煤層氣儲層水鎖損害機理及防水鎖劑的研究

胡友林,烏效鳴

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院,湖北武漢 430074;2.長江大學石油工程學院,湖北荊州 434023)

煤層氣儲層水鎖損害機理及防水鎖劑的研究

胡友林1,2,烏效鳴1

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院,湖北武漢 430074;2.長江大學石油工程學院,湖北荊州 434023)

水鎖效應是造成煤層氣儲層損害的主要因素之一,研究其水鎖損害機理和防水鎖技術(shù)有利于保護煤層氣儲層,從而提高煤層氣采收率。以山西沁水盆地3號煤樣為研究對象,實驗研究了外來流體侵入對煤層氣解吸時間和滲透率的影響。結(jié)果表明,外來流體侵入延長煤層氣解吸時間和降低滲透率,隨著含水率上升,煤層氣解吸時間延長和滲透率降低。在此基礎上進行了防水鎖劑的研究,優(yōu)選出了防水鎖劑FSSJ,并對其性能進行了評價。結(jié)果表明,FSSJ起泡性弱、降低表面張力、增大接觸角、降低煤芯自吸水量、減少煤層氣儲層水鎖損害,具有較好的防水鎖效果。煤層氣儲層水鎖損害應具備自然條件、物質(zhì)條件以及壓力條件。

煤層氣儲層;水鎖損害;防水鎖劑;外來流體;解吸時間;滲透率

煤層氣(俗稱瓦斯)是以吸附狀態(tài)儲存于煤層內(nèi)的一種非常規(guī)天然氣[1-2]。煤巖特殊的基質(zhì)孔隙和割理組成的孔隙結(jié)構(gòu)特征以及微裂縫分布廣的特點使得煤層氣儲層極易因外來流體侵入而發(fā)生水鎖損害,嚴重影響煤層氣的解吸、擴散、滲流及后期開采[3-6],因此開展煤層氣儲層水鎖損害機理和防水鎖研究具有非常重要意義。與常規(guī)石油天然氣儲層相比,煤巖特殊的孔隙裂縫結(jié)構(gòu)及煤層氣的儲存機制、產(chǎn)出方式的特性決定了煤層氣儲層水鎖損害機理具有其特殊性,因此常規(guī)油氣儲層的水鎖損害機理應用于煤層氣儲層存在一定局限性。針對煤層氣儲層水鎖損害機理及防水鎖問題,目前國內(nèi)主要是單方面研究水鎖損害對儲層滲透率的影響,或者是單方面研究水鎖損害對煤層氣解吸的影響,并未將二者綜合起來研究煤層氣儲層水鎖損害機理和防水鎖技術(shù),煤層氣儲層水鎖損害機理及防水鎖研究相對不夠完善[7-15]。筆者以山西沁水盆地3號煤樣為研究對象,將外來流體侵入煤樣后對煤層氣解吸時間和對儲層滲透率的影響二者結(jié)合起來開展煤層氣儲層水鎖損害機理及防水鎖研究。

1 煤層氣儲層水鎖損害機理

煤儲層天然裂隙內(nèi)徑很小,可將其看作是無數(shù)大小不等、形狀各異、彼此曲折的毛細管,當外來流體侵入裂隙后,井眼周圍含水飽和度上升,從而降低煤層氣的解吸速率和滲透率,該現(xiàn)象稱為“水鎖效應”[16]。煤層氣儲層發(fā)生水鎖損害與其天然裂隙內(nèi)徑大小、外來流體侵入量和表面張力相關。

