張烈輝，熊鈺，趙玉龍，唐洪明，郭晶晶，賈春生，雷強(qiáng)，王秉合

（1. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500；2. 中國(guó)石油玉門(mén)油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，甘肅玉門(mén)，735019）

0 引言

致密氣已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開(kāi)發(fā)的重要資源[1]。致密氣儲(chǔ)集層表現(xiàn)出超低孔、超低滲、微裂縫發(fā)育、毛細(xì)管現(xiàn)象突出、黏土礦物豐富等特征，儲(chǔ)集層損害幾率高。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果顯示，致密氣儲(chǔ)集層干巖心的滲透率是原始含水巖心的10倍以上，其高原始含水飽和度是造成氣體難以流動(dòng)的主要因素之一[2]。致密氣儲(chǔ)集層孔喉半徑小，易被水堵塞，儲(chǔ)集層原生孔隙中伊蒙混層等黏土礦物切割微孔形成更小的孔隙空間，增大了氣體流動(dòng)阻力。此外，黏土礦物具有親水性，礦物遇水膨脹導(dǎo)致微孔堵塞，地層水占據(jù)孔道空間使得儲(chǔ)集層中氣體流動(dòng)通道的有效直徑進(jìn)一步減小，流動(dòng)阻力急速增加，表現(xiàn)出明顯的水鎖效應(yīng)，極大地限制了致密氣的經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)，急需發(fā)展相應(yīng)的通孔降阻技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外常用的解除水鎖傷害的方法大致可分為兩大類(lèi)：物理解除法和化學(xué)解除法。物理解除法包括增大生產(chǎn)壓差法、延長(zhǎng)關(guān)井時(shí)間法、水力壓裂法和納米乳液防水鎖法等[3-7]；化學(xué)解除法包括注氣、注入表面活性劑、注入醇類(lèi)及酸化[8-12]。其中，物理解除法無(wú)法消耗孔道中地層水且耗能較高，化學(xué)解除法效率過(guò)低且污染較大，亟待發(fā)展新技術(shù)和新方法。

筆者提出儲(chǔ)集層干化方法，即通過(guò)注入干化劑與井筒附近儲(chǔ)集層中的地層水快速反應(yīng)，達(dá)到消耗地層水實(shí)現(xiàn)通道減阻的目的。本文針對(duì)筆者在儲(chǔ)集層干化方法方面的總體研究情況進(jìn)行概述，包括干化劑研制、干化劑性能評(píng)價(jià)、干化劑注入、干化效果評(píng)價(jià)等。

1 干化劑研制與基礎(chǔ)性能評(píng)價(jià)

1.1 干化主劑研制及基本評(píng)價(jià)

干化劑體系要求易注入，干化劑相對(duì)分子質(zhì)量小，硬度和粒徑小，安全；干化處理過(guò)程的產(chǎn)物盡可能為氣體，并且干化過(guò)程不生成新的水，固相產(chǎn)物少。在研制干化測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于 P區(qū)碳族元素和S區(qū)堿土金屬元素的干化主劑研究。

研制的干化主劑為碳族金屬化合物經(jīng)過(guò)分散和表面修飾后的納米離子碳化物，即主要由碳族元素中碳與ⅠA、ⅡA和ⅢA簇元素形成。干化主劑ACHM由兩類(lèi)離子型碳族化合物混合而成，即含 C34-的離子碳化物AC和含C22-的離子碳化物CHN[13-14]，實(shí)物如圖1所示。AC遇冷水緩慢反應(yīng)，遇熱水迅速劇烈反應(yīng)，生成氫氧化物與甲烷，氫氧化物是兩性氫氧化物，既可以與酸反應(yīng)，也可以與強(qiáng)堿反應(yīng)。CHN遇水迅速反應(yīng)，放出大量的熱，生成可溶性的堿與乙炔。二者結(jié)合起協(xié)同干化作用和基礎(chǔ)抗鹽作用[14]。

圖1 干化劑粉末實(shí)物圖

1 g干化劑與地層水反應(yīng)可釋放出約 4.2 kJ的熱量，熱效應(yīng)明顯。主劑 AC與地層水的反應(yīng)為主要放熱反應(yīng)，其產(chǎn)生的熱量約占總熱量的95.9%，而協(xié)同劑CHN反應(yīng)放出的熱量較少。圖2是不同質(zhì)量干化劑的熱蒸發(fā)耗水量及總理論耗水量變化曲線(xiàn)，可以看出，干化劑干化反應(yīng)釋放的熱量能夠使大量的地層水蒸發(fā)，其熱蒸發(fā)耗水量約占總理論耗水量的 70%，而干化劑化學(xué)反應(yīng)耗水量相對(duì)較低[15-16]。

