氣井化學控水研究進展與挑戰及對策探析

關鍵詞：氣井；控水材料；控水機理；適應性；分離膜

引言

中國天然氣資源儲量豐富、分布廣泛，是國家重要戰略資源。加快天然氣勘探開發是實現“雙碳”目標和“美麗中國”的關鍵。然而，目前中國已開發氣藏產水嚴重，若產水氣藏采收率提高1 個百分點，相當于鄂爾多斯、四川和塔里木3 個大型氣田1 年的產量[1 2]，因此，氣井控水有較強的現實意義。

氣藏中的水根據存在形式可分為孔隙水、夾層水和邊底水[3]。氣藏中的孔隙水隨地層壓力的下降而被巖石或水體擠出，導致氣水同產。此時產水量小，產氣穩定，可在合理生產壓差下帶水生產；而氣藏中含水夾層一旦產水，則水氣比迅速上升，伴有“氣大水大、氣小水小”的特點[4]，可根據需求采取控水措施；氣藏中的邊底水在衰竭式開采時極易沿裂縫帶或高滲條帶竄進，見水迅速，產水量大，極易因水鎖、卡斷及繞流等造成水封氣現象，需迅速采取控水措施。

針對夾層水和邊底水誘發的產水問題，當前處理手段包括井筒中排水采氣和地層中的化學控水。排水采氣通過助排劑或人工舉升排出井筒積液，在地面實現氣液分離[5]。該方法面臨以下問題[6]：1）當井型以水平井、大斜度井等復雜井為主時，施工難度大、成本高；2）單井產量低、遞減快時，排采難度加??；3）低壓低產氣井控水不能將排水采氣作為長期有效的措施；4）對于氣水分布復雜的儲層，尚未形成經濟適用的排水采氣配套技術。總體來說，排水采氣治標不治本、實施效果差異大、污染大[7 8]、成本高[9]。而化學控水通過向地層注入化學劑深入到內部“調理”氣、水兩相流動能力，從根本上解決產水問題[10 12]。氣井化學控水可進一步分為選擇性控水和非選擇性控水。非選擇性控水材料主要有水泥、無機類體系，一般用于氣水界面明顯、非同層出水段封堵[5]，不具備DPR 能力；選擇性控水材料主要為聚丙烯酰胺類物質等，具備一定的氣水選擇性，可在一定程度上實現對水相滲透率降低幅度大于氣相滲透率降低幅度。

20 世紀60 年代中期美國堪薩斯州油田首次采用聚丙烯酰胺進行油井選擇性堵水[13]、70 年代美國科羅拉多州氣田同樣利用聚丙烯酰胺實施氣井選擇性堵水[14]。60 多年來，國內外氣井化學控水大多借鑒油井堵水思路及材料（表1），目前，已經發展了聚合物及其凝膠、相滲調節劑（Relative PermeabilityModifier，RPM）、功能流體和泡沫類堵劑。

然而，當前氣井控水研究與應用并不普遍，導致業界普遍認為氣井化學控水風險較高[31]。這主要是因為與油藏相比，氣藏具有不同的物理特性以及較為特殊的開采特征，即氣藏滲透率、孔隙度較低；氣藏孔喉半徑小，毛管力對水相滯留作用強；氣體密度、黏度低且隨壓力變化明顯；氣藏多以天然能量開采；堵劑對油、氣和水敏感性不同。上述特征均導致氣井控水機理和適應性與油井存在較大差異。因此，亟需提高對氣井控水材料、作用機理和儲層適應性的系統認識。本文綜述了近60 年來氣井化學控水主要方法，包括聚合物及其凝膠、RPM、功能流體以及泡沫類堵劑的研究進展，分析了不同堵劑的選擇性控水機理、應用效果及儲層適應性。

1 聚合物及其凝膠控水

聚合物類堵劑主要包括聚合物和聚合物凝膠，該類堵劑是當前氣井化學控水的主要材料，成本低、見效快[31 34]，通?？蓪崿F對天然氣封堵率低于水相[31，35]，實現DPR。

