低滲儲(chǔ)層新型防水鎖劑試驗(yàn)研究

賈云林，劉建忠 （中海石油 （中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300452）

李燕 （中海油能源發(fā)展股份有限公司采油技術(shù)服務(wù)分公司，天津300452）

劉平禮，趙立強(qiáng) （油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （西南石油大學(xué)），四川 成都610500）

水鎖傷害已成為低滲砂巖氣藏的主要傷害類型之一。在開(kāi)采過(guò)程中由于井筒凝析水、地層可動(dòng)水、外來(lái)水相的侵入易發(fā)生水鎖傷害，使近井地帶液相飽和度增加，嚴(yán)重影響氣井產(chǎn)能[1]。其治理技術(shù)有：①水力壓裂——可增加近井地層滲流能力，減小壓降，但在低滲儲(chǔ)層中，裂縫易閉合，且壓裂液會(huì)通過(guò)滲析方式沿裂縫兩側(cè)基巖面侵入基層，產(chǎn)生水鎖；②注互溶劑 （甲醇、乙醇等）——甲醇特有的熱力學(xué)性質(zhì)可使其在注入過(guò)程中降低氣液間的界面張力，提高氣相滲透率，從而使注入過(guò)程克服水鎖效應(yīng)所需的啟動(dòng)壓力降低，這對(duì)低滲氣藏尤為重要，但考慮安全、環(huán)保、成本問(wèn)題以及大量注入甲醇會(huì)產(chǎn)生鹽析現(xiàn)象，因此大量注入甲醇、乙醇的工藝方法有限；③熱處理 （強(qiáng)熱處理、微波加熱）——加熱增加近井層溫度，加速液體的蒸發(fā)，解除堵塞；微波加熱目前還處在理論和試驗(yàn)階段，且受影響因素過(guò)多；④注氣吞吐 （注干氣、CO2、富氣、氮?dú)獾龋摎怏w能進(jìn)入水相不能進(jìn)入的低滲層段，增加地層氣體干度，使圈閉帶中的水相蒸發(fā)掉。但注氣成本較高，設(shè)備投入大，且氣體資源匱乏；⑤注入表面活性劑——可降低氣液界面張力，且表面活性劑易揮發(fā)，能加速侵入液的蒸發(fā)，從而使近井地層滯留的水相以蒸發(fā)方式被驅(qū)走。這些技術(shù)方法在特定的油氣藏條件和生產(chǎn)情形下都曾經(jīng)取得過(guò)良好效果，但各自都有其適應(yīng)性，工程實(shí)施條件、難度也相差較大[2～4]。為此，筆者從液相傷害機(jī)理出發(fā)，研究出一種有效并且效果持久的新型防水鎖劑體系 （表面活性劑＋醇類）——SCJ用于低滲氣藏水鎖傷害的長(zhǎng)效抑制和解除。

1 水鎖傷害機(jī)理

水鎖傷害是由內(nèi)因、外因以及內(nèi)外因之間相互作用形成的。低滲砂巖氣藏水鎖傷害產(chǎn)生最本質(zhì)的內(nèi)因來(lái)源于成巖的巖石礦物特征和成巖作用對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)和表面特性的改變，以及氣藏自身的低原始含水飽和度。而不利的氣井作業(yè)是導(dǎo)致水鎖傷害的直接外因，不利的施工作業(yè)主要包括不合適的氣井工作液流體和作業(yè)壓差，以及氣井暴露于氣井工作流體的時(shí)間[5]。

水鎖傷害的本質(zhì)是毛細(xì)管壓力的阻力效應(yīng)，當(dāng)氣藏的初始含水飽和度低于束縛水飽和度時(shí)，儲(chǔ)層處于亞束縛水狀態(tài)，有過(guò)剩的毛細(xì)管壓力存在。當(dāng)與外來(lái)流體接觸時(shí)，很容易被吸入到親水孔隙中，造成水鎖傷害。該毛細(xì)管阻力等于毛細(xì)管彎液面兩側(cè)的非潤(rùn)濕相壓力和潤(rùn)濕相壓力的差值，其大小可以由任意曲面的Laplace方程[6]來(lái)確定：

式中：pc為毛細(xì)管壓力，mN；σ為界面張力，mN/m；θ為接觸角，（°）；r為多孔介質(zhì)的半徑，m。在低滲透儲(chǔ)集層中，由于毛細(xì)管半徑很小，若外來(lái)液體表面張力較高，該附加壓力值需引起足夠的重視，如果油氣相能夠克服該毛細(xì)管阻力以及流體在流動(dòng)過(guò)程中的摩擦阻力，則水相流向井筒。反之，如果不能克服該阻力則不能消除水相堵塞，形成水鎖傷害，影響產(chǎn)能。

