气井化学控水研究进展与挑战及对策探析

关键词：气井；控水材料；控水机理；适应性；分离膜

引言

中国天然气资源储量丰富、分布广泛，是国家重要战略资源。加快天然气勘探开发是实现“双碳”目标和“美丽中国”的关键。然而，目前中国已开发气藏产水严重，若产水气藏采收率提高1 个百分点，相当于鄂尔多斯、四川和塔里木3 个大型气田1 年的产量[1 2]，因此，气井控水有较强的现实意义。

气藏中的水根据存在形式可分为孔隙水、夹层水和边底水[3]。气藏中的孔隙水随地层压力的下降而被岩石或水体挤出，导致气水同产。此时产水量小，产气稳定，可在合理生产压差下带水生产；而气藏中含水夹层一旦产水，则水气比迅速上升，伴有“气大水大、气小水小”的特点[4]，可根据需求采取控水措施；气藏中的边底水在衰竭式开采时极易沿裂缝带或高渗条带窜进，见水迅速，产水量大，极易因水锁、卡断及绕流等造成水封气现象，需迅速采取控水措施。

针对夹层水和边底水诱发的产水问题，当前处理手段包括井筒中排水采气和地层中的化学控水。排水采气通过助排剂或人工举升排出井筒积液，在地面实现气液分离[5]。该方法面临以下问题[6]：1）当井型以水平井、大斜度井等复杂井为主时，施工难度大、成本高；2）单井产量低、递减快时，排采难度加剧；3）低压低产气井控水不能将排水采气作为长期有效的措施；4）对于气水分布复杂的储层，尚未形成经济适用的排水采气配套技术。总体来说，排水采气治标不治本、实施效果差异大、污染大[7 8]、成本高[9]。而化学控水通过向地层注入化学剂深入到内部“调理”气、水两相流动能力，从根本上解决产水问题[10 12]。气井化学控水可进一步分为选择性控水和非选择性控水。非选择性控水材料主要有水泥、无机类体系，一般用于气水界面明显、非同层出水段封堵[5]，不具备DPR 能力；选择性控水材料主要为聚丙烯酰胺类物质等，具备一定的气水选择性，可在一定程度上实现对水相渗透率降低幅度大于气相渗透率降低幅度。

20 世纪60 年代中期美国堪萨斯州油田首次采用聚丙烯酰胺进行油井选择性堵水[13]、70 年代美国科罗拉多州气田同样利用聚丙烯酰胺实施气井选择性堵水[14]。60 多年来，国内外气井化学控水大多借鉴油井堵水思路及材料（表1），目前，已经发展了聚合物及其凝胶、相渗调节剂（Relative PermeabilityModifier，RPM）、功能流体和泡沫类堵剂。

然而，当前气井控水研究与应用并不普遍，导致业界普遍认为气井化学控水风险较高[31]。这主要是因为与油藏相比，气藏具有不同的物理特性以及较为特殊的开采特征，即气藏渗透率、孔隙度较低；气藏孔喉半径小，毛管力对水相滞留作用强；气体密度、黏度低且随压力变化明显；气藏多以天然能量开采；堵剂对油、气和水敏感性不同。上述特征均导致气井控水机理和适应性与油井存在较大差异。因此，亟需提高对气井控水材料、作用机理和储层适应性的系统认识。本文综述了近60 年来气井化学控水主要方法，包括聚合物及其凝胶、RPM、功能流体以及泡沫类堵剂的研究进展，分析了不同堵剂的选择性控水机理、应用效果及储层适应性。

1 聚合物及其凝胶控水

聚合物类堵剂主要包括聚合物和聚合物凝胶，该类堵剂是当前气井化学控水的主要材料，成本低、见效快[31 34]，通常可实现对天然气封堵率低于水相[31，35]，实现DPR。

