绒囊流体气藏控水实验研究

2022-05-25魏志鹏

石油化工应用 2022年4期

魏志鹏

（中海油田服务股份有限公司油田生产研究院，天津 300459）

气田水害问题对产能影响较大，如何控制产水量并保持产能稳定对气藏开发具有重要意义[1-5]。使用控水剂是气藏控水的一种重要手段，根据气层与水层的关系可将控水剂分为非选择性控水剂和选择性控水剂两类，当气层与水层明显分开时可以使用水泥浆、无机凝胶等非选择性控水剂，当气层与水层没有明显分开时必须使用聚合物、功能纳米流体等选择性控水剂，聚合物控水剂的使用早期主要是借鉴油藏的堵水经验，一些非离子型聚丙烯酰胺、磺化乙烯、乙烯酰胺等水溶性聚合物被国内外学者使用[6-8]，但是由于天然气黏度、毛管压力等特性的影响，这些聚合物的实际效果并不理想，据此Zaitoun 等[9]和Hassan 等[10]改进了聚合物交联技术，大幅度降低了水相渗透率，而对气相渗透率影响较小，现场也取得了很好的效果。纳米功能流体也在气藏控水中被使用，Lakatos I 等[11，12]通过实验研究了一种硅氧烷微乳液体系，并且也应用到现场，达到控水的效果。除上述主流控水剂以外，我国学者吴凯等[13]还提出了盐析的方法进行控水。虽然气藏控水方面的研究取得了一些进展，但是由于气藏条件复杂，不同控水剂仍然受适用条件和成本等因素影响，因此有必要开展更高效、低廉控水剂研究工作。

绒囊流体是在微泡钻井液基础上发展起来的一种高效封堵体系，目前在钻井、修井、压裂等方面取得了成功的应用[14-17]，但是在气藏控水领域仍然需要进一步探索和研究，本文利用绒囊流体开展一维岩心驱替实验，对绒囊流体控水效果进行评价，并结合核磁共振实验方法从微观孔隙结构角度对绒囊流体控水机理进行分析，为绒囊流体气藏控水提供理论依据。

1 实验材料

绒囊是由聚合物和表面活性剂自然形成的可变形材料，可根据井下条件，改变性能和形状全面封堵地层漏失通道，绒囊药剂主要由囊核、囊膜、囊层和囊毛定位剂组成[16]，首先在500 mL 清水中加入工业级成核剂2 g、成膜剂4 g、成层剂6.5 g、定位剂3 g，然后用高速变频无级调速搅拌机在10 000 r/min 下配制密度为0.94 g/cm3绒囊流体。利用黏土计测量其塑性黏度为45 mPa·s。其他实验流体为氮气和水。

选用人造砂岩岩样进行实验，在直径为3.5 cm 岩样上钻取直径为2.5 cm 的岩心，将岩样烘干并对物性参数进行测量，岩样基础参数（见表1）。

表1 岩样基础物性参数

2 实验方法

采用一维驱替实验设备对不同阶段岩心的渗流能力进行评价。测量岩心质量计算流体饱和度的方法只能得到岩样中流体数量变化的信息，不能反映岩样内部流体的分布变化，核磁共振技术可以对岩心内部流体分布特征进行描述，本次工作利用此技术对实验过程中的3 个阶段进行监测，具体实验步骤如下：

（1）初始气测渗透率测定：将干燥后岩样装入岩心夹持器中，恒压0.2 MPa 注入氮气，待出口氮气流速恒定后读取渗透率K1。

（2）水相渗透率测定：注入速度0.1 mL/min 注入地层水，待压力稳定后读取渗透率K2。取出岩样进行核磁分析。

（3）饱和水岩样气相渗透率测定：将饱和水岩样放入夹持器，恒压0.2 MPa 注入氮气，待出口氮气流量稳定后读取渗透率K3。取出岩样进行核磁分析。

（4）绒囊流体注入：为了模拟现场绒囊流体实际注入情况，从岩样出口端反向以速度0.1 mL/min 注入绒囊流体，注入时间设定为1 h。

（5）饱和绒囊流体后水相渗透率测定：将注入绒囊流体的岩样继续放入夹持器中，正向注入地层水，速度0.1 mL/min，待压力稳定后读取渗透率K4。

（6）饱和绒囊流体后气相渗透率测定：0.2 MPa 恒压注入氮气，待出口氮气流速恒定后读取渗透率K5，取出岩样进行核磁分析。

3 实验结果与讨论

3.1 实验过程中岩样端面变化

绒囊流体注入完成后，发现在绒囊流体注入端存在大量暗红色絮状物（见图1（a）），但是在后续的水驱和气驱完成后絮状物消失了（见图1（b））。绒囊流体是一种功能性流体，对于大孔和中孔具有较好的封堵作用，其机理主要是绒囊流体中的气囊膨胀对孔隙进行封堵，而对于小孔隙，由于囊核（气囊）与外部的高分子聚合物结合程度较弱，在剪切力作用下囊核与外部的高分子聚合物发生分离[18]，实验中注入端的絮状物就是绒囊流体中的高分子聚合物。由实验结果可以看出绒囊流体中的高分子聚合物在气体和水的作用下很容易被冲刷掉。