1.1 水鎖損害實驗評價

煤層氣解吸速率和滲流能力是煤層氣開發(fā)的重要參數(shù),煤層氣解吸速率常用解吸時間表征其大小,煤層氣滲流能力常用滲透率表征其大小。為研究煤層氣儲層水鎖損害機理,需要通過測定同一煤樣在相同條件下外來流體侵入前后煤層氣解吸時間和滲透率。實驗中滿足以下4個條件:①含煤層氣的煤樣必須是處于吸附平衡狀態(tài);②必須保證外來流體是在煤樣吸附平衡后侵入;③必須保證外來流體與煤樣有較好配伍性;④實驗過程中必須保證煤樣不發(fā)生其他損害。實驗采用山西沁水盆地3號煤樣,為避免外來流體對煤樣造成其他損害,實驗所用的外來流體為0.45μm以下微孔濾膜,過濾后并加入3%KCl的沁水河水。

具體實驗步驟為:①測定煤樣孔隙度;②測定煤樣初始滲透率K1;③通過真空泵對煤樣進行真空脫氣;④煤樣在甲烷平衡壓力為0.5 MPa時吸附一定時間,直至達到吸附平衡狀態(tài);⑤煤樣出口端反向注入外來流體(模擬外來流體侵入),在煤樣中建立不同含水率;⑥填煤管的壓力降為0,且沒有甲烷排出的時間記錄為煤層氣解吸時間;⑦煤樣完全解吸后測定煤樣滲透率K2,并計算損害率;⑧重復實驗步驟③～⑦測定不同含水率煤樣的煤層氣解吸時間和滲透率。實驗結(jié)果見表1。

表1 煤樣含水率對煤層氣解吸時間和滲透率的影響Table 1 Influence of moistu re content on coalbed methane desorption time and permeability

表1結(jié)果表明,外來流體侵入后延長煤層氣解吸時間和降低煤樣滲透率,隨著含水率上升,煤層氣解吸時間延長和滲透率降低,儲層損害程度越嚴重。主要是因為外來流體侵入對煤儲層的解吸和滲流具有水鎖阻礙作用。煤儲層是一種復雜的多孔介質(zhì),外來流體侵入后將裂隙中氣體推向儲層深部,并在氣、水界面形成一個凹向水相的彎液面,進而形成毛細管阻力,當孔隙內(nèi)部與外部環(huán)境之間的壓力差不足以克服該毛細管阻力時,便阻礙煤層氣解吸和滲流。

1.2 水鎖損害機理分析

(1)自然條件。

煤儲層多孔隙、多裂隙性,且天然裂隙內(nèi)徑很小以及所處的近似干燥的環(huán)境是外來流體侵入時儲層發(fā)生水鎖損害的自然條件。

(2)物質(zhì)條件。

外來流體吸附在煤體表面,儲層中煤層氣由吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài),并在外來流體的驅(qū)替、攜帶作用下外排。外來流體侵入后,在孔隙兩端產(chǎn)生毛細管自吸作用,并在煤層氣運移孔隙通道中形成毛細管阻力,驅(qū)動壓力不足以克服毛細管阻力,從而延長煤層氣解吸時間和降低煤儲層滲透率,外來流體侵入是儲層發(fā)生水鎖損害的物質(zhì)條件。

(3)壓力條件。

毛細管壓力計算公式為

式中,Pc為毛細管壓力,Pa/cm;σ為表面張力,mN/ cm;θ為接觸角,(°);r為毛細管半徑,cm。

根據(jù)Paiseuille定律,在驅(qū)動壓差作用下,從毛細管中克服毛細管阻力排出液體的體積為

式中,L為液柱長度;P為驅(qū)動壓力;μ為外來流體黏度。

式(2)轉(zhuǎn)換線速度為

對式(3)積分得出從半徑為r的毛管中排出長為L的液柱所需的時間為

儲層發(fā)生水鎖損害的壓力條件為

只有當孔隙內(nèi)外之間的壓力差大于毛細管阻力,煤層氣才能形成吸滲。

2 煤層氣儲層防水鎖技術(shù)

在煤層氣儲層鉆完井及生產(chǎn)過程中外來流體不可避免侵入儲層造成儲層水鎖損害,在外來流體中加入防水鎖劑降低表面張力或改變煤樣潤濕性是減少煤層氣儲層水鎖損害最有效方法[17-18]。