圖2 不同質(zhì)量干化劑的熱蒸發(fā)耗水量及總理論耗水量

為評(píng)價(jià)干化劑在高溫高壓下的行為，測(cè)試了在高溫和高壓下熱蒸發(fā)耗水量和總理論耗水量的變化，顯示干化劑具有較好的抗溫和抗壓特征，溫度和壓力對(duì)熱效應(yīng)及熱蒸發(fā)耗水量的影響較小，產(chǎn)生的熱量隨壓力和溫度的變化幅度分別為0.002 8 kJ/MPa和0.003 5 kJ/K[16]。

1.2 抗鹽劑研制與抗鹽優(yōu)化

由于研制的主劑主要為P區(qū)碳族元素與S區(qū)堿金屬及堿土金屬元素形成的離子型化合物，且地層水中廣泛存在鈣、鎂、鐵、鉛、銅、錳等離子，不僅易與干化反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)生成鹽，也容易因地層水減少而自身鹽析[17-19]。研究和優(yōu)選了同樣由 P區(qū)碳族元素和 S區(qū)堿金屬元素形成的化合物L(fēng)C作為抗鹽劑。LC通過(guò)與 AC、CHN和水的反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)生成可溶于水的NAO2和LAO2，在剩余的地層水中電離溶解為N+、L+和AO2-，減少干化反應(yīng)后固相鹽析物的生成。

抗鹽劑不僅強(qiáng)化了所研制的干化劑的熱效應(yīng)，還使其抗鹽作用明顯增強(qiáng)，干化儲(chǔ)集層原生水的能力進(jìn)一步提高[20]。熱效應(yīng)從4.2 kJ/g提高到4.74 kJ/g，同等熱效應(yīng)下干化效率從76.8%提高到93.0%。對(duì)原干化劑配方進(jìn)行抗鹽優(yōu)化后，單位質(zhì)量干化劑反應(yīng)產(chǎn)生的固相鹽析物減少約70%（見(jiàn)圖3），并且隨著干化劑質(zhì)量的增加其效果更加顯著。

圖3 抗鹽效果對(duì)比

分別將原配方與添加協(xié)同抗鹽劑 LC改進(jìn)配方的干化劑與地層水反應(yīng)后，烘干提取殘留的鹽析物做 X射線(xiàn)衍射物相分析（見(jiàn)圖 4、圖 5）。根據(jù)吸收峰的峰值分析物相組成發(fā)現(xiàn)，添加抗鹽劑LC后A(OH)固相組分明顯減少，并且固相鹽析物的稱(chēng)量結(jié)果顯示，改進(jìn)配方的鹽析物質(zhì)量也有明顯的下降，抗鹽劑LC表現(xiàn)出明顯的抗鹽效果。

圖4 原配方鹽析物X射線(xiàn)衍射測(cè)試結(jié)果（θ—衍射角）

圖5 改進(jìn)配方后鹽析物X射線(xiàn)衍射測(cè)試結(jié)果

由圖5的X射線(xiàn)衍射峰值可知，在添加LC進(jìn)行抗鹽改進(jìn)后，鹽析物中還含有鐵、鎂等金屬陽(yáng)離子生成的固相鹽類(lèi)物質(zhì)。此時(shí)若加入少量的二乙基三胺五乙酸（DTPA）和乙二胺四乙酸（EDTA），能迅速與鈣、鎂、鐵、鉛、銅、錳等離子生成水溶性絡(luò)合物，可進(jìn)一步降低固相鹽類(lèi)生成，這兩種物質(zhì)作為抗鹽輔助劑具有明顯的作用，可以進(jìn)一步優(yōu)化抗鹽效果[20]。

