絨囊流體氣藏控水實驗研究

魏志鵬

（中海油田服務股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津 300459）

氣田水害問題對產(chǎn)能影響較大，如何控制產(chǎn)水量并保持產(chǎn)能穩(wěn)定對氣藏開發(fā)具有重要意義[1-5]。使用控水劑是氣藏控水的一種重要手段，根據(jù)氣層與水層的關(guān)系可將控水劑分為非選擇性控水劑和選擇性控水劑兩類，當氣層與水層明顯分開時可以使用水泥漿、無機凝膠等非選擇性控水劑，當氣層與水層沒有明顯分開時必須使用聚合物、功能納米流體等選擇性控水劑，聚合物控水劑的使用早期主要是借鑒油藏的堵水經(jīng)驗，一些非離子型聚丙烯酰胺、磺化乙烯、乙烯酰胺等水溶性聚合物被國內(nèi)外學者使用[6-8]，但是由于天然氣黏度、毛管壓力等特性的影響，這些聚合物的實際效果并不理想，據(jù)此Zaitoun 等[9]和Hassan 等[10]改進了聚合物交聯(lián)技術(shù)，大幅度降低了水相滲透率，而對氣相滲透率影響較小，現(xiàn)場也取得了很好的效果。納米功能流體也在氣藏控水中被使用，Lakatos I 等[11，12]通過實驗研究了一種硅氧烷微乳液體系，并且也應用到現(xiàn)場，達到控水的效果。除上述主流控水劑以外，我國學者吳凱等[13]還提出了鹽析的方法進行控水。雖然氣藏控水方面的研究取得了一些進展，但是由于氣藏條件復雜，不同控水劑仍然受適用條件和成本等因素影響，因此有必要開展更高效、低廉控水劑研究工作。

絨囊流體是在微泡鉆井液基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高效封堵體系，目前在鉆井、修井、壓裂等方面取得了成功的應用[14-17]，但是在氣藏控水領(lǐng)域仍然需要進一步探索和研究，本文利用絨囊流體開展一維巖心驅(qū)替實驗，對絨囊流體控水效果進行評價，并結(jié)合核磁共振實驗方法從微觀孔隙結(jié)構(gòu)角度對絨囊流體控水機理進行分析，為絨囊流體氣藏控水提供理論依據(jù)。

1 實驗材料

絨囊是由聚合物和表面活性劑自然形成的可變形材料，可根據(jù)井下條件，改變性能和形狀全面封堵地層漏失通道，絨囊藥劑主要由囊核、囊膜、囊層和囊毛定位劑組成[16]，首先在500 mL 清水中加入工業(yè)級成核劑2 g、成膜劑4 g、成層劑6.5 g、定位劑3 g，然后用高速變頻無級調(diào)速攪拌機在10 000 r/min 下配制密度為0.94 g/cm3絨囊流體。利用黏土計測量其塑性黏度為45 mPa·s。其他實驗流體為氮氣和水。

選用人造砂巖巖樣進行實驗，在直徑為3.5 cm 巖樣上鉆取直徑為2.5 cm 的巖心，將巖樣烘干并對物性參數(shù)進行測量，巖樣基礎(chǔ)參數(shù)（見表1）。

表1 巖樣基礎(chǔ)物性參數(shù)

2 實驗方法

采用一維驅(qū)替實驗設(shè)備對不同階段巖心的滲流能力進行評價。測量巖心質(zhì)量計算流體飽和度的方法只能得到巖樣中流體數(shù)量變化的信息，不能反映巖樣內(nèi)部流體的分布變化，核磁共振技術(shù)可以對巖心內(nèi)部流體分布特征進行描述，本次工作利用此技術(shù)對實驗過程中的3 個階段進行監(jiān)測，具體實驗步驟如下：

（1）初始氣測滲透率測定：將干燥后巖樣裝入巖心夾持器中，恒壓0.2 MPa 注入氮氣，待出口氮氣流速恒定后讀取滲透率K1。

（2）水相滲透率測定：注入速度0.1 mL/min 注入地層水，待壓力穩(wěn)定后讀取滲透率K2。取出巖樣進行核磁分析。

（3）飽和水巖樣氣相滲透率測定：將飽和水巖樣放入夾持器，恒壓0.2 MPa 注入氮氣，待出口氮氣流量穩(wěn)定后讀取滲透率K3。取出巖樣進行核磁分析。

（4）絨囊流體注入：為了模擬現(xiàn)場絨囊流體實際注入情況，從巖樣出口端反向以速度0.1 mL/min 注入絨囊流體，注入時間設(shè)定為1 h。

（5）飽和絨囊流體后水相滲透率測定：將注入絨囊流體的巖樣繼續(xù)放入夾持器中，正向注入地層水，速度0.1 mL/min，待壓力穩(wěn)定后讀取滲透率K4。

