關(guān)鍵詞：氣井；控水材料；控水機(jī)理；適應(yīng)性；分離膜

引言

中國(guó)天然氣資源儲(chǔ)量豐富、分布廣泛，是國(guó)家重要戰(zhàn)略資源。加快天然氣勘探開(kāi)發(fā)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和“美麗中國(guó)”的關(guān)鍵。然而，目前中國(guó)已開(kāi)發(fā)氣藏產(chǎn)水嚴(yán)重，若產(chǎn)水氣藏采收率提高1 個(gè)百分點(diǎn)，相當(dāng)于鄂爾多斯、四川和塔里木3 個(gè)大型氣田1 年的產(chǎn)量[1 2]，因此，氣井控水有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

氣藏中的水根據(jù)存在形式可分為孔隙水、夾層水和邊底水[3]。氣藏中的孔隙水隨地層壓力的下降而被巖石或水體擠出，導(dǎo)致氣水同產(chǎn)。此時(shí)產(chǎn)水量小，產(chǎn)氣穩(wěn)定，可在合理生產(chǎn)壓差下帶水生產(chǎn)；而氣藏中含水夾層一旦產(chǎn)水，則水氣比迅速上升，伴有“氣大水大、氣小水小”的特點(diǎn)[4]，可根據(jù)需求采取控水措施；氣藏中的邊底水在衰竭式開(kāi)采時(shí)極易沿裂縫帶或高滲條帶竄進(jìn)，見(jiàn)水迅速，產(chǎn)水量大，極易因水鎖、卡斷及繞流等造成水封氣現(xiàn)象，需迅速采取控水措施。

針對(duì)夾層水和邊底水誘發(fā)的產(chǎn)水問(wèn)題，當(dāng)前處理手段包括井筒中排水采氣和地層中的化學(xué)控水。排水采氣通過(guò)助排劑或人工舉升排出井筒積液，在地面實(shí)現(xiàn)氣液分離[5]。該方法面臨以下問(wèn)題[6]：1）當(dāng)井型以水平井、大斜度井等復(fù)雜井為主時(shí)，施工難度大、成本高；2）單井產(chǎn)量低、遞減快時(shí)，排采難度加劇；3）低壓低產(chǎn)氣井控水不能將排水采氣作為長(zhǎng)期有效的措施；4）對(duì)于氣水分布復(fù)雜的儲(chǔ)層，尚未形成經(jīng)濟(jì)適用的排水采氣配套技術(shù)?？傮w來(lái)說(shuō)，排水采氣治標(biāo)不治本、實(shí)施效果差異大、污染大[7 8]、成本高[9]。而化學(xué)控水通過(guò)向地層注入化學(xué)劑深入到內(nèi)部“調(diào)理”氣、水兩相流動(dòng)能力，從根本上解決產(chǎn)水問(wèn)題[10 12]。氣井化學(xué)控水可進(jìn)一步分為選擇性控水和非選擇性控水。非選擇性控水材料主要有水泥、無(wú)機(jī)類(lèi)體系，一般用于氣水界面明顯、非同層出水段封堵[5]，不具備DPR 能力；選擇性控水材料主要為聚丙烯酰胺類(lèi)物質(zhì)等，具備一定的氣水選擇性，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)水相滲透率降低幅度大于氣相滲透率降低幅度。

20 世紀(jì)60 年代中期美國(guó)堪薩斯州油田首次采用聚丙烯酰胺進(jìn)行油井選擇性堵水[13]、70 年代美國(guó)科羅拉多州氣田同樣利用聚丙烯酰胺實(shí)施氣井選擇性堵水[14]。60 多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外氣井化學(xué)控水大多借鑒油井堵水思路及材料（表1），目前，已經(jīng)發(fā)展了聚合物及其凝膠、相滲調(diào)節(jié)劑（Relative PermeabilityModifier，RPM）、功能流體和泡沫類(lèi)堵劑。

然而，當(dāng)前氣井控水研究與應(yīng)用并不普遍，導(dǎo)致業(yè)界普遍認(rèn)為氣井化學(xué)控水風(fēng)險(xiǎn)較高[31]。這主要是因?yàn)榕c油藏相比，氣藏具有不同的物理特性以及較為特殊的開(kāi)采特征，即氣藏滲透率、孔隙度較低；氣藏孔喉半徑小，毛管力對(duì)水相滯留作用強(qiáng)；氣體密度、黏度低且隨壓力變化明顯；氣藏多以天然能量開(kāi)采；堵劑對(duì)油、氣和水敏感性不同。上述特征均導(dǎo)致氣井控水機(jī)理和適應(yīng)性與油井存在較大差異。因此，亟需提高對(duì)氣井控水材料、作用機(jī)理和儲(chǔ)層適應(yīng)性的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。本文綜述了近60 年來(lái)氣井化學(xué)控水主要方法，包括聚合物及其凝膠、RPM、功能流體以及泡沫類(lèi)堵劑的研究進(jìn)展，分析了不同堵劑的選擇性控水機(jī)理、應(yīng)用效果及儲(chǔ)層適應(yīng)性。

1 聚合物及其凝膠控水

聚合物類(lèi)堵劑主要包括聚合物和聚合物凝膠，該類(lèi)堵劑是當(dāng)前氣井化學(xué)控水的主要材料，成本低、見(jiàn)效快[31 34]，通常可實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣封堵率低于水相[31，35]，實(shí)現(xiàn)DPR。