1.3 干化劑改性處理

在高溫、高壓、含水的致密氣儲(chǔ)集層條件下，干化劑容易失去反應(yīng)活性，以至于不能達(dá)到干化目的，因此對(duì)干化劑進(jìn)行改性處理，滿(mǎn)足儲(chǔ)集層的注入要求，延遲對(duì)致密氣儲(chǔ)集層的干化作用。采用溶液聚合法，以無(wú)水乙醇為反應(yīng)介質(zhì)，在引發(fā)劑偶氮二異丁腈（AIBN）的作用下，使用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）對(duì)AC超細(xì)粉末進(jìn)行了表面改性處理，并采用掃描電鏡（SEM）、傅立葉變換紅外光譜（FTIR）等方法對(duì)處理前后的AC超細(xì)粉末試樣進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征[21-22]。

由于 AC超細(xì)粉末粒徑小，表面活化能高，在制備和使用過(guò)程中易團(tuán)聚。改性超細(xì)粉末時(shí)使用了恒溫磁力攪拌分散處理，經(jīng)引發(fā)劑 AIBN的作用，處理后的 AC超細(xì)粉末較處理前形狀要規(guī)則許多，同時(shí)表面未見(jiàn)光滑及鏡面反射等現(xiàn)象（見(jiàn)圖6）。

圖6 AC超細(xì)粉末改性前后的SEM照片

圖7顯示，經(jīng)溶液聚合反應(yīng)改性處理后的AC超細(xì)粉末既有AC的特征吸收峰，又有PVP的特征吸收峰。經(jīng)過(guò)改性處理，1 037 cm-1處及1 111 cm-1處的特征吸收峰消失，說(shuō)明改性處理有效。同時(shí)對(duì)比PVP的特征吸收峰，1 291 cm-1處的 C—N伸縮振動(dòng)譜帶及1 641 cm-1處的 C==O振動(dòng)躍遷所產(chǎn)生的譜帶均有變化，分別發(fā)生在1 392 cm-1處及1 650 cm-1處，3 370 cm-1左右的O—H伸縮振動(dòng)吸收峰發(fā)生在3 423 cm-1處。由圖7還可以看出，AC超細(xì)粉末經(jīng)PVP改性處理后表面極性基團(tuán)的特征吸收峰向高波數(shù)區(qū)移動(dòng)，說(shuō)明表面有新的極性化學(xué)鍵形成。

圖7 AC超細(xì)粉末復(fù)合處理前后FTIR譜圖

延遲測(cè)試顯示，經(jīng)改性處理后實(shí)驗(yàn)室干化反應(yīng)時(shí)間延遲6～8 min[23]。

1.4 微納米孔隙中干化劑攜帶方法

致密氣儲(chǔ)集層的孔隙大小主要為納米級(jí)，孔徑為40～700 nm。而所研制的干化劑中3種化合物比較容易制備的顆粒大小都是微米級(jí)，粒徑在 1～10 μm，且目前還沒(méi)有工業(yè)納米級(jí)粉末的制作方法。當(dāng)前干化劑粉末可用于微裂縫和壓裂縫的干化，但針對(duì)較深層的微納米孔隙中地層水的干化則需要研究干化劑的攜帶方法。研究中考慮了超臨界 CO2溶解攜帶方法。在改進(jìn)的PVT（壓力-體積-溫度）裝置基礎(chǔ)上建立了干化劑在超臨界CO2中的溶解性測(cè)試方法[16,20,23-24]，并初步從基礎(chǔ)熱力學(xué)方面進(jìn)行了研究[25-27]。干化主劑、協(xié)同劑的溶解特性采用高清攝像和電視放大的現(xiàn)象學(xué)測(cè)試方法，并采用能量色散譜（EDS）和X射線(xiàn)衍射（XRD）方法對(duì)溶解物質(zhì)和原干化劑進(jìn)行對(duì)比分析[22]。由于CHN為 S區(qū)堿金屬有機(jī)化合物，必然溶解于超臨界CO2，故僅測(cè)試 AC和 LC。AC和 LC與超臨界 CO2發(fā)生作用后，降壓析出物質(zhì)對(duì)應(yīng)元素的含量及原子比例與原AC和LC基本相同，且特征峰強(qiáng)度基本相同，表現(xiàn)出相同的結(jié)構(gòu)特征[16,20]，即降壓析出物質(zhì)的元素組成及結(jié)構(gòu)仍與原AC和LC相同，析出物質(zhì)與原干化劑物質(zhì)一致，而且其化學(xué)結(jié)構(gòu)也未因溶解而改變，顯示了干化劑在超臨界 CO2中存在可溶性，具備溶解攜帶注入的可能性[23]。

