具有強(qiáng)度高、密度低、球圓度好和破碎率低等優(yōu)點(diǎn)[2–3]；后來為解決壓裂后地層出砂、返排吐砂的問題，研制了可固化的覆膜支撐劑[4–10]，在地層條件下，樹脂在骨料上發(fā)生固化、膠結(jié)，形成阻止出砂、返排吐砂的過濾網(wǎng)；此后，相繼研制出了自懸浮支撐劑[11–15]、疏水支撐劑[16–17]、自聚性支撐劑[18]和低密度支撐劑[19]等具有優(yōu)異性能的覆膜支撐劑，解決了油氣田壓裂改造中的大多數(shù)問題。近年來，針對覆膜支撐劑強(qiáng)度、防出砂和防回流方面的研究較多，但對覆膜支撐劑疏水導(dǎo)氣方面的研究較少[20]。

基于上述現(xiàn)狀，筆者針對水侵氣藏出水嚴(yán)重的問題，制備了一種覆膜支撐劑，通過可視化試驗(yàn)研究了覆膜支撐劑的導(dǎo)氣阻水效果，以期為應(yīng)用覆膜支撐劑實(shí)現(xiàn)水驅(qū)氣藏控水穩(wěn)產(chǎn)提供依據(jù)。

1 覆膜支撐劑的制備

制備覆膜支撐劑所用覆膜劑是自主研發(fā)的一種常溫固化型液體，其黏度為1.2 mPa·s，分子結(jié)構(gòu)中的硅氧烷鍵（Si—O—Si）具有強(qiáng)大的鍵合能量，耐溫性能極好，在250 ℃的高溫環(huán)境中也不發(fā)生分解。選取30/40 目石英砂作為制備覆膜支撐劑的原材料，將覆膜劑均勻噴灑在石英砂表面，同時(shí)不斷攪拌石英砂，覆膜劑會(huì)在石英砂表面形成一層均勻的薄膜，待薄膜風(fēng)干固化之后會(huì)緊貼在石英砂表面，形成覆膜支撐劑。覆膜支撐劑具有光澤度高、豐滿度高、透明性好和強(qiáng)度高等特點(diǎn)，并且覆膜能長時(shí)間保持穩(wěn)定的低表面能，具有良好的疏水性和導(dǎo)氣性。

為初步評價(jià)覆膜支撐劑的疏水性，分別將水滴在石英砂、覆膜支撐劑和經(jīng)過高溫流體沖刷的覆膜支撐劑上，觀察親水性，結(jié)果見圖1。由圖1可知：石英砂具有較強(qiáng)的親水性，水滴到石英砂上，水會(huì)快速滲透；覆膜支撐劑具有疏水性，水滴到覆膜支撐劑上，水會(huì)停留在覆膜支撐劑表面，并且經(jīng)高溫流體沖刷后其仍然保持了穩(wěn)定的疏水能力。

圖1 石英砂和覆膜支撐劑的滴水試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Water drop test results of conventional quartz sand and coated proppant

2 覆膜支撐劑相對滲透率試驗(yàn)

為了對比覆膜支撐劑與普通石英砂的氣–水兩相滲透規(guī)律，筆者將石英砂和覆膜支撐劑分別充填在相同尺寸的填砂管中，充分壓實(shí)后測定其氣–水相的相對滲透率。

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由平流泵、壓力表、填砂管、氣液分離器、U形管和氣量計(jì)組成（見圖2），其中填砂管是試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部分。壓力表采用YN60型耐震真空負(fù)壓表，量程為 0～0.25 MPa。

圖2 相對滲透率試驗(yàn)裝置示意Fig.2 Schematic diagram of device for relative permeability test

2.2 試驗(yàn)步驟

2.2.1 制作填砂管

截取2根長度為5 m的透明膠管制作填砂管。該膠管外徑 6.0 mm，內(nèi)徑 4.0 mm。將 30/40 目的石英砂和覆膜支撐劑分別填充到2根透明膠管中，采用“一堵一填”的填充方式，即透明膠管一側(cè)密封封堵，從另一側(cè)填充石英砂和覆膜支撐劑。填充過程中不停甩動(dòng)透明膠管，使填充物在作用力下完全接觸，達(dá)到充分壓實(shí)的目的。待透明膠管填充滿并充分壓實(shí)后，在透明膠管兩側(cè)入口處填入紗布，防止?jié)B流過程中砂粒運(yùn)移流失。