1.1 常用材料

1.1.1 聚合物

聚合物控水體系主體材料為丙烯酰胺類(lèi)聚合物，包括聚丙烯酰胺類(lèi)（含三元共聚物[36]）和聚丙烯腈類(lèi)。聚丙烯酰胺類(lèi)堵劑最早應(yīng)用于油藏堵水，后被產(chǎn)水氣藏借鑒，以部分水解聚丙烯酰胺（HPAM） 水溶液為主[37]。聚丙烯腈類(lèi)堵劑以水解聚丙烯腈（HPAN）的應(yīng)用最為廣泛，其分子鏈上羧基與多價(jià)金屬離子（Ca2+、Mg2+）反應(yīng)可生成丙烯酸鹽沉淀，從而減小水相流動(dòng)通道，適用于高礦化度儲(chǔ)層。此外HPAN 還可與磷酸氫二鉀、氯化鈣及水玻璃等共混形成控水體系，如HPAN 與水玻璃、硝基木質(zhì)素控水體系（水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.0%～10.0%、水解聚丙烯腈1.0%～2.5%、硝基木質(zhì)素5.0%～7.0% 與水），該體系黏度低、易泵送，適用于低滲儲(chǔ)層[38]。三元共聚物主要有德國(guó)HOECHST AG 生產(chǎn)的磺化乙烯、乙烯酰胺和丙烯酰胺（VS、VA 和AM）三元共聚物[15，39]，不僅能有效實(shí)現(xiàn)DPR，且耐溫（150 ?C）、耐鹽、耐剪切，在低滲儲(chǔ)層中具有較好注入性能。需要注意的是，此處的聚合物堵劑不包括下文RPM 中包含的水溶性聚合物RPM 體系。

1.1.2 聚合物凝膠

聚合物凝膠是由聚合物和交聯(lián)劑通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)制得的控水體系[40]。交聯(lián)劑可分為無(wú)機(jī)交聯(lián)劑和有機(jī)交聯(lián)劑，無(wú)機(jī)交聯(lián)劑主要有Cr（III）和Al（III）等，有機(jī)交聯(lián)劑主要有甲醛、六亞甲基四胺、水溶性酚醛樹(shù)脂和聚乙烯亞胺（PEI），還包括苯酚、間苯二酚、對(duì)苯二酚等與醛類(lèi)或其衍生物復(fù)合產(chǎn)物[41 45]，主體聚合物大多以丙烯酰胺類(lèi)為主。

針對(duì)高溫高礦化度環(huán)境，Dovan 等[14] 將聚丙烯酰胺（PAM）與重鉻酸鹽或硫代硫酸鹽復(fù)配，該凝膠可在59 ?C的海水中穩(wěn)定。Hutchins 等[46] 研發(fā)的PAM 有機(jī)凝膠耐溫148 ?C，海水中可穩(wěn)定5個(gè)月且耐氧化降解，適用于裂縫性碳酸鹽巖氣藏和砂巖氣藏。林仁義等[47] 針對(duì)中國(guó)西北地區(qū)深層高溫高鹽砂巖氣藏產(chǎn)水問(wèn)題，研制了丙烯酰胺微膠體系WJ 1，該體系可在高溫下二次交聯(lián)，耐溫140 ?C、耐鹽23.33×104 mg/L。針對(duì)低滲高含水環(huán)境，王江帥等[48] 將PAM 與Cr（III）復(fù)配，形成的凝膠體系對(duì)水相封堵率大于80%，對(duì)氣相封堵率小于20%。針對(duì)高滲層出水低滲層產(chǎn)氣問(wèn)題，馮兵等[49] 利用AM、改性淀粉、高價(jià)金屬交聯(lián)劑及引發(fā)劑構(gòu)建了淀粉接枝弱凝膠體系，對(duì)水相封堵強(qiáng)度大于20 MPa/m，對(duì)氣相無(wú)明顯封堵。針對(duì)高孔高滲儲(chǔ)層，曲占慶等[50] 采用HPAM 與有機(jī)鉻凝膠體系封堵邊水，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其對(duì)巖芯封堵率大于97%，對(duì)氣相封堵率小于30%。針對(duì)裂縫性或強(qiáng)非均質(zhì)儲(chǔ)層，Mattey 等[51] 將聚合物與有機(jī)交聯(lián)劑（六亞甲基四胺與對(duì)苯二酚）復(fù)配形成的凝膠體系可應(yīng)對(duì)竄槽和裂縫連通造成的產(chǎn)水問(wèn)題。此外，Hamza等[52] 提出使用高分子量聚合物凝膠封堵溶蝕或天然裂縫帶出水層、低分子量聚合物凝膠封堵微裂縫出水層，這樣既可緩解指進(jìn)現(xiàn)象，又可降低凝膠濾失后形成剛性濾餅的概率。同時(shí)，為減少惡劣儲(chǔ)層環(huán)境對(duì)凝膠成膠性能影響，可注入成熟凝膠提高其穩(wěn)定性和控水效果，如Bai 等[53] 研發(fā)的預(yù)交聯(lián)凝膠，該體系具有流動(dòng)性強(qiáng)、耐溫耐鹽性高（耐溫120 ?C、鹽水中膨脹200 倍）的優(yōu)勢(shì)。

此外，可利用增強(qiáng)基質(zhì)（如納米材料等）與聚合物高分子鏈的特異性吸附及排斥作用，進(jìn)一步增加聚合物凝膠體系的耐溫耐鹽性及強(qiáng)度[54]。如納米SiO2 可通過(guò)電性和氫鍵作用吸附在兩性聚合物帶正電的疏水基團(tuán)上，使聚合物分子親水端自然舒張，形成分子刷參與交聯(lián)反應(yīng)，提高了聚合物的利用率及與交聯(lián)劑的交聯(lián)位點(diǎn)[55]，增強(qiáng)了溶液的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[56]。然而，該方法也使氣相更難突破凝膠層，如易俊等[57] 研發(fā)的丙烯酰胺、丙烯酰嗎啉和乙烯吡咯烷酮三元共聚物（APR）、PEI 與改性氧化鋁納米顆粒復(fù)配的控水體系對(duì)水相封堵能力為氣相的5倍，但在復(fù)產(chǎn)初期氣相難以突破凝膠堵劑，這可能是由于沒(méi)有優(yōu)選納米材料及用量導(dǎo)致的。上述聚合物及其凝膠體系的配方及性能如表2 所示。

