臨興地區(qū)深部煤系天然氣井試采過(guò)程絨囊流體控水效果室內(nèi)評(píng)價(jià)

孟尚志

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司

臨興地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣，其上古深部煤系地層微裂縫發(fā)育但產(chǎn)量不高［1］，儲(chǔ)層改造是天然氣井增產(chǎn)的必要措施［2］。改造后深部地層出水是導(dǎo)致天然氣井單井產(chǎn)量低的重要原因之一［3］。由于氣液兩相滲流、氣井出水位置判斷難、出水傷害氣層、堵水劑波及體積?。?］，且氣井堵水工藝的復(fù)雜性，致使氣井堵水作業(yè)整體難度較大［5］。因此，選擇合理的氣井堵水技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氣井控水過(guò)程中控水穩(wěn)氣是堵水成功后氣井產(chǎn)能提升的關(guān)鍵因素。當(dāng)前氣井堵水整體處于起步階段，室內(nèi)和理論研究基本完善，但有關(guān)堵水應(yīng)用評(píng)價(jià)的爭(zhēng)議不斷［6］，室內(nèi)探討有待進(jìn)一步深入。

LX-Y天然氣井位于臨興地區(qū)，屬深部煤系，壓裂改造后儲(chǔ)層物理特性具備破碎性特征［7］，該井實(shí)施聯(lián)探并采［8］。試井過(guò)程中產(chǎn)氣不高且伴隨大量出水，現(xiàn)場(chǎng)選擇絨囊流體堵水，作業(yè)4 d，試采8 d后中止。數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用絨囊流體堵水后，日實(shí)際產(chǎn)水量由82.97 m3降至42.03 m3，單位壓差產(chǎn)水由11.35 m3/MPa降至2.83 m3/MPa；日產(chǎn)氣量由300 m3/d增至394 m3/d?？傮w來(lái)看，應(yīng)用絨囊流體堵水后，LX-Y井單位壓差產(chǎn)水下降75.8%，氣井產(chǎn)能提升不明顯。針對(duì)這一現(xiàn)象，業(yè)內(nèi)對(duì)絨囊流體堵水評(píng)價(jià)提出3點(diǎn)爭(zhēng)議：(1)絨囊堵水成功，但地層本身產(chǎn)能低；(2)地層中自身產(chǎn)能高，但是被絨囊堵住；(3)邊底水入侵量過(guò)大，注入絨囊用量不足。在地層和工藝參數(shù)已定的前提下，上述爭(zhēng)議的核心問(wèn)題在于絨囊流體在天然氣井堵水過(guò)程中能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)氣控水。

絨囊流體是一種能自適應(yīng)儲(chǔ)層［9］、可變形自匹配漏失通道的智能流體體系［10］，具有良好的封堵能力［11］，已成功應(yīng)用于氣井壓裂控水［12］、煤層氣井壓裂堵水［13］、選擇性堵水［14］、高礦化度地層水地層的穩(wěn)油控水［15］、氣井修井［16］和輔助聚合物驅(qū)油［17］等領(lǐng)域，但有關(guān)絨囊流體封堵后氣水的突破能力室內(nèi)尚未進(jìn)行系統(tǒng)研究。驗(yàn)證絨囊流體封堵后氣水突破壓力的變化，是證明絨囊流體能穩(wěn)氣控水的重要依據(jù)，也是回答上述有關(guān)絨囊流體堵水提高氣井產(chǎn)能爭(zhēng)議的關(guān)鍵論據(jù)。為此，室內(nèi)鉆取臨興盒2儲(chǔ)層直徑25 mm的砂巖柱塞，并進(jìn)行人工造縫。利用自制氣水突破壓力測(cè)試儀，以模擬地層水和氮?dú)鉃榱鲃?dòng)介質(zhì)模擬測(cè)定絨囊流體封堵氣、水裂縫突破壓力梯度，分析絨囊流體在基質(zhì)、人工裂縫和邊底水涌入等3類(lèi)不同尺度產(chǎn)水通道中的穩(wěn)氣控水能力。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

臨興深部煤系儲(chǔ)層滲透率為(0.01～0.03)×10-3μm2，呈現(xiàn)低孔低滲特征，地層中含有大量層間水。絨囊流體一次堵水后，地層產(chǎn)水量降低約50%，但出水量仍維持在42.96 m3/d。推測(cè)地層中存在高產(chǎn)水通道，可能來(lái)源于壓裂改造形成大尺度人工裂縫，同時(shí)進(jìn)一步溝通其他層位邊底水，形成邊底水互相竄通，進(jìn)而導(dǎo)致大量出水。