為增大干化劑的溶解度，研究中分別以乙醇、異丙醇、正己烷作為夾帶劑測(cè)試了其增溶效果，優(yōu)選出了最佳的夾帶劑及其濃度[16,20]，如圖 8所示。3種夾帶劑均能使干化劑在超臨界 CO2中的溶解度有所增加，但增加幅度較小，其中乙醇的增溶效果最佳，且增溶效果受體系壓力的影響較小，其平均提攜因子為1.104。使用超臨界CO2溶解攜帶干化劑時(shí)，應(yīng)采用乙醇作為夾帶劑，且?jiàn)A帶劑摩爾分?jǐn)?shù)應(yīng)為10%。

圖8 40 ℃時(shí)不同夾帶劑類(lèi)型（a）及不同乙醇摩爾分?jǐn)?shù)（b）下干化劑在超臨界CO2中溶解度隨壓力的變化曲線(xiàn)

2 干化效果測(cè)試及評(píng)價(jià)

在干化效果的測(cè)試分析中，首先采用基于儲(chǔ)集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的微觀刻蝕模型研究微觀孔隙中的干化情況和被干化水的類(lèi)型，然后進(jìn)行巖心測(cè)試，結(jié)合核磁共振分析干化效果[28]。

2.1 微觀干化效果測(cè)試與評(píng)價(jià)

采用激光雕刻技術(shù)構(gòu)建了致密砂巖微觀孔隙可視化模型，以真實(shí)致密砂巖鑄體薄片為基礎(chǔ)，利用激光雕刻技術(shù)按照提取出的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行等比例刻蝕，目的是觀察受微觀結(jié)構(gòu)影響的干化效果，從微觀上定性—半定量地評(píng)價(jià)干化劑的干化效果[29]?？梢暬Ｐ图俺上裣到y(tǒng)如圖9所示。

圖9 可視化模型及成像系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了40，50，60 ℃這3種溫度條件下乙醇攜帶的干化劑顆粒在微觀刻蝕模型中的干化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)不同溫度下干化效果均明顯，圖10為60 ℃下的干化過(guò)程。不同溫度下干化劑均能與模型中的水發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生大小不同的氣泡，氣泡有時(shí)甚至形成連續(xù)氣相。干化產(chǎn)生的氣泡還可以通過(guò)排驅(qū)薄膜水、盲端水增強(qiáng)干化效果[29]。溫度對(duì)干化反應(yīng)的影響較大，溫度越高，越有利于高含水飽和度模型中干化反應(yīng)的進(jìn)行。

圖10 60 ℃下干化劑注入后干化過(guò)程

通過(guò)對(duì)比微觀刻蝕模型干化前、后抽提得到的殘余水產(chǎn)狀與分布圖（示例如圖 11、圖 12），采用圖像分析和統(tǒng)計(jì)方法，可得到微觀刻蝕模型的整體干化效率。以圖11、圖12為例，模型整體干化效率為51.43%，干化效率較高。

圖11 微觀刻蝕模型干化前抽提得到的殘余水產(chǎn)狀與分布

圖12 微觀刻蝕模型干化后抽提得到的殘余水產(chǎn)狀與分布

利用微觀刻蝕模型還可以對(duì)比不同孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)干化效率的影響。如表 1所示，片狀、彎片狀喉道孔隙結(jié)構(gòu)的干化效率要好于點(diǎn)狀喉道的干化效率，干化劑對(duì)片狀、彎片狀喉道孔隙結(jié)構(gòu)中殘余水相的干化效率可達(dá) 95%。結(jié)合水相分布特征分析其主要原因是殘余水相在片狀喉道中主要以薄膜水狀態(tài)存在，干化劑可與其充分接觸進(jìn)而發(fā)生干化反應(yīng)。

表1 不同孔隙結(jié)構(gòu)刻蝕模型干化效率對(duì)比

利用 CT掃描及數(shù)字巖心技術(shù)構(gòu)建了干化后殘余水三維分布。在氣驅(qū)后束縛水狀態(tài)下的巖心CT圖中，根據(jù)殘余水的球度系數(shù)和歐拉數(shù)大小可將殘余水分為水膜殘余水、孤立殘余水和分枝殘余水3種主要形態(tài)，在此基礎(chǔ)上可分別構(gòu)建3種殘余水的空間展布模型（見(jiàn)圖13）。含殘余水的巖石儲(chǔ)集空間由不連通盲孔、水膜殘余水、孤立殘余水、分枝殘余水、有效連通孔隙等5部分組成。