1.1 常用材料

1.1.1 聚合物

聚合物控水體系主體材料為丙烯酰胺類聚合物，包括聚丙烯酰胺類（含三元共聚物[36]）和聚丙烯腈類。聚丙烯酰胺類堵劑最早應用于油藏堵水，后被產水氣藏借鑒，以部分水解聚丙烯酰胺（HPAM） 水溶液為主[37]。聚丙烯腈類堵劑以水解聚丙烯腈（HPAN）的應用最為廣泛，其分子鏈上羧基與多價金屬離子（Ca2+、Mg2+）反應可生成丙烯酸鹽沉淀，從而減小水相流動通道，適用于高礦化度儲層。此外HPAN 還可與磷酸氫二鉀、氯化鈣及水玻璃等共混形成控水體系，如HPAN 與水玻璃、硝基木質素控水體系（水玻璃質量分數7.0%～10.0%、水解聚丙烯腈1.0%～2.5%、硝基木質素5.0%～7.0% 與水），該體系黏度低、易泵送，適用于低滲儲層[38]。三元共聚物主要有德國HOECHST AG 生產的磺化乙烯、乙烯酰胺和丙烯酰胺（VS、VA 和AM）三元共聚物[15，39]，不僅能有效實現DPR，且耐溫（150 ?C）、耐鹽、耐剪切，在低滲儲層中具有較好注入性能。需要注意的是，此處的聚合物堵劑不包括下文RPM 中包含的水溶性聚合物RPM 體系。

1.1.2 聚合物凝膠

聚合物凝膠是由聚合物和交聯劑通過交聯反應制得的控水體系[40]。交聯劑可分為無機交聯劑和有機交聯劑，無機交聯劑主要有Cr（III）和Al（III）等，有機交聯劑主要有甲醛、六亞甲基四胺、水溶性酚醛樹脂和聚乙烯亞胺（PEI），還包括苯酚、間苯二酚、對苯二酚等與醛類或其衍生物復合產物[41 45]，主體聚合物大多以丙烯酰胺類為主。

針對高溫高礦化度環境，Dovan 等[14] 將聚丙烯酰胺（PAM）與重鉻酸鹽或硫代硫酸鹽復配，該凝膠可在59 ?C的海水中穩定。Hutchins 等[46] 研發的PAM 有機凝膠耐溫148 ?C，海水中可穩定5個月且耐氧化降解，適用于裂縫性碳酸鹽巖氣藏和砂巖氣藏。林仁義等[47] 針對中國西北地區深層高溫高鹽砂巖氣藏產水問題，研制了丙烯酰胺微膠體系WJ 1，該體系可在高溫下二次交聯，耐溫140 ?C、耐鹽23.33×104 mg/L。針對低滲高含水環境，王江帥等[48] 將PAM 與Cr（III）復配，形成的凝膠體系對水相封堵率大于80%，對氣相封堵率小于20%。針對高滲層出水低滲層產氣問題，馮兵等[49] 利用AM、改性淀粉、高價金屬交聯劑及引發劑構建了淀粉接枝弱凝膠體系，對水相封堵強度大于20 MPa/m，對氣相無明顯封堵。針對高孔高滲儲層，曲占慶等[50] 采用HPAM 與有機鉻凝膠體系封堵邊水，實驗發現其對巖芯封堵率大于97%，對氣相封堵率小于30%。針對裂縫性或強非均質儲層，Mattey 等[51] 將聚合物與有機交聯劑（六亞甲基四胺與對苯二酚）復配形成的凝膠體系可應對竄槽和裂縫連通造成的產水問題。此外，Hamza等[52] 提出使用高分子量聚合物凝膠封堵溶蝕或天然裂縫帶出水層、低分子量聚合物凝膠封堵微裂縫出水層，這樣既可緩解指進現象，又可降低凝膠濾失后形成剛性濾餅的概率。同時，為減少惡劣儲層環境對凝膠成膠性能影響，可注入成熟凝膠提高其穩定性和控水效果，如Bai 等[53] 研發的預交聯凝膠，該體系具有流動性強、耐溫耐鹽性高（耐溫120 ?C、鹽水中膨脹200 倍）的優勢。

此外，可利用增強基質（如納米材料等）與聚合物高分子鏈的特異性吸附及排斥作用，進一步增加聚合物凝膠體系的耐溫耐鹽性及強度[54]。如納米SiO2 可通過電性和氫鍵作用吸附在兩性聚合物帶正電的疏水基團上，使聚合物分子親水端自然舒張，形成分子刷參與交聯反應，提高了聚合物的利用率及與交聯劑的交聯位點[55]，增強了溶液的空間網絡結構強度[56]。然而，該方法也使氣相更難突破凝膠層，如易俊等[57] 研發的丙烯酰胺、丙烯酰嗎啉和乙烯吡咯烷酮三元共聚物（APR）、PEI 與改性氧化鋁納米顆粒復配的控水體系對水相封堵能力為氣相的5倍，但在復產初期氣相難以突破凝膠堵劑，這可能是由于沒有優選納米材料及用量導致的。上述聚合物及其凝膠體系的配方及性能如表2 所示。

