煤层气储层新型防水锁处理剂体系研究及应用

郑春玲, 罗佳洁, 王尤富

(1长江大学 2冀东油田瑞丰化工有限公司)

煤层气属于一种非常规天然气资源，其主要以吸附状态储存在煤层中，煤层气储层通常具有特殊的割理组成和基质孔隙，这导致其具有低孔、低渗和微裂缝分布较广等特点，从而使煤层气储层在勘探开发过程中极容易受到外来流体的影响而发生水锁损害现象[1-4]。水锁损害能严重影响煤层气的解吸速率和煤储层的渗流能力，从而导致煤层气井的产气量下降，因此，对煤层气储层开展防水锁伤害研究具有十分重要的现实意义[5]。

目前，国内外针对低孔、低渗油气藏的防水锁伤害研究比较多，且取得了显著的研究成果[6-12]，但煤层气储层由于具有特殊的孔隙结构特点及储存、开采方式，导致针对常规油气储层研究的防水锁措施不一定适用。另外，国内外针对煤层气储层水锁损害机理以及防水锁措施的研究相对较少[13-15]，因此，笔者以鄂尔多斯盆地2号煤样为研究对象，研究了一种新型防水锁处理剂体系，并在室内评价了防水锁处理剂体系对表面张力、接触角、煤岩心自吸水量、煤层气的解吸时间以及煤岩心的渗透率恢复值的影响，并在此基础之上，进行了煤层气井防水锁措施的现场试验，以期为煤层气的高效合理开发提供一定的技术支持和保障。

一、实验部分

1.实验材料及仪器

实验材料：新型氟碳表面活性剂FT-11；助表面活性剂FA-328；防膨剂FP-15；防水锁剂HAR、AES、SATRO；模拟地层水(总矿化度为5 650 mg/L)；鄂尔多斯盆地2号煤样(根据实验需要处理成一定尺寸)。

实验仪器：A601型-全自动表/界面张力仪；PT-705-B型视频光学接触角测量仪；电子分析天平；真空泵；恒温干燥箱；多功能岩心驱替实验装置。

2.新型防水锁处理剂体系配方的确定

根据煤层气储层防水锁伤害机理，表面活性剂能够通过降低气液表面张力以及改变润湿性等作用来减轻煤层气储层的水锁伤害程度[16-17]。新型氟碳表面活性剂是目前研究及应用较多的一种新型表面活性剂，由于氟碳链比较稳定且极性较弱，使得其具有更好的疏水作用。另外，与常规碳氢型表面活性剂相比，新型氟碳表面活性剂具有更好的表面活性，且其稳定性较好，具有良好的耐酸碱、耐高温以及耐氧化性能，并且与其他处理剂的配伍性较好[18-19]。

因此，选择实验室自制的新型氟碳表面活性剂FT-11作为主要处理剂，通过大量室内评价实验，确定了适合煤层气储层的新型防水锁处理剂体系(HFSJ-1)的配方：0.2%新型氟碳表面活性剂FT-11+0.5%助表面活性剂FA-328+0.3%防膨剂FP-15。

3.新型防水锁处理剂体系性能评价实验方法

3.1 表面张力测定方法

使用模拟地层水配制不同类型的防水锁剂溶液，然后使用A601型-全自动表/界面张力仪测定不同防水锁剂溶液的表面张力值。

3.2 接触角测定方法

将目标区块储层煤样放置在不同类型的防水锁剂溶液中充分浸泡12 h，取出在50℃恒温干燥箱中烘干，然后使用PT-705-B型视频光学接触角测量仪蒸馏水在煤样表面的接触角。

3.3 煤岩心自吸水实验方法

将洗净烘干的煤岩心悬挂在电子分析天平的挂钩上，然后其浸没在防水锁剂溶液中2 mm左右，测量煤岩心在不同时间下的自吸水量。

3.4 煤层气解吸时间及煤岩心渗透率恢复实验方法

实验步骤：①测定鄂尔多斯盆地2号煤样的孔隙度和初始气测渗透率K1；②使用真空泵对煤样进行脱气处理;③将煤样放入平衡压力为0.5 MPa的甲烷气中吸附一段时间，直至达到吸附平衡；④在煤样出口端反向注入一定量的入井流体(使用不同的防水锁剂溶液)，使煤样建立不同的含水饱和度；⑤打开阀门，使甲烷排出，模拟煤层气的解吸过程，当压力降为0时，记录时间即为煤层气的解吸时间；⑥待煤样完全解吸后，再次测定其渗透率K2，并计算渗透率恢复值；⑦改变实验条件，重复步骤②～⑥，测定煤样不同含水率对煤层气解吸时间和渗透率恢复值的影响。

二、实验结果与讨论

1.表面张力实验

按照表面张力测定的实验方法，评价了不同类型防水锁剂溶液的气液表面张力值，防水锁剂HAR、AES、SATRO的加量均为1.0%。实验结果见图1。

由图1实验结果可以看出，在模拟地层水中加入不同类型的防水锁剂后，溶液的表面张力均出现较大幅度的降低，其中新型防水锁处理剂体系HFSJ-1的效果最好，能使溶液表面张力降低至20 mN/m以下。表面张力的下降能促使毛细管力的降低，从而减小气相在煤层气储层中的流动阻力，降低水锁伤害的程度。