1.1 常用材料

1.1.1 聚合物

聚合物控水体系主体材料为丙烯酰胺类聚合物，包括聚丙烯酰胺类（含三元共聚物[36]）和聚丙烯腈类。聚丙烯酰胺类堵剂最早应用于油藏堵水，后被产水气藏借鉴，以部分水解聚丙烯酰胺（HPAM） 水溶液为主[37]。聚丙烯腈类堵剂以水解聚丙烯腈（HPAN）的应用最为广泛，其分子链上羧基与多价金属离子（Ca2+、Mg2+）反应可生成丙烯酸盐沉淀，从而减小水相流动通道，适用于高矿化度储层。此外HPAN 还可与磷酸氢二钾、氯化钙及水玻璃等共混形成控水体系，如HPAN 与水玻璃、硝基木质素控水体系（水玻璃质量分数7.0%∼10.0%、水解聚丙烯腈1.0%∼2.5%、硝基木质素5.0%∼7.0% 与水），该体系黏度低、易泵送，适用于低渗储层[38]。三元共聚物主要有德国HOECHST AG 生产的磺化乙烯、乙烯酰胺和丙烯酰胺（VS、VA 和AM）三元共聚物[15，39]，不仅能有效实现DPR，且耐温（150 ◦C）、耐盐、耐剪切，在低渗储层中具有较好注入性能。需要注意的是，此处的聚合物堵剂不包括下文RPM 中包含的水溶性聚合物RPM 体系。

1.1.2 聚合物凝胶

聚合物凝胶是由聚合物和交联剂通过交联反应制得的控水体系[40]。交联剂可分为无机交联剂和有机交联剂，无机交联剂主要有Cr（III）和Al（III）等，有机交联剂主要有甲醛、六亚甲基四胺、水溶性酚醛树脂和聚乙烯亚胺（PEI），还包括苯酚、间苯二酚、对苯二酚等与醛类或其衍生物复合产物[41 45]，主体聚合物大多以丙烯酰胺类为主。

针对高温高矿化度环境，Dovan 等[14] 将聚丙烯酰胺（PAM）与重铬酸盐或硫代硫酸盐复配，该凝胶可在59 ◦C的海水中稳定。Hutchins 等[46] 研发的PAM 有机凝胶耐温148 ◦C，海水中可稳定5个月且耐氧化降解，适用于裂缝性碳酸盐岩气藏和砂岩气藏。林仁义等[47] 针对中国西北地区深层高温高盐砂岩气藏产水问题，研制了丙烯酰胺微胶体系WJ 1，该体系可在高温下二次交联，耐温140 ◦C、耐盐23.33×104 mg/L。针对低渗高含水环境，王江帅等[48] 将PAM 与Cr（III）复配，形成的凝胶体系对水相封堵率大于80%，对气相封堵率小于20%。针对高渗层出水低渗层产气问题，冯兵等[49] 利用AM、改性淀粉、高价金属交联剂及引发剂构建了淀粉接枝弱凝胶体系，对水相封堵强度大于20 MPa/m，对气相无明显封堵。针对高孔高渗储层，曲占庆等[50] 采用HPAM 与有机铬凝胶体系封堵边水，实验发现其对岩芯封堵率大于97%，对气相封堵率小于30%。针对裂缝性或强非均质储层，Mattey 等[51] 将聚合物与有机交联剂（六亚甲基四胺与对苯二酚）复配形成的凝胶体系可应对窜槽和裂缝连通造成的产水问题。此外，Hamza等[52] 提出使用高分子量聚合物凝胶封堵溶蚀或天然裂缝带出水层、低分子量聚合物凝胶封堵微裂缝出水层，这样既可缓解指进现象，又可降低凝胶滤失后形成刚性滤饼的概率。同时，为减少恶劣储层环境对凝胶成胶性能影响，可注入成熟凝胶提高其稳定性和控水效果，如Bai 等[53] 研发的预交联凝胶，该体系具有流动性强、耐温耐盐性高（耐温120 ◦C、盐水中膨胀200 倍）的优势。

此外，可利用增强基质（如纳米材料等）与聚合物高分子链的特异性吸附及排斥作用，进一步增加聚合物凝胶体系的耐温耐盐性及强度[54]。如纳米SiO2 可通过电性和氢键作用吸附在两性聚合物带正电的疏水基团上，使聚合物分子亲水端自然舒张，形成分子刷参与交联反应，提高了聚合物的利用率及与交联剂的交联位点[55]，增强了溶液的空间网络结构强度[56]。然而，该方法也使气相更难突破凝胶层，如易俊等[57] 研发的丙烯酰胺、丙烯酰吗啉和乙烯吡咯烷酮三元共聚物（APR）、PEI 与改性氧化铝纳米颗粒复配的控水体系对水相封堵能力为气相的5倍，但在复产初期气相难以突破凝胶堵剂，这可能是由于没有优选纳米材料及用量导致的。上述聚合物及其凝胶体系的配方及性能如表2 所示。

