孟尚志

中聯(lián)煤層氣有限責任公司

臨興地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣，其上古深部煤系地層微裂縫發(fā)育但產(chǎn)量不高［1］，儲層改造是天然氣井增產(chǎn)的必要措施［2］。改造后深部地層出水是導(dǎo)致天然氣井單井產(chǎn)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?。?］，且氣井堵水工藝的復(fù)雜性，致使氣井堵水作業(yè)整體難度較大［5］。因此，選擇合理的氣井堵水技術(shù)，實現(xiàn)氣井控水過程中控水穩(wěn)氣是堵水成功后氣井產(chǎn)能提升的關(guān)鍵因素。當前氣井堵水整體處于起步階段，室內(nèi)和理論研究基本完善，但有關(guān)堵水應(yīng)用評價的爭議不斷［6］，室內(nèi)探討有待進一步深入。

LX-Y天然氣井位于臨興地區(qū)，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(lián)探并采［8］。試井過程中產(chǎn)氣不高且伴隨大量出水，現(xiàn)場選擇絨囊流體堵水，作業(yè)4 d，試采8 d后中止。數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用絨囊流體堵水后，日實際產(chǎn)水量由82.97 m3降至42.03 m3，單位壓差產(chǎn)水由11.35 m3/MPa降至2.83 m3/MPa；日產(chǎn)氣量由300 m3/d增至394 m3/d?？傮w來看，應(yīng)用絨囊流體堵水后，LX-Y井單位壓差產(chǎn)水下降75.8%，氣井產(chǎn)能提升不明顯。針對這一現(xiàn)象，業(yè)內(nèi)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(chǎn)能低；(2)地層中自身產(chǎn)能高，但是被絨囊堵?。?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(shù)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(xiàn)穩(wěn)氣控水。

絨囊流體是一種能自適應(yīng)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(yīng)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(wěn)油控水［15］、氣井修井［16］和輔助聚合物驅(qū)油［17］等領(lǐng)域，但有關(guān)絨囊流體封堵后氣水的突破能力室內(nèi)尚未進行系統(tǒng)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(wěn)氣控水的重要依據(jù)，也是回答上述有關(guān)絨囊流體堵水提高氣井產(chǎn)能爭議的關(guān)鍵論據(jù)。為此，室內(nèi)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(zhì)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(zhì)、人工裂縫和邊底水涌入等3類不同尺度產(chǎn)水通道中的穩(wěn)氣控水能力。

1 室內(nèi)實驗

臨興深部煤系儲層滲透率為(0.01～0.03)×10-3μm2，呈現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)水通道中的穩(wěn)氣控水能力,室內(nèi)分別以基質(zhì)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(chǎn)水通道和人工裂縫等大尺度產(chǎn)水通道，利用物模方法開展絨囊流體封堵基質(zhì)巖心及人工裂縫巖心“突破壓力-流量”實驗。

現(xiàn)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(nèi)量取10 000 mL去離子水，分別稱取上述質(zhì)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(zhì)參數(shù)符合現(xiàn)場性能參數(shù)范圍。

圖1 室內(nèi)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(zhì)，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(zhì)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(wěn)氣控水能力，討論絨囊流體堵水提高單井產(chǎn)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(jīng)抽真空加壓飽和、充分飽和模擬地層水后，在圍壓3 MPa，驅(qū)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(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析與討論

基于LX-Y井試采過程絨囊堵水評價爭議，結(jié)合室內(nèi)研究，評價絨囊流體在基質(zhì)孔隙、人工裂縫和邊底水涌入等情況的穩(wěn)氣控水能力，分析絨囊流體堵水過程中的穩(wěn)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(zhì)出水

實驗測得絨囊流體封堵3枚基質(zhì)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(guān)性。史勝龍等在研究微泡沫直徑與地層孔隙直徑的匹配關(guān)系中認為巖心滲透率與平均孔隙直徑相關(guān)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(qū)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(zhì)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(nèi)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(zhì)裂隙。且聚合物膜對水產(chǎn)生流動阻力，幾乎不影響氣的流動，實現(xiàn)對基質(zhì)巖心的堵水穩(wěn)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(zhì)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(chǎn)水通道時，絨囊流體是以囊泡堆積的形式實現(xiàn)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(xiàn)為氣水的突破壓力梯度有差值，但相差不大?，F(xiàn)場應(yīng)用過程中，遇產(chǎn)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(shù)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(xiàn)穩(wěn)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(zhì)孔隙出水和人工裂縫出水的特征。

結(jié)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。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(jié)合室內(nèi)研究得出，絨囊流體通過聚合物纏繞成膜能封堵基質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)能依然不高，故而出現(xiàn)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(fā)育區(qū)為深煤系層單井產(chǎn)量突破的潛力區(qū)，局部呈現(xiàn)單井見氣快，產(chǎn)水多，易應(yīng)力敏感、氣產(chǎn)量上升緩慢等特點，表現(xiàn)為氣井堵水后產(chǎn)能乏力。后續(xù)建議結(jié)合臨興深部煤系天然氣井地質(zhì)成藏特點和鄰井生產(chǎn)數(shù)據(jù)對LX-Y井的天然氣產(chǎn)能進行進一步系統(tǒng)評價，并做相應(yīng)穩(wěn)氣控水措施調(diào)整。

結(jié)合室內(nèi)實驗和探討，對絨囊流體現(xiàn)場堵水作業(yè)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(xiàn)有體系中囊泡的數(shù)量，提高水的突破壓力梯度，實現(xiàn)穩(wěn)氣控水。

3 結(jié)論

(1)室內(nèi)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(xiàn)出穩(wěn)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(shù)量以提高封堵后水的突破壓力，實現(xiàn)穩(wěn)氣控水。

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