1.2 控水機理

根據作用對象，可將聚合物及其凝膠控水主流機理分為3 方面：即對水相的阻力效應、對氣相的“變形”和慣性效應（圖1）以及對氣水兩相的潤滑效應。

以Zaltoun 等[58] 為代表的學者認為，對水相的阻力效應是基于聚合物及其凝膠的親水性及吸水膨脹性：堵劑注入后吸附在巖石表面，水相貼近吸附層流動且聚合物吸水膨脹，對水相產生阻力效應，而氣相可在通道中心自由流動，實現了DPR。然而，Zaltoun 等僅通過堵劑過水和氣前后的宏觀現象解釋選擇性控水機理，并未深入到微觀層面，因此，可進一步觀察控水前后微觀束水網狀結構[59]，從物理及化學角度解釋控水機理。

Seright 等[35] 認為，堵劑體系成膠后氣、水相滲透率均較低，但在同壓差下氣相流速大于水相而造成的氣相首先沖破堵劑，使其“變形”，最終形成氣流通道，實現了控水通氣。Elmkies 等[60] 和Blanchard等[61] 提出了高流速、大流量情況下氣體慣性效應會影響DPR 的觀點：聚合物吸附層表面光滑，減少了氣體流經時的粗糙度和彎曲路徑，從而使慣性阻力系數降低，有利于氣相流動。

而Al-shajalee 等[62] 認為，氣水兩相的潤滑效應控制著凝膠的DPR 行為，即聚合物及其凝膠主要對潤濕相（水相）相對滲透率降低明顯，而對非潤濕相（氣相）相對滲透率影響不大。

綜合來看，對水相的阻力效應、對氣相的“變形”和慣性效應、對氣水兩相的潤滑效應普遍被學者們認同。實際上，遇水阻力效應和遇氣變形可能存在于同一過程中，微觀上均表現為三維束水網狀結構的變化，而變化原因不同：遇水時由于吸水膨脹變形，宏觀上表現為對水相阻力增加，產生阻力效應；遇氣時氣相沖破堵劑使其變形。

1.3 應用案例

1.3.1 聚合物應用案例

本文調研了聚合物堵劑應用案例，如表3 所示。

20 世紀七八十年代，氣井控水材料多為單一聚合物，以丙烯酰胺類為主。最早的聚合物氣井堵水試驗于1977 年在美國科羅拉多州氣田試行，但處理后該井迅速停產[14]。隨后，法國Verena 氣藏[58] 實施了丙烯酰胺與丙烯酸酯共聚物溶液和PAM 共聚物控水，該聚合物在高礦化度水中收縮、低礦化度水中舒張，可改變氣水相對滲透率，實現了DPR。

聚合物如HPAM 等作為堵劑單獨使用時，能夠適應的儲層溫度和礦化度有限。這是因為高溫下HPAM 會發生明顯的分子降解和水解作用。雖然可通過殺菌或除氧等方法抑制部分HPAM 分子降解（如在法國Verena 地區將甲醛作為預處理液），但HPAM 的高溫水解不可抑制。此外，高礦化度時HPAM 黏度下降明顯[63 64]，對水相阻力減弱。PAM亦存在此類問題。

為解決該問題，可引入活化劑或利用三元共聚物或改性三元共聚物大幅提高HPAM 及PAM 的耐溫耐鹽性能。其中，活化劑作為聚合物穩定劑或與聚合物分子鏈形成絡合物[65]，增加了體系的耐溫性，如加拿大Wales 氣井[66] 利用PAM 溶液有效解決了地層水錐進問題。當采用三元共聚物或改性三元共聚物時，其相互纏繞構成的三維網狀結構更加牢固，體系在高溫高礦化度下更穩定，如德國北部某氣藏應用VS、VA 和AM 三元共聚物控水后，氣井生產性能良好，產水由原來的90 m3/d 降至1 m3/d 以下，產氣量恢復到105 m3/d 以上[15]；德國西部地區氣田[67] 采用低分子量部分磺化丙烯酰胺三元共聚物控水，處理后氣水比（Gas-Water Ratio，GWR）增加了5 倍。

綜上，在高溫、高礦化度氣藏控水時可采用“預處理液+ 改性聚合物”的處理方式。由于礦場常用的聚合物堵劑體系（如PAM、HPAM）普遍存在黏度高、阻力系數大等問題，在低滲或低產能氣藏條件下極易將氣水兩相“堵死”。而三元共聚物或改性三元共聚物分子量相對較小、黏度低，在低滲儲層處理效果較好。