（6）飽和絨囊流體后氣相滲透率測定：0.2 MPa 恒壓注入氮氣，待出口氮氣流速恒定后讀取滲透率K5，取出巖樣進行核磁分析。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 實驗過程中巖樣端面變化

絨囊流體注入完成后，發(fā)現(xiàn)在絨囊流體注入端存在大量暗紅色絮狀物（見圖1（a）），但是在后續(xù)的水驅(qū)和氣驅(qū)完成后絮狀物消失了（見圖1（b））。絨囊流體是一種功能性流體，對于大孔和中孔具有較好的封堵作用，其機理主要是絨囊流體中的氣囊膨脹對孔隙進行封堵，而對于小孔隙，由于囊核（氣囊）與外部的高分子聚合物結(jié)合程度較弱，在剪切力作用下囊核與外部的高分子聚合物發(fā)生分離[18]，實驗中注入端的絮狀物就是絨囊流體中的高分子聚合物。由實驗結(jié)果可以看出絨囊流體中的高分子聚合物在氣體和水的作用下很容易被沖刷掉。

圖1 注入絨囊流體方向巖樣端面變化

3.2 巖樣中流體分布特征

束縛水是一個相對的概念，隨著條件的變化，束縛水也會變成可動水[19]。實驗中利用核磁共振技術(shù)對初始飽和水、第一次氣驅(qū)后以及驅(qū)替實驗完成后三個條件下巖樣中流體分布情況進行描述。100-7 巖樣初始飽和水條件下峰值信號強度最高數(shù)值近3 000，第一次氣驅(qū)水后含水飽和度迅速下降，殘余水信號強度200以下，巖心中大量可動水排出，并且在0.4～2 ms 處分布有少量液體，與初始飽和水狀態(tài)相比，弛豫時間分布左移，表明在氣驅(qū)的作用下，巖樣內(nèi)部的水分布發(fā)生了變化，部分可動水在氣體壓力作用下分布到了更小的孔隙。驅(qū)替實驗結(jié)束后，巖樣中流體含量較高，峰值信號強度略高于初始飽和水狀態(tài)（見圖2）。

圖2 100-7 巖樣不同階段內(nèi)部流體變化

與100-7 巖樣相比，100-2 初始飽和水峰值信號強度（接近600）相對較低，表明100-2 初始飽和水程度較低。氣驅(qū)后信號幅度明顯下降，表明孔隙中有大量的可動水排出，氣驅(qū)后曲線整體呈現(xiàn)4 個小幅度峰值，峰值信號強度與100-7 相近，并且也存在明顯的弛豫時間分布范圍左移的現(xiàn)象，兩塊巖樣中流體都具有較好的流動性。驅(qū)替實驗完成后100-2 巖樣中束縛流體總量與注入絨囊流體前氣驅(qū)水后的狀態(tài)相比明顯增多，峰值信號強度略低于初始飽和水狀態(tài)（見圖3）。絨囊流體有效限制了水在兩塊巖樣中的流動。

圖3 100-2 巖樣不同階段內(nèi)部流體變化

3.3 不同驅(qū)替條件下巖樣滲透率

巖樣100-7 和巖樣100-2 在不同驅(qū)替條件下滲透率的變化（見圖4）。100-7 巖樣初始氣測滲透率（K1）和初始水測滲透率（K2）都高于100-2，核磁實驗結(jié)果中100-7 巖樣在相同的弛豫時間范圍內(nèi)信號峰值幅度也相對較高，綜上實驗結(jié)果可以說明100-7 巖樣中水可以進入的大孔隙也更多。在飽和水后氣測滲透率（K3）方面，100-7 巖樣滲透率恢復程度68.9%，與100-2（恢復程度97.4%）相比較低，由核磁實驗結(jié)果可知，兩塊巖樣殘余水飽和度相近，由此可見，復雜多孔介質(zhì)中不同類型孔隙對滲透率貢獻存在差異，殘余水在孔隙空間中的分布特征是決定水傷害程度的關(guān)鍵因素。