1.2 控水机理

根据作用对象，可将聚合物及其凝胶控水主流机理分为3 方面：即对水相的阻力效应、对气相的“变形”和惯性效应（图1）以及对气水两相的润滑效应。

以Zaltoun 等[58] 为代表的学者认为，对水相的阻力效应是基于聚合物及其凝胶的亲水性及吸水膨胀性：堵剂注入后吸附在岩石表面，水相贴近吸附层流动且聚合物吸水膨胀，对水相产生阻力效应，而气相可在通道中心自由流动，实现了DPR。然而，Zaltoun 等仅通过堵剂过水和气前后的宏观现象解释选择性控水机理，并未深入到微观层面，因此，可进一步观察控水前后微观束水网状结构[59]，从物理及化学角度解释控水机理。

Seright 等[35] 认为，堵剂体系成胶后气、水相渗透率均较低，但在同压差下气相流速大于水相而造成的气相首先冲破堵剂，使其“变形”，最终形成气流通道，实现了控水通气。Elmkies 等[60] 和Blanchard等[61] 提出了高流速、大流量情况下气体惯性效应会影响DPR 的观点：聚合物吸附层表面光滑，减少了气体流经时的粗糙度和弯曲路径，从而使惯性阻力系数降低，有利于气相流动。

而Al-shajalee 等[62] 认为，气水两相的润滑效应控制着凝胶的DPR 行为，即聚合物及其凝胶主要对润湿相（水相）相对渗透率降低明显，而对非润湿相（气相）相对渗透率影响不大。

综合来看，对水相的阻力效应、对气相的“变形”和惯性效应、对气水两相的润滑效应普遍被学者们认同。实际上，遇水阻力效应和遇气变形可能存在于同一过程中，微观上均表现为三维束水网状结构的变化，而变化原因不同：遇水时由于吸水膨胀变形，宏观上表现为对水相阻力增加，产生阻力效应；遇气时气相冲破堵剂使其变形。

1.3 应用案例

1.3.1 聚合物应用案例

本文调研了聚合物堵剂应用案例，如表3 所示。

20 世纪七八十年代，气井控水材料多为单一聚合物，以丙烯酰胺类为主。最早的聚合物气井堵水试验于1977 年在美国科罗拉多州气田试行，但处理后该井迅速停产[14]。随后，法国Verena 气藏[58] 实施了丙烯酰胺与丙烯酸酯共聚物溶液和PAM 共聚物控水，该聚合物在高矿化度水中收缩、低矿化度水中舒张，可改变气水相对渗透率，实现了DPR。

聚合物如HPAM 等作为堵剂单独使用时，能够适应的储层温度和矿化度有限。这是因为高温下HPAM 会发生明显的分子降解和水解作用。虽然可通过杀菌或除氧等方法抑制部分HPAM 分子降解（如在法国Verena 地区将甲醛作为预处理液），但HPAM 的高温水解不可抑制。此外，高矿化度时HPAM 黏度下降明显[63 64]，对水相阻力减弱。PAM亦存在此类问题。

为解决该问题，可引入活化剂或利用三元共聚物或改性三元共聚物大幅提高HPAM 及PAM 的耐温耐盐性能。其中，活化剂作为聚合物稳定剂或与聚合物分子链形成络合物[65]，增加了体系的耐温性，如加拿大Wales 气井[66] 利用PAM 溶液有效解决了地层水锥进问题。当采用三元共聚物或改性三元共聚物时，其相互缠绕构成的三维网状结构更加牢固，体系在高温高矿化度下更稳定，如德国北部某气藏应用VS、VA 和AM 三元共聚物控水后，气井生产性能良好，产水由原来的90 m3/d 降至1 m3/d 以下，产气量恢复到105 m3/d 以上[15]；德国西部地区气田[67] 采用低分子量部分磺化丙烯酰胺三元共聚物控水，处理后气水比（Gas-Water Ratio，GWR）增加了5 倍。

综上，在高温、高矿化度气藏控水时可采用“预处理液+ 改性聚合物”的处理方式。由于矿场常用的聚合物堵剂体系（如PAM、HPAM）普遍存在黏度高、阻力系数大等问题，在低渗或低产能气藏条件下极易将气水两相“堵死”。而三元共聚物或改性三元共聚物分子量相对较小、黏度低，在低渗储层处理效果较好。