1.3.2 聚合物凝膠應用案例

聚合物凝膠形成過程中，聚丙烯酰胺基聚合物的酰胺基團與有機交聯劑發生共價鍵合，提高了分子鏈的剛性、增加了交聯位點[68]；與無機交聯劑反應時先分子內交聯成單分子球再分子間交聯成網狀結構，增加了空間穩定性[69]。

相較于聚合物堵劑，聚合物凝膠耐溫耐鹽性更高。在處理高溫高鹽產水氣藏時，聚合物凝膠成功應用于印度尼西亞East Kalimantan Peciko 氣田[69]、墨西哥灣East High Island 285 氣田[14]、中國青海臺南氣田[18]、印度Bassein 氣田[70] 及美國俄克拉何馬州某氣田[20] 等地，如表4 所示。

同樣，聚合物凝膠黏彈性和耐沖刷性更強。如在處理裂縫性產水氣藏時，英國不列顛Sukunka[17]油田利用鉻凝膠處理后WGR 降低約75%，產氣率增加50%（表4）。

值得一提的是，Bach 等[71] 發現聚合物無機交聯劑[如Cr（III）]凝膠體系高溫時易水解沉淀，析出的交聯劑在注入過程中無法到達流動前緣，縮短了作用深度、DPR 效果變差。所以高溫條件下建議優選有機交聯劑。

1.4 適應性分析

總體而言，聚合物及其凝膠主要適用于中孔中滲高孔高滲儲層。由于聚合物分子間連接強度低，導致其耐溫耐鹽性和耐沖刷性較差，封堵強度較低，不適用于裂縫性儲層。而在高溫儲層，建議向地層注入預處理液（如冷水、活化劑等）或使用改性聚合物。

聚合物凝膠引入交聯劑后，耐溫耐鹽性、承壓能力和耐沖刷性等均得到提升，可應用于高溫高礦化度、裂縫性等復雜產水氣藏。但在特高含水情況下，凝膠滲吸后剪切稀釋行為加劇、殘余氣飽和度下降易降低DPR 效果[61]。

同時，為降低聚合物凝膠將氣水兩相“堵死”的可能，可采用改進聚合物交聯技術（酸產生氣體通道、原位產生氣流通道及外部誘導產生氣流通道），使其在交聯過程中重新建立氣體滲流通道[14]，達到選擇性控水目的。

2 相滲調節劑控水

2.1 相滲調節劑控水常用材料

相滲調節劑是一種大幅降低水相滲透率而對氣相滲透率影響較小的材料。其可分為兩類：一類是水溶性聚合物RPM 體系，該類RPM 體系比大部分聚合物及聚合物凝膠堵劑黏度更低、注入性更好、流動性更強，可認為是聚合物及聚合物凝膠堵劑的發展；另一類是含氟RPM 體系，多為氟碳表面活性劑。

水溶性聚合物常被單獨作為一種RPM 類堵劑研究和應用，較多學者認為部分聚合物及聚合物弱凝膠[72] 為RPM。Chen 等[22] 將HPAM 1 與HPAM 2 作為RPM，利用其在孔壁上形成的平滑親水性吸附層降低水相流動性，實現“控水通氣”。Pietrak 等[73] 報道的磺化丙烯酰胺RPM 體系不僅有效減小了水流通道尺寸、增加了水相流動阻力且耐溫98 ?C。Campbell 等[74] 合成的親水性三元共聚物STP 能有效處理高溫（gt;149 ?C）、高鹽及高流速的砂巖產水氣藏，具有較強的氣水選擇性。另外，Eoff 等[75] 開發出了接枝甲氧基聚乙二醇（MPEG）聚合物骨架的刷狀RPM，該堵劑在高礦化度下穩定，可應用于產水砂巖和碳酸鹽巖氣層。

含氟RPM 體系主要通過將液濕巖石轉變為氣濕實現DPR。Jin 等[76] 采用氟表面活性劑FG40 改性的納米二氧化硅使巖石由液濕轉變為氣濕，增加了過水阻力，有利于凝析氣藏開發。Liu[23] 等研發的WA12 氟碳表面活性劑RPM 體系不僅熱穩定性高、化學穩定性強、憎水性顯著且耐溫170 ?C、耐鹽7×104 mg/L。Wang 等[77] 發現含氟表面活性劑FG24 可使巖石變為氣濕，氣相相對滲透率和氣體流量可提高25% 以上，且具有較高的熱穩定性（耐溫120 ?C）。表5 總結了常見RPM 控水體系及其性質。

