鄭春玲, 羅佳潔, 王尤富

(1長江大學(xué) 2冀東油田瑞豐化工有限公司)

煤層氣屬于一種非常規(guī)天然氣資源，其主要以吸附狀態(tài)儲存在煤層中，煤層氣儲層通常具有特殊的割理組成和基質(zhì)孔隙，這導(dǎo)致其具有低孔、低滲和微裂縫分布較廣等特點(diǎn)，從而使煤層氣儲層在勘探開發(fā)過程中極容易受到外來流體的影響而發(fā)生水鎖損害現(xiàn)象[1-4]。水鎖損害能嚴(yán)重影響煤層氣的解吸速率和煤儲層的滲流能力，從而導(dǎo)致煤層氣井的產(chǎn)氣量下降，因此，對煤層氣儲層開展防水鎖傷害研究具有十分重要的現(xiàn)實意義[5]。

目前，國內(nèi)外針對低孔、低滲油氣藏的防水鎖傷害研究比較多，且取得了顯著的研究成果[6-12]，但煤層氣儲層由于具有特殊的孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及儲存、開采方式，導(dǎo)致針對常規(guī)油氣儲層研究的防水鎖措施不一定適用。另外，國內(nèi)外針對煤層氣儲層水鎖損害機(jī)理以及防水鎖措施的研究相對較少[13-15]，因此，筆者以鄂爾多斯盆地2號煤樣為研究對象，研究了一種新型防水鎖處理劑體系，并在室內(nèi)評價了防水鎖處理劑體系對表面張力、接觸角、煤巖心自吸水量、煤層氣的解吸時間以及煤巖心的滲透率恢復(fù)值的影響，并在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了煤層氣井防水鎖措施的現(xiàn)場試驗，以期為煤層氣的高效合理開發(fā)提供一定的技術(shù)支持和保障。

一、實驗部分

1.實驗材料及儀器

實驗材料：新型氟碳表面活性劑FT-11；助表面活性劑FA-328；防膨劑FP-15；防水鎖劑HAR、AES、SATRO；模擬地層水(總礦化度為5 650 mg/L)；鄂爾多斯盆地2號煤樣(根據(jù)實驗需要處理成一定尺寸)。

實驗儀器：A601型-全自動表/界面張力儀；PT-705-B型視頻光學(xué)接觸角測量儀；電子分析天平；真空泵；恒溫干燥箱；多功能巖心驅(qū)替實驗裝置。

2.新型防水鎖處理劑體系配方的確定

根據(jù)煤層氣儲層防水鎖傷害機(jī)理，表面活性劑能夠通過降低氣液表面張力以及改變潤濕性等作用來減輕煤層氣儲層的水鎖傷害程度[16-17]。新型氟碳表面活性劑是目前研究及應(yīng)用較多的一種新型表面活性劑，由于氟碳鏈比較穩(wěn)定且極性較弱，使得其具有更好的疏水作用。另外，與常規(guī)碳?xì)湫捅砻婊钚詣┫啾?，新型氟碳表面活性劑具有更好的表面活性，且其穩(wěn)定性較好，具有良好的耐酸堿、耐高溫以及耐氧化性能，并且與其他處理劑的配伍性較好[18-19]。

因此，選擇實驗室自制的新型氟碳表面活性劑FT-11作為主要處理劑，通過大量室內(nèi)評價實驗，確定了適合煤層氣儲層的新型防水鎖處理劑體系(HFSJ-1)的配方：0.2%新型氟碳表面活性劑FT-11+0.5%助表面活性劑FA-328+0.3%防膨劑FP-15。

3.新型防水鎖處理劑體系性能評價實驗方法

3.1 表面張力測定方法

使用模擬地層水配制不同類型的防水鎖劑溶液，然后使用A601型-全自動表/界面張力儀測定不同防水鎖劑溶液的表面張力值。

3.2 接觸角測定方法

將目標(biāo)區(qū)塊儲層煤樣放置在不同類型的防水鎖劑溶液中充分浸泡12 h，取出在50℃恒溫干燥箱中烘干，然后使用PT-705-B型視頻光學(xué)接觸角測量儀蒸餾水在煤樣表面的接觸角。