1.3.2 聚合物凝胶应用案例

聚合物凝胶形成过程中，聚丙烯酰胺基聚合物的酰胺基团与有机交联剂发生共价键合，提高了分子链的刚性、增加了交联位点[68]；与无机交联剂反应时先分子内交联成单分子球再分子间交联成网状结构，增加了空间稳定性[69]。

相较于聚合物堵剂，聚合物凝胶耐温耐盐性更高。在处理高温高盐产水气藏时，聚合物凝胶成功应用于印度尼西亚East Kalimantan Peciko 气田[69]、墨西哥湾East High Island 285 气田[14]、中国青海台南气田[18]、印度Bassein 气田[70] 及美国俄克拉何马州某气田[20] 等地，如表4 所示。

同样，聚合物凝胶黏弹性和耐冲刷性更强。如在处理裂缝性产水气藏时，英国不列颠Sukunka[17]油田利用铬凝胶处理后WGR 降低约75%，产气率增加50%（表4）。

值得一提的是，Bach 等[71] 发现聚合物无机交联剂[如Cr（III）]凝胶体系高温时易水解沉淀，析出的交联剂在注入过程中无法到达流动前缘，缩短了作用深度、DPR 效果变差。所以高温条件下建议优选有机交联剂。

1.4 适应性分析

总体而言，聚合物及其凝胶主要适用于中孔中渗高孔高渗储层。由于聚合物分子间连接强度低，导致其耐温耐盐性和耐冲刷性较差，封堵强度较低，不适用于裂缝性储层。而在高温储层，建议向地层注入预处理液（如冷水、活化剂等）或使用改性聚合物。

聚合物凝胶引入交联剂后，耐温耐盐性、承压能力和耐冲刷性等均得到提升，可应用于高温高矿化度、裂缝性等复杂产水气藏。但在特高含水情况下，凝胶渗吸后剪切稀释行为加剧、残余气饱和度下降易降低DPR 效果[61]。

同时，为降低聚合物凝胶将气水两相“堵死”的可能，可采用改进聚合物交联技术（酸产生气体通道、原位产生气流通道及外部诱导产生气流通道），使其在交联过程中重新建立气体渗流通道[14]，达到选择性控水目的。

2 相渗调节剂控水

2.1 相渗调节剂控水常用材料

相渗调节剂是一种大幅降低水相渗透率而对气相渗透率影响较小的材料。其可分为两类：一类是水溶性聚合物RPM 体系，该类RPM 体系比大部分聚合物及聚合物凝胶堵剂黏度更低、注入性更好、流动性更强，可认为是聚合物及聚合物凝胶堵剂的发展；另一类是含氟RPM 体系，多为氟碳表面活性剂。

水溶性聚合物常被单独作为一种RPM 类堵剂研究和应用，较多学者认为部分聚合物及聚合物弱凝胶[72] 为RPM。Chen 等[22] 将HPAM 1 与HPAM 2 作为RPM，利用其在孔壁上形成的平滑亲水性吸附层降低水相流动性，实现“控水通气”。Pietrak 等[73] 报道的磺化丙烯酰胺RPM 体系不仅有效减小了水流通道尺寸、增加了水相流动阻力且耐温98 ◦C。Campbell 等[74] 合成的亲水性三元共聚物STP 能有效处理高温（gt;149 ◦C）、高盐及高流速的砂岩产水气藏，具有较强的气水选择性。另外，Eoff 等[75] 开发出了接枝甲氧基聚乙二醇（MPEG）聚合物骨架的刷状RPM，该堵剂在高矿化度下稳定，可应用于产水砂岩和碳酸盐岩气层。

含氟RPM 体系主要通过将液湿岩石转变为气湿实现DPR。Jin 等[76] 采用氟表面活性剂FG40 改性的纳米二氧化硅使岩石由液湿转变为气湿，增加了过水阻力，有利于凝析气藏开发。Liu[23] 等研发的WA12 氟碳表面活性剂RPM 体系不仅热稳定性高、化学稳定性强、憎水性显著且耐温170 ◦C、耐盐7×104 mg/L。Wang 等[77] 发现含氟表面活性剂FG24 可使岩石变为气湿，气相相对渗透率和气体流量可提高25% 以上，且具有较高的热稳定性（耐温120 ◦C）。表5 总结了常见RPM 控水体系及其性质。

