深海底水氣藏水平井充填透氣阻水礫石的增產實驗

劉義坤 王海棟 孟文波 張 崇 支繼強 沈安琪

1.提高油氣采收率教育部重點實驗室·東北石油大學 2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司

0 引言

2014年，在中國南海陸續發現了LS17-2，LS25-1、LS18-1等大型氣田，其中LS17-2氣田主要產層的埋深介于3 200～3 400 m，位于泥線以下1 900 m左右，該氣田地質儲量為1 014.2×108m3，且大面積存在底水，底水距離產層中部的距離平均僅為33 m，發生底水水侵的風險極高[1]。而深海（水深大于1 000 m）疏松砂巖底水氣藏在開發過程中面臨以下兩個難題：①深海區探井少、單井控制區域大，對儲層進行精細描述較困難，導致控水工藝的實施難度大；②深海區水下作業環境復雜，導致井下控水工具的使用及后期維護風險高、控制難且投入大，一旦井下控水工具出現問題，通常棄井勝于修井。因此，深海大型底水氣藏的開發亟需一種完井施工技術成熟、控水自適應性良好、前期投入小且后期維護少的有效控水方法[2-3]。而機械與化學封隔[4-5]、流入控制器（ICD）[6]、自動流入控制器（AICD）[7]、變密度篩管[8-9]等控水技術都需要建立在儲層精細描述的基礎上，該項工作投入成本高、完成難度大；此外，ICD、AICD控水技術應用在疏松砂巖氣藏中由于地層易出砂會導致流入控制器流動路徑砂堵而失效[10]；中心管控水技術在深水井使用時，初期完井難度大、后期修井費用高，不能與礫石充填防砂技術兼容，且該技術只適用于均質儲層，在非均質儲層要實現均衡控水難度大[11-12]。

為此，筆者基于氣井控水經濟性與實用性兩方面的考慮，在制備改性覆膜礫石的基礎上，開展了覆膜礫石耐摩擦破損、耐溫度破損、覆膜礫石層阻水能力測試，然后利用大型三維底水氣藏開發模擬裝置進行實驗來對比水平井充填常規礫石與覆膜礫石的開發效果，以期為深海底水氣藏的控水開發提供一條新思路。

1 覆膜礫石的制備與性能測試

1.1 覆膜礫石的制備

將3 600 mL環氧樹脂（E44）溶解在5 000 mL的乙酸乙酯溶液中，然后加入體積比（所加入物質體積與環氧樹脂體積的比值，下同）為25%的可溶性聚四氟乙烯，再加入體積比為3%的疏水二氧化硅納米粒子（平均直徑為40 nm）用于構筑微納米疏水結構，然后加入體積比為40%的常規礫石顆粒。為提高涂層的耐破損強度，超聲攪拌 1.2 h后向混合物中加入體積比為19%的聚氨酯粉末，繼續超聲攪拌20 min，最后在90 ℃鼓風干燥箱中微震動3 h，制備得到tqzs-1型覆膜礫石顆粒。該制備方法及機理詳見本文參考文獻[13-15]。

1.2 覆膜礫石耐充填、耐溫度破損及阻水能力測試

1.2.1 耐充填破損測試

由于水平井在充填覆膜礫石的過程中，礫石顆粒之間、礫石顆粒與井壁以及礫石顆粒與儲層巖石之間會發生磨損，因此需開展覆膜礫石耐充填破損仿真實驗，以明確礫石耐摩擦破損的安全界限。但由于通過室內實驗難于直接仿真模擬高溫高壓條件下的長距離礫石充填過程（圖1），因此通過距離等效原則轉換為局部小范圍、相同溫度壓力條件下的礫石循環流動充填模式（圖2）。

圖1 水平井長距離礫石充填工藝示意圖

圖2 礫石充填耐摩擦破損測試實驗裝置示意圖

具體實驗步驟為：①取tqzs-1型覆膜礫石加入3 000 mL清潔攜砂液（黏度為4 mPa·s）中，礫石體積占比為40%；②將形成的混合溶液加入高溫高壓充填旋轉爐中，該爐體內徑為0.3 m，轉子外壁到爐體內壁距離為0.15 m，設置爐內溫度、壓力與儲層溫度（90 ℃）、壓力（10 MPa）一致，由南海樂東22-1平臺a17h井裸眼段礫石充填平均流速（0.56 m/s）換算得到室內平均充填速度（36 r/min），為了測試礫石耐摩擦破損的安全界限，提升充填速度為2.24 m/s（144 r/min）、4.48 m/s（288 r/min），并在不同充填速度下進行充填模擬實驗直至礫石在轉爐中的充填流動距離等于水平段長度的6倍時停止實驗；③取出旋轉充填爐內溶液，用90目篩網過濾出覆膜礫石，將其晾干；④利用美國Tecnai G2 F20 S-TWIN場發射透射電鏡，對tqzs-1型覆膜礫石在充填前后的表面形貌進行觀察。