液相滯留聚集會(huì)導(dǎo)致井周圍含水飽和度增高，使氣相相對(duì)滲透率降低。從Poisuille定律推導(dǎo)出氣驅(qū)水的毛細(xì)管排液公式：

式中：t為排液時(shí)間，s；μ為水相黏度，mPa·s；L為液柱長(zhǎng)度，m；p為驅(qū)動(dòng)壓力，MPa。從式（2）中可知，排液時(shí)間t隨著驅(qū)動(dòng)壓力p和毛細(xì)管半徑r的增加而減??；隨著液柱長(zhǎng)度L、水相黏度μ、黏附張力σcosθ的增加而增加。因此，當(dāng)外來(lái)流體侵入越深、液相黏度較高、表面張力較高時(shí)，排出滯留水的困難就越大，將會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的、難以克服的動(dòng)力學(xué)水鎖效應(yīng)。

2 防水鎖劑解除水鎖傷害機(jī)理

研究的新型防水鎖劑是由表面活性劑和混合溶劑組成，其預(yù)防和減輕水鎖傷害的作用機(jī)理主要有兩個(gè)方面：一是防水鎖劑在儲(chǔ)層溫度下產(chǎn)生蒸汽使毛細(xì)管中的液體蒸發(fā)掉；二是表面活性劑經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的反應(yīng)后通過(guò)吸附作用吸附在巖石表面，形成了一層低于水表面張力的分子膜，同時(shí)降低了氣體流經(jīng)地層的阻力[7]。表面活性劑因其特有的性能可以改變儲(chǔ)層巖石的潤(rùn)濕性，將親水親油的巖石表面反轉(zhuǎn)為憎水憎油的，從而降低儲(chǔ)層巖石的吸水性，減小氣－液表面張力，達(dá)到降低毛細(xì)管力的束縛，減輕水鎖傷害程度。

具有氟碳結(jié)構(gòu)的表面活性劑是目前市場(chǎng)上用于改變巖石潤(rùn)濕性的最具應(yīng)用價(jià)值的一種表面活性劑，由于氟原子代替氫原子即氟碳鏈代替了碳?xì)滏?，因此表面活性劑中的非極性基有疏水性質(zhì)。而含氟烴基既是憎水基又是憎油基，這使得巖石表面吸附含氟表面活性劑后就能達(dá)到疏水疏油的效果[8，9]。同時(shí)含氟表面活性劑具有良好的潤(rùn)濕滲透性，添加含氟表面活性劑的溶液潤(rùn)濕性大大提高，在巖石表面易潤(rùn)濕鋪展。可降低地層流體的毛細(xì)管阻力和驅(qū)動(dòng)壓力，使水鎖后地層的滲流能力提高，從而減輕水鎖傷害。

3 試驗(yàn)部分

3.1 試驗(yàn)材料及儀器

1）巖心 試驗(yàn)所用巖心取自盆5凝析氣藏下侏羅統(tǒng)三工河組2砂層組第2砂層，盆5凝析氣藏是中低孔、低滲的灰色中細(xì)砂巖氣藏，氣層平均孔隙度為12.5%，平均滲透率為5.99mD。

4）化學(xué)試劑 研制的新型表面活性劑 （ST），乙二醇丁醚 （2BE），乙醇 （Et－OH）。

5）試驗(yàn)儀器 巖心驅(qū)替試驗(yàn)裝置，JZ－200系列自動(dòng)界面張力儀，數(shù)碼相機(jī)，紅外干燥箱。

3.2 表面活性劑ST物性指標(biāo)

對(duì)表面活性劑ST進(jìn)行表面張力、界面張力、與地層水配伍性、耐溫性、耐鹽性試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，ST與地層水配伍性良好，其耐溫性和耐鹽性達(dá)到盆5凝析氣藏溫度107℃和鹽度的要求（大于2100mg/L）。

表1 ST物性測(cè)試結(jié)果

采用JZ－200系列自動(dòng)界面張力儀測(cè)定不同質(zhì)量濃度的ST溶液氣－液表面張力，測(cè)試結(jié)果如圖1。蒸餾水的表面張力為72.07mN/m，ST質(zhì)量濃度僅為0.1%時(shí)就能將蒸餾水的表面張力降到20mN/m以下，而質(zhì)量濃度為0.3%能將蒸餾水的表面張力降低至18.65mN/m，因此ST最佳質(zhì)量濃度為0.3%。表面張力只是影響毛細(xì)管阻力的其中一個(gè)因素，還應(yīng)考慮表面活性劑對(duì)巖心潤(rùn)濕性改變的情況，因此恰當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┓N類才能起到減輕水鎖傷害的效果。

3.3 水鎖傷害評(píng)價(jià)試驗(yàn)