2.2 相渗调节剂控水机理

RPM 选择性控水机理与润湿性关系密切。与聚合物凝胶相比，水溶性聚合物强度远低于凝胶，但RPM 不主要依靠体系强度实现控水，而是吸附在岩石壁面后，使岩石向亲水方向转变，依靠吸水膨胀性、拖拽作用等增加对水相的阻力；含氟RPM体系则使岩石向气湿方向转变，减少水相聚集，增加毛管力[78]，实现DPR。

以Chen 等[22] 和Kabir[79] 的研究为例，水溶性聚合物类RPM 在岩石孔隙通道壁面形成吸附层，该吸附层不仅减小了水流通道有效尺寸，通过物理阻挡限制了水相流动，还增大了对水相的拖拽作用。Zaitoun 等[80] 将此现象归因于“壁效应”。此外，Liang 等[81] 从聚合物凝胶与润湿相及非润湿相关系出发，提出了壁效应和凝胶液滴的联合模型：如果凝胶是由润湿相制备，可用壁效应模型解释DPR，如果凝胶是由非润湿相制备，则可用凝胶液滴模型解释，该研究结果可指导RPM 的选择与制备。

在含氟RPM 体系中，氟碳分子间的作用力很小，具有极低的表面能，有利于形成疏水表面，减小水相润湿，增加气相润湿。Zhang 等[82] 研究发现将此类RPM 注入岩芯后，润湿性由强水湿变为弱水湿（图2），减小了侵入和滞留在气层中的水量；Karandish 等[83] 则将岩石表面由原本的水湿改为气湿，显著提高了孔隙通道入口毛管力，与处理前相比水通量大幅降低，亦提高了气相相对渗透率。此外还有学者将含氟RPM 体系吸附在岩芯后使其润湿性从水湿分别向中等气湿及超气体润湿转变，使岩石润湿性反转，其主要控水机理为吸附到岩石内壁后疏水基团暴露在外，直接与孔隙流体接触，使亲水性岩石表面转变为疏水，改变了储层润湿性，通过降低孔喉尺寸控制了水相渗流状态，减少了侵入气层的水量，减弱了储层水锁效应，推迟了见水时间，提高了气藏生产能力。

2.3 相渗调节剂控水应用案例

水溶性聚合物RPM 具有一定的耐温性，在产水气藏中的应用大多集中于低孔、中渗气藏，如Lunyu气藏W 区块[22]、加拿大某气井[84] 和美国内布拉斯加州Grand Island 气田[73]。三者经处理后产水降幅明显，释放了气相通道，有利于气相产出。含氟表面活性剂中由于氟碳键的存在使其稳定性增加，扩大了水溶性聚合物RPM 的温度适用范围。其分子量更小、注入性更好，可深入低渗、致密气藏内部控水，降低水锁伤害，如美国犹他州Natural Buttes 气田[85] 和中国河南东濮凝析气藏[23]。具体应用效果见表6。

2.4 相渗调节剂控水适应性分析

RPM 堵剂体系溶液黏度低、流动性强，在低渗、致密气藏中应用效果较好，但其弱强度、低耐冲刷性限制了其使用条件。同时，Kalfayan 等[84] 认为RPM 可处理含水率高的气井，但不适用于裂缝性气藏。此外，Eoff 等[75] 和Botermans 等[86] 认为RPM在层间无窜流、产烃区无水相流动及高渗产水、低渗产烃的层状均质储层有较好的DPR 效果；而齐自远等[87] 提出RPM 在储层岩石表面的吸附能力是评价其是否有效的重要指标，由此可更多关注其与岩石表面的电性关系，更好地实现DPR。

虽然部分学者认为RPM 处理时存在低产气量、见效时间长[84]、处理效果受储层环境和施工工艺影响大[73，86] 等问题，但可通过与压裂等增产措施或改进施工工艺等配合使用，提高选择性控水效果。此外，RPM 极可能优先吸附于产水储层富黏土区而使处理深度受限[87]，对此可在预处理液冲洗地层后注入RPM 体系，延长RPM 作用深度。