图1 表面张力测定实验结果

2.接触角实验

按照接触角测定的实验方法，测定了不同类型防水锁剂溶液处理后的煤样表面接触角，防水锁剂HAR、AES、SATRO的加量均为1.0%。实验结果见表1。

表1 煤样表面接触角变化情况

由表1结果可以看出，目标区块储层煤样经过模拟地层水和不同防水锁剂溶液浸泡处理后，表面接触角均呈现出不同程度的增大现象，其中HFSJ-1体系使煤样表面接触角增大的幅度最大。未处理的煤样表面接触角为26.1°，表现出较强亲水性，而使用新型防水锁处理剂HFSJ-1体系处理后的煤样表面接触角最大为74.3°，呈现出中性润湿的特点。这说明研制的新型防水锁处理剂HFSJ-1体系具有良好的润湿反转性能，能在煤样表面吸附形成一层憎水膜，从而有效阻止外来液体更多的进入煤储层深部，降低水锁伤害的程度。

3.煤岩心自吸水实验

按照煤岩心自吸水的实验方法，测定了煤岩心在不同类型防水锁剂溶液中的自吸水量，防水锁剂HAR、AES、SATRO的加量均为1.0%。实验结果见图2。

由图2结果可以看出，在模拟地层水中加入不同类型的防水锁剂后，煤岩心的自吸水量均呈现出不同程度的下降现象，其中煤岩心在新型防水锁处理剂体系HFSJ-1中的自吸水量最小，200 min自吸水量仅为0.32 g，而其在模拟地层水中200 min自吸水量达到了2.58 g。这是由于HFSJ-1体系能够通过降低表面张力和改变润湿性来减小煤储层的毛细管自吸力，从而使煤储层的自吸水量大幅下降，降低储层的含水饱和度，减轻外来流体侵入造成的水锁伤害。

图2 煤岩心在不同溶液中的自吸水实验结果

4.煤层气解吸时间实验

按照煤层气解吸时间的实验方法，测定了防水锁剂溶液对煤层气解吸时间的影响，防水锁剂HAR、AES、SATRO的加量均为1.0%。实验结果见表2。

表2 防水锁剂对煤层气解吸时间的影响

由表2结果可知，随着含水率的逐渐增大，煤层气的解吸时间逐渐延长，水锁损害现象越严重。相比较于模拟地层水而言，加入不同类型的防水锁剂后，煤层气的解吸时间均出现不同程度的缩短。其中加入新型防水锁处理剂体系HFSJ-1时，煤层气解吸时间缩短幅度最大，当含水率达到100%时，煤层气解吸时间仍能控制在1 000 s以内，说明HFSJ-1能大幅减轻外来流体对煤储层的水锁阻碍作用，使煤层气能够顺利解吸，提高煤层气井的生产效率。

5.煤岩心渗透率恢复实验

按照煤岩心渗透率恢复的实验方法，测定了防水锁剂溶液对煤岩心渗透率恢复值的影响，防水锁剂HAR、AES、SATRO的加量均为1.0%。实验结果见图3。

图3 防水锁剂对煤岩心渗透率恢复值的影响

由图3结果可以看出，随着含水率的逐渐增大，煤样的渗透率恢复值逐渐下降，当使用模拟地层水作为入井流体时，煤岩心渗透率的下降幅度较大，当含水率为100%时，煤岩心渗透率恢复值仅为14.4%。而使用加入不同类型的防水锁剂溶液作为入井流体时，煤岩心渗透率的下降幅度减小，其中新型防水锁处理剂体系HFSJ-1的效果最好，当含水率为100%时，煤岩心渗透率恢复值可以达到90%以上，说明HFSJ-1体系起到了良好的防水锁伤害效果。这是由于一方面，防水锁剂体系中的新型氟碳表面活性剂可以通过降低表面张力、增大接触角的方式来降低毛细管力，阻止入井流体更多的进入煤储层深部，降低水锁伤害的程度；另一方面，防水锁体系中的防膨剂可以有效防止黏土矿物的水化膨胀，减弱煤岩心的水敏损害程度，从而提高其渗透率恢复值。

三、现场试验

从2016年3月份开始，新型防水锁处理剂体系HFSJ-1在鄂尔多斯盆地某煤层气矿区进行了4井次的现场应用试验，在该矿区4口煤层气井的钻完井、压裂增产等措施中加入防水锁处理剂体系HFSJ-1后，与未使用防水锁处理剂的邻井相比而言，4口井均取得了比较明显的增产效果，且表皮系数显著下降，施工有效率100%。具体施工效果见表3，可以看出，施工井中加入防水锁处理剂体系HFSJ-1后，产气量明显提升，是未使用防水锁处理剂的邻井的3倍左右，说明研制的新型防水锁处理剂HFSJ-1体系能够较好的适用于该煤层气储层，有效提高煤层气井的产量。

表3 防水锁处理剂体系HFSJ-1现场施工效果

四、结论

(1)通过室内实验评价，研究了一种适合煤层气储层的新型防水锁处理剂体系(HFSJ-1)，具体配方为：0.2%新型氟碳表面活性剂FT-11+0.5%助表面活性剂FA-328+0.3%防膨剂FP-15。

(2)新型防水锁处理剂体系HFSJ-1性能评价结果表明，该防水锁处理剂体系具有良好的降低表面张力和改变煤岩表面润湿性的功能，能使煤岩心自吸水量显著下降，并可以大幅缩短煤层气的解吸时间，提高煤岩心的渗透率恢复值，降低水锁伤害程度。

(3)现场试验结果表明，使用新型防水锁处理剂体系HFSJ-1施工的4口煤层气井的日产气量均明显高于未使用防水锁处理剂的邻井，并且表皮系数明显减小，说明HFSJ-1体系能够显著降低煤层气储层的水锁伤害，从而达到提高煤层气井产量的目的。