圖13 微觀數(shù)字巖心模擬中殘余水形態(tài)分類(lèi)

采用數(shù)字巖心模擬了孔隙結(jié)構(gòu)模型中不同形態(tài)殘余水被消耗時(shí)的氣相滲透率，對(duì)比了不同形態(tài)殘余水對(duì)氣相滲透率的影響程度。采用格子 Boltzmann方法（LBM）進(jìn)行流動(dòng)模擬。研究結(jié)果表明，水膜殘余水對(duì)氣體滲透率影響最大，其次為分枝殘余水，孤立殘余水的影響最小[30-31]。

采用數(shù)字巖心模擬了不同形態(tài)殘余水條件下干化作用對(duì)氣相滲透率的影響，如表 2所示。水膜殘余水條件下干化作用對(duì)氣相滲透率的影響最大，可將其提升98%。

表2 不同形態(tài)殘余水條件下干化作用對(duì)氣相滲透率的影響

2.2 不同儲(chǔ)集層多孔介質(zhì)干化效果評(píng)價(jià)

由于超臨界CO2體系（以超臨界CO2為攜帶劑，添加乙醇作為夾帶劑）中含有乙醇等其他物質(zhì)，利用核磁共振技術(shù)評(píng)價(jià)干化主劑的干化效果時(shí)，為了避免超臨界CO2體系中其他物質(zhì)的干擾，用無(wú)核磁信號(hào)的氟油作為攜帶劑配制干化主劑AC的溶液，將AC溶液以0.01 mL/min低速注入基質(zhì)巖心中，定量分析了干化主劑對(duì)多孔介質(zhì)的干化效果。通過(guò)對(duì)比不同干化時(shí)間下的巖心核磁圖像和T2（橫向弛豫時(shí)間）譜（見(jiàn)圖14）可知，干化劑可有效干化基質(zhì)孔隙內(nèi)水相[28]。但受氟油和水相溶性不好的影響其干化效率不佳，基質(zhì)干化效率僅5%。

圖14 致密基質(zhì)巖心注入氟油配制干化劑干化過(guò)程中干化效率及水相分布特征（PV—注入孔隙體積倍數(shù)）

利用核磁共振技術(shù)研究超臨界CO2體系干化過(guò)程中水的核磁信號(hào)分布及信號(hào)量，需要排除超臨界CO2體系中乙醇的核磁信號(hào)。首先利用核磁共振技術(shù)研究乙醇懸浮干化劑注入時(shí)多孔介質(zhì)內(nèi)干化反應(yīng)過(guò)程，得到乙醇-水混合流體中乙醇的核磁信號(hào)分布及信號(hào)量。然后研究超臨界CO2體系溶解干化劑注入時(shí)多孔介質(zhì)內(nèi)干化反應(yīng)過(guò)程，以乙醇懸浮注入時(shí)的乙醇核磁信號(hào)為基底，可以去除超臨界CO2體系中乙醇核磁信號(hào)的影響，得到超臨界CO2體系干化過(guò)程中水的核磁信號(hào)分布及信號(hào)量。

對(duì)比乙醇懸浮注入和超臨界 CO2溶解注入時(shí)干化效果發(fā)現(xiàn)，干化劑對(duì)致密巖心大、小孔喉內(nèi)殘余水均有較好的干化效果；相比較而言，以超臨界 CO2作為攜帶劑的干化劑溶液對(duì)大、小孔喉內(nèi)的殘余水相干化效果都明顯優(yōu)于以乙醇作為攜帶劑的干化劑溶液（見(jiàn)圖15）。超臨界CO2可有效溶解主劑AC從而可將其輸送進(jìn)入更多的較小孔隙內(nèi)，并與其中殘余水相發(fā)生干化反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)更小孔喉內(nèi)水相的有效干化，為氣體提供更多滲流通道。

圖15 乙醇懸浮注入（a）和超臨界CO2溶解注入（b）干化劑時(shí)不同大小孔喉內(nèi)水相干化效果對(duì)比

進(jìn)行了致密儲(chǔ)集層基質(zhì)巖心和裂縫-基質(zhì)型巖心干化實(shí)驗(yàn)，以評(píng)價(jià)干化劑對(duì)不同儲(chǔ)集層多孔介質(zhì)的干化效果。實(shí)驗(yàn)前，基于氣驅(qū)法建立巖心束縛水飽和度。采用基于核磁共振的高溫高壓在線(xiàn)滲流實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)步驟如圖16所示。實(shí)驗(yàn)條件為：圍壓20 MPa，驅(qū)替壓力16 MPa，出口回壓10 MPa，溫度90 ℃，反應(yīng)時(shí)間120 min。