1.2 控水機(jī)理

根據(jù)作用對(duì)象，可將聚合物及其凝膠控水主流機(jī)理分為3 方面：即對(duì)水相的阻力效應(yīng)、對(duì)氣相的“變形”和慣性效應(yīng)（圖1）以及對(duì)氣水兩相的潤(rùn)滑效應(yīng)。

以Zaltoun 等[58] 為代表的學(xué)者認(rèn)為，對(duì)水相的阻力效應(yīng)是基于聚合物及其凝膠的親水性及吸水膨脹性：堵劑注入后吸附在巖石表面，水相貼近吸附層流動(dòng)且聚合物吸水膨脹，對(duì)水相產(chǎn)生阻力效應(yīng)，而氣相可在通道中心自由流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了DPR。然而，Zaltoun 等僅通過(guò)堵劑過(guò)水和氣前后的宏觀(guān)現(xiàn)象解釋選擇性控水機(jī)理，并未深入到微觀(guān)層面，因此，可進(jìn)一步觀(guān)察控水前后微觀(guān)束水網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[59]，從物理及化學(xué)角度解釋控水機(jī)理。

Seright 等[35] 認(rèn)為，堵劑體系成膠后氣、水相滲透率均較低，但在同壓差下氣相流速大于水相而造成的氣相首先沖破堵劑，使其“變形”，最終形成氣流通道，實(shí)現(xiàn)了控水通氣。Elmkies 等[60] 和Blanchard等[61] 提出了高流速、大流量情況下氣體慣性效應(yīng)會(huì)影響DPR 的觀(guān)點(diǎn)：聚合物吸附層表面光滑，減少了氣體流經(jīng)時(shí)的粗糙度和彎曲路徑，從而使慣性阻力系數(shù)降低，有利于氣相流動(dòng)。

而Al-shajalee 等[62] 認(rèn)為，氣水兩相的潤(rùn)滑效應(yīng)控制著凝膠的DPR 行為，即聚合物及其凝膠主要對(duì)潤(rùn)濕相（水相）相對(duì)滲透率降低明顯，而對(duì)非潤(rùn)濕相（氣相）相對(duì)滲透率影響不大。

綜合來(lái)看，對(duì)水相的阻力效應(yīng)、對(duì)氣相的“變形”和慣性效應(yīng)、對(duì)氣水兩相的潤(rùn)滑效應(yīng)普遍被學(xué)者們認(rèn)同。實(shí)際上，遇水阻力效應(yīng)和遇氣變形可能存在于同一過(guò)程中，微觀(guān)上均表現(xiàn)為三維束水網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的變化，而變化原因不同：遇水時(shí)由于吸水膨脹變形，宏觀(guān)上表現(xiàn)為對(duì)水相阻力增加，產(chǎn)生阻力效應(yīng)；遇氣時(shí)氣相沖破堵劑使其變形。

1.3 應(yīng)用案例

1.3.1 聚合物應(yīng)用案例

本文調(diào)研了聚合物堵劑應(yīng)用案例，如表3 所示。

20 世紀(jì)七八十年代，氣井控水材料多為單一聚合物，以丙烯酰胺類(lèi)為主。最早的聚合物氣井堵水試驗(yàn)于1977 年在美國(guó)科羅拉多州氣田試行，但處理后該井迅速停產(chǎn)[14]。隨后，法國(guó)Verena 氣藏[58] 實(shí)施了丙烯酰胺與丙烯酸酯共聚物溶液和PAM 共聚物控水，該聚合物在高礦化度水中收縮、低礦化度水中舒張，可改變氣水相對(duì)滲透率，實(shí)現(xiàn)了DPR。

聚合物如HPAM 等作為堵劑單獨(dú)使用時(shí)，能夠適應(yīng)的儲(chǔ)層溫度和礦化度有限。這是因?yàn)楦邷叵翲PAM 會(huì)發(fā)生明顯的分子降解和水解作用。雖然可通過(guò)殺菌或除氧等方法抑制部分HPAM 分子降解（如在法國(guó)Verena 地區(qū)將甲醛作為預(yù)處理液），但HPAM 的高溫水解不可抑制。此外，高礦化度時(shí)HPAM 黏度下降明顯[63 64]，對(duì)水相阻力減弱。PAM亦存在此類(lèi)問(wèn)題。

為解決該問(wèn)題，可引入活化劑或利用三元共聚物或改性三元共聚物大幅提高HPAM 及PAM 的耐溫耐鹽性能。其中，活化劑作為聚合物穩(wěn)定劑或與聚合物分子鏈形成絡(luò)合物[65]，增加了體系的耐溫性，如加拿大Wales 氣井[66] 利用PAM 溶液有效解決了地層水錐進(jìn)問(wèn)題。當(dāng)采用三元共聚物或改性三元共聚物時(shí)，其相互纏繞構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加牢固，體系在高溫高礦化度下更穩(wěn)定，如德國(guó)北部某氣藏應(yīng)用VS、VA 和AM 三元共聚物控水后，氣井生產(chǎn)性能良好，產(chǎn)水由原來(lái)的90 m3/d 降至1 m3/d 以下，產(chǎn)氣量恢復(fù)到105 m3/d 以上[15]；德國(guó)西部地區(qū)氣田[67] 采用低分子量部分磺化丙烯酰胺三元共聚物控水，處理后氣水比（Gas-Water Ratio，GWR）增加了5 倍。

綜上，在高溫、高礦化度氣藏控水時(shí)可采用“預(yù)處理液+ 改性聚合物”的處理方式。由于礦場(chǎng)常用的聚合物堵劑體系（如PAM、HPAM）普遍存在黏度高、阻力系數(shù)大等問(wèn)題，在低滲或低產(chǎn)能氣藏條件下極易將氣水兩相“堵死”。而三元共聚物或改性三元共聚物分子量相對(duì)較小、黏度低，在低滲儲(chǔ)層處理效果較好。