3.3 煤巖心自吸水實驗方法

將洗凈烘干的煤巖心懸掛在電子分析天平的掛鉤上，然后其浸沒在防水鎖劑溶液中2 mm左右，測量煤巖心在不同時間下的自吸水量。

3.4 煤層氣解吸時間及煤巖心滲透率恢復(fù)實驗方法

實驗步驟：①測定鄂爾多斯盆地2號煤樣的孔隙度和初始?xì)鉁y滲透率K1；②使用真空泵對煤樣進(jìn)行脫氣處理;③將煤樣放入平衡壓力為0.5 MPa的甲烷氣中吸附一段時間，直至達(dá)到吸附平衡；④在煤樣出口端反向注入一定量的入井流體(使用不同的防水鎖劑溶液)，使煤樣建立不同的含水飽和度；⑤打開閥門，使甲烷排出，模擬煤層氣的解吸過程，當(dāng)壓力降為0時，記錄時間即為煤層氣的解吸時間；⑥待煤樣完全解吸后，再次測定其滲透率K2，并計算滲透率恢復(fù)值；⑦改變實驗條件，重復(fù)步驟②～⑥，測定煤樣不同含水率對煤層氣解吸時間和滲透率恢復(fù)值的影響。

二、實驗結(jié)果與討論

1.表面張力實驗

按照表面張力測定的實驗方法，評價了不同類型防水鎖劑溶液的氣液表面張力值，防水鎖劑HAR、AES、SATRO的加量均為1.0%。實驗結(jié)果見圖1。

由圖1實驗結(jié)果可以看出，在模擬地層水中加入不同類型的防水鎖劑后，溶液的表面張力均出現(xiàn)較大幅度的降低，其中新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1的效果最好，能使溶液表面張力降低至20 mN/m以下。表面張力的下降能促使毛細(xì)管力的降低，從而減小氣相在煤層氣儲層中的流動阻力，降低水鎖傷害的程度。

圖1 表面張力測定實驗結(jié)果

2.接觸角實驗

按照接觸角測定的實驗方法，測定了不同類型防水鎖劑溶液處理后的煤樣表面接觸角，防水鎖劑HAR、AES、SATRO的加量均為1.0%。實驗結(jié)果見表1。

表1 煤樣表面接觸角變化情況

由表1結(jié)果可以看出，目標(biāo)區(qū)塊儲層煤樣經(jīng)過模擬地層水和不同防水鎖劑溶液浸泡處理后，表面接觸角均呈現(xiàn)出不同程度的增大現(xiàn)象，其中HFSJ-1體系使煤樣表面接觸角增大的幅度最大。未處理的煤樣表面接觸角為26.1°，表現(xiàn)出較強(qiáng)親水性，而使用新型防水鎖處理劑HFSJ-1體系處理后的煤樣表面接觸角最大為74.3°，呈現(xiàn)出中性潤濕的特點(diǎn)。這說明研制的新型防水鎖處理劑HFSJ-1體系具有良好的潤濕反轉(zhuǎn)性能，能在煤樣表面吸附形成一層憎水膜，從而有效阻止外來液體更多的進(jìn)入煤儲層深部，降低水鎖傷害的程度。

3.煤巖心自吸水實驗

按照煤巖心自吸水的實驗方法，測定了煤巖心在不同類型防水鎖劑溶液中的自吸水量，防水鎖劑HAR、AES、SATRO的加量均為1.0%。實驗結(jié)果見圖2。

由圖2結(jié)果可以看出，在模擬地層水中加入不同類型的防水鎖劑后，煤巖心的自吸水量均呈現(xiàn)出不同程度的下降現(xiàn)象，其中煤巖心在新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1中的自吸水量最小，200 min自吸水量僅為0.32 g，而其在模擬地層水中200 min自吸水量達(dá)到了2.58 g。這是由于HFSJ-1體系能夠通過降低表面張力和改變潤濕性來減小煤儲層的毛細(xì)管自吸力，從而使煤儲層的自吸水量大幅下降，降低儲層的含水飽和度，減輕外來流體侵入造成的水鎖傷害。