圖3-a展示了充填前覆膜礫石的表面微觀結構，表面無損傷，有一些白點和凹凸結構，該白點即為微納米疏水結構（圖3-b）。原始覆膜礫石層與水的接觸角為163°；在充填速度為0.56 m/s、地層溫度為90 ℃的條件下，覆膜礫石層與水的接觸角仍達到159°。如圖3-c～e所示，隨著充填速度增大，由0.56 m/s增至4.48 m/s，礫石層表面逐漸趨于光滑，但始終都存在微納米疏水結構，且覆膜礫石層與水的接觸角仍都大于148°。

1.2.2 耐溫度破損測試

將樣品分別放入120 ℃、210 ℃、300 ℃高溫爐中靜置30 d，然后，采用美國Tecnai G2 F20 S-TWIN場發射透射電鏡，對覆膜礫石的表面涂層形貌進行觀察。

圖3 不同工況下覆膜礫石表面形貌照片

如圖3-f～h所示，當溫度達到210 ℃時，礫石表面化學涂層狀況良好，測試覆膜礫石層與水的接觸角大于154°，覆膜礫石層仍具有良好疏水性；當溫度達到240 ℃時，礫石表面化學涂層開始破裂，覆膜礫石層與水的接觸角減小到78°；當溫度達到300℃時，表面化學涂層完全破裂，覆膜礫石層與水的接觸角幾乎減小為0°，失去了疏水功能，這是由于表面化學涂層的胺基和環氧樹脂的環氧基之間的共價鍵被300 ℃高溫破壞所致[16]。

1.2.3 阻水能力測試

圖4 礫石層滴水實驗照片

首先，筆者在常壓可視條件下，分別在桌面鋪設一層40目、厚度為0.5 cm的常規礫石顆粒及tqzs-1型覆膜礫石顆粒，然后進行滴水實驗。如圖4所示，水滴滲入了常規礫石層，而在tqzs-1型覆膜礫石層表面，水滴呈球形。與常規礫石層相比，tqzs-1型覆膜礫石層的阻水性能明顯。這是由于常規礫石層與水的接觸角較小，親水性好，在毛細管力與重力的共同作用下水滴容易滲入常規礫石層，而覆膜礫石層與水的接觸角為鈍角，顯疏水特性，毛細管力成為阻力，由于水滴受到的重力小于毛細管力，從而使水滴無法滲入覆膜礫石層而在其表面滯留。

為定量描述礫石的阻水性能，需進行充填層的阻水性能測試。實驗裝置如圖5所示，實驗步驟如下：①由于a17h井實際裸眼段礫石充填層厚度介于2.54～5.08 cm，實驗中將40目常規礫石裝入填砂管中，厚度為4 cm；②進行恒壓注氣，待出氣量穩定并記錄，不斷調整充填方法，直至充填層氣測滲透率為1 500 mD；③對充填層進行恒壓注水實驗，并記錄不同壓差下的產水速度；④將常規礫石從填砂管取出，更換為tqzs-1型覆膜礫石，如前述步驟②、③再進行注氣、注水實驗。在此基礎上，針對常規礫石和覆膜礫石充填層氣測滲透率為100 mD，500 mD、2 500 mD的情況，進行充填層阻水性能測試；并對氣測滲透率為1 500 mD的常規礫石和覆膜礫石充填層進行氣水兩相相對滲透率測試，具體測試方法詳見GB/T 28912—2012[17]。

圖5 礫石充填層阻水能力測試實驗裝置示意圖

利用式（1）計算了覆膜礫石層的阻水能力（δ），即

式中Qw,i表示充填常規礫石時的產水速度，mL/min；Qw,fm表示充填覆膜礫石時的產水速度，mL/min。

如圖6-a所示，在不同充填速度（0.56 m/s、2.24 m/s、4.48 m/s）下覆膜礫石層的阻水能力隨充填速度增加略有下降，但仍具有較強的阻水能力。當溫度達到210 ℃時，覆膜礫石表面涂層的微納米疏水結構性能穩定，覆膜礫石層的阻水能力較強；而當溫度達到240 ℃時，覆膜礫石表面涂層開始破損，阻水能力明顯下降；當溫度超過300 ℃時，覆膜礫石表面涂層的微納米疏水結構損失嚴重，失去阻水能力。由此可見，溫度對覆膜礫石層的阻水能力影響更大，且溫度不宜超過240 ℃。

如圖6-b所示，隨充填層滲透率升高，充填層的阻水能力減弱；在相同的驅替壓差（0.4 MPa）下，當滲透率為100 mD時，覆膜礫石充填層的阻水能力達0.52，而滲透率為2 500 mD時覆膜礫石充填層的阻水能力降為0.145；滲透率低于1 500 mD，驅替壓差低于0.6 MPa，覆膜礫石充填層的阻水能力介于0.17～0.68。