1.3.2 聚合物凝膠應(yīng)用案例

聚合物凝膠形成過(guò)程中，聚丙烯酰胺基聚合物的酰胺基團(tuán)與有機(jī)交聯(lián)劑發(fā)生共價(jià)鍵合，提高了分子鏈的剛性、增加了交聯(lián)位點(diǎn)[68]；與無(wú)機(jī)交聯(lián)劑反應(yīng)時(shí)先分子內(nèi)交聯(lián)成單分子球再分子間交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加了空間穩(wěn)定性[69]。

相較于聚合物堵劑，聚合物凝膠耐溫耐鹽性更高。在處理高溫高鹽產(chǎn)水氣藏時(shí)，聚合物凝膠成功應(yīng)用于印度尼西亞East Kalimantan Peciko 氣田[69]、墨西哥灣East High Island 285 氣田[14]、中國(guó)青海臺(tái)南氣田[18]、印度Bassein 氣田[70] 及美國(guó)俄克拉何馬州某氣田[20] 等地，如表4 所示。

同樣，聚合物凝膠黏彈性和耐沖刷性更強(qiáng)。如在處理裂縫性產(chǎn)水氣藏時(shí)，英國(guó)不列顛Sukunka[17]油田利用鉻凝膠處理后WGR 降低約75%，產(chǎn)氣率增加50%（表4）。

值得一提的是，Bach 等[71] 發(fā)現(xiàn)聚合物無(wú)機(jī)交聯(lián)劑[如Cr（III）]凝膠體系高溫時(shí)易水解沉淀，析出的交聯(lián)劑在注入過(guò)程中無(wú)法到達(dá)流動(dòng)前緣，縮短了作用深度、DPR 效果變差。所以高溫條件下建議優(yōu)選有機(jī)交聯(lián)劑。

1.4 適應(yīng)性分析

總體而言，聚合物及其凝膠主要適用于中孔中滲高孔高滲儲(chǔ)層。由于聚合物分子間連接強(qiáng)度低，導(dǎo)致其耐溫耐鹽性和耐沖刷性較差，封堵強(qiáng)度較低，不適用于裂縫性?xún)?chǔ)層。而在高溫儲(chǔ)層，建議向地層注入預(yù)處理液（如冷水、活化劑等）或使用改性聚合物。

聚合物凝膠引入交聯(lián)劑后，耐溫耐鹽性、承壓能力和耐沖刷性等均得到提升，可應(yīng)用于高溫高礦化度、裂縫性等復(fù)雜產(chǎn)水氣藏。但在特高含水情況下，凝膠滲吸后剪切稀釋行為加劇、殘余氣飽和度下降易降低DPR 效果[61]。

同時(shí)，為降低聚合物凝膠將氣水兩相“堵死”的可能，可采用改進(jìn)聚合物交聯(lián)技術(shù)（酸產(chǎn)生氣體通道、原位產(chǎn)生氣流通道及外部誘導(dǎo)產(chǎn)生氣流通道），使其在交聯(lián)過(guò)程中重新建立氣體滲流通道[14]，達(dá)到選擇性控水目的。

2 相滲調(diào)節(jié)劑控水

2.1 相滲調(diào)節(jié)劑控水常用材料

相滲調(diào)節(jié)劑是一種大幅降低水相滲透率而對(duì)氣相滲透率影響較小的材料。其可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是水溶性聚合物RPM 體系，該類(lèi)RPM 體系比大部分聚合物及聚合物凝膠堵劑黏度更低、注入性更好、流動(dòng)性更強(qiáng)，可認(rèn)為是聚合物及聚合物凝膠堵劑的發(fā)展；另一類(lèi)是含氟RPM 體系，多為氟碳表面活性劑。

水溶性聚合物常被單獨(dú)作為一種RPM 類(lèi)堵劑研究和應(yīng)用，較多學(xué)者認(rèn)為部分聚合物及聚合物弱凝膠[72] 為RPM。Chen 等[22] 將HPAM 1 與HPAM 2 作為RPM，利用其在孔壁上形成的平滑親水性吸附層降低水相流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)“控水通氣”。Pietrak 等[73] 報(bào)道的磺化丙烯酰胺RPM 體系不僅有效減小了水流通道尺寸、增加了水相流動(dòng)阻力且耐溫98 ?C。Campbell 等[74] 合成的親水性三元共聚物STP 能有效處理高溫（gt;149 ?C）、高鹽及高流速的砂巖產(chǎn)水氣藏，具有較強(qiáng)的氣水選擇性。另外，Eoff 等[75] 開(kāi)發(fā)出了接枝甲氧基聚乙二醇（MPEG）聚合物骨架的刷狀RPM，該堵劑在高礦化度下穩(wěn)定，可應(yīng)用于產(chǎn)水砂巖和碳酸鹽巖氣層。

含氟RPM 體系主要通過(guò)將液濕巖石轉(zhuǎn)變?yōu)闅鉂駥?shí)現(xiàn)DPR。Jin 等[76] 采用氟表面活性劑FG40 改性的納米二氧化硅使巖石由液濕轉(zhuǎn)變?yōu)闅鉂瘢黾恿诉^(guò)水阻力，有利于凝析氣藏開(kāi)發(fā)。Liu[23] 等研發(fā)的WA12 氟碳表面活性劑RPM 體系不僅熱穩(wěn)定性高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、憎水性顯著且耐溫170 ?C、耐鹽7×104 mg/L。Wang 等[77] 發(fā)現(xiàn)含氟表面活性劑FG24 可使巖石變?yōu)闅鉂?，氣相相?duì)滲透率和氣體流量可提高25% 以上，且具有較高的熱穩(wěn)定性（耐溫120 ?C）。表5 總結(jié)了常見(jiàn)RPM 控水體系及其性質(zhì)。

