煤層氣儲層新型防水鎖處理劑體系研究及應用

鄭春玲, 羅佳潔, 王尤富

(1長江大學 2冀東油田瑞豐化工有限公司)

煤層氣屬于一種非常規天然氣資源，其主要以吸附狀態儲存在煤層中，煤層氣儲層通常具有特殊的割理組成和基質孔隙，這導致其具有低孔、低滲和微裂縫分布較廣等特點，從而使煤層氣儲層在勘探開發過程中極容易受到外來流體的影響而發生水鎖損害現象[1-4]。水鎖損害能嚴重影響煤層氣的解吸速率和煤儲層的滲流能力，從而導致煤層氣井的產氣量下降，因此，對煤層氣儲層開展防水鎖傷害研究具有十分重要的現實意義[5]。

目前，國內外針對低孔、低滲油氣藏的防水鎖傷害研究比較多，且取得了顯著的研究成果[6-12]，但煤層氣儲層由于具有特殊的孔隙結構特點及儲存、開采方式，導致針對常規油氣儲層研究的防水鎖措施不一定適用。另外，國內外針對煤層氣儲層水鎖損害機理以及防水鎖措施的研究相對較少[13-15]，因此，筆者以鄂爾多斯盆地2號煤樣為研究對象，研究了一種新型防水鎖處理劑體系，并在室內評價了防水鎖處理劑體系對表面張力、接觸角、煤巖心自吸水量、煤層氣的解吸時間以及煤巖心的滲透率恢復值的影響，并在此基礎之上，進行了煤層氣井防水鎖措施的現場試驗，以期為煤層氣的高效合理開發提供一定的技術支持和保障。

一、實驗部分

1.實驗材料及儀器

實驗材料：新型氟碳表面活性劑FT-11；助表面活性劑FA-328；防膨劑FP-15；防水鎖劑HAR、AES、SATRO；模擬地層水(總礦化度為5 650 mg/L)；鄂爾多斯盆地2號煤樣(根據實驗需要處理成一定尺寸)。

實驗儀器：A601型-全自動表/界面張力儀；PT-705-B型視頻光學接觸角測量儀；電子分析天平；真空泵；恒溫干燥箱；多功能巖心驅替實驗裝置。

2.新型防水鎖處理劑體系配方的確定

根據煤層氣儲層防水鎖傷害機理，表面活性劑能夠通過降低氣液表面張力以及改變潤濕性等作用來減輕煤層氣儲層的水鎖傷害程度[16-17]。新型氟碳表面活性劑是目前研究及應用較多的一種新型表面活性劑，由于氟碳鏈比較穩定且極性較弱，使得其具有更好的疏水作用。另外，與常規碳氫型表面活性劑相比，新型氟碳表面活性劑具有更好的表面活性，且其穩定性較好，具有良好的耐酸堿、耐高溫以及耐氧化性能，并且與其他處理劑的配伍性較好[18-19]。

因此，選擇實驗室自制的新型氟碳表面活性劑FT-11作為主要處理劑，通過大量室內評價實驗，確定了適合煤層氣儲層的新型防水鎖處理劑體系(HFSJ-1)的配方：0.2%新型氟碳表面活性劑FT-11+0.5%助表面活性劑FA-328+0.3%防膨劑FP-15。

3.新型防水鎖處理劑體系性能評價實驗方法

3.1 表面張力測定方法

使用模擬地層水配制不同類型的防水鎖劑溶液，然后使用A601型-全自動表/界面張力儀測定不同防水鎖劑溶液的表面張力值。

3.2 接觸角測定方法

將目標區塊儲層煤樣放置在不同類型的防水鎖劑溶液中充分浸泡12 h，取出在50℃恒溫干燥箱中烘干，然后使用PT-705-B型視頻光學接觸角測量儀蒸餾水在煤樣表面的接觸角。