圖6 礫石充填層阻水能力與驅替壓差關系曲線圖

在充填厚度為4 cm、氣驅水的驅替壓差為0.4 MPa及充填層滲透率為1 500 mD的條件下，測試得到常規礫石與覆膜礫石充填層的氣水相滲曲線，如圖7所示，覆膜礫石充填層的氣水相滲曲線等滲點與右端點均右移，水相曲線下移，兩相共滲區變寬，表明覆膜礫石充填層具有明顯的阻水能力。

圖7 礫石充填層氣水相滲曲線圖

2 大型底水氣藏開發模擬實驗

該實驗裝置如圖8所示，斧體內部的長、寬、高均為500 mm，覆膜礫石充填層滲透率為1 500 mD，斧體內部設置25組電極探針，每組6個電極，共125個測試點。通過測試不同開采條件下底水驅氣藏含水飽和度場的變化，進而評價覆膜礫石充填層的阻水增產效果。以LS17-2-A4H氣井參數（井區長度為3 000 m、寬度為1 200 m，平均孔隙度為0.22，水平井段長度為300 m，避水高度為60 m，產氣量為100×104m3/d）為基礎，根據相似準則[18]，確定模擬井水平段長度為30 cm、模擬產氣量為604.6 mL/min、模擬生產壓差為0.4 MPa、避水高度為30 cm。

實驗步驟如下：①布置被常規礫石或覆膜礫石環繞的水平井（直徑為6 mm，孔密度為4孔/cm，礫石層厚度為4 cm），然后使用石英砂將斧體填滿并安裝底水層隔板（夾有90目篩網且均勻布孔的兩片鋼隔板），底水層厚度為10 cm；②打開1號閥門向氣藏模型注入水，測得氣藏模型孔隙體積為32.4 L，再注入氣，由3號、4號閥門注入，1號、2號閥門流出，使氣藏模型束縛水飽和度為0.23，然后打開1號閥門注入水直至將底水層充滿，關閉所有閥門，從3號閥門再注入氣，直到斧體內壓力達到10 MPa；③進行恒壓（底水層壓力保持在10 MPa）底水驅采氣實驗，記錄產氣、產水量，并觀察由電腦實時反演得到的氣藏底水前緣推進動態，直至采出端含水率達到98%。

水平井充填常規礫石、開發至采出端含水率為98%時，如圖9所示，底水脊進前緣呈“凸”形，且水平井跟部含水飽和度明顯大于趾端，剩余氣體體積占孔隙體積的36.22%，過早水淹導致模擬氣藏仍有較多氣體未采出。水平井充填覆膜礫石、開發至采出端含水率為98%時，如圖10所示，底水脊進前緣突進不明顯，且水平井跟部含水飽和度與趾端較接近，與充填常規礫石相比，高含氣飽和度區域范圍明顯減小，剩余氣體體積占孔隙體積的31.48%。

提取不同時間氣藏含水飽和度切片圖（圖11、12），可以看出，由于覆膜礫石層具有阻水能力，可以減弱突進流道內的水相流動能力，從而延緩氣井產水量的上升，有效延長氣井的采氣時間，使氣藏采收率得到有效提升。

圖8 大型底水氣藏開發模擬裝置示意圖

圖9 水平井充填常規礫石開發實驗含水飽和度分布圖

圖10 水平井充填覆膜礫石開發實驗含水飽和度分布圖

圖11 水平井充填常規礫石后底水前緣脊進剖面圖

圖12 水平井充填覆膜礫石后底水前緣脊進剖面圖

對充填常規礫石與覆膜礫石的模擬水平井生產數據進行統計，如圖13所示，若氣井一旦產水，充填常規礫石的水平井日產氣量將迅速下降，日產水量迅速上升，氣井較快水淹停產；而采用覆膜礫石進行充填，水平井產水后，日產氣量下降與日產水量上升的趨勢均較緩，氣井生產時間延長且采收率提升6.95%。

圖13 充填不同類型礫石情況下模擬水平井產量曲線圖

3 結論

1）覆膜礫石涂層耐溫上限為240 ℃，且礫石充填速度可以達到4.48 m/s，為實際井裸眼段礫石充填平均流速的8倍。

2）隨覆膜礫石充填層滲透率升高，阻水能力減弱，若滲透率低于1 500 mD，且驅替壓差低于0.6 MPa，覆膜礫石充填層的阻水能力介于0.17～0.68。

3）覆膜礫石層具有透氣阻水的功能，采用覆膜礫石充填水平井技術可以減弱突進流道內的水相流動能力，從而延緩氣井產水量的上升，延長氣井的采氣時間，使底水氣藏的采收率得到有效提升。