2.2 相滲調(diào)節(jié)劑控水機(jī)理

RPM 選擇性控水機(jī)理與潤(rùn)濕性關(guān)系密切。與聚合物凝膠相比，水溶性聚合物強(qiáng)度遠(yuǎn)低于凝膠，但RPM 不主要依靠體系強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)控水，而是吸附在巖石壁面后，使巖石向親水方向轉(zhuǎn)變，依靠吸水膨脹性、拖拽作用等增加對(duì)水相的阻力；含氟RPM體系則使巖石向氣濕方向轉(zhuǎn)變，減少水相聚集，增加毛管力[78]，實(shí)現(xiàn)DPR。

以Chen 等[22] 和Kabir[79] 的研究為例，水溶性聚合物類(lèi)RPM 在巖石孔隙通道壁面形成吸附層，該吸附層不僅減小了水流通道有效尺寸，通過(guò)物理阻擋限制了水相流動(dòng)，還增大了對(duì)水相的拖拽作用。Zaitoun 等[80] 將此現(xiàn)象歸因于“壁效應(yīng)”。此外，Liang 等[81] 從聚合物凝膠與潤(rùn)濕相及非潤(rùn)濕相關(guān)系出發(fā)，提出了壁效應(yīng)和凝膠液滴的聯(lián)合模型：如果凝膠是由潤(rùn)濕相制備，可用壁效應(yīng)模型解釋DPR，如果凝膠是由非潤(rùn)濕相制備，則可用凝膠液滴模型解釋?zhuān)撗芯拷Y(jié)果可指導(dǎo)RPM 的選擇與制備。

在含氟RPM 體系中，氟碳分子間的作用力很小，具有極低的表面能，有利于形成疏水表面，減小水相潤(rùn)濕，增加氣相潤(rùn)濕。Zhang 等[82] 研究發(fā)現(xiàn)將此類(lèi)RPM 注入巖芯后，潤(rùn)濕性由強(qiáng)水濕變?yōu)槿跛疂瘢▓D2），減小了侵入和滯留在氣層中的水量；Karandish 等[83] 則將巖石表面由原本的水濕改為氣濕，顯著提高了孔隙通道入口毛管力，與處理前相比水通量大幅降低，亦提高了氣相相對(duì)滲透率。此外還有學(xué)者將含氟RPM 體系吸附在巖芯后使其潤(rùn)濕性從水濕分別向中等氣濕及超氣體潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變，使巖石潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)，其主要控水機(jī)理為吸附到巖石內(nèi)壁后疏水基團(tuán)暴露在外，直接與孔隙流體接觸，使親水性巖石表面轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，改變了?chǔ)層潤(rùn)濕性，通過(guò)降低孔喉尺寸控制了水相滲流狀態(tài)，減少了侵入氣層的水量，減弱了儲(chǔ)層水鎖效應(yīng)，推遲了見(jiàn)水時(shí)間，提高了氣藏生產(chǎn)能力。

2.3 相滲調(diào)節(jié)劑控水應(yīng)用案例

水溶性聚合物RPM 具有一定的耐溫性，在產(chǎn)水氣藏中的應(yīng)用大多集中于低孔、中滲氣藏，如Lunyu氣藏W 區(qū)塊[22]、加拿大某氣井[84] 和美國(guó)內(nèi)布拉斯加州Grand Island 氣田[73]。三者經(jīng)處理后產(chǎn)水降幅明顯，釋放了氣相通道，有利于氣相產(chǎn)出。含氟表面活性劑中由于氟碳鍵的存在使其穩(wěn)定性增加，擴(kuò)大了水溶性聚合物RPM 的溫度適用范圍。其分子量更小、注入性更好，可深入低滲、致密氣藏內(nèi)部控水，降低水鎖傷害，如美國(guó)猶他州Natural Buttes 氣田[85] 和中國(guó)河南東濮凝析氣藏[23]。具體應(yīng)用效果見(jiàn)表6。

2.4 相滲調(diào)節(jié)劑控水適應(yīng)性分析

RPM 堵劑體系溶液黏度低、流動(dòng)性強(qiáng)，在低滲、致密氣藏中應(yīng)用效果較好，但其弱強(qiáng)度、低耐沖刷性限制了其使用條件。同時(shí)，Kalfayan 等[84] 認(rèn)為RPM 可處理含水率高的氣井，但不適用于裂縫性氣藏。此外，Eoff 等[75] 和Botermans 等[86] 認(rèn)為RPM在層間無(wú)竄流、產(chǎn)烴區(qū)無(wú)水相流動(dòng)及高滲產(chǎn)水、低滲產(chǎn)烴的層狀均質(zhì)儲(chǔ)層有較好的DPR 效果；而齊自遠(yuǎn)等[87] 提出RPM 在儲(chǔ)層巖石表面的吸附能力是評(píng)價(jià)其是否有效的重要指標(biāo)，由此可更多關(guān)注其與巖石表面的電性關(guān)系，更好地實(shí)現(xiàn)DPR。

雖然部分學(xué)者認(rèn)為RPM 處理時(shí)存在低產(chǎn)氣量、見(jiàn)效時(shí)間長(zhǎng)[84]、處理效果受儲(chǔ)層環(huán)境和施工工藝影響大[73，86] 等問(wèn)題，但可通過(guò)與壓裂等增產(chǎn)措施或改進(jìn)施工工藝等配合使用，提高選擇性控水效果。此外，RPM 極可能優(yōu)先吸附于產(chǎn)水儲(chǔ)層富黏土區(qū)而使處理深度受限[87]，對(duì)此可在預(yù)處理液沖洗地層后注入RPM 體系，延長(zhǎng)RPM 作用深度。

3 功能流體控水

近年來(lái)，針對(duì)復(fù)雜氣藏（如凝析氣藏、強(qiáng)非均質(zhì)氣藏等）控水相繼開(kāi)發(fā)了納米流體、微乳液等控水劑。這些體系不僅黏度低、微粒尺寸小且綠色環(huán)保。