2.2 相滲調節劑控水機理

RPM 選擇性控水機理與潤濕性關系密切。與聚合物凝膠相比，水溶性聚合物強度遠低于凝膠，但RPM 不主要依靠體系強度實現控水，而是吸附在巖石壁面后，使巖石向親水方向轉變，依靠吸水膨脹性、拖拽作用等增加對水相的阻力；含氟RPM體系則使巖石向氣濕方向轉變，減少水相聚集，增加毛管力[78]，實現DPR。

以Chen 等[22] 和Kabir[79] 的研究為例，水溶性聚合物類RPM 在巖石孔隙通道壁面形成吸附層，該吸附層不僅減小了水流通道有效尺寸，通過物理阻擋限制了水相流動，還增大了對水相的拖拽作用。Zaitoun 等[80] 將此現象歸因于“壁效應”。此外，Liang 等[81] 從聚合物凝膠與潤濕相及非潤濕相關系出發，提出了壁效應和凝膠液滴的聯合模型：如果凝膠是由潤濕相制備，可用壁效應模型解釋DPR，如果凝膠是由非潤濕相制備，則可用凝膠液滴模型解釋，該研究結果可指導RPM 的選擇與制備。

在含氟RPM 體系中，氟碳分子間的作用力很小，具有極低的表面能，有利于形成疏水表面，減小水相潤濕，增加氣相潤濕。Zhang 等[82] 研究發現將此類RPM 注入巖芯后，潤濕性由強水濕變為弱水濕（圖2），減小了侵入和滯留在氣層中的水量；Karandish 等[83] 則將巖石表面由原本的水濕改為氣濕，顯著提高了孔隙通道入口毛管力，與處理前相比水通量大幅降低，亦提高了氣相相對滲透率。此外還有學者將含氟RPM 體系吸附在巖芯后使其潤濕性從水濕分別向中等氣濕及超氣體潤濕轉變，使巖石潤濕性反轉，其主要控水機理為吸附到巖石內壁后疏水基團暴露在外，直接與孔隙流體接觸，使親水性巖石表面轉變為疏水，改變了儲層潤濕性，通過降低孔喉尺寸控制了水相滲流狀態，減少了侵入氣層的水量，減弱了儲層水鎖效應，推遲了見水時間，提高了氣藏生產能力。

2.3 相滲調節劑控水應用案例

水溶性聚合物RPM 具有一定的耐溫性，在產水氣藏中的應用大多集中于低孔、中滲氣藏，如Lunyu氣藏W 區塊[22]、加拿大某氣井[84] 和美國內布拉斯加州Grand Island 氣田[73]。三者經處理后產水降幅明顯，釋放了氣相通道，有利于氣相產出。含氟表面活性劑中由于氟碳鍵的存在使其穩定性增加，擴大了水溶性聚合物RPM 的溫度適用范圍。其分子量更小、注入性更好，可深入低滲、致密氣藏內部控水，降低水鎖傷害，如美國猶他州Natural Buttes 氣田[85] 和中國河南東濮凝析氣藏[23]。具體應用效果見表6。

2.4 相滲調節劑控水適應性分析

RPM 堵劑體系溶液黏度低、流動性強，在低滲、致密氣藏中應用效果較好，但其弱強度、低耐沖刷性限制了其使用條件。同時，Kalfayan 等[84] 認為RPM 可處理含水率高的氣井，但不適用于裂縫性氣藏。此外，Eoff 等[75] 和Botermans 等[86] 認為RPM在層間無竄流、產烴區無水相流動及高滲產水、低滲產烴的層狀均質儲層有較好的DPR 效果；而齊自遠等[87] 提出RPM 在儲層巖石表面的吸附能力是評價其是否有效的重要指標，由此可更多關注其與巖石表面的電性關系，更好地實現DPR。

雖然部分學者認為RPM 處理時存在低產氣量、見效時間長[84]、處理效果受儲層環境和施工工藝影響大[73，86] 等問題，但可通過與壓裂等增產措施或改進施工工藝等配合使用，提高選擇性控水效果。此外，RPM 極可能優先吸附于產水儲層富黏土區而使處理深度受限[87]，對此可在預處理液沖洗地層后注入RPM 體系，延長RPM 作用深度。