2.2.2 相對滲透率試驗(yàn)

1）用平流泵驅(qū)替地層水以一定的流速通過石英砂填砂管，待填砂管出口端不再產(chǎn)氣時(shí)，表示填砂管已達(dá)到飽和地層水的狀態(tài)。記錄流量和填砂管進(jìn)出口的壓差，連續(xù)測定3次水相滲透率，其相對誤差小于3%時(shí)，以此水相滲透率作為水–氣相對滲透率的基礎(chǔ)值。

2）調(diào)整出口氣液分離器、U形管和氣量計(jì)，用平流泵從填砂管入口泵入空氣，開始?xì)怛?qū)水，記錄各個(gè)時(shí)刻的驅(qū)替壓力、產(chǎn)水量及產(chǎn)氣量。

3）氣驅(qū)水至殘余水狀態(tài)，測定殘余水狀態(tài)下的氣相滲透率后，結(jié)束試驗(yàn)。

4）取下填砂管，清洗、調(diào)整試驗(yàn)裝置，改用覆膜支撐劑填砂管重復(fù)上述試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》（SY/T 5345—2007）中相對滲透率的計(jì)算方法，分別計(jì)算石英砂填砂管和覆膜支撐劑填砂管的氣–水相對滲透率，并繪制氣–水相對滲透率曲線（見圖3）。從圖3可以看出，在相同試驗(yàn)條件下，覆膜支撐劑的氣相相對滲透率明顯高于石英砂，并且覆膜支撐劑的水相相對滲透率明顯低于石英砂。由此可見，覆膜支撐劑可以提高氣相相對滲透率，抑制水相流動(dòng)，即覆膜支撐劑具有疏水導(dǎo)氣作用。

圖3 石英砂與覆膜支撐劑的氣–水相相對滲透率曲線Fig.3 Relative permeability curves of the gas–water phase with conventional quartz sand and coated proppant

3 導(dǎo)氣阻水可視化試驗(yàn)

相對滲透率試驗(yàn)結(jié)果表明，覆膜支撐劑具有良好的疏水導(dǎo)氣作用，為進(jìn)一步了解覆膜支撐劑在地層中的性質(zhì)，進(jìn)行了導(dǎo)氣阻水可視化試驗(yàn)，即利用密封滲流模型，在矩形滲流槽邊部填入石英砂，在滲流槽中部填入覆膜支撐劑，模擬壓實(shí)膠結(jié)的地層，然后利用平流泵以恒速驅(qū)替的方式向滲流槽內(nèi)注入染色的水，將滲流槽中已經(jīng)飽和的氣驅(qū)替出來，觀察并記錄驅(qū)替過程中氣水運(yùn)移的方向和運(yùn)移規(guī)律。

3.1 試驗(yàn)裝置

導(dǎo)氣阻水可視化試驗(yàn)裝置主要由平流泵、滲流模型、氣液分離器、U形管和氣量計(jì)組成（見圖4），其中滲流模型是試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部分。

圖4 可視化試驗(yàn)裝置示意Fig.4 Visualization experiment device schematic diagram

根據(jù)相似性原則，利用 0.60 m×0.40 m×0.01m 的滲流模型模擬半徑20 m、厚度60 m的圓形地層。假定水體為無限水體（即驅(qū)替壓力恒定），將滲流模型單井產(chǎn)氣量作為地層單井累計(jì)產(chǎn)氣量，將滲流模型單井產(chǎn)水量作為地層單井累計(jì)產(chǎn)水量。

3.2 試驗(yàn)步驟

3.2.1 滲流模型制作

滲流模型由 700 mm×500 mm×20 mm 的有機(jī)玻璃板制作而成，中間滲流槽尺寸為600 mm×400 mm×10 mm，在滲流槽中部 500 mm×120 mm×10 mm 范圍內(nèi)填入30/40 目覆膜支撐劑，形成中部覆膜支撐劑帶，在滲流槽其余位置填入30/40 目石英砂（見圖5），并充分壓實(shí)，在滲流槽進(jìn)口端和出口端填入紗布，以防止砂粒運(yùn)移流失，蓋上蓋板、并用螺桿固定。