為模擬絨囊流體在微孔裂隙、人工裂縫和邊底水涌入3類(lèi)不同尺度產(chǎn)水通道中的穩(wěn)氣控水能力,室內(nèi)分別以基質(zhì)巖心柱塞和線切割4 mm人工裂縫的巖心柱塞(圖1)為對(duì)象，模擬絨囊流體封堵層間小尺度產(chǎn)水通道和人工裂縫等大尺度產(chǎn)水通道，利用物模方法開(kāi)展絨囊流體封堵基質(zhì)巖心及人工裂縫巖心“突破壓力-流量”實(shí)驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)絨囊流體配制比例為1.8%囊層劑(主要成分為羥乙基淀粉)+1.2%囊毛劑(主要成分為聚陰離子纖維素)+1.0%囊核劑(主要成分為十二烷基磺酸鈉)+1.0%囊膜劑(主要成分為十二烷基苯磺酸鈉)。室內(nèi)量取10 000 mL去離子水，分別稱取上述質(zhì)量比的囊層劑、囊毛劑、囊核劑和囊膜劑，按順序加入1 000 mL去離子水中，8 000 r/min下攪拌40 min。實(shí)測(cè)所配制絨囊流體密度為0.894 g/cm3，黏度為57 mPa · s，囊泡平均粒徑分布范圍為100～120 μm，流體性質(zhì)參數(shù)符合現(xiàn)場(chǎng)性能參數(shù)范圍。

圖1 室內(nèi)人工造縫巖心柱塞Fig. 1 Laboratory core plunger with hydraulic fractures

以模擬地層水和氮?dú)鉃闅庖簝上嗔鲃?dòng)介質(zhì)，利用自制的測(cè)試裝置(圖2)測(cè)試氣液兩相突破絨囊流體封堵的壓力。評(píng)價(jià)絨囊流體在巖心基質(zhì)或裂縫中對(duì)水、氣的封堵效果，分析絨囊流體堵水過(guò)程中的穩(wěn)氣控水能力，討論絨囊流體堵水提高單井產(chǎn)量爭(zhēng)議性問(wèn)題。

圖2 氣水突破壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig. 2 Flow chart of gas/water breakthrough pressure test device

巖心經(jīng)抽真空加壓飽和、充分飽和模擬地層水后，在圍壓3 MPa，驅(qū)替壓力恒定1.5 MPa條件下，測(cè)定通過(guò)巖心柱塞的氣體流量，采集周期1 min。當(dāng)流速達(dá)到0.1 mL/min，反向注入絨囊流體至巖心柱塞出口端見(jiàn)液，在相同實(shí)驗(yàn)條件下分別測(cè)定通過(guò)巖心柱塞的氣體流量；相同條件下，測(cè)定通過(guò)巖心柱塞的液體流量，采集周期1 min。當(dāng)流速達(dá)到0.1 mL/min，反向注入絨囊流體至巖心柱塞出口端見(jiàn)液，在同樣實(shí)驗(yàn)條件下分別測(cè)定通過(guò)巖心柱塞的液體流量，分別記錄氣液兩相的突破壓力梯度數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析與討論

基于LX-Y井試采過(guò)程絨囊堵水評(píng)價(jià)爭(zhēng)議，結(jié)合室內(nèi)研究，評(píng)價(jià)絨囊流體在基質(zhì)孔隙、人工裂縫和邊底水涌入等情況的穩(wěn)氣控水能力，分析絨囊流體堵水過(guò)程中的穩(wěn)氣控水能力，探討上述爭(zhēng)議的核心問(wèn)題。

2.1 絨囊流體能封堵基質(zhì)出水

實(shí)驗(yàn)測(cè)得絨囊流體封堵3枚基質(zhì)巖心后，氮?dú)馔黄茐毫μ荻确謩e為0.019、0.02、0.022 MPa/cm，均值0.020 3 MPa/cm；模擬地層水的突破壓力梯度分別為0.202、0.209、0.201 MPa/cm，均值0.204 MPa/cm，水的突破壓力梯度約為氣體突破壓力梯度10倍。

研究表明，地層中裂縫的孔隙尺寸通常認(rèn)為與地層的滲透率具有一定的相關(guān)性。史勝龍等在研究微泡沫直徑與地層孔隙直徑的匹配關(guān)系中認(rèn)為巖心滲透率與平均孔隙直徑相關(guān)性如式(1)所示［18］。

式中，為平均孔隙直徑，μm；k為滲透率，μm2。

利用式(1)擬合得該區(qū)地層最大平均孔隙直徑為0.445 μm，遠(yuǎn)小于絨囊堵水流體中囊泡的最小平均粒徑(110 μm)。因此絨囊堵水流體封堵基質(zhì)巖心時(shí)，由于流體體系中囊泡粒徑大于孔隙直徑，滯留于巖心表面無(wú)法進(jìn)入孔隙內(nèi)部，而體系中微小聚合物組分聚集于巖心端面，形成一層聚合物膜［6］，當(dāng)端面有孔隙時(shí)，聚合物組分進(jìn)入孔隙中，封堵基質(zhì)裂隙。且聚合物膜對(duì)水產(chǎn)生流動(dòng)阻力，幾乎不影響氣的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)基質(zhì)巖心的堵水穩(wěn)氣。