3 功能流体控水

近年来，针对复杂气藏（如凝析气藏、强非均质气藏等）控水相继开发了纳米流体、微乳液等控水剂。这些体系不仅黏度低、微粒尺寸小且绿色环保。

3.1 常用材料及应用效果

常见功能流体控水材料及应用案例效果如表7所示。

纳米流体控水剂由于其特殊的性质正逐渐走入更多人视线。其研制及应用包括纳米乳液、纳米活性油等。罗明良等[88] 制备的以氨基聚硅氧烷与脂肪酸甲酯磺酸钠（MES）为主要原料的纳米乳液与致密岩芯孔喉尺度匹配良好，且处理后水相相对渗透率降低超60%。孙翔宇等[89] 研制的纳米活性凝析油，适用于高温（140∼150 ◦C）高盐（20×104 mg/L）边底水凝析气藏，经岩芯实验发现该体系使岩芯产水率降为封堵前的1/9。杨利萍等[26] 研制出的纳米颗粒活性油控水剂在塔河气田控水试验中，使单井产气量增加7.0×104 m3/d，含水率降低75%。值得一提的是，研究发现有机硅化合物能极大地改变毛管力和渗吸速率，降低水相进入孔隙喉道的概率，有效抑制“水锁”效应[90 91]。如孙厚台[92] 制备的改性氨基硅油纳米控水材料与低渗岩芯孔喉尺度匹配良好（微粒中值粒径30.2∼84.2 nm），耐温80 ◦C，使岩石由亲水变为疏水，有效抑制岩石渗吸（经处理后岩芯吸水量降低达27.2%∼31.3%），实现了控水稳气。

此外，纳米流体中的典型体系还包括纳米二氧化硅流体，其由胶体纳米二氧化硅和活化剂组成，具有粒径极小（3∼100 nm）、黏度低（通常lt;10 mPa·s）的特点，较易穿透产生多余水的地层孔隙基质，原位从无固体可挤压液体转变为高黏性或刚性材料[93]。

对于微乳液控水体系，颜博等[10] 针对高温（106.7 ◦C）出水气藏制备了耐高温疏气乳液剂体系（十六烷基三甲基氯化铵与十八烷基三甲基氯化铵及改性油酸咪唑啉共混），该体系堵水率为94.9%，可达到控水通气的效果。Lakatos 等[25] 在匈牙利阿尔及尔气田进行了硅氧烷乳液堵水试验，产气量提高了2 倍。美国堪萨斯州气田[35] 利用丙烯酰胺衍生物与柴油、原油或天然凝析油以及乳化剂、水共混形成的乳胶浓缩液处理出水层，处理后储层产水量可降至0，产气量可达2 831 m3/d。

值得一提的是，印度尼西亚Tunu 气田[94] 采用强化水解氯化铝功能流体处理产水气田，经处理后其产水量减小90%，产气量维持平稳。

3.2 功能流体控水机理

功能流体主要通过改变岩石表面润湿性实现控水。一类是使岩石润湿性由亲水向疏水和亲油方向转变，如：纳米活性凝析油或活性油吸附在岩石表面，使岩石润湿性转变为亲油，毛管力由水侵动力转变为水侵阻力，实现选择性控水；氨基硅油纳米流体[92] 吸附在岩石表面后，疏水基硅甲基朝外伸向孔隙介质，使岩石润湿性转变为疏水，降低了束缚水饱和度，释放了部分气流通道，避免了水锁效应。另一类则是通过吸附后外延出的某些亲水基团使岩石向亲水方向转变，如纳米乳液中氨基、硅氧键与硅氢键等极性基团。这些基团对水相产生拖拽作用，增加了截留阻力，实现了对水相的封堵。另外，微乳液具有遇气破乳不聚集、遇水破乳聚集后向更大液滴转变的特征，实现选择性控水。

3.3 功能流体控水适应性分析

功能流体具有黏度低、微粒尺寸小等优势，可应用于低渗及致密储层，亦可应用于凝析气藏，但需增强功能流体的耐冲刷能力以提高控水有效期。就纳米流体而言，Foroozesh 等[95] 认为纳米流体的主要优势之一是其在恶劣的储层条件下（高温、高压、高剪切和高盐度）的可持续性，而聚合物、表面活性剂功能流体等控水体系易在早期发生降解。另外，与油井堵水中微乳液体系二次原位乳化[93] 不同的是，气井中几乎没有二次乳化现象，因此，不会削弱选择性控水效果，所以微乳液在产水气井中应用效果更好。