3.1 常用材料及應(yīng)用效果

常見(jiàn)功能流體控水材料及應(yīng)用案例效果如表7所示。

納米流體控水劑由于其特殊的性質(zhì)正逐漸走入更多人視線(xiàn)。其研制及應(yīng)用包括納米乳液、納米活性油等。羅明良等[88] 制備的以氨基聚硅氧烷與脂肪酸甲酯磺酸鈉（MES）為主要原料的納米乳液與致密巖芯孔喉尺度匹配良好，且處理后水相相對(duì)滲透率降低超60%。孫翔宇等[89] 研制的納米活性凝析油，適用于高溫（140～150 ?C）高鹽（20×104 mg/L）邊底水凝析氣藏，經(jīng)巖芯實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該體系使巖芯產(chǎn)水率降為封堵前的1/9。楊利萍等[26] 研制出的納米顆?；钚杂涂厮畡┰谒託馓锟厮囼?yàn)中，使單井產(chǎn)氣量增加7.0×104 m3/d，含水率降低75%。值得一提的是，研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)硅化合物能極大地改變毛管力和滲吸速率，降低水相進(jìn)入孔隙喉道的概率，有效抑制“水鎖”效應(yīng)[90 91]。如孫厚臺(tái)[92] 制備的改性氨基硅油納米控水材料與低滲巖芯孔喉尺度匹配良好（微粒中值粒徑30.2～84.2 nm），耐溫80 ?C，使巖石由親水變?yōu)槭杷行б种茙r石滲吸（經(jīng)處理后巖芯吸水量降低達(dá)27.2%～31.3%），實(shí)現(xiàn)了控水穩(wěn)氣。

此外，納米流體中的典型體系還包括納米二氧化硅流體，其由膠體納米二氧化硅和活化劑組成，具有粒徑極?。?～100 nm）、黏度低（通常lt;10 mPa·s）的特點(diǎn)，較易穿透產(chǎn)生多余水的地層孔隙基質(zhì)，原位從無(wú)固體可擠壓液體轉(zhuǎn)變?yōu)楦唣ば曰騽傂圆牧蟍93]。

對(duì)于微乳液控水體系，顏博等[10] 針對(duì)高溫（106.7 ?C）出水氣藏制備了耐高溫疏氣乳液劑體系（十六烷基三甲基氯化銨與十八烷基三甲基氯化銨及改性油酸咪唑啉共混），該體系堵水率為94.9%，可達(dá)到控水通氣的效果。Lakatos 等[25] 在匈牙利阿爾及爾氣田進(jìn)行了硅氧烷乳液堵水試驗(yàn)，產(chǎn)氣量提高了2 倍。美國(guó)堪薩斯州氣田[35] 利用丙烯酰胺衍生物與柴油、原油或天然凝析油以及乳化劑、水共混形成的乳膠濃縮液處理出水層，處理后儲(chǔ)層產(chǎn)水量可降至0，產(chǎn)氣量可達(dá)2 831 m3/d。

值得一提的是，印度尼西亞Tunu 氣田[94] 采用強(qiáng)化水解氯化鋁功能流體處理產(chǎn)水氣田，經(jīng)處理后其產(chǎn)水量減小90%，產(chǎn)氣量維持平穩(wěn)。

3.2 功能流體控水機(jī)理

功能流體主要通過(guò)改變巖石表面潤(rùn)濕性實(shí)現(xiàn)控水。一類(lèi)是使巖石潤(rùn)濕性由親水向疏水和親油方向轉(zhuǎn)變，如：納米活性凝析油或活性油吸附在巖石表面，使巖石潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油，毛管力由水侵動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)樗肿枇?，?shí)現(xiàn)選擇性控水；氨基硅油納米流體[92] 吸附在巖石表面后，疏水基硅甲基朝外伸向孔隙介質(zhì)，使巖石潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，降低了束縛水飽和度，釋放了部分氣流通道，避免了水鎖效應(yīng)。另一類(lèi)則是通過(guò)吸附后外延出的某些親水基團(tuán)使巖石向親水方向轉(zhuǎn)變，如納米乳液中氨基、硅氧鍵與硅氫鍵等極性基團(tuán)。這些基團(tuán)對(duì)水相產(chǎn)生拖拽作用，增加了截留阻力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水相的封堵。另外，微乳液具有遇氣破乳不聚集、遇水破乳聚集后向更大液滴轉(zhuǎn)變的特征，實(shí)現(xiàn)選擇性控水。

3.3 功能流體控水適應(yīng)性分析

功能流體具有黏度低、微粒尺寸小等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于低滲及致密儲(chǔ)層，亦可應(yīng)用于凝析氣藏，但需增強(qiáng)功能流體的耐沖刷能力以提高控水有效期。就納米流體而言，F(xiàn)oroozesh 等[95] 認(rèn)為納米流體的主要優(yōu)勢(shì)之一是其在惡劣的儲(chǔ)層條件下（高溫、高壓、高剪切和高鹽度）的可持續(xù)性，而聚合物、表面活性劑功能流體等控水體系易在早期發(fā)生降解。另外，與油井堵水中微乳液體系二次原位乳化[93] 不同的是，氣井中幾乎沒(méi)有二次乳化現(xiàn)象，因此，不會(huì)削弱選擇性控水效果，所以微乳液在產(chǎn)水氣井中應(yīng)用效果更好。

4 泡沫類(lèi)控水

4.1 泡沫類(lèi)控水常用材料

相比于氣井，泡沫類(lèi)控水劑在油井中的應(yīng)用較多。國(guó)外利用泡沫或泡沫凝膠所解決的問(wèn)題大多為油藏堵水、堵氣或驅(qū)油，其中，對(duì)于有氣體產(chǎn)出的井利用泡沫大幅降低氣相的流動(dòng)性從而降低氣油比，提高油田產(chǎn)量[96]。

在處理產(chǎn)水氣藏時(shí)，由于泡沫穩(wěn)定性差、機(jī)械強(qiáng)度低、壽命短、成功率低（小于50%） [28]，因此，常將泡沫控水工藝與排水采氣結(jié)合，也可將聚合物或聚合物凝膠穩(wěn)泡劑與泡沫復(fù)配共同形成聚合物基泡沫或泡沫凝膠。