图1 注入绒囊流体方向岩样端面变化

3.2 岩样中流体分布特征

束缚水是一个相对的概念，随着条件的变化，束缚水也会变成可动水[19]。实验中利用核磁共振技术对初始饱和水、第一次气驱后以及驱替实验完成后三个条件下岩样中流体分布情况进行描述。100-7 岩样初始饱和水条件下峰值信号强度最高数值近3 000，第一次气驱水后含水饱和度迅速下降，残余水信号强度200以下，岩心中大量可动水排出，并且在0.4～2 ms 处分布有少量液体，与初始饱和水状态相比，弛豫时间分布左移，表明在气驱的作用下，岩样内部的水分布发生了变化，部分可动水在气体压力作用下分布到了更小的孔隙。驱替实验结束后，岩样中流体含量较高，峰值信号强度略高于初始饱和水状态（见图2）。

图2 100-7 岩样不同阶段内部流体变化

与100-7 岩样相比，100-2 初始饱和水峰值信号强度（接近600）相对较低，表明100-2 初始饱和水程度较低。气驱后信号幅度明显下降，表明孔隙中有大量的可动水排出，气驱后曲线整体呈现4 个小幅度峰值，峰值信号强度与100-7 相近，并且也存在明显的弛豫时间分布范围左移的现象，两块岩样中流体都具有较好的流动性。驱替实验完成后100-2 岩样中束缚流体总量与注入绒囊流体前气驱水后的状态相比明显增多，峰值信号强度略低于初始饱和水状态（见图3）。绒囊流体有效限制了水在两块岩样中的流动。

图3 100-2 岩样不同阶段内部流体变化

3.3 不同驱替条件下岩样渗透率

岩样100-7 和岩样100-2 在不同驱替条件下渗透率的变化（见图4）。100-7 岩样初始气测渗透率（K1）和初始水测渗透率（K2）都高于100-2，核磁实验结果中100-7 岩样在相同的弛豫时间范围内信号峰值幅度也相对较高，综上实验结果可以说明100-7 岩样中水可以进入的大孔隙也更多。在饱和水后气测渗透率（K3）方面，100-7 岩样渗透率恢复程度68.9%，与100-2（恢复程度97.4%）相比较低，由核磁实验结果可知，两块岩样残余水饱和度相近，由此可见，复杂多孔介质中不同类型孔隙对渗透率贡献存在差异，残余水在孔隙空间中的分布特征是决定水伤害程度的关键因素。

图4 不同驱替方式岩心渗透率变化

在饱和绒囊流体阶段，两块岩样在一小时后压力都上升到20 MPa 左右，表明绒囊流体对大孔隙较多的100-7 岩样中的大孔隙起到了较好的封堵作用。水驱绒囊流体实验中两块岩样渗透率（K4）变化差异较大，100-7 岩样水测渗透率高达217.6 mD，为初始气测渗透率近2 倍，表明在实验过程中岩样内部孔隙结构发生了变化，产生了有利于渗流的新孔隙，但是后续的气测渗透率值并没有明显的增大，由核磁实验结果可知，100-7 在驱替实验结束后岩样中残余了相对较多的流体，并且峰值信号强度较高，据此可以判断在K5的测量过程中，岩样中的绒囊流体对新产生的孔隙起到了二次封堵作用，后续K5的数值和补测水测渗透率值较低也证实了这一判断，绒囊流体对100-7 岩样的二次堵水率为95.5%。100-2 在饱和绒囊流体之后尽管气测渗透率下降了近60%，但是水测渗透率下降幅度更大，为99.1%，岩样端面的红色絮状物并没有对K5的影响较大，绒囊流体中的高分子聚合物对岩样端面的小孔隙具有一定的保护作用，避免了工作液侵入而形成伤害，绒囊流体起到了有效控水的效果。

油藏堵水主要利用堵水剂的亲水性进行选择性封堵，气藏堵水主要利用气-水的流动能力差异。岩石具有复杂的孔隙结构，孔隙半径分布也存在差异，与气体相比水只能在半径较大的孔隙中渗流，反向注入的堵水剂对有利水流动的大孔隙通道进行了封堵，因此也就有效限制了水的流动，达到控水效果。吴凯等[13]提出了一种盐析控水方法，并利用填砂管开展了一维驱替物理模拟实验，堵水率为6%，盐析的方法控水效果比较有限。刘晖等[20]针对海上油田开展了泡沫堵水研究，同样利用填砂管模型进行控水效果物理模拟，堵水率为97.8%，与本次实验中的100-2 岩样堵水效果接近，但是泡沫堵水剂也在实验中暴露了有效期短、稳定性差的特点。Zaitoun 和Hassan 等[9，10]利用堵水剂在注入后产气的特点，不仅起到了堵水的效果，并且在产气过程中形成了一些有利于气体渗流的通道，在室内研究中不仅降低了水测渗透率而且对气测渗透率影响较小。绒囊流体具有自然降解的特性[21]，开发过程中随着地层压力的下降，水流动动力条件变弱，绒囊流体的降解会为气体渗流提供贡献，绒囊流体在实际应用效果会优于室内实验分析结果。与传统聚合物和功能纳米流体控水剂相比，绒囊流体是基于研究微泡钻井液发展起来的封堵剂，现场不需要添加附加设备，具有成本低、操作简单的特点。此外由于储层岩石的复杂性，在施工过程中岩石内部孔隙结构的破坏会对控水效果产生较大影响，本次实验中100-7 岩样在实验中也出现了类似现象，并且在实验中表现出较好的二次封堵的功能。