煤层气储层水锁伤害影响因素及防治措施研究

2020-01-09续化蕾李焕文王云飞王天赐

钻采工艺 2019年6期

续化蕾, 李焕文, 王云飞, 李欢, 王天赐, 冯斌

(1长江大学石油工程学院 2中石油煤层气有限责任公司工程技术研究院 3中国石油青海油田采油一厂采油工艺研究所 4玉门油田分公司老君庙采油厂)

作为一种非常规能源，煤层气的勘探开发研究受到越来越多的关注[1-3]。煤储层通常具有低孔、低渗、低压以及微裂缝发育等特点，因此，在外来流体进入煤储层时，极容易引起水锁伤害，从而影响煤层气的渗流能力，对煤层气的高效合理开发产生严重的影响[4-5]。近年来，国内外学者针对低孔、低渗油藏水锁伤害的研究较多[6-12]，而对煤层气储层水锁伤害的研究及报道相对较少，煤层气储层水锁损害的主要影响因素及防治措施相对不够完善[13-14]。笔者以鄂尔多斯盆地某煤层气储层为研究对象，主要评价了煤样含水率、渗透率、表面润湿性以及入井流体表面张力对煤层气储层水锁伤害的影响，并在此基础上，开展了煤层气储层水锁防治措施的研究及现场试验。

一、煤层气储层水锁伤害影响因素

1. 煤样含水率对水锁伤害的影响

参照文献[14]的实验方法，将煤样处理成不同的含水率，测定煤样含水率对煤层气储层水锁伤害的影响。煤样的初始渗透率相同，均为0.46 mD，煤样表面的润湿性相同，接触角均为25°，入井流体的表面张力均为64.3 mN/m。

由实验可知，随着煤样含水率的不断升高，水锁伤害率也逐渐增大，煤储层伤害程度趋于严重。当煤样含水率达到50%时，水锁伤害率可以达到52.2%，为强水锁。这是由于入井流体的侵入对煤储层的渗流能力具有很强的阻碍作用，当煤储层含水率较小时，毛细管阻力较弱，水锁对煤储层的渗流能力影响较小；随着含水率的增大，入井流体将煤储层孔隙中的气体逐渐推向深处，形成较大的毛细管阻力，孔隙内外之间的压差不足以克服这种阻力，严重阻碍了煤层气的解吸和渗流，水锁伤害程度增大。

2. 煤样渗透率对水锁伤害的影响

使用不同初始渗透率的煤样，测定煤样渗透率对煤层气储层水锁伤害的影响[14]。煤样含水率均为50%，煤样表面的润湿性相同，接触角均为25°，入井流体的表面张力均为64.3 mN/m。实验结果见表1。

表1 煤样渗透率对水锁伤害的影响

由表1可知，随着煤样初始渗透率的逐渐增大，水锁伤害率减小，煤储层初始渗透率对水锁伤害程度的影响较大。这是由于煤储层渗透率越大，孔隙半径也较大，即入井流体对煤层气渗流能力的阻碍作用减弱，水锁损害程度下降。

3. 煤样润湿性对水锁伤害的影响

将煤样表面处理成不同的润湿性，测定煤样润湿性对煤层气储层水锁伤害的影响[14]。煤样初始渗透率相同，均为0.46 mD，煤样含水率均为50%，入井流体的表面张力均为64.3mN/m。实验结果见表2。

表2 煤样润湿性对水锁伤害的影响

由表2可知，随着煤样表面接触角的逐渐增大，水锁伤害率逐渐减小，即煤样表面越疏水，水锁伤害程度越小。这是由于毛细管力的大小与煤样表面接触角大小呈反比，因此，为了降低水锁对煤层气储层的损害程度，应尽可能改变煤储层表面的润湿性，增大接触角，使其更加疏水。

4. 入井流体表面张力对水锁伤害的影响

加入不同量的表面活性剂降低入井流体的表面张力，测定入井流体表面张力对煤层气储层水锁伤害的影响[14]。煤样初始渗透率相同，均为0.46 mD，煤样含水率均为50%，煤样表面的润湿性相同，接触角均为25°。实验结果见表3。