圖2 煤巖心在不同溶液中的自吸水實驗結(jié)果

4.煤層氣解吸時間實驗

按照煤層氣解吸時間的實驗方法，測定了防水鎖劑溶液對煤層氣解吸時間的影響，防水鎖劑HAR、AES、SATRO的加量均為1.0%。實驗結(jié)果見表2。

表2 防水鎖劑對煤層氣解吸時間的影響

由表2結(jié)果可知，隨著含水率的逐漸增大，煤層氣的解吸時間逐漸延長，水鎖損害現(xiàn)象越嚴(yán)重。相比較于模擬地層水而言，加入不同類型的防水鎖劑后，煤層氣的解吸時間均出現(xiàn)不同程度的縮短。其中加入新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1時，煤層氣解吸時間縮短幅度最大，當(dāng)含水率達(dá)到100%時，煤層氣解吸時間仍能控制在1 000 s以內(nèi)，說明HFSJ-1能大幅減輕外來流體對煤儲層的水鎖阻礙作用，使煤層氣能夠順利解吸，提高煤層氣井的生產(chǎn)效率。

5.煤巖心滲透率恢復(fù)實驗

按照煤巖心滲透率恢復(fù)的實驗方法，測定了防水鎖劑溶液對煤巖心滲透率恢復(fù)值的影響，防水鎖劑HAR、AES、SATRO的加量均為1.0%。實驗結(jié)果見圖3。

圖3 防水鎖劑對煤巖心滲透率恢復(fù)值的影響

由圖3結(jié)果可以看出，隨著含水率的逐漸增大，煤樣的滲透率恢復(fù)值逐漸下降，當(dāng)使用模擬地層水作為入井流體時，煤巖心滲透率的下降幅度較大，當(dāng)含水率為100%時，煤巖心滲透率恢復(fù)值僅為14.4%。而使用加入不同類型的防水鎖劑溶液作為入井流體時，煤巖心滲透率的下降幅度減小，其中新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1的效果最好，當(dāng)含水率為100%時，煤巖心滲透率恢復(fù)值可以達(dá)到90%以上，說明HFSJ-1體系起到了良好的防水鎖傷害效果。這是由于一方面，防水鎖劑體系中的新型氟碳表面活性劑可以通過降低表面張力、增大接觸角的方式來降低毛細(xì)管力，阻止入井流體更多的進(jìn)入煤儲層深部，降低水鎖傷害的程度；另一方面，防水鎖體系中的防膨劑可以有效防止黏土礦物的水化膨脹，減弱煤巖心的水敏損害程度，從而提高其滲透率恢復(fù)值。

三、現(xiàn)場試驗

從2016年3月份開始，新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1在鄂爾多斯盆地某煤層氣礦區(qū)進(jìn)行了4井次的現(xiàn)場應(yīng)用試驗，在該礦區(qū)4口煤層氣井的鉆完井、壓裂增產(chǎn)等措施中加入防水鎖處理劑體系HFSJ-1后，與未使用防水鎖處理劑的鄰井相比而言，4口井均取得了比較明顯的增產(chǎn)效果，且表皮系數(shù)顯著下降，施工有效率100%。具體施工效果見表3，可以看出，施工井中加入防水鎖處理劑體系HFSJ-1后，產(chǎn)氣量明顯提升，是未使用防水鎖處理劑的鄰井的3倍左右，說明研制的新型防水鎖處理劑HFSJ-1體系能夠較好的適用于該煤層氣儲層，有效提高煤層氣井的產(chǎn)量。

表3 防水鎖處理劑體系HFSJ-1現(xiàn)場施工效果

四、結(jié)論

(1)通過室內(nèi)實驗評價，研究了一種適合煤層氣儲層的新型防水鎖處理劑體系(HFSJ-1)，具體配方為：0.2%新型氟碳表面活性劑FT-11+0.5%助表面活性劑FA-328+0.3%防膨劑FP-15。

(2)新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1性能評價結(jié)果表明，該防水鎖處理劑體系具有良好的降低表面張力和改變煤巖表面潤濕性的功能，能使煤巖心自吸水量顯著下降，并可以大幅縮短煤層氣的解吸時間，提高煤巖心的滲透率恢復(fù)值，降低水鎖傷害程度。

(3)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，使用新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1施工的4口煤層氣井的日產(chǎn)氣量均明顯高于未使用防水鎖處理劑的鄰井，并且表皮系數(shù)明顯減小，說明HFSJ-1體系能夠顯著降低煤層氣儲層的水鎖傷害，從而達(dá)到提高煤層氣井產(chǎn)量的目的。