臨興地區深部煤系天然氣井試采過程絨囊流體控水效果室內評價

孟尚志

中聯煤層氣有限責任公司

臨興地區位于鄂爾多斯盆地東緣，其上古深部煤系地層微裂縫發育但產量不高［1］，儲層改造是天然氣井增產的必要措施［2］。改造后深部地層出水是導致天然氣井單井產量低的重要原因之一［3］。由于氣液兩相滲流、氣井出水位置判斷難、出水傷害氣層、堵水劑波及體積小［4］，且氣井堵水工藝的復雜性，致使氣井堵水作業整體難度較大［5］。因此，選擇合理的氣井堵水技術，實現氣井控水過程中控水穩氣是堵水成功后氣井產能提升的關鍵因素。當前氣井堵水整體處于起步階段，室內和理論研究基本完善，但有關堵水應用評價的爭議不斷［6］，室內探討有待進一步深入。

LX-Y天然氣井位于臨興地區，屬深部煤系，壓裂改造后儲層物理特性具備破碎性特征［7］，該井實施聯探并采［8］。試井過程中產氣不高且伴隨大量出水，現場選擇絨囊流體堵水，作業4 d，試采8 d后中止。數據顯示，應用絨囊流體堵水后，日實際產水量由82.97 m3降至42.03 m3，單位壓差產水由11.35 m3/MPa降至2.83 m3/MPa；日產氣量由300 m3/d增至394 m3/d。總體來看，應用絨囊流體堵水后，LX-Y井單位壓差產水下降75.8%，氣井產能提升不明顯。針對這一現象，業內對絨囊流體堵水評價提出3點爭議：(1)絨囊堵水成功，但地層本身產能低；(2)地層中自身產能高，但是被絨囊堵住；(3)邊底水入侵量過大，注入絨囊用量不足。在地層和工藝參數已定的前提下，上述爭議的核心問題在于絨囊流體在天然氣井堵水過程中能否實現穩氣控水。

絨囊流體是一種能自適應儲層［9］、可變形自匹配漏失通道的智能流體體系［10］，具有良好的封堵能力［11］，已成功應用于氣井壓裂控水［12］、煤層氣井壓裂堵水［13］、選擇性堵水［14］、高礦化度地層水地層的穩油控水［15］、氣井修井［16］和輔助聚合物驅油［17］等領域，但有關絨囊流體封堵后氣水的突破能力室內尚未進行系統研究。驗證絨囊流體封堵后氣水突破壓力的變化，是證明絨囊流體能穩氣控水的重要依據，也是回答上述有關絨囊流體堵水提高氣井產能爭議的關鍵論據。為此，室內鉆取臨興盒2儲層直徑25 mm的砂巖柱塞，并進行人工造縫。利用自制氣水突破壓力測試儀，以模擬地層水和氮氣為流動介質模擬測定絨囊流體封堵氣、水裂縫突破壓力梯度，分析絨囊流體在基質、人工裂縫和邊底水涌入等3類不同尺度產水通道中的穩氣控水能力。

1 室內實驗

臨興深部煤系儲層滲透率為(0.01～0.03)×10-3μm2，呈現低孔低滲特征，地層中含有大量層間水。絨囊流體一次堵水后，地層產水量降低約50%，但出水量仍維持在42.96 m3/d。推測地層中存在高產水通道，可能來源于壓裂改造形成大尺度人工裂縫，同時進一步溝通其他層位邊底水，形成邊底水互相竄通，進而導致大量出水。

為模擬絨囊流體在微孔裂隙、人工裂縫和邊底水涌入3類不同尺度產水通道中的穩氣控水能力,室內分別以基質巖心柱塞和線切割4 mm人工裂縫的巖心柱塞(圖1)為對象，模擬絨囊流體封堵層間小尺度產水通道和人工裂縫等大尺度產水通道，利用物模方法開展絨囊流體封堵基質巖心及人工裂縫巖心“突破壓力-流量”實驗。

現場絨囊流體配制比例為1.8%囊層劑(主要成分為羥乙基淀粉)+1.2%囊毛劑(主要成分為聚陰離子纖維素)+1.0%囊核劑(主要成分為十二烷基磺酸鈉)+1.0%囊膜劑(主要成分為十二烷基苯磺酸鈉)。室內量取10 000 mL去離子水，分別稱取上述質量比的囊層劑、囊毛劑、囊核劑和囊膜劑，按順序加入1 000 mL去離子水中，8 000 r/min下攪拌40 min。實測所配制絨囊流體密度為0.894 g/cm3，黏度為57 mPa · s，囊泡平均粒徑分布范圍為100～120 μm，流體性質參數符合現場性能參數范圍。

圖1 室內人工造縫巖心柱塞Fig. 1 Laboratory core plunger with hydraulic fractures

以模擬地層水和氮氣為氣液兩相流動介質，利用自制的測試裝置(圖2)測試氣液兩相突破絨囊流體封堵的壓力。評價絨囊流體在巖心基質或裂縫中對水、氣的封堵效果，分析絨囊流體堵水過程中的穩氣控水能力，討論絨囊流體堵水提高單井產量爭議性問題。

圖2 氣水突破壓力測試實驗裝置流程圖Fig. 2 Flow chart of gas/water breakthrough pressure test device

巖心經抽真空加壓飽和、充分飽和模擬地層水后，在圍壓3 MPa，驅替壓力恒定1.5 MPa條件下，測定通過巖心柱塞的氣體流量，采集周期1 min。當流速達到0.1 mL/min，反向注入絨囊流體至巖心柱塞出口端見液，在相同實驗條件下分別測定通過巖心柱塞的氣體流量；相同條件下，測定通過巖心柱塞的液體流量，采集周期1 min。當流速達到0.1 mL/min，反向注入絨囊流體至巖心柱塞出口端見液，在同樣實驗條件下分別測定通過巖心柱塞的液體流量，分別記錄氣液兩相的突破壓力梯度數據。