聚合物基泡沫或泡沫凝膠中，聚合物或聚合物凝膠形成了具有一定強(qiáng)度的骨架包裹泡沫。這不僅防止了泡沫聚集、增強(qiáng)了液膜厚度，還降低了氣泡間液膜的排液速率，能有效提高泡沫的屈服應(yīng)力[97] 和穩(wěn)定性[98]。同時(shí)，與聚合物及聚合物凝膠堵劑相比，聚合物基泡沫或泡沫凝膠具備兩大優(yōu)勢(shì)：一是靜液柱壓力低，不易漏失，對(duì)地層傷害小[99]；二是聚合物用量少[100]，節(jié)約了施工成本。對(duì)于國(guó)內(nèi)產(chǎn)水氣田，泡沫類(lèi)控水體系研究和應(yīng)用較少，王冰等[101] 復(fù)配的泡沫凝膠體系耐溫、耐酸堿范圍廣；譚紹泉[29] 利用泡沫凝膠體系的重力超覆現(xiàn)象和選擇性堵水效果，并結(jié)合配套工藝，在處理產(chǎn)水氣藏后不僅提高了產(chǎn)氣量，還可防砂，經(jīng)濟(jì)有效地利用了氣藏能量，避免了開(kāi)采過(guò)程中的出水以及因出水而導(dǎo)致的出砂問(wèn)題，延長(zhǎng)氣井的無(wú)水開(kāi)采期，提高了最終采收率；戴彩麗等[30] 研制的泡沫凝膠耐溫性能優(yōu)異，適用非均質(zhì)地層；郭顯賦[102] 研發(fā)的“高溫起泡劑+ 凍膠封堵體系+ 凝膠封堵體系”耐溫150 ?C、耐鹽3.5×104 mg/L，對(duì)水相封堵率大于98% 而對(duì)氣相封堵率小于30%。表8總結(jié)了泡沫凝膠構(gòu)成及性質(zhì)。

4.2 泡沫類(lèi)控水機(jī)理

水相流經(jīng)泡沫類(lèi)堵劑時(shí)，利用泡沫的導(dǎo)向作用、賈敏效應(yīng)和分流作用實(shí)現(xiàn)封堵；而氣相可連通泡沫形成通道，有利于氣相滲透率的提高（圖3） [103 105]。He 等[106] 認(rèn)為泡沫或泡沫凝膠的變形也會(huì)對(duì)DPR起積極作用：當(dāng)泡沫在高滲通道中流動(dòng)時(shí)，在液塞黏度、氣泡變形、表面張力梯度和孔隙收縮效應(yīng)的綜合作用下，泡沫流體的形態(tài)和表觀(guān)黏度發(fā)生了變化，改變了儲(chǔ)層流體的流動(dòng)行為，能夠有效封堵高滲通道。此外，泡沫凝膠中的表面活性劑可以降低界面張力[101]，從而更好地實(shí)現(xiàn)了DPR。

4.3 泡沫類(lèi)控水應(yīng)用案例

中國(guó)山東勝利油田[28] 在孤東、孤島、墾西及陳家莊等地區(qū)水封氣嚴(yán)重，采收率僅9%，而應(yīng)用泡沫凝膠體系控水施工后日產(chǎn)氣量3 000～9 000 m3，效果明顯。針對(duì)中國(guó)東海氣田產(chǎn)水嚴(yán)重現(xiàn)狀，采用“耐高溫起泡劑+LF 聚合物+ 交聯(lián)劑+ 穩(wěn)泡劑”泡沫凍膠體系控水[30]，該體系可利用地層非均質(zhì)實(shí)現(xiàn)DPR。泡沫類(lèi)控水材料及應(yīng)用案例效果如表9 所示。

整體而言，泡沫凝膠耐鹽性有限。但在解決氣水界面穩(wěn)定[29]、非均質(zhì)性強(qiáng)、地層連通性好[107] 的儲(chǔ)層出水問(wèn)題時(shí)，泡沫凝膠能更好地利用地層滲透率差異控水[30]，且?guī)r石孔隙可充當(dāng)泡沫儲(chǔ)集容器[108]，有利于維持堵劑性能。此外，泡沫凝膠比凝膠的突破壓力和殘余阻力系數(shù)更大，更適用于裂縫性?xún)?chǔ)層，同時(shí)，其選擇性封堵能力可通過(guò)使用高性能表面活性劑增強(qiáng)[103]。

除此之外，泡沫可作為凝膠控水輔助劑（保護(hù)液），確保凝膠注入后不發(fā)生層間竄流和封堵氣層[109]。即泡沫將凝膠從巖芯中替置出后，能夠減小凝膠固結(jié)后對(duì)水流與氣流的阻力系數(shù)，達(dá)到水流和氣流通道不被完全堵塞的目的，這種在裂縫型氣藏中實(shí)施的泡沫替置大大提高了凝膠控水體系的處理效率。

4.4 泡沫類(lèi)控水適應(yīng)性分析

氣井中常用的泡沫類(lèi)堵劑一般為泡沫凝膠。其可通過(guò)泡沫導(dǎo)向作用、賈敏效應(yīng)與分流作用等機(jī)制實(shí)現(xiàn)控水。此類(lèi)堵劑適用于非均質(zhì)性強(qiáng)及裂縫性產(chǎn)水氣藏，可抑制產(chǎn)層的邊水、底水或薄層水。綜合來(lái)看，雖然泡沫類(lèi)堵劑具有靜液柱壓力低、地層傷害小和聚合物用量少的優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)場(chǎng)制備復(fù)雜、高溫高礦化度下泡沫穩(wěn)定期短。

同時(shí)，為更好地利用泡沫或泡沫凝膠的選擇性封堵能力，其在地層中的運(yùn)移、形態(tài)及封堵等微觀(guān)機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