2.1 防水鎖劑優(yōu)選

防水鎖劑主要為表面活性劑,或者是以表面活性劑為主體并輔以其他添加劑。防水鎖劑的特點:①少量的加入能大大降低表面張力或改變潤濕性;②加速侵入液的蒸發(fā),有利于近井滯留液以蒸發(fā)方式被驅(qū)走,更好地解除水鎖[19-21]。

2.1.1 防水鎖劑優(yōu)選方法

室內(nèi)采用界面張力儀測定防水鎖劑沁水河水溶液的表面張力。表面活性劑的加入引起的起泡現(xiàn)象不利于煤層氣儲層防水鎖,防水鎖劑的起泡性應較弱,實驗結(jié)果見表2。

表2結(jié)果表明,沁水河水中加入濃度為0.5%～1.0%防水鎖劑FSSJ后具有較弱的起泡性和良好的表面活性,表面張力小于20 mN/m,在沁水河水中加入FSSJ后溶液表面張力大幅度降低,降低表面張力可降低毛細管阻力,從而減少儲層水鎖損害。

表2 表面活性和起泡性測試結(jié)果Table 2 Resu lts of surface activity and foamability test

2.1.2 防水鎖劑FSSJ作用機理

防水鎖劑FSSJ其主要成分胺基硅醇、聚合醇、氟碳表面活性劑等。胺基硅醇具有獨特的分子結(jié)構(gòu),含有多個胺基和羥基(—OH),在煤樣表面發(fā)生吸附;胺基硅醇中含有活潑的硅醇基(Si—OH),發(fā)生反應縮合成高分子化合物——網(wǎng)狀有機硅樹酯膜(體型結(jié)構(gòu)具有憎水性)。聚合醇在煤樣表面發(fā)生吸附形成憎水膜,降低外來流體侵入深度。氟碳表面活性劑使得水溶液形成較低界面張力,增大接觸角,實現(xiàn)“反毛細管效應”,阻止外來流體侵入儲層內(nèi)徑更小的裂隙。

2.2 防水鎖劑FSSJ性能評價

2.2.1 潤濕反轉(zhuǎn)能力

(1)接觸角法。

將煤樣放置在防水鎖劑FSSJ溶液中浸泡4 h后取出,40℃烘箱中烘干后,采用HARKE-SPCA視頻接觸角測定儀測定沁水河水與處理后煤樣表面的接觸角。實驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,沁水河水在未處理煤樣表面展開,而沁水河水在1.0%FSSJ溶液浸泡后的煤樣表面呈半球狀,其接觸角(75.4°)大于未處理煤樣的接觸角(24.2°),且接觸角隨防水鎖劑FSSJ濃度的增大而增大。

(2)煤樣自吸法。

當煤樣與沁水河水接觸時,煤樣在毛細管力作用下自吸水。通過自吸法研究煤樣在FSSJ處理前和處理后的自吸水量隨時間的變化,煤樣處理方法與接觸角法中煤樣處理方法相同,實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知,在同一自吸時間內(nèi),經(jīng)1.0%FSSJ沁水河水溶液浸泡后煤樣自吸水量遠遠低于未浸泡煤樣的自吸水量,自吸4 h后未浸泡的煤樣自吸水量為0.37 g,而浸泡后的煤樣自吸水量為0.09 g。

2.2.2 防水鎖效果評價

圖1 煤樣接觸角Fig.1 Contact angle of coal core

圖2 煤樣自吸水量與時間的關系曲線Fig.2 Relationship curves between self adsorption water of coal and time

根據(jù)水鎖損害實驗評價方法和實驗步驟,評價了1.0%FSSJ沁水河水溶液侵入煤樣后煤層氣解吸時間、儲層滲透率和防水鎖效果,實驗結(jié)果如表3、圖3所示。