3.3 煤巖心自吸水實驗方法

將洗凈烘干的煤巖心懸掛在電子分析天平的掛鉤上，然后其浸沒在防水鎖劑溶液中2 mm左右，測量煤巖心在不同時間下的自吸水量。

3.4 煤層氣解吸時間及煤巖心滲透率恢復實驗方法

實驗步驟：①測定鄂爾多斯盆地2號煤樣的孔隙度和初始氣測滲透率K1；②使用真空泵對煤樣進行脫氣處理;③將煤樣放入平衡壓力為0.5 MPa的甲烷氣中吸附一段時間，直至達到吸附平衡；④在煤樣出口端反向注入一定量的入井流體(使用不同的防水鎖劑溶液)，使煤樣建立不同的含水飽和度；⑤打開閥門，使甲烷排出，模擬煤層氣的解吸過程，當壓力降為0時，記錄時間即為煤層氣的解吸時間；⑥待煤樣完全解吸后，再次測定其滲透率K2，并計算滲透率恢復值；⑦改變實驗條件，重復步驟②～⑥，測定煤樣不同含水率對煤層氣解吸時間和滲透率恢復值的影響。

二、實驗結果與討論

1.表面張力實驗

按照表面張力測定的實驗方法，評價了不同類型防水鎖劑溶液的氣液表面張力值，防水鎖劑HAR、AES、SATRO的加量均為1.0%。實驗結果見圖1。

由圖1實驗結果可以看出，在模擬地層水中加入不同類型的防水鎖劑后，溶液的表面張力均出現較大幅度的降低，其中新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1的效果最好，能使溶液表面張力降低至20 mN/m以下。表面張力的下降能促使毛細管力的降低，從而減小氣相在煤層氣儲層中的流動阻力，降低水鎖傷害的程度。

圖1 表面張力測定實驗結果

2.接觸角實驗

按照接觸角測定的實驗方法，測定了不同類型防水鎖劑溶液處理后的煤樣表面接觸角，防水鎖劑HAR、AES、SATRO的加量均為1.0%。實驗結果見表1。

表1 煤樣表面接觸角變化情況

由表1結果可以看出，目標區塊儲層煤樣經過模擬地層水和不同防水鎖劑溶液浸泡處理后，表面接觸角均呈現出不同程度的增大現象，其中HFSJ-1體系使煤樣表面接觸角增大的幅度最大。未處理的煤樣表面接觸角為26.1°，表現出較強親水性，而使用新型防水鎖處理劑HFSJ-1體系處理后的煤樣表面接觸角最大為74.3°，呈現出中性潤濕的特點。這說明研制的新型防水鎖處理劑HFSJ-1體系具有良好的潤濕反轉性能，能在煤樣表面吸附形成一層憎水膜，從而有效阻止外來液體更多的進入煤儲層深部，降低水鎖傷害的程度。

3.煤巖心自吸水實驗

按照煤巖心自吸水的實驗方法，測定了煤巖心在不同類型防水鎖劑溶液中的自吸水量，防水鎖劑HAR、AES、SATRO的加量均為1.0%。實驗結果見圖2。

由圖2結果可以看出，在模擬地層水中加入不同類型的防水鎖劑后，煤巖心的自吸水量均呈現出不同程度的下降現象，其中煤巖心在新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1中的自吸水量最小，200 min自吸水量僅為0.32 g，而其在模擬地層水中200 min自吸水量達到了2.58 g。這是由于HFSJ-1體系能夠通過降低表面張力和改變潤濕性來減小煤儲層的毛細管自吸力，從而使煤儲層的自吸水量大幅下降，降低儲層的含水飽和度，減輕外來流體侵入造成的水鎖傷害。