圖4 不同驅(qū)替方式巖心滲透率變化

在飽和絨囊流體階段，兩塊巖樣在一小時后壓力都上升到20 MPa 左右，表明絨囊流體對大孔隙較多的100-7 巖樣中的大孔隙起到了較好的封堵作用。水驅(qū)絨囊流體實驗中兩塊巖樣滲透率（K4）變化差異較大，100-7 巖樣水測滲透率高達217.6 mD，為初始氣測滲透率近2 倍，表明在實驗過程中巖樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，產(chǎn)生了有利于滲流的新孔隙，但是后續(xù)的氣測滲透率值并沒有明顯的增大，由核磁實驗結(jié)果可知，100-7 在驅(qū)替實驗結(jié)束后巖樣中殘余了相對較多的流體，并且峰值信號強度較高，據(jù)此可以判斷在K5的測量過程中，巖樣中的絨囊流體對新產(chǎn)生的孔隙起到了二次封堵作用，后續(xù)K5的數(shù)值和補測水測滲透率值較低也證實了這一判斷，絨囊流體對100-7 巖樣的二次堵水率為95.5%。100-2 在飽和絨囊流體之后盡管氣測滲透率下降了近60%，但是水測滲透率下降幅度更大，為99.1%，巖樣端面的紅色絮狀物并沒有對K5的影響較大，絨囊流體中的高分子聚合物對巖樣端面的小孔隙具有一定的保護作用，避免了工作液侵入而形成傷害，絨囊流體起到了有效控水的效果。

油藏堵水主要利用堵水劑的親水性進行選擇性封堵，氣藏堵水主要利用氣-水的流動能力差異。巖石具有復雜的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙半徑分布也存在差異，與氣體相比水只能在半徑較大的孔隙中滲流，反向注入的堵水劑對有利水流動的大孔隙通道進行了封堵，因此也就有效限制了水的流動，達到控水效果。吳凱等[13]提出了一種鹽析控水方法，并利用填砂管開展了一維驅(qū)替物理模擬實驗，堵水率為6%，鹽析的方法控水效果比較有限。劉暉等[20]針對海上油田開展了泡沫堵水研究，同樣利用填砂管模型進行控水效果物理模擬，堵水率為97.8%，與本次實驗中的100-2 巖樣堵水效果接近，但是泡沫堵水劑也在實驗中暴露了有效期短、穩(wěn)定性差的特點。Zaitoun 和Hassan 等[9，10]利用堵水劑在注入后產(chǎn)氣的特點，不僅起到了堵水的效果，并且在產(chǎn)氣過程中形成了一些有利于氣體滲流的通道，在室內(nèi)研究中不僅降低了水測滲透率而且對氣測滲透率影響較小。絨囊流體具有自然降解的特性[21]，開發(fā)過程中隨著地層壓力的下降，水流動動力條件變?nèi)?，絨囊流體的降解會為氣體滲流提供貢獻，絨囊流體在實際應用效果會優(yōu)于室內(nèi)實驗分析結(jié)果。與傳統(tǒng)聚合物和功能納米流體控水劑相比，絨囊流體是基于研究微泡鉆井液發(fā)展起來的封堵劑，現(xiàn)場不需要添加附加設(shè)備，具有成本低、操作簡單的特點。此外由于儲層巖石的復雜性，在施工過程中巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的破壞會對控水效果產(chǎn)生較大影響，本次實驗中100-7 巖樣在實驗中也出現(xiàn)了類似現(xiàn)象，并且在實驗中表現(xiàn)出較好的二次封堵的功能。

4 結(jié)論

（1）絨囊流體具有穩(wěn)定、有效的控水效果。實驗中100-2 巖樣氣測滲透率下降了60%，水測滲透率下降了99.1%，考慮到絨囊流體的降解作用，現(xiàn)場實際應用效果會優(yōu)于室內(nèi)實驗結(jié)果。

（2）絨囊流體具有成本低、操作簡單的特點，并且對于滲流過程中由于應力作用而導致的巖石內(nèi)部出現(xiàn)的新孔隙，絨囊流體具有二次封堵的作用。實驗中絨囊流體對100-7 巖樣損傷后的堵水率為95.5%。