4 泡沫类控水

4.1 泡沫类控水常用材料

相比于气井，泡沫类控水剂在油井中的应用较多。国外利用泡沫或泡沫凝胶所解决的问题大多为油藏堵水、堵气或驱油，其中，对于有气体产出的井利用泡沫大幅降低气相的流动性从而降低气油比，提高油田产量[96]。

在处理产水气藏时，由于泡沫稳定性差、机械强度低、寿命短、成功率低（小于50%） [28]，因此，常将泡沫控水工艺与排水采气结合，也可将聚合物或聚合物凝胶稳泡剂与泡沫复配共同形成聚合物基泡沫或泡沫凝胶。

聚合物基泡沫或泡沫凝胶中，聚合物或聚合物凝胶形成了具有一定强度的骨架包裹泡沫。这不仅防止了泡沫聚集、增强了液膜厚度，还降低了气泡间液膜的排液速率，能有效提高泡沫的屈服应力[97] 和稳定性[98]。同时，与聚合物及聚合物凝胶堵剂相比，聚合物基泡沫或泡沫凝胶具备两大优势：一是静液柱压力低，不易漏失，对地层伤害小[99]；二是聚合物用量少[100]，节约了施工成本。对于国内产水气田，泡沫类控水体系研究和应用较少，王冰等[101] 复配的泡沫凝胶体系耐温、耐酸碱范围广；谭绍泉[29] 利用泡沫凝胶体系的重力超覆现象和选择性堵水效果，并结合配套工艺，在处理产水气藏后不仅提高了产气量，还可防砂，经济有效地利用了气藏能量，避免了开采过程中的出水以及因出水而导致的出砂问题，延长气井的无水开采期，提高了最终采收率；戴彩丽等[30] 研制的泡沫凝胶耐温性能优异，适用非均质地层；郭显赋[102] 研发的“高温起泡剂+ 冻胶封堵体系+ 凝胶封堵体系”耐温150 ◦C、耐盐3.5×104 mg/L，对水相封堵率大于98% 而对气相封堵率小于30%。表8总结了泡沫凝胶构成及性质。

4.2 泡沫类控水机理

水相流经泡沫类堵剂时，利用泡沫的导向作用、贾敏效应和分流作用实现封堵；而气相可连通泡沫形成通道，有利于气相渗透率的提高（图3） [103 105]。He 等[106] 认为泡沫或泡沫凝胶的变形也会对DPR起积极作用：当泡沫在高渗通道中流动时，在液塞黏度、气泡变形、表面张力梯度和孔隙收缩效应的综合作用下，泡沫流体的形态和表观黏度发生了变化，改变了储层流体的流动行为，能够有效封堵高渗通道。此外，泡沫凝胶中的表面活性剂可以降低界面张力[101]，从而更好地实现了DPR。

4.3 泡沫类控水应用案例

中国山东胜利油田[28] 在孤东、孤岛、垦西及陈家庄等地区水封气严重，采收率仅9%，而应用泡沫凝胶体系控水施工后日产气量3 000∼9 000 m3，效果明显。针对中国东海气田产水严重现状，采用“耐高温起泡剂+LF 聚合物+ 交联剂+ 稳泡剂”泡沫冻胶体系控水[30]，该体系可利用地层非均质实现DPR。泡沫类控水材料及应用案例效果如表9 所示。

整体而言，泡沫凝胶耐盐性有限。但在解决气水界面稳定[29]、非均质性强、地层连通性好[107] 的储层出水问题时，泡沫凝胶能更好地利用地层渗透率差异控水[30]，且岩石孔隙可充当泡沫储集容器[108]，有利于维持堵剂性能。此外，泡沫凝胶比凝胶的突破压力和残余阻力系数更大，更适用于裂缝性储层，同时，其选择性封堵能力可通过使用高性能表面活性剂增强[103]。

除此之外，泡沫可作为凝胶控水辅助剂（保护液），确保凝胶注入后不发生层间窜流和封堵气层[109]。即泡沫将凝胶从岩芯中替置出后，能够减小凝胶固结后对水流与气流的阻力系数，达到水流和气流通道不被完全堵塞的目的，这种在裂缝型气藏中实施的泡沫替置大大提高了凝胶控水体系的处理效率。

4.4 泡沫类控水适应性分析

气井中常用的泡沫类堵剂一般为泡沫凝胶。其可通过泡沫导向作用、贾敏效应与分流作用等机制实现控水。此类堵剂适用于非均质性强及裂缝性产水气藏，可抑制产层的边水、底水或薄层水。综合来看，虽然泡沫类堵剂具有静液柱压力低、地层伤害小和聚合物用量少的优势，但现场制备复杂、高温高矿化度下泡沫稳定期短。