圖2 煤巖心在不同溶液中的自吸水實驗結果

4.煤層氣解吸時間實驗

按照煤層氣解吸時間的實驗方法，測定了防水鎖劑溶液對煤層氣解吸時間的影響，防水鎖劑HAR、AES、SATRO的加量均為1.0%。實驗結果見表2。

表2 防水鎖劑對煤層氣解吸時間的影響

由表2結果可知，隨著含水率的逐漸增大，煤層氣的解吸時間逐漸延長，水鎖損害現象越嚴重。相比較于模擬地層水而言，加入不同類型的防水鎖劑后，煤層氣的解吸時間均出現不同程度的縮短。其中加入新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1時，煤層氣解吸時間縮短幅度最大，當含水率達到100%時，煤層氣解吸時間仍能控制在1 000 s以內，說明HFSJ-1能大幅減輕外來流體對煤儲層的水鎖阻礙作用，使煤層氣能夠順利解吸，提高煤層氣井的生產效率。

5.煤巖心滲透率恢復實驗

按照煤巖心滲透率恢復的實驗方法，測定了防水鎖劑溶液對煤巖心滲透率恢復值的影響，防水鎖劑HAR、AES、SATRO的加量均為1.0%。實驗結果見圖3。

圖3 防水鎖劑對煤巖心滲透率恢復值的影響

由圖3結果可以看出，隨著含水率的逐漸增大，煤樣的滲透率恢復值逐漸下降，當使用模擬地層水作為入井流體時，煤巖心滲透率的下降幅度較大，當含水率為100%時，煤巖心滲透率恢復值僅為14.4%。而使用加入不同類型的防水鎖劑溶液作為入井流體時，煤巖心滲透率的下降幅度減小，其中新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1的效果最好，當含水率為100%時，煤巖心滲透率恢復值可以達到90%以上，說明HFSJ-1體系起到了良好的防水鎖傷害效果。這是由于一方面，防水鎖劑體系中的新型氟碳表面活性劑可以通過降低表面張力、增大接觸角的方式來降低毛細管力，阻止入井流體更多的進入煤儲層深部，降低水鎖傷害的程度；另一方面，防水鎖體系中的防膨劑可以有效防止黏土礦物的水化膨脹，減弱煤巖心的水敏損害程度，從而提高其滲透率恢復值。

三、現場試驗

從2016年3月份開始，新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1在鄂爾多斯盆地某煤層氣礦區進行了4井次的現場應用試驗，在該礦區4口煤層氣井的鉆完井、壓裂增產等措施中加入防水鎖處理劑體系HFSJ-1后，與未使用防水鎖處理劑的鄰井相比而言，4口井均取得了比較明顯的增產效果，且表皮系數顯著下降，施工有效率100%。具體施工效果見表3，可以看出，施工井中加入防水鎖處理劑體系HFSJ-1后，產氣量明顯提升，是未使用防水鎖處理劑的鄰井的3倍左右，說明研制的新型防水鎖處理劑HFSJ-1體系能夠較好的適用于該煤層氣儲層，有效提高煤層氣井的產量。

表3 防水鎖處理劑體系HFSJ-1現場施工效果

四、結論

(1)通過室內實驗評價，研究了一種適合煤層氣儲層的新型防水鎖處理劑體系(HFSJ-1)，具體配方為：0.2%新型氟碳表面活性劑FT-11+0.5%助表面活性劑FA-328+0.3%防膨劑FP-15。

(2)新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1性能評價結果表明，該防水鎖處理劑體系具有良好的降低表面張力和改變煤巖表面潤濕性的功能，能使煤巖心自吸水量顯著下降，并可以大幅縮短煤層氣的解吸時間，提高煤巖心的滲透率恢復值，降低水鎖傷害程度。

(3)現場試驗結果表明，使用新型防水鎖處理劑體系HFSJ-1施工的4口煤層氣井的日產氣量均明顯高于未使用防水鎖處理劑的鄰井，并且表皮系數明顯減小，說明HFSJ-1體系能夠顯著降低煤層氣儲層的水鎖傷害，從而達到提高煤層氣井產量的目的。