表3 煤樣含水率(1.0%FSSJ溶液)對煤層氣解吸時間和滲透率的影響Table 3 Influence of moistu re content(1.0%FSSJ solution)of coal on coalbed methane desorption tim e and permeability

圖3 不同外來流體侵入解吸時間和侵入滲透率的對比曲線Fig.3 Contrast curves of desorption time and permeability under different external fluid invasion

由表3、圖3可知,在沁水河水加入1.0%FSSJ后,煤層氣解吸時間大幅度縮短,儲層滲透率損害率大幅度降低,防水鎖劑FSSJ能明顯減少儲層水鎖損害。主要因為:一方面FSSJ降低表面張力和增大接觸角,降低毛細管阻力;另一方面FSSJ實現(xiàn)“反毛細管效應”,改變煤樣潤濕性,阻止外來流體進一步侵入儲層內(nèi)徑更小的裂隙,降低毛細管阻力,從而有利于煤層氣解吸和滲流。

3 結(jié) 論

(1)外來流體的侵入對煤儲層的解吸和滲流具有水鎖阻礙作用,外來流體侵入后延長煤層氣解吸時間和降低煤樣滲透率,隨著含水率上升,煤層氣解吸時間延長和滲透率降低,儲層損害程度越嚴重。

(2)煤層氣儲層多孔隙、多裂隙性以及所處的干燥環(huán)境是發(fā)生水鎖損害自然條件,外來液侵入是發(fā)生水鎖損害物質(zhì)條件,毛細管阻力是發(fā)生水鎖損害壓力條件。

(3)防水鎖劑FSSJ能有效降低表面張力,增大接觸角,實現(xiàn)“反毛細管效應”,改變煤樣潤濕性,阻止外來流體侵入儲層內(nèi)徑更小的裂隙,有效減少煤層氣儲層水鎖損害。

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Research on coalbed methane reservoir water blocking dam age mechanism and anti-water blocking

HU You-lin1,2,WU Xiao-ming1

(1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China;2 College of Petroleum Engineering,Yangtze University,Jingzhou 434023,China)

Water blocking effect is one of themain factors causing coalbed methane reservoir damage,the research of itswater blocking damagemechanism and anti-water blocking technology is beneficial to protecting coalbed methane reservoir,thus enhancing CBM recovery.Taking No.3 coal in QinshuiBasin of Shanxi Province as the research object, the influence of external fluid invasion on coalbed methane desorption time and permeability was experimentally studied.The results show that external fluid invasion prolongs coalbed methane desorption time and decreases permeability,coalbedmethane desorption time prolongs and permeability decreases with the increase ofwater cut.The research on anti-water blocking was carried outon this basis,the anti-water blocking agent FSSJwas selected out,and its properties were evaluated.The results show that the FSSJwith weak foamability can effectively reduce surface tension,increase contact angle,decrease self adsorption water quantity of coal,reduce coalbed methane reservoir water blocking damage,and has better anti-water blocking effect.Coalbedmethane reservoirwater blocking damage should have natural condition,material condition and pressure condition.

coalbed methane reservoir;water blocking damage;anti-water blocking;external fluid;desorption time; permeability

P618.11

A

0253-9993(2014)06-1107-05

胡友林,烏效鳴.煤層氣儲層水鎖損害機理及防水鎖劑的研究[J].煤炭學報,2014,39(6):1107-1111.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1024

Hu Youlin,Wu Xiaoming.Research on coalbed methane reservoir water blocking damagemechanism and anti-water blocking[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1107-1111.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1024

2013-07-15 責任編輯:韓晉平

國家科技重大專項資助項目(2011ZX05036-001)

胡友林(1978—),男,湖北黃岡人,講師,博士研究生。E-mail:61872218@qq.com。通訊作者:烏效鳴(1956—),男,浙江寧波人,教授,博士生導師。E-mail:xmwu5610@163.com