首先將制備好的干巖樣置于巖心夾持器中測(cè)定氣測(cè)滲透率Kg，d；在一定的壓力作用下用盆5凝析氣藏地層水在巖心的出口端反向作用一定時(shí)間，然后用氮?dú)怛?qū)至束縛水飽和度，計(jì)算束縛水飽和度下的氣相滲透率Kg，測(cè)定傷害前后滲透率的變化，按式（3）計(jì)算巖心的水鎖傷害程度DK。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，可知盆5凝析氣藏試驗(yàn)巖心平均水鎖傷害程度為75.7%，水鎖傷害嚴(yán)重。

圖1 不同質(zhì)量濃度表面活性劑ST溶液表面張力

式中：DK為水鎖傷害程度，%；Kg，d為干巖心氣測(cè)滲透率，mD；Kg為束縛水飽和度下的氣相滲透率，mD。

表2 試驗(yàn)巖心參數(shù)及水鎖傷害試驗(yàn)結(jié)果表

3.4 防水鎖劑試驗(yàn)研究

醇類可降低溶液表面張力，提高工作液與儲(chǔ)層流體的混相能力，減小水鎖引起的附加阻力，可以達(dá)到防止或減輕水鎖傷害的目的。而且醇類與地層水混合后形成低沸點(diǎn)共沸物，可加速侵入液的蒸發(fā)，使毛細(xì)管連通，易于汽化返排。利用表面活性劑與醇類的協(xié)同作用，從而更大程度地減輕水鎖傷害。該試驗(yàn)采用乙二醇丁醚和乙醇作為傳遞表面活性劑的主要溶劑。防水鎖劑體系SCJ組成為：ST、乙二醇丁醚、乙醇。

3.4.1 滴液試驗(yàn)

圖2 處理前后液滴在巖心端面的鋪展情況

通過(guò)液固界面接觸角的大小判斷儲(chǔ)層巖石的潤(rùn)濕性，一般情況下，水在固體表面的接觸角θ＜75°為水潤(rùn)濕，75°＜θ＜105°為中間潤(rùn)濕，θ＞105°為油潤(rùn)濕。選取盆5凝析氣藏砂巖巖心，由于儲(chǔ)層巖心的非均質(zhì)性，巖心表面既親水也親油，液滴在巖心表面立刻鋪展并滲進(jìn)其中 （圖2 （a））；將清潔干燥后的巖心在防水鎖劑SCJ溶液中浸泡12h，防水鎖劑有足夠的時(shí)間作用于巖心；并將浸泡后的巖心烘干；用滴管垂直滴1滴地層水和凝析油在處理后的巖心端面，1h后拍照，如圖2（b）所示。經(jīng)防水鎖劑SCJ溶液處理后，水滴和油滴在巖心表面形成穩(wěn)定液滴，沒(méi)有立即滲入或平鋪于巖心表面，幾乎呈球形，液滴持續(xù)時(shí)間1h，巖心表面變?yōu)榧炔挥H水也不親油的中性潤(rùn)濕，表明防水鎖劑溶液SCJ有良好的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)能力，使巖心表面的親水性大大減弱，有利于氣相的滲流。

3.4.2 巖心自吸試驗(yàn)

通過(guò)防水鎖劑體系處理前后自吸液量的變化與自吸時(shí)間之間的關(guān)系評(píng)價(jià)巖心潤(rùn)濕性改變情況。稱量干巖心的質(zhì)量，并將其浸泡在地層水中進(jìn)行自吸試驗(yàn)后，記錄巖心濕重與自吸時(shí)間，當(dāng)巖心質(zhì)量不再變化時(shí)停止；巖心抽真空并在防水鎖劑溶液中飽和12h；將處理后的巖心烘干，再浸泡在地層水中進(jìn)行自吸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。對(duì)比處理前后巖心含水飽和度變化曲線可知，經(jīng)過(guò)防水鎖劑溶液處理后，改變了巖心的親水性，自吸含水飽和度曲線下降且較平緩，自吸水速度減慢，巖心最大自吸水飽和度下降了30.04%；表明巖心經(jīng)防水鎖劑處理后降低了含水飽和度，具有防水鎖效果。

3.4.3 巖心流動(dòng)試驗(yàn)

巖心流動(dòng)試驗(yàn)采用如圖4所示試驗(yàn)裝置，通過(guò)防水鎖劑處理前后地層水和氣相滲透率變化大小來(lái)評(píng)價(jià)其對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的改變情況。首先將巖心抽真空飽和地層水；試驗(yàn)溫度設(shè)置為儲(chǔ)層溫度107°；用地層水驅(qū)替，測(cè)巖心的液測(cè)滲透率；在恒壓條件下注入氮?dú)怛?qū)替，測(cè)定氣體有效滲透率，并計(jì)量氣驅(qū)總體積；用防水鎖劑溶液驅(qū)替巖心，當(dāng)出口端有液體流出時(shí)關(guān)閉出口端閥門，并憋壓2h以使液體在巖心中均勻分布；恒壓下氮?dú)怛?qū)替巖心中的防水鎖劑溶液至束縛水飽和度，再次用地層水驅(qū)替至穩(wěn)定，恒壓條件下用氮?dú)怛?qū)替至束縛水飽和度，測(cè)氣體滲透率。