3 功能流體控水

近年來，針對復雜氣藏（如凝析氣藏、強非均質氣藏等）控水相繼開發了納米流體、微乳液等控水劑。這些體系不僅黏度低、微粒尺寸小且綠色環保。

3.1 常用材料及應用效果

常見功能流體控水材料及應用案例效果如表7所示。

納米流體控水劑由于其特殊的性質正逐漸走入更多人視線。其研制及應用包括納米乳液、納米活性油等。羅明良等[88] 制備的以氨基聚硅氧烷與脂肪酸甲酯磺酸鈉（MES）為主要原料的納米乳液與致密巖芯孔喉尺度匹配良好，且處理后水相相對滲透率降低超60%。孫翔宇等[89] 研制的納米活性凝析油，適用于高溫（140～150 ?C）高鹽（20×104 mg/L）邊底水凝析氣藏，經巖芯實驗發現該體系使巖芯產水率降為封堵前的1/9。楊利萍等[26] 研制出的納米顆粒活性油控水劑在塔河氣田控水試驗中，使單井產氣量增加7.0×104 m3/d，含水率降低75%。值得一提的是，研究發現有機硅化合物能極大地改變毛管力和滲吸速率，降低水相進入孔隙喉道的概率，有效抑制“水鎖”效應[90 91]。如孫厚臺[92] 制備的改性氨基硅油納米控水材料與低滲巖芯孔喉尺度匹配良好（微粒中值粒徑30.2～84.2 nm），耐溫80 ?C，使巖石由親水變為疏水，有效抑制巖石滲吸（經處理后巖芯吸水量降低達27.2%～31.3%），實現了控水穩氣。

此外，納米流體中的典型體系還包括納米二氧化硅流體，其由膠體納米二氧化硅和活化劑組成，具有粒徑極?。?～100 nm）、黏度低（通常lt;10 mPa·s）的特點，較易穿透產生多余水的地層孔隙基質，原位從無固體可擠壓液體轉變為高黏性或剛性材料[93]。

對于微乳液控水體系，顏博等[10] 針對高溫（106.7 ?C）出水氣藏制備了耐高溫疏氣乳液劑體系（十六烷基三甲基氯化銨與十八烷基三甲基氯化銨及改性油酸咪唑啉共混），該體系堵水率為94.9%，可達到控水通氣的效果。Lakatos 等[25] 在匈牙利阿爾及爾氣田進行了硅氧烷乳液堵水試驗，產氣量提高了2 倍。美國堪薩斯州氣田[35] 利用丙烯酰胺衍生物與柴油、原油或天然凝析油以及乳化劑、水共混形成的乳膠濃縮液處理出水層，處理后儲層產水量可降至0，產氣量可達2 831 m3/d。

值得一提的是，印度尼西亞Tunu 氣田[94] 采用強化水解氯化鋁功能流體處理產水氣田，經處理后其產水量減小90%，產氣量維持平穩。

3.2 功能流體控水機理

功能流體主要通過改變巖石表面潤濕性實現控水。一類是使巖石潤濕性由親水向疏水和親油方向轉變，如：納米活性凝析油或活性油吸附在巖石表面，使巖石潤濕性轉變為親油，毛管力由水侵動力轉變為水侵阻力，實現選擇性控水；氨基硅油納米流體[92] 吸附在巖石表面后，疏水基硅甲基朝外伸向孔隙介質，使巖石潤濕性轉變為疏水，降低了束縛水飽和度，釋放了部分氣流通道，避免了水鎖效應。另一類則是通過吸附后外延出的某些親水基團使巖石向親水方向轉變，如納米乳液中氨基、硅氧鍵與硅氫鍵等極性基團。這些基團對水相產生拖拽作用，增加了截留阻力，實現了對水相的封堵。另外，微乳液具有遇氣破乳不聚集、遇水破乳聚集后向更大液滴轉變的特征，實現選擇性控水。

3.3 功能流體控水適應性分析

功能流體具有黏度低、微粒尺寸小等優勢，可應用于低滲及致密儲層，亦可應用于凝析氣藏，但需增強功能流體的耐沖刷能力以提高控水有效期。就納米流體而言，Foroozesh 等[95] 認為納米流體的主要優勢之一是其在惡劣的儲層條件下（高溫、高壓、高剪切和高鹽度）的可持續性，而聚合物、表面活性劑功能流體等控水體系易在早期發生降解。另外，與油井堵水中微乳液體系二次原位乳化[93] 不同的是，氣井中幾乎沒有二次乳化現象，因此，不會削弱選擇性控水效果，所以微乳液在產水氣井中應用效果更好。

4 泡沫類控水

4.1 泡沫類控水常用材料

相比于氣井，泡沫類控水劑在油井中的應用較多。國外利用泡沫或泡沫凝膠所解決的問題大多為油藏堵水、堵氣或驅油，其中，對于有氣體產出的井利用泡沫大幅降低氣相的流動性從而降低氣油比，提高油田產量[96]。