2.2 絨囊流體能封堵人工裂縫出水

實(shí)驗(yàn)測(cè)得絨囊流體封堵3枚含4 mm人工裂縫巖心后，氮?dú)獾耐黄茐毫μ荻确謩e為0.018、0.021、0.020 MPa/cm，均值0.019 7 MPa/cm；模擬地層水的突破壓力梯度分別為0.043、0.038、0.039 MPa/cm，均值0.040 MPa/cm。水突破壓力梯度約為氣體突破壓力梯度2倍，水和氣突破壓力梯度比值較封堵基質(zhì)巖心有一定幅度下降。

分析認(rèn)為，封堵人工裂縫等這類(lèi)較大尺度產(chǎn)水通道時(shí)，絨囊流體是以囊泡堆積的形式實(shí)現(xiàn)承壓封堵［9］，囊泡和囊泡之間有一定尺度的流通通道，氣體可以自由通過(guò)，同時(shí)水分子也可以部分通過(guò)，表現(xiàn)為氣水的突破壓力梯度有差值，但相差不大?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，遇產(chǎn)水通道尺度較大且水量較大的情況，可以通過(guò)提高絨囊流體的用量，或者提高當(dāng)前體系中囊泡的數(shù)量，強(qiáng)化囊泡封堵，增加水的流通阻力，提高水的突破壓力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)氣控水。

2.3 絨囊流體能封堵邊底水竄

當(dāng)人工改造后的裂縫溝通其他層位邊底水時(shí)，易形成邊底水竄。這類(lèi)出水通道綜合了基質(zhì)孔隙出水和人工裂縫出水的特征。

結(jié)合上述分析可知，絨囊流體利用體系中分散的聚合物分子進(jìn)入地層微小孔隙，相互之間纏繞形成聚合物封堵膜結(jié)構(gòu)，水分子很少或很難突破這層聚合物膜，但氣體分子則易于突破。對(duì)于漏失通道尺寸較大的人工裂縫巖心，絨囊流體同時(shí)利用體系中的囊泡堆積形成承壓封堵結(jié)構(gòu)。絨囊流體封堵邊底水竄原理見(jiàn)圖3。

圖3 絨囊流體在孔隙和裂縫中封堵地層水示意圖Fig. 3 Sketch of fuzzy-ball fluid plugging formation water in pores and fractures

結(jié)合室內(nèi)研究得出，絨囊流體通過(guò)聚合物纏繞成膜能封堵基質(zhì)孔隙等小尺度出水通道，通過(guò)大量囊泡堆積能封堵人工裂縫和涌入邊底水的大尺度產(chǎn)水通道，基本不阻礙氣體的流通。但LX-Y氣井試采過(guò)程使用絨囊流體堵水后，氣井產(chǎn)能依然不高，故而出現(xiàn)對(duì)堵水效果評(píng)價(jià)的諸多爭(zhēng)議。有研究認(rèn)為，臨興上古深部煤系地層微裂縫發(fā)育區(qū)為深煤系層單井產(chǎn)量突破的潛力區(qū)，局部呈現(xiàn)單井見(jiàn)氣快，產(chǎn)水多，易應(yīng)力敏感、氣產(chǎn)量上升緩慢等特點(diǎn)，表現(xiàn)為氣井堵水后產(chǎn)能乏力。后續(xù)建議結(jié)合臨興深部煤系天然氣井地質(zhì)成藏特點(diǎn)和鄰井生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)LX-Y井的天然氣產(chǎn)能進(jìn)行進(jìn)一步系統(tǒng)評(píng)價(jià)，并做相應(yīng)穩(wěn)氣控水措施調(diào)整。

結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和探討，對(duì)絨囊流體現(xiàn)場(chǎng)堵水作業(yè)特別是針對(duì)大尺度的人工裂縫出水和邊底水涌入情況，建議增加堵劑用量，或者提高現(xiàn)有體系中囊泡的數(shù)量，提高水的突破壓力梯度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)氣控水。

3 結(jié)論

(1)室內(nèi)證實(shí)絨囊流體堵水后氣體和模擬地層水的突破壓力不同，氣體的突破壓力梯度低于水的突破壓力梯度，絨囊流體堵水后增大了水的流動(dòng)阻力，表現(xiàn)出穩(wěn)氣控水能力。

(2)針對(duì)出水量大的層位，可以通過(guò)提高絨囊流體用量，或者提高體系中囊泡的單位體積的數(shù)量以提高封堵后水的突破壓力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)氣控水。

(3)影響堵水后氣井產(chǎn)能因素眾多，受限于室內(nèi)模擬條件，無(wú)法與現(xiàn)場(chǎng)施工條件完全匹配，氣井產(chǎn)能和施工工藝對(duì)單井產(chǎn)量的影響有待進(jìn)一步驗(yàn)證。