圖5 滲流模型Fig.5 Seepage model

將試驗(yàn)裝置的各部分連接好，并確保其密封性，采用恒速（v=6 mL/min）驅(qū)替的方法，用染色的水驅(qū)替滲流模型中飽和的氣體，觀察氣水運(yùn)移規(guī)律，并分別記錄3 口模擬井的累計(jì)產(chǎn)水量和累計(jì)產(chǎn)氣量；當(dāng)氣液分離器中不再產(chǎn)生氣體時(shí)，說明滲流模型中的氣體被驅(qū)替完畢，再記錄一段時(shí)間的數(shù)據(jù)后，關(guān)閉平流泵，結(jié)束試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6所示為不同驅(qū)替時(shí)間觀察到染色水的運(yùn)移情況。圖7所示為3口模擬井不同驅(qū)替時(shí)間下的生產(chǎn)曲線。

從圖6可以看出，當(dāng)水體驅(qū)替速度為6 mL/min時(shí)，經(jīng)過40 min的驅(qū)替，滲流模型基本被染色水充滿。從圖6還可以看出，整個(gè)驅(qū)替過程大致分為4個(gè)階段：

圖6 可視化試驗(yàn)染色水運(yùn)移情況Fig.6 Dyed water migration in visualization experiment

第1階段，即堵水階段，驅(qū)替時(shí)間0～20 min。在此階段，當(dāng)驅(qū)替水體在壓差作用下滲入砂體后，沿著石英砂體緩慢滲流。由于石英砂具有親水性，毛細(xì)管力方向指向水體前進(jìn)方向，毛細(xì)管力與驅(qū)替壓力的合力形成推動(dòng)水體前進(jìn)的動(dòng)力；而覆膜支撐劑具有疏水性，毛細(xì)管力方向與水體前進(jìn)方向相反，形成阻止水體前進(jìn)的阻力（見圖8）；并且根據(jù)圖7 ，模擬井2的產(chǎn)氣量明顯高于兩側(cè)，由于覆膜支撐劑具有導(dǎo)氣性，因此推測出上下兩側(cè)部分被驅(qū)替出的氣體通過覆膜支撐劑帶流出模型（見圖9）。

圖8 第1階段水體流向Fig.8 Water flow direction at the first stage

圖9 第1階段氣體流向Fig.9 Gas flow direction at the first stage

第2階段，即突破階段，驅(qū)替時(shí)間20～30 min。隨著水體不斷侵入，越來越多的水體聚集在覆膜支撐劑與石英砂交界處，來不及向兩側(cè)運(yùn)移，使水體驅(qū)替壓力逐漸增大，水體開始向覆膜支撐劑帶內(nèi)運(yùn)移（見圖10）。根據(jù)圖7 ，此階段模擬井2的產(chǎn)氣量仍然遠(yuǎn)高于上下兩側(cè)模擬井，因此推測出模型內(nèi)上下兩側(cè)部分被驅(qū)替出的氣體進(jìn)入覆膜支撐劑帶內(nèi)，與覆膜支撐劑帶內(nèi)的氣體一同被驅(qū)替出模型（見圖11）。

圖10 第2階段水體流向Fig.10 Water flow direction at the second stage

圖11 第2階段氣體流向Fig.11 Gas flow direction at the second stage

第3階段，即偏向階段，驅(qū)替時(shí)間30～40 min。當(dāng)水體驅(qū)替壓力大于覆膜支撐劑的突破壓力時(shí)，其開始向覆膜支撐劑帶內(nèi)運(yùn)移，但在運(yùn)移通道上仍不斷受到覆膜支撐劑毛細(xì)管力的作用；隨著水體不斷向前運(yùn)移，水體驅(qū)替壓力逐漸降低，而覆膜支撐劑的毛細(xì)管力不變，導(dǎo)致覆膜支撐劑帶內(nèi)的水體運(yùn)移速度逐漸降低，使覆膜支撐劑帶內(nèi)水體聚集。隨著水體重新聚集，水驅(qū)氣前緣壓力升高，此時(shí)，處于覆膜支撐劑帶邊界處的水體將在壓差作用下向石英砂帶運(yùn)移，使水體開始偏向兩側(cè)石英砂帶（見圖12）。由第3階段水體流向（見圖13）可知，上側(cè)石英砂帶仍顯示有未被水體侵入的白色條帶，這是因?yàn)橹胁扛材ぶ蝿w向兩側(cè)運(yùn)移時(shí)，進(jìn)入上側(cè)石英砂帶后只是聚集在了石英砂帶邊部。此階段因?yàn)槭⑸皫馑熬壿^為靠近，模型中的氣體大部分通過對應(yīng)的模擬井被驅(qū)替出（見圖14）。