圖16 滲流驅(qū)替-核磁共振聯(lián)作高溫高壓干化滲流實(shí)驗(yàn)步驟

致密儲(chǔ)集層基質(zhì)巖心高溫高壓干化滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：乙醇懸浮注入干化劑時(shí)，巖心束縛水狀態(tài)下氣相滲透率平均值為0.078×10-3μm2，干化后氣相滲透率平均值為0.107×10-3μm2，巖心含水飽和度平均降低幅度為 9.63%；超臨界 CO2溶解注入干化劑時(shí)，巖心束縛水狀態(tài)下氣相滲透率平均值為0.049×10-3μm2，干化后氣相滲透率平均值提高為0.093×10-3μm2，巖心含水飽和度平均降低幅度為16.21%?？梢?jiàn)，乙醇懸浮和超臨界 CO2溶解注入干化劑均可有效降低致密儲(chǔ)集層巖心含水飽和度、提高氣體滲流能力，其干化滲流減阻效果遠(yuǎn)優(yōu)于單純加熱或注純超臨界 CO2解除水鎖（見(jiàn)表 3）[32-33]。此外，超臨界 CO2溶解注入干化劑時(shí)，干化后巖心氣相滲透率增量與巖心束縛水飽和度之間呈明顯的正相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖17），即巖心束縛水飽和度越高，干化效果越好。

表3 致密基質(zhì)巖心干化前后平均物性對(duì)比

對(duì)于致密儲(chǔ)集層裂縫-基質(zhì)型巖心干化效果評(píng)價(jià)，在實(shí)驗(yàn)室溫度和壓力下，采用在巖心裂縫面鋪置干化劑的方法，測(cè)試裂縫中水相和縫面附近基質(zhì)孔隙中水相的干化效果，以避免驅(qū)替時(shí)無(wú)干化劑進(jìn)入裂縫面的情況。3塊裂縫-基質(zhì)型巖心的干化效率測(cè)試結(jié)果如表4所示。分別在巖心裂縫面上均勻鋪置不同質(zhì)量的干化主劑 AC，測(cè)試干化過(guò)程T2譜及含水飽和度變化。圖18為9號(hào)巖心的測(cè)試結(jié)果，其他兩塊巖心的結(jié)果基本類(lèi)似，限于篇幅，不再列出。可以看出，隨著干化反應(yīng)的進(jìn)行，巖心核磁共振T2譜面積逐漸變小，巖心總體含水飽和度逐漸降低；干化主劑質(zhì)量越大，巖心干化效果越好；在裂縫-基質(zhì)型巖心的干化過(guò)程中，干化劑對(duì)所有孔隙均有效，主要干化的是大孔隙內(nèi)的水，小孔隙內(nèi)含水量變化小，這也說(shuō)明超臨界 CO2溶解注入干化劑是必要的，以使干化劑能夠進(jìn)入微小孔隙。

圖17 致密基質(zhì)巖心乙醇懸浮注入（a）和超臨界CO2溶解注入（b）干化前后氣相滲透率對(duì)比及超臨界CO2溶解注入干化后氣相滲透率增量與束縛水飽和度關(guān)系（c）

表4 裂縫-基質(zhì)型巖心干化效率測(cè)試結(jié)果

圖18 不同質(zhì)量干化主劑作用下裂縫-基質(zhì)型巖心（9號(hào)）干化過(guò)程T2譜及含水飽和度變化

3 儲(chǔ)集層干化對(duì)氣體流動(dòng)的影響

3.1 儲(chǔ)集層干化微觀模擬分析

不同于普通砂巖氣藏，致密砂巖氣在聚集過(guò)程中儲(chǔ)集層大都經(jīng)歷了強(qiáng)烈的壓實(shí)作用和膠結(jié)作用，流動(dòng)孔道狹小，室內(nèi)多手段實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明其主體流動(dòng)通道直徑小于100 nm，氣體流動(dòng)具有明顯的微尺度效應(yīng)。