5 挑戰(zhàn)及對(duì)策探析

本文綜述了氣井控水體系及相關(guān)成功案例，但氣井控水的普及依舊還存在挑戰(zhàn)：1）向地層注入流體容易堵塞氣體滲流通道、傷害產(chǎn)層，將氣水一并堵死；2）現(xiàn)有氣井控水材料的研發(fā)大多參考油井堵水，而由于多孔介質(zhì)中的氣水選擇性控水機(jī)理與油水截然不同，導(dǎo)致在產(chǎn)水氣井的DPR 效果遠(yuǎn)不如油井理想；3）氣井控水效果受儲(chǔ)層特征影響明顯，相比于國(guó)外，中國(guó)大部分氣藏開(kāi)發(fā)難度更高、儲(chǔ)層條件更復(fù)雜，因此，針對(duì)國(guó)外產(chǎn)水氣田特點(diǎn)形成的控水及堵水相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可能并不適用于國(guó)內(nèi)；4）目前的商業(yè)數(shù)值模擬軟件模擬氣井控水步驟復(fù)雜，且部分參數(shù)的獲取成本較高、精度難以保證，如巖石的不可及孔隙體系（Inaccessible Pore Volume，IAPV）和控水體系在孔喉中的動(dòng)態(tài)吸附滯留量等參數(shù)。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本文進(jìn)一步提出了氣井控水發(fā)展對(duì)策：

1）根據(jù)水來(lái)源制定不同控水策略：氣藏產(chǎn)出水來(lái)源不同，應(yīng)當(dāng)采取不同的控水思路。對(duì)于孔隙水，傾向于采取“疏通”方法，在合理生產(chǎn)壓差下帶水生產(chǎn)；對(duì)于夾層水可按產(chǎn)氣需求動(dòng)態(tài)控水；對(duì)于邊底水，易沿裂縫帶或高滲條帶竄進(jìn)，應(yīng)采取強(qiáng)有力的控水措施。

2）分離膜控水新材料研發(fā)：針對(duì)堵劑易導(dǎo)致“氣水同堵”的問(wèn)題，雖然目前已發(fā)展了通過(guò)酸產(chǎn)生氣體通道、原位產(chǎn)生氣流通道和外部誘導(dǎo)產(chǎn)生氣流通道的工藝，但這些工藝技術(shù)相對(duì)復(fù)雜且對(duì)儲(chǔ)層條件要求較高，且未從根本上解決問(wèn)題。而氣井控水本質(zhì)上是地下環(huán)境的氣水分離，因此，可借鑒分離膜機(jī)理及性能，研發(fā)新體系，達(dá)到“水讓氣道”目的，有效控制氣井產(chǎn)水。

3）預(yù)處理液改造儲(chǔ)層環(huán)境：在控水前可采取人工干預(yù)手段，如使用表面活性劑、高pH 值溶液或納米潤(rùn)濕性改善劑等地層預(yù)處理手段改造儲(chǔ)層環(huán)境，清洗巖石表面附著物并改變巖石潤(rùn)濕性，增強(qiáng)氣體滲流能力。

4）適度產(chǎn)水與控水一體化：在進(jìn)行氣井控水時(shí)水相會(huì)在生產(chǎn)井周聚集，限制氣體流向井底，造成水鎖。因此，建議將適度產(chǎn)水與氣井控水相結(jié)合，注入選擇性堵劑將大部分產(chǎn)出水留在地層內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)氣水適度分離，保持帶少量水生產(chǎn)，保障氣井產(chǎn)能。

5）立足于中國(guó)氣藏儲(chǔ)層特點(diǎn)及產(chǎn)水機(jī)理，通過(guò)總結(jié)控水效果理想井的成功經(jīng)驗(yàn)，最終形成一套適用于不同類(lèi)型氣藏的控水選井原則及效果優(yōu)化策略。

6）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果或文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，構(gòu)建堵劑機(jī)理參數(shù)預(yù)測(cè)模型，降低控水?dāng)?shù)值模擬工作量；在成熟的數(shù)值模擬軟件前加入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)部分需要輸入的堵劑物化參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高控水?dāng)?shù)值模擬精度。

6 結(jié)論

1）選擇性堵水材料中，聚合物及其凝膠通過(guò)對(duì)水相的阻力效應(yīng)、對(duì)氣相的“變形”、慣性效應(yīng)和對(duì)氣水兩相的潤(rùn)滑效應(yīng)實(shí)現(xiàn)DPR。其中，聚合物在低孔低滲和高產(chǎn)水氣藏中適應(yīng)性較弱，而應(yīng)用于高溫高礦化度氣藏堵水時(shí)，可考慮采用“預(yù)處理液+ 改性聚合物”手段；聚合物凝膠耐溫耐鹽性及封堵能力強(qiáng)，可用于高溫高礦化度、裂縫性氣藏。

2）RPM 類(lèi)堵劑黏度低，注入性強(qiáng)，主要通過(guò)潤(rùn)濕性改變?cè)韺?shí)現(xiàn)DPR，適用于低滲、致密氣藏和高產(chǎn)水氣藏，但不適用于裂縫性氣藏，在處理高黏土礦物含量?jī)?chǔ)層時(shí)需使用預(yù)處理液。

3）功能流體種類(lèi)多，主要包括功能納米流體、微乳液體系等，其多基于目標(biāo)儲(chǔ)層特點(diǎn)研發(fā)，耐溫耐鹽好，主要通過(guò)潤(rùn)濕性改變實(shí)現(xiàn)DPR。

4）泡沫多與聚合物或聚合物凝膠配合使用提高其穩(wěn)定性，主要通過(guò)賈敏效應(yīng)、分流作用實(shí)現(xiàn)DPR，適用于強(qiáng)非均質(zhì)性和裂縫性氣藏。

5）針對(duì)目前氣井控水存在的難點(diǎn)及挑戰(zhàn)，提出了根據(jù)水來(lái)源采取不同思路、分離膜控水新材料研發(fā)、預(yù)處理液改造儲(chǔ)層環(huán)境和適度產(chǎn)水與控水一體化等6 個(gè)研究及發(fā)展方向。