表3 入井流体表面张力对水锁伤害的影响

由表3可知，随着入井流体表面张力的降低，水锁伤害率逐渐减小。这是由于毛细管力的大小与入井流体的表面张力大小呈正比，因此，为了降低水锁对煤层气储层的损害程度，应尽可能的降低入井流体的表面张力。

二、煤层气储层水锁防治措施研究

目前，国内外针对水锁防治措施的研究及应用较多，包括注气、加热、增大生产压差、酸化压裂和加入防水锁剂等措施[15-16]，其中在入井流体中加入防水锁剂是防止煤层气储层水锁伤害最有效的措施，防水锁剂能够通过降低溶液表面张力、改变煤岩表面润湿性以及减少煤岩自吸水量等方式来降低水锁伤害程度。针对煤层气储层水锁伤害因素研究结果，开展了防水锁剂的优选及性能评价工作。

1. 防水锁剂优选

室内使用A601型-全自动表/界面张力仪开展了防水锁剂的优选工作。

表4 防水锁剂优选实验结果

注:空白溶液的表面张力为64.3 mN/m。

由表4可知，模拟地层水中加入不同类型的防水锁剂后，溶液的表面张力呈现出不同程度的下降现象，其中防水锁剂HRJ-D的效果最好，当其加量为0.5%时，表面张力可以降低至20 mN/m以下。降低表面张力能够明显减少煤层气储层水锁伤害程度，因此，选择HRJ-D作为煤层气储层的防水锁剂。

2. 防水锁剂性能评价

2.1 对接触角的影响

将煤样放置在0.5%HRJ-D溶液中充分浸泡一定时间后取出，烘干后使用PT-705-B型视频光学接触角测量仪测定模拟地层水在防水锁剂溶液处理后煤样表面的接触角大小，并与未经处理的空白煤样表面的接触角进行对比。

对比结果看出，模拟地层水在未处理煤样表面的接触角较小(26.1°)，水润湿性较强；而在0.5%HRJ-D溶液浸泡后的煤样表面的接触角明显增大(74.3°)，润湿性由水湿向油湿方向发生了转变。这是由于防水锁剂HRJ-D能够吸附在煤样表面，形成一层憎水膜，增大了煤样表面的疏水性，使水溶液不容易进入煤样深部，从而降低水锁造成的伤害。

2.2 对煤样自吸水量的影响

通过研究防水锁剂处理前后的煤样自吸水量大小，来评价防水锁剂的效果。将煤样使用0.5%HRJ-D溶液充分浸泡一段时间后取出，烘干，测定不同时间的自吸水量，并与未经处理的空白煤样的自吸水量进行对比。实验结果见图1。

图1 防水锁剂对煤样自吸水量的影响

由图1可知，未经处理的煤样200 min自吸水量为2.58 g，而经过0.5%HRJ-D防水锁剂溶液处理过的煤样200 min自吸水量为0.32 g，自吸水量显著下降。这是由于防水锁剂HRJ-D能够在煤样孔隙表面吸附成膜，使表面产生疏水特性，较大程度的降低了毛细管力作用，使液相难以通过自发渗吸的方式进入煤样内部，能够有效防止入井流体侵入对煤储层造成水锁损害。

2.3 降低水锁伤害能力

0.5%HRJ-D溶液侵入煤样后对渗透率的损害情况和防水锁效果与空白煤样作对比，煤岩初始渗透率均为0.46 mD。实验结果见图2。

图2 防水锁剂HRJ-D降低水锁伤害能力实验结果

由图2可知，使用模拟地层水作为入井流体侵入时，煤样的渗透率随着含水率的升高呈明显下降趋势，渗透率损害率较大；而使用0.5%HRJ-D溶液作为入井流体侵入时，煤样渗透率随含水率的上升变化不大，说明防水锁剂HRJ-D起到了良好的防水锁伤害效果。这是由于防水锁剂HRJ-D能够通过降低溶液表面张力、增大接触角(改变润湿性)等方式来降低毛细管阻力，有效防止入井流体侵入煤储层时水锁现象的发生，从而为煤层气的高效合理开发提供保障。