在處理產水氣藏時，由于泡沫穩定性差、機械強度低、壽命短、成功率低（小于50%） [28]，因此，常將泡沫控水工藝與排水采氣結合，也可將聚合物或聚合物凝膠穩泡劑與泡沫復配共同形成聚合物基泡沫或泡沫凝膠。

聚合物基泡沫或泡沫凝膠中，聚合物或聚合物凝膠形成了具有一定強度的骨架包裹泡沫。這不僅防止了泡沫聚集、增強了液膜厚度，還降低了氣泡間液膜的排液速率，能有效提高泡沫的屈服應力[97] 和穩定性[98]。同時，與聚合物及聚合物凝膠堵劑相比，聚合物基泡沫或泡沫凝膠具備兩大優勢：一是靜液柱壓力低，不易漏失，對地層傷害小[99]；二是聚合物用量少[100]，節約了施工成本。對于國內產水氣田，泡沫類控水體系研究和應用較少，王冰等[101] 復配的泡沫凝膠體系耐溫、耐酸堿范圍廣；譚紹泉[29] 利用泡沫凝膠體系的重力超覆現象和選擇性堵水效果，并結合配套工藝，在處理產水氣藏后不僅提高了產氣量，還可防砂，經濟有效地利用了氣藏能量，避免了開采過程中的出水以及因出水而導致的出砂問題，延長氣井的無水開采期，提高了最終采收率；戴彩麗等[30] 研制的泡沫凝膠耐溫性能優異，適用非均質地層；郭顯賦[102] 研發的“高溫起泡劑+ 凍膠封堵體系+ 凝膠封堵體系”耐溫150 ?C、耐鹽3.5×104 mg/L，對水相封堵率大于98% 而對氣相封堵率小于30%。表8總結了泡沫凝膠構成及性質。

4.2 泡沫類控水機理

水相流經泡沫類堵劑時，利用泡沫的導向作用、賈敏效應和分流作用實現封堵；而氣相可連通泡沫形成通道，有利于氣相滲透率的提高（圖3） [103 105]。He 等[106] 認為泡沫或泡沫凝膠的變形也會對DPR起積極作用：當泡沫在高滲通道中流動時，在液塞黏度、氣泡變形、表面張力梯度和孔隙收縮效應的綜合作用下，泡沫流體的形態和表觀黏度發生了變化，改變了儲層流體的流動行為，能夠有效封堵高滲通道。此外，泡沫凝膠中的表面活性劑可以降低界面張力[101]，從而更好地實現了DPR。

4.3 泡沫類控水應用案例

中國山東勝利油田[28] 在孤東、孤島、墾西及陳家莊等地區水封氣嚴重，采收率僅9%，而應用泡沫凝膠體系控水施工后日產氣量3 000～9 000 m3，效果明顯。針對中國東海氣田產水嚴重現狀，采用“耐高溫起泡劑+LF 聚合物+ 交聯劑+ 穩泡劑”泡沫凍膠體系控水[30]，該體系可利用地層非均質實現DPR。泡沫類控水材料及應用案例效果如表9 所示。

整體而言，泡沫凝膠耐鹽性有限。但在解決氣水界面穩定[29]、非均質性強、地層連通性好[107] 的儲層出水問題時，泡沫凝膠能更好地利用地層滲透率差異控水[30]，且巖石孔隙可充當泡沫儲集容器[108]，有利于維持堵劑性能。此外，泡沫凝膠比凝膠的突破壓力和殘余阻力系數更大，更適用于裂縫性儲層，同時，其選擇性封堵能力可通過使用高性能表面活性劑增強[103]。

除此之外，泡沫可作為凝膠控水輔助劑（保護液），確保凝膠注入后不發生層間竄流和封堵氣層[109]。即泡沫將凝膠從巖芯中替置出后，能夠減小凝膠固結后對水流與氣流的阻力系數，達到水流和氣流通道不被完全堵塞的目的，這種在裂縫型氣藏中實施的泡沫替置大大提高了凝膠控水體系的處理效率。

4.4 泡沫類控水適應性分析

氣井中常用的泡沫類堵劑一般為泡沫凝膠。其可通過泡沫導向作用、賈敏效應與分流作用等機制實現控水。此類堵劑適用于非均質性強及裂縫性產水氣藏，可抑制產層的邊水、底水或薄層水。綜合來看，雖然泡沫類堵劑具有靜液柱壓力低、地層傷害小和聚合物用量少的優勢，但現場制備復雜、高溫高礦化度下泡沫穩定期短。