考慮滑脫效應(yīng)、邊界努森層等影響建立了基于格子 Boltzmann方法（LBM）的非常規(guī)天然氣微尺度流動(dòng)模擬模型，開(kāi)展了致密砂巖氣儲(chǔ)集層主體流動(dòng)通道孔徑范圍內(nèi)的微尺度氣體流動(dòng)規(guī)律及其影響因素研究，分析致密砂巖氣儲(chǔ)集層中弱連續(xù)流、滑脫流和弱過(guò)渡流流動(dòng)特征[34-35]。結(jié)果表明，流動(dòng)通道孔徑和努森數(shù)（Kn）是氣體流動(dòng)的主要控制因素，喉道的存在使得氣體壓力呈現(xiàn)顯著的非線(xiàn)性分布特征，大大降低了氣體流動(dòng)能力和質(zhì)量流量[34]。上述研究結(jié)論揭示了致密氣開(kāi)發(fā)工程實(shí)踐中“通縫擴(kuò)喉”的重要性，也表明在干化過(guò)程中要重點(diǎn)考慮消除連通喉道處地層水，這與超臨界 CO2注入可視化微孔隙中的干化巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。

激光刻蝕模型和核磁共振在線(xiàn)驅(qū)替干化實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示干化劑可與接觸的地層水較為均勻地反應(yīng)從而將地層水消耗[29]。將干化效應(yīng)在數(shù)值模擬中簡(jiǎn)化表征為對(duì)地層水的消耗，基于LBM研究不同干化強(qiáng)度與微觀孔隙尺度下致密氣流動(dòng)能力改善的情況，結(jié)果表明：儲(chǔ)集層干化可有效消耗孔隙通道壁面水膜、連通喉道處卡斷水和盲端孔隙水，可使得氣體參與流動(dòng)的區(qū)域范圍顯著增大，顯著提升氣體滲流能力。此外，高速流動(dòng)出現(xiàn)在連通大孔道的狹小喉道處，同樣表明喉道是儲(chǔ)集層干化需要關(guān)注的重點(diǎn)部位。卡斷水和水膜的存在會(huì)形成明顯的“水鎖”區(qū)域，增大干化強(qiáng)度可進(jìn)一步消除地層水從而達(dá)到有效改善氣體滲流能力的目的。

3.2 干化效應(yīng)對(duì)氣井產(chǎn)能的影響

注入干化劑的目的是要消耗氣井井筒附近儲(chǔ)集層連通通道中地層水，使得原本被地層水占據(jù)的孔道重新成為滲流通道以達(dá)到增產(chǎn)的效果。前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，干化效果與干化劑的注入量及注入深度相關(guān)?；诖罅渴覂?nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合出氣體滲透率與干化劑的注入量及注入深度的關(guān)系式。同時(shí)，致密砂巖氣儲(chǔ)集層孔隙流動(dòng)通道狹小，氣體分子與孔道壁面碰撞產(chǎn)生滑脫效應(yīng)；此外，應(yīng)力敏感及近井地帶高速非達(dá)西流動(dòng)對(duì)產(chǎn)能的影響也不可忽略?；谏鲜鰪?fù)雜流動(dòng)機(jī)制，建立了致密氣儲(chǔ)集層直井和水平井產(chǎn)能模型，結(jié)合基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得的氣體滲透率擬合關(guān)系式修改產(chǎn)能模型以耦合干化效應(yīng)，分析了不同干化劑注入量以及注入深度下干化效應(yīng)對(duì)致密氣儲(chǔ)集層各類(lèi)氣井的產(chǎn)能改善情況[16,20]。

圖19展示的是井底流壓為20 MPa時(shí)氣井產(chǎn)能隨干化作用有效半徑（簡(jiǎn)稱(chēng)干化半徑）的變化關(guān)系，很明顯氣井產(chǎn)能隨干化半徑增加而增加，在干化半徑小于2 m時(shí)氣井產(chǎn)能隨干化半徑增加速度相對(duì)較快。此外，固定干化半徑為2 m，研究了干化劑注入量與產(chǎn)能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)增加干化劑注入量可以有效提升井產(chǎn)能。對(duì)于直井而言，當(dāng)干化劑注入量小于3 kg/m3時(shí)氣井產(chǎn)能增速較快，而水平井中該注入量為1.5 kg/m3[20]。

圖19 井底流壓20 MPa時(shí)氣井產(chǎn)量與干化半徑的關(guān)系曲線(xiàn)

