煤層氣儲(chǔ)層新型防水鎖處理劑體系研究及應(yīng)用

鄭春玲, 羅佳潔, 王尤富

(1長(zhǎng)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(chǔ)存在煤層中，煤層氣儲(chǔ)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(chǔ)層在勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中極容易受到外來(lái)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(chǔ)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(duì)煤層氣儲(chǔ)層開(kāi)展防水鎖傷害研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)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(chǔ)層由于具有特殊的孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及儲(chǔ)存、開(kāi)采方式，導(dǎo)致針對(duì)常規(guī)油氣儲(chǔ)層研究的防水鎖措施不一定適用。另外，國(guó)內(nèi)外針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層水鎖損害機(jī)理以及防水鎖措施的研究相對(duì)較少[13-15]，因此，筆者以鄂爾多斯盆地2號(hào)煤樣為研究對(duì)象，研究了一種新型防水鎖處理劑體系，并在室內(nèi)評(píng)價(jià)了防水鎖處理劑體系對(duì)表面張力、接觸角、煤巖心自吸水量、煤層氣的解吸時(shí)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(chǎng)試驗(yàn)，以期為煤層氣的高效合理開(kāi)發(fā)提供一定的技術(shù)支持和保障。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1.實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)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(hào)煤樣(根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要處理成一定尺寸)。

實(shí)驗(yàn)儀器：A601型-全自動(dòng)表/界面張力儀；PT-705-B型視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x；電子分析天平；真空泵；恒溫干燥箱；多功能巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)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(chǔ)層防水鎖傷害機(jī)理，表面活性劑能夠通過(guò)降低氣液表面張力以及改變潤(rùn)濕性等作用來(lái)減輕煤層氣儲(chǔ)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┫啾龋滦头急砻婊钚詣┚哂懈玫谋砻婊钚裕移浞€(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(shí)驗(yàn)室自制的新型氟碳表面活性劑FT-11作為主要處理劑，通過(guò)大量室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，確定了適合煤層氣儲(chǔ)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(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法

3.1 表面張力測(cè)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(dòng)表/界面張力儀測(cè)定不同防水鎖劑溶液的表面張力值。

3.2 接觸角測(cè)定方法

將目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)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(cè)量?jī)x蒸餾水在煤樣表面的接觸角。

3.3 煤巖心自吸水實(shí)驗(yàn)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(méi)在防水鎖劑溶液中2 mm左右，測(cè)量煤巖心在不同時(shí)間下的自吸水量。

3.4 煤層氣解吸時(shí)間及煤巖心滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)步驟：①測(cè)定鄂爾多斯盆地2號(hào)煤樣的孔隙度和初始?xì)鉁y(cè)滲透率K1；②使用真空泵對(duì)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(shí)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(kāi)閥門，使甲烷排出，模擬煤層氣的解吸過(guò)程，當(dāng)壓力降為0時(shí)，記錄時(shí)間即為煤層氣的解吸時(shí)間；⑥待煤樣完全解吸后，再次測(cè)定其滲透率K2，并計(jì)算滲透率恢復(fù)值；⑦改變實(shí)驗(yàn)條件，重復(fù)步驟②～⑥，測(cè)定煤樣不同含水率對(duì)煤層氣解吸時(shí)間和滲透率恢復(fù)值的影響。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.表面張力實(shí)驗(yàn)

按照表面張力測(cè)定的實(shí)驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1實(shí)驗(yàn)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(chǔ)層中的流動(dòng)阻力，降低水鎖傷害的程度。

圖1 表面張力測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.接觸角實(shí)驗(yàn)

按照接觸角測(cè)定的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(chǔ)層煤樣經(jīng)過(guò)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(rùn)濕的特點(diǎn)。這說(shuō)明研制的新型防水鎖處理劑HFSJ-1體系具有良好的潤(rùn)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(lái)液體更多的進(jìn)入煤儲(chǔ)層深部，降低水鎖傷害的程度。

3.煤巖心自吸水實(shí)驗(yàn)

按照煤巖心自吸水的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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?jī)H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(guò)降低表面張力和改變潤(rùn)濕性來(lái)減小煤儲(chǔ)層的毛細(xì)管自吸力，從而使煤儲(chǔ)層的自吸水量大幅下降，降低儲(chǔ)層的含水飽和度，減輕外來(lái)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.煤層氣解吸時(shí)間實(shí)驗(yàn)

按照煤層氣解吸時(shí)間的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定了防水鎖劑溶液對(duì)煤層氣解吸時(shí)間的影響，防水鎖劑HAR、AES、SATRO的加量均為1.0%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 防水鎖劑對(duì)煤層氣解吸時(shí)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(shí)間逐漸延長(zhǎng)，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(shí)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(shí)，煤層氣解吸時(shí)間縮短幅度最大，當(dāng)含水率達(dá)到100%時(shí)，煤層氣解吸時(shí)間仍能控制在1 000 s以內(nèi)，說(shuō)明HFSJ-1能大幅減輕外來(lái)流體對(duì)煤儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)

按照煤巖心滲透率恢復(fù)的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定了防水鎖劑溶液對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 防水鎖劑對(duì)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(shí)，煤巖心滲透率的下降幅度較大，當(dāng)含水率為100%時(shí)，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(shí)，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(shí)，煤巖心滲透率恢復(fù)值可以達(dá)到90%以上，說(shuō)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(guò)降低表面張力、增大接觸角的方式來(lái)降低毛細(xì)管力，阻止入井流體更多的進(jìn)入煤儲(chǔ)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(chǎng)試驗(yàn)

從2016年3月份開(kāi)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(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，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(jiàn)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(shuō)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(chǔ)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(chǎng)施工效果

四、結(jié)論

(1)通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，研究了一種適合煤層氣儲(chǔ)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(píng)價(jià)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(rùn)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(shí)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(chǎng)試驗(yàn)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(shuō)明HFSJ-1體系能夠顯著降低煤層氣儲(chǔ)層的水鎖傷害，從而達(dá)到提高煤層氣井產(chǎn)量的目的。