同時，為更好地利用泡沫或泡沫凝膠的選擇性封堵能力，其在地層中的運移、形態及封堵等微觀機制仍需進一步研究。

5 挑戰及對策探析

本文綜述了氣井控水體系及相關成功案例，但氣井控水的普及依舊還存在挑戰：1）向地層注入流體容易堵塞氣體滲流通道、傷害產層，將氣水一并堵死；2）現有氣井控水材料的研發大多參考油井堵水，而由于多孔介質中的氣水選擇性控水機理與油水截然不同，導致在產水氣井的DPR 效果遠不如油井理想；3）氣井控水效果受儲層特征影響明顯，相比于國外，中國大部分氣藏開發難度更高、儲層條件更復雜，因此，針對國外產水氣田特點形成的控水及堵水相關經驗可能并不適用于國內；4）目前的商業數值模擬軟件模擬氣井控水步驟復雜，且部分參數的獲取成本較高、精度難以保證，如巖石的不可及孔隙體系（Inaccessible Pore Volume，IAPV）和控水體系在孔喉中的動態吸附滯留量等參數。針對上述挑戰，本文進一步提出了氣井控水發展對策：

1）根據水來源制定不同控水策略：氣藏產出水來源不同，應當采取不同的控水思路。對于孔隙水，傾向于采取“疏通”方法，在合理生產壓差下帶水生產；對于夾層水可按產氣需求動態控水；對于邊底水，易沿裂縫帶或高滲條帶竄進，應采取強有力的控水措施。

2）分離膜控水新材料研發：針對堵劑易導致“氣水同堵”的問題，雖然目前已發展了通過酸產生氣體通道、原位產生氣流通道和外部誘導產生氣流通道的工藝，但這些工藝技術相對復雜且對儲層條件要求較高，且未從根本上解決問題。而氣井控水本質上是地下環境的氣水分離，因此，可借鑒分離膜機理及性能，研發新體系，達到“水讓氣道”目的，有效控制氣井產水。

3）預處理液改造儲層環境：在控水前可采取人工干預手段，如使用表面活性劑、高pH 值溶液或納米潤濕性改善劑等地層預處理手段改造儲層環境，清洗巖石表面附著物并改變巖石潤濕性，增強氣體滲流能力。

4）適度產水與控水一體化：在進行氣井控水時水相會在生產井周聚集，限制氣體流向井底，造成水鎖。因此，建議將適度產水與氣井控水相結合，注入選擇性堵劑將大部分產出水留在地層內部，從而實現氣水適度分離，保持帶少量水生產，保障氣井產能。

5）立足于中國氣藏儲層特點及產水機理，通過總結控水效果理想井的成功經驗，最終形成一套適用于不同類型氣藏的控水選井原則及效果優化策略。

6）基于機器學習的方法對實驗結果或文獻數據進行訓練，構建堵劑機理參數預測模型，降低控水數值模擬工作量；在成熟的數值模擬軟件前加入數據預處理模塊，結合經驗模型對部分需要輸入的堵劑物化參數進行優化，提高控水數值模擬精度。

6 結論

1）選擇性堵水材料中，聚合物及其凝膠通過對水相的阻力效應、對氣相的“變形”、慣性效應和對氣水兩相的潤滑效應實現DPR。其中，聚合物在低孔低滲和高產水氣藏中適應性較弱，而應用于高溫高礦化度氣藏堵水時，可考慮采用“預處理液+ 改性聚合物”手段；聚合物凝膠耐溫耐鹽性及封堵能力強，可用于高溫高礦化度、裂縫性氣藏。

2）RPM 類堵劑黏度低，注入性強，主要通過潤濕性改變原理實現DPR，適用于低滲、致密氣藏和高產水氣藏，但不適用于裂縫性氣藏，在處理高黏土礦物含量儲層時需使用預處理液。

3）功能流體種類多，主要包括功能納米流體、微乳液體系等，其多基于目標儲層特點研發，耐溫耐鹽好，主要通過潤濕性改變實現DPR。

4）泡沫多與聚合物或聚合物凝膠配合使用提高其穩定性，主要通過賈敏效應、分流作用實現DPR，適用于強非均質性和裂縫性氣藏。

5）針對目前氣井控水存在的難點及挑戰，提出了根據水來源采取不同思路、分離膜控水新材料研發、預處理液改造儲層環境和適度產水與控水一體化等6 個研究及發展方向。