圖3 防水鎖劑處理前后巖心自吸含水飽和度－時(shí)間曲線

圖4 巖心驅(qū)替裝置圖

該試驗(yàn)所選巖心分別代表低、中、高滲透率的3塊巖心P3、P4、P5，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，3塊巖心流動(dòng)曲線趨勢(shì)大體一致，表明經(jīng)過(guò)防水鎖劑處理后，氣體和地層水的滲透率均有較大幅度的提高。巖心再次受到水鎖傷害后對(duì)氣體滲透率幾乎無(wú)影響，表明處理具有長(zhǎng)效性。對(duì)低滲透率巖心來(lái)說(shuō)，地層水滲透率提高了11.1%，氣體滲透率提高了28.7%；對(duì)中滲透率巖心來(lái)說(shuō)地層水滲透率提高了20.5%，氣體滲透率提高了50.3%；對(duì)高滲透率巖心來(lái)說(shuō)，地層水滲透率提高了39.9%，氣體滲透率提高了84.2%。3塊巖心滲透率提高幅度大小為P3＜P4＜P5，由于P3巖心本身的滲透率較P4、P5低，對(duì)低滲透率巖心來(lái)說(shuō)，其孔隙結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，水鎖傷害就越難解除，滲透率越高的巖心，水鎖傷害越容易解除。

圖5 防水鎖劑處理前后滲透率變化

自吸試驗(yàn)和滴液試驗(yàn)表明防水鎖劑SCJ能將儲(chǔ)層巖心由親水親油性改變?yōu)橹行詽?rùn)濕，降低儲(chǔ)層巖心的含水飽和度。巖心流動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，防水鎖劑SCJ可以改善地層水和氣體滲透率，降低滲流阻力，改善滲流環(huán)境，減緩儲(chǔ)層水鎖傷害。

4 結(jié)論

1）盆5凝析氣藏屬于中低孔、低滲儲(chǔ)層，水鎖傷害程度嚴(yán)重，平均為75.7%。水鎖對(duì)產(chǎn)能有嚴(yán)重影響，預(yù)防和解除水鎖傷害是該氣藏高效開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2）研制的ST表面活性劑溶液具有顯著降低氣液表面張力的能力，由ST＋醇類組成的防水鎖劑溶液SCJ處理巖心后，能將巖心表面潤(rùn)濕性變?yōu)橹行詽?rùn)濕，巖心自吸液量明顯降低，可顯著降低含水飽和度，減輕儲(chǔ)層水鎖傷害。

3）經(jīng)防水鎖劑溶液SCJ處理后，改善了儲(chǔ)層滲流條件，降低了滲流阻力，再次受到水鎖傷害后對(duì)氣體滲透率幾乎無(wú)影響，處理具有長(zhǎng)效性，能有效預(yù)防和解除水鎖對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害。

[1]高奕奕，孫雷，張慶生，等 .低滲凝析氣井反凝析、反滲吸傷害及解除方法 [J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，27（2）：45～48.

[2]Li G，Meng Y F，Tang H M.Clean up water blocking in gas reservoirs by microwave heating：laboratory studies[J].SPE 101072，2006.

[3]Wu S，F(xiàn)iroozabadi A.Effect of salinity on wettability alteration to intermediate gas－wetting[J].SPE Reservoir Evaluation ＆ Engineering，2010，13 （2）：228～245.

[4]周小平，孫雷，陳朝剛 .低滲透凝析氣藏反凝析水鎖傷害解除方法現(xiàn)狀 [J].鉆采工藝，2005，28（5）：66～68.

[5]李皋，孟英峰，唐洪明，等 .低滲透致密砂巖水鎖傷害機(jī)理及評(píng)價(jià)技術(shù) [M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[6]邢景寶 .大牛地低壓致密氣藏儲(chǔ)層改造理論與實(shí)踐 [M].北京：中國(guó)石化出版社，2009.

[7]Kumar V.Chemical stimulation of gas condensate reservoirs：An experimental and simulation study [D].Austin：University of Texas，2006.

[8]Panga M K R，Ooi Y S，Koh P L，et al.Wettability alteration for water－block prevention in high－temperature gas wells[J].SPE100182，2006.

[9]Bang V，Pope G A，Sharma M M，et al.Development of a successful chemical treatment for gas wells with water and condensate blocking damage[J].SPE124977，2009.