2 結果分析與討論

基于LX-Y井試采過程絨囊堵水評價爭議，結合室內研究，評價絨囊流體在基質孔隙、人工裂縫和邊底水涌入等情況的穩氣控水能力，分析絨囊流體堵水過程中的穩氣控水能力，探討上述爭議的核心問題。

2.1 絨囊流體能封堵基質出水

實驗測得絨囊流體封堵3枚基質巖心后，氮氣突破壓力梯度分別為0.019、0.02、0.022 MPa/cm，均值0.020 3 MPa/cm；模擬地層水的突破壓力梯度分別為0.202、0.209、0.201 MPa/cm，均值0.204 MPa/cm，水的突破壓力梯度約為氣體突破壓力梯度10倍。

研究表明，地層中裂縫的孔隙尺寸通常認為與地層的滲透率具有一定的相關性。史勝龍等在研究微泡沫直徑與地層孔隙直徑的匹配關系中認為巖心滲透率與平均孔隙直徑相關性如式(1)所示［18］。

式中，為平均孔隙直徑，μm；k為滲透率，μm2。

利用式(1)擬合得該區地層最大平均孔隙直徑為0.445 μm，遠小于絨囊堵水流體中囊泡的最小平均粒徑(110 μm)。因此絨囊堵水流體封堵基質巖心時，由于流體體系中囊泡粒徑大于孔隙直徑，滯留于巖心表面無法進入孔隙內部，而體系中微小聚合物組分聚集于巖心端面，形成一層聚合物膜［6］，當端面有孔隙時，聚合物組分進入孔隙中，封堵基質裂隙。且聚合物膜對水產生流動阻力，幾乎不影響氣的流動，實現對基質巖心的堵水穩氣。

2.2 絨囊流體能封堵人工裂縫出水

實驗測得絨囊流體封堵3枚含4 mm人工裂縫巖心后，氮氣的突破壓力梯度分別為0.018、0.021、0.020 MPa/cm，均值0.019 7 MPa/cm；模擬地層水的突破壓力梯度分別為0.043、0.038、0.039 MPa/cm，均值0.040 MPa/cm。水突破壓力梯度約為氣體突破壓力梯度2倍，水和氣突破壓力梯度比值較封堵基質巖心有一定幅度下降。

分析認為，封堵人工裂縫等這類較大尺度產水通道時，絨囊流體是以囊泡堆積的形式實現承壓封堵［9］，囊泡和囊泡之間有一定尺度的流通通道，氣體可以自由通過，同時水分子也可以部分通過，表現為氣水的突破壓力梯度有差值，但相差不大。現場應用過程中，遇產水通道尺度較大且水量較大的情況，可以通過提高絨囊流體的用量，或者提高當前體系中囊泡的數量，強化囊泡封堵，增加水的流通阻力，提高水的突破壓力，實現穩氣控水。

2.3 絨囊流體能封堵邊底水竄

當人工改造后的裂縫溝通其他層位邊底水時，易形成邊底水竄。這類出水通道綜合了基質孔隙出水和人工裂縫出水的特征。

結合上述分析可知，絨囊流體利用體系中分散的聚合物分子進入地層微小孔隙，相互之間纏繞形成聚合物封堵膜結構，水分子很少或很難突破這層聚合物膜，但氣體分子則易于突破。對于漏失通道尺寸較大的人工裂縫巖心，絨囊流體同時利用體系中的囊泡堆積形成承壓封堵結構。絨囊流體封堵邊底水竄原理見圖3。

圖3 絨囊流體在孔隙和裂縫中封堵地層水示意圖Fig. 3 Sketch of fuzzy-ball fluid plugging formation water in pores and fractures

結合室內研究得出，絨囊流體通過聚合物纏繞成膜能封堵基質孔隙等小尺度出水通道，通過大量囊泡堆積能封堵人工裂縫和涌入邊底水的大尺度產水通道，基本不阻礙氣體的流通。但LX-Y氣井試采過程使用絨囊流體堵水后，氣井產能依然不高，故而出現對堵水效果評價的諸多爭議。有研究認為，臨興上古深部煤系地層微裂縫發育區為深煤系層單井產量突破的潛力區，局部呈現單井見氣快，產水多，易應力敏感、氣產量上升緩慢等特點，表現為氣井堵水后產能乏力。后續建議結合臨興深部煤系天然氣井地質成藏特點和鄰井生產數據對LX-Y井的天然氣產能進行進一步系統評價，并做相應穩氣控水措施調整。

結合室內實驗和探討，對絨囊流體現場堵水作業特別是針對大尺度的人工裂縫出水和邊底水涌入情況，建議增加堵劑用量，或者提高現有體系中囊泡的數量，提高水的突破壓力梯度，實現穩氣控水。

3 結論

(1)室內證實絨囊流體堵水后氣體和模擬地層水的突破壓力不同，氣體的突破壓力梯度低于水的突破壓力梯度，絨囊流體堵水后增大了水的流動阻力，表現出穩氣控水能力。

(2)針對出水量大的層位，可以通過提高絨囊流體用量，或者提高體系中囊泡的單位體積的數量以提高封堵后水的突破壓力，實現穩氣控水。

(3)影響堵水后氣井產能因素眾多，受限于室內模擬條件，無法與現場施工條件完全匹配，氣井產能和施工工藝對單井產量的影響有待進一步驗證。