3.3 干化效應(yīng)對(duì)復(fù)雜壓裂井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的影響

相對(duì)于直井開(kāi)采，多級(jí)壓裂水平井產(chǎn)量明顯占優(yōu)，已經(jīng)成為致密儲(chǔ)集層開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。水平井水力壓裂會(huì)在水平井筒周?chē)纬煞菍?duì)稱(chēng)、不規(guī)則、形態(tài)復(fù)雜的水力壓裂縫，同時(shí)存在基質(zhì)、天然裂縫和水力壓裂縫多重流動(dòng)介質(zhì)，且各介質(zhì)之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜的竄流，相關(guān)流動(dòng)模型研究對(duì)于生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)具有重要意義?；谥旅軞鈨?chǔ)集層流體滲流特征，考慮應(yīng)力敏感等復(fù)雜影響因素，采用嵌入式離散裂縫模型表征復(fù)雜裂縫形態(tài)，構(gòu)建基于嵌入式離散裂縫的致密氣儲(chǔ)集層壓裂水平井三維多相滲流模型，作為考慮干化效應(yīng)的數(shù)值模擬的基礎(chǔ)[36]。

基于嵌入式離散裂縫原理，建立“投影法”裂縫剖分技術(shù)和數(shù)值算法，通過(guò)裂縫面邊界和基質(zhì)網(wǎng)格系統(tǒng)在各個(gè)坐標(biāo)軸平面上的投影面，得到裂縫網(wǎng)格。研發(fā)基于嵌入式離散裂縫模型的多相流數(shù)值模擬器，模擬致密氣儲(chǔ)集層水平井復(fù)雜壓裂縫網(wǎng)下的壓力動(dòng)態(tài)和氣井動(dòng)態(tài)[37]。模擬結(jié)果顯示，儲(chǔ)集層含水飽和度的下降可以有效提高氣井產(chǎn)量和穩(wěn)產(chǎn)能力[37]。由于近井地帶“水鎖”最為嚴(yán)重，干化效應(yīng)對(duì)近井地帶地層水的消耗也必然帶來(lái)氣井生產(chǎn)效果的改善。

4 結(jié)論

采用儲(chǔ)集層干化方法提高致密氣儲(chǔ)集層氣井控制范圍內(nèi)的滲流能力是可行的。以S區(qū)和P區(qū)元素為主體研制的干化主劑、協(xié)同抗鹽劑等在相態(tài)測(cè)試、微觀分析和巖心測(cè)試中表現(xiàn)出較好的干化效能，干化反應(yīng)受高溫高壓環(huán)境影響小，可通過(guò)超臨界 CO2溶解注入和干化反應(yīng)延遲達(dá)到對(duì)儲(chǔ)集層基質(zhì)的干化提產(chǎn)。

微觀測(cè)試分析、數(shù)值巖心模擬發(fā)現(xiàn)，干化反應(yīng)對(duì)儲(chǔ)集層微觀孔喉中的水膜水、特別是片狀喉道模型中的水，干化效果可以到 90%以上。采用乙醇懸浮注入和超臨界 CO2溶解注入干化劑對(duì)致密基質(zhì)巖心均有很好的干化效率，乙醇懸浮干化組含水飽和度平均降低幅度為9.63%，巖心束縛水狀態(tài)下的滲透率提高54.38%，超臨界 CO2溶解干化組含水飽和度平均降低幅度為16.21%，巖心束縛水狀態(tài)下的滲透率提高163.1%，效果顯著。

連通通道壁面水膜和卡斷水的干化可有效提升微觀孔隙尺度致密氣流動(dòng)能力，宏觀產(chǎn)能模型評(píng)價(jià)和數(shù)值模擬結(jié)果均表明儲(chǔ)集層干化可大幅度提高致密氣井的產(chǎn)量和穩(wěn)產(chǎn)能力。

致密氣儲(chǔ)集層干化提高釆收率的研究主要針對(duì)致密氣藏孔喉中的原始地層水和作業(yè)濾失水，干化劑并不與儲(chǔ)集層發(fā)生反應(yīng)。針對(duì)具體的致密氣藏，儲(chǔ)集層孔喉結(jié)構(gòu)和地層水的礦化度不同，在干化效率和抗鹽性能上有一定差異，但可以參考本文的研究方法進(jìn)行改良。