同时，为更好地利用泡沫或泡沫凝胶的选择性封堵能力，其在地层中的运移、形态及封堵等微观机制仍需进一步研究。

5 挑战及对策探析

本文综述了气井控水体系及相关成功案例，但气井控水的普及依旧还存在挑战：1）向地层注入流体容易堵塞气体渗流通道、伤害产层，将气水一并堵死；2）现有气井控水材料的研发大多参考油井堵水，而由于多孔介质中的气水选择性控水机理与油水截然不同，导致在产水气井的DPR 效果远不如油井理想；3）气井控水效果受储层特征影响明显，相比于国外，中国大部分气藏开发难度更高、储层条件更复杂，因此，针对国外产水气田特点形成的控水及堵水相关经验可能并不适用于国内；4）目前的商业数值模拟软件模拟气井控水步骤复杂，且部分参数的获取成本较高、精度难以保证，如岩石的不可及孔隙体系（Inaccessible Pore Volume，IAPV）和控水体系在孔喉中的动态吸附滞留量等参数。针对上述挑战，本文进一步提出了气井控水发展对策：

1）根据水来源制定不同控水策略：气藏产出水来源不同，应当采取不同的控水思路。对于孔隙水，倾向于采取“疏通”方法，在合理生产压差下带水生产；对于夹层水可按产气需求动态控水；对于边底水，易沿裂缝带或高渗条带窜进，应采取强有力的控水措施。

2）分离膜控水新材料研发：针对堵剂易导致“气水同堵”的问题，虽然目前已发展了通过酸产生气体通道、原位产生气流通道和外部诱导产生气流通道的工艺，但这些工艺技术相对复杂且对储层条件要求较高，且未从根本上解决问题。而气井控水本质上是地下环境的气水分离，因此，可借鉴分离膜机理及性能，研发新体系，达到“水让气道”目的，有效控制气井产水。

3）预处理液改造储层环境：在控水前可采取人工干预手段，如使用表面活性剂、高pH 值溶液或纳米润湿性改善剂等地层预处理手段改造储层环境，清洗岩石表面附着物并改变岩石润湿性，增强气体渗流能力。

4）适度产水与控水一体化：在进行气井控水时水相会在生产井周聚集，限制气体流向井底，造成水锁。因此，建议将适度产水与气井控水相结合，注入选择性堵剂将大部分产出水留在地层内部，从而实现气水适度分离，保持带少量水生产，保障气井产能。

5）立足于中国气藏储层特点及产水机理，通过总结控水效果理想井的成功经验，最终形成一套适用于不同类型气藏的控水选井原则及效果优化策略。

6）基于机器学习的方法对实验结果或文献数据进行训练，构建堵剂机理参数预测模型，降低控水数值模拟工作量；在成熟的数值模拟软件前加入数据预处理模块，结合经验模型对部分需要输入的堵剂物化参数进行优化，提高控水数值模拟精度。

6 结论

1）选择性堵水材料中，聚合物及其凝胶通过对水相的阻力效应、对气相的“变形”、惯性效应和对气水两相的润滑效应实现DPR。其中，聚合物在低孔低渗和高产水气藏中适应性较弱，而应用于高温高矿化度气藏堵水时，可考虑采用“预处理液+ 改性聚合物”手段；聚合物凝胶耐温耐盐性及封堵能力强，可用于高温高矿化度、裂缝性气藏。

2）RPM 类堵剂黏度低，注入性强，主要通过润湿性改变原理实现DPR，适用于低渗、致密气藏和高产水气藏，但不适用于裂缝性气藏，在处理高黏土矿物含量储层时需使用预处理液。

3）功能流体种类多，主要包括功能纳米流体、微乳液体系等，其多基于目标储层特点研发，耐温耐盐好，主要通过润湿性改变实现DPR。

4）泡沫多与聚合物或聚合物凝胶配合使用提高其稳定性，主要通过贾敏效应、分流作用实现DPR，适用于强非均质性和裂缝性气藏。

5）针对目前气井控水存在的难点及挑战，提出了根据水来源采取不同思路、分离膜控水新材料研发、预处理液改造储层环境和适度产水与控水一体化等6 个研究及发展方向。