圖12 邊界水體流向Fig.12 Boundary water flow direction

圖13 第3階段水體流向Fig.13 Water flow direction at the third stage

圖14 第3階段氣體流向Fig.14 Gas flow direction at the third stage

第4階段，即水淹階段，驅(qū)替時(shí)間40～60 min，此階段模型兩側(cè)完全被水體侵入，模型中部還存在部分剩余氣。根據(jù)圖7，模型上下兩側(cè)產(chǎn)水量劇增，而中部覆膜支撐劑帶產(chǎn)水量一直較低，說明了覆膜支撐劑具備良好的疏水性。

圖7 可視化試驗(yàn)生產(chǎn)曲線Fig.7 Production curves of visualization experiment

根據(jù)以上試驗(yàn)和分析結(jié)果可以預(yù)測，水驅(qū)氣藏使用覆膜支撐劑進(jìn)行壓裂時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)氣阻水的目的，提高氣井產(chǎn)量。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

TN氣田位于柴達(dá)木盆地中東部的三湖坳陷地區(qū)，儲層整體表現(xiàn)出高孔中低滲的特點(diǎn)，非均質(zhì)性強(qiáng)，邊水易沿著高滲帶快速突進(jìn)，開采難度大。截至2018年6月，TN氣田已進(jìn)入氣水同產(chǎn)階段，水侵嚴(yán)重，導(dǎo)致低產(chǎn)井、積液井占比接近2/3，嚴(yán)重影響了該氣田的開發(fā)[21]。為此，利用覆膜支撐劑對該氣田X21井進(jìn)行了重復(fù)壓裂。

TN氣田X21井于2009年4月8日完井，完井井深 1 250.00 m。2019年 3月 12日—5月 18日平均產(chǎn)氣量 800 m3/d，平均產(chǎn)水量 51.0 m3/d，由于水淹嚴(yán)重導(dǎo)致躺井。為試驗(yàn)覆膜支撐劑的疏水導(dǎo)氣特性，2019年6月26日對X21井進(jìn)行了重復(fù)壓裂，重復(fù)壓裂井段 1059.50～1062.10 m，施工最高壓力 27.0 MPa，最大排量 4.5 m3/min，施工總液量 292.5 m3，共注入覆膜支撐劑 100.0 m3，凈液量 192.5 m3，平均砂比43.38%，反洗井液量 4.9 m3，施工周期 81 h。7 月4 日采用?5.0 mm 油嘴生產(chǎn)，平均產(chǎn)氣量 0.41×104m3/d，平均產(chǎn)水量 13.5 m3/d；8 月 20 日更換成?9.5 mm 油嘴生產(chǎn)，平均產(chǎn)氣量 1.23×104m3/d，平均產(chǎn)水量 21.4 m3/d。X21井采用覆膜支撐劑重復(fù)壓裂后，產(chǎn)水量大幅降低，產(chǎn)氣量明顯提高，說明覆膜支撐劑具有疏水導(dǎo)氣特性。

5 結(jié)論與建議

1）以石英砂、常溫固化型液體為原料，制備了一種覆膜支撐劑，其覆膜能長時(shí)間保持較低的表面能。水滴試驗(yàn)表明，覆膜支撐劑即使經(jīng)過高溫流體長時(shí)間沖刷仍具有良好的疏水性。

2）通過石英砂和覆膜支撐劑的相對滲透率試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，覆膜支撐劑可以有效提高氣相的相對滲透率，抑制水相的流動(dòng)。

3）模擬地層可視化水驅(qū)氣試驗(yàn)結(jié)果表明，覆膜支撐劑具有疏水導(dǎo)氣的特性。

4）現(xiàn)場試驗(yàn)表明，采用覆膜支撐劑對水侵氣井進(jìn)行重復(fù)壓裂改造，可以提高產(chǎn)氣量，降低產(chǎn)水量，實(shí)現(xiàn)水侵氣井的二次生產(chǎn)，可為水驅(qū)氣藏的開發(fā)提供一種新的技術(shù)手段。

5）覆膜支撐劑室內(nèi)試驗(yàn)還不夠完善，無法同時(shí)滿足試驗(yàn)可視化與模擬實(shí)際氣藏溫度壓力條件的要求，建議與數(shù)值模擬相結(jié)合進(jìn)行更為全面的模擬試驗(yàn)研究。