临兴地区深部煤系天然气井试采过程绒囊流体控水效果室内评价

孟尚志

中联煤层气有限责任公司

临兴地区位于鄂尔多斯盆地东缘，其上古深部煤系地层微裂缝发育但产量不高［1］，储层改造是天然气井增产的必要措施［2］。改造后深部地层出水是导致天然气井单井产量低的重要原因之一［3］。由于气液两相渗流、气井出水位置判断难、出水伤害气层、堵水剂波及体积小［4］，且气井堵水工艺的复杂性，致使气井堵水作业整体难度较大［5］。因此，选择合理的气井堵水技术，实现气井控水过程中控水稳气是堵水成功后气井产能提升的关键因素。当前气井堵水整体处于起步阶段，室内和理论研究基本完善，但有关堵水应用评价的争议不断［6］，室内探讨有待进一步深入。

LX-Y天然气井位于临兴地区，属深部煤系，压裂改造后储层物理特性具备破碎性特征［7］，该井实施联探并采［8］。试井过程中产气不高且伴随大量出水，现场选择绒囊流体堵水，作业4 d，试采8 d后中止。数据显示，应用绒囊流体堵水后，日实际产水量由82.97 m3降至42.03 m3，单位压差产水由11.35 m3/MPa降至2.83 m3/MPa；日产气量由300 m3/d增至394 m3/d。总体来看，应用绒囊流体堵水后，LX-Y井单位压差产水下降75.8%，气井产能提升不明显。针对这一现象，业内对绒囊流体堵水评价提出3点争议：(1)绒囊堵水成功，但地层本身产能低；(2)地层中自身产能高，但是被绒囊堵住；(3)边底水入侵量过大，注入绒囊用量不足。在地层和工艺参数已定的前提下，上述争议的核心问题在于绒囊流体在天然气井堵水过程中能否实现稳气控水。

绒囊流体是一种能自适应储层［9］、可变形自匹配漏失通道的智能流体体系［10］，具有良好的封堵能力［11］，已成功应用于气井压裂控水［12］、煤层气井压裂堵水［13］、选择性堵水［14］、高矿化度地层水地层的稳油控水［15］、气井修井［16］和辅助聚合物驱油［17］等领域，但有关绒囊流体封堵后气水的突破能力室内尚未进行系统研究。验证绒囊流体封堵后气水突破压力的变化，是证明绒囊流体能稳气控水的重要依据，也是回答上述有关绒囊流体堵水提高气井产能争议的关键论据。为此，室内钻取临兴盒2储层直径25 mm的砂岩柱塞，并进行人工造缝。利用自制气水突破压力测试仪，以模拟地层水和氮气为流动介质模拟测定绒囊流体封堵气、水裂缝突破压力梯度，分析绒囊流体在基质、人工裂缝和边底水涌入等3类不同尺度产水通道中的稳气控水能力。

1 室内实验

临兴深部煤系储层渗透率为(0.01～0.03)×10-3μm2，呈现低孔低渗特征，地层中含有大量层间水。绒囊流体一次堵水后，地层产水量降低约50%，但出水量仍维持在42.96 m3/d。推测地层中存在高产水通道，可能来源于压裂改造形成大尺度人工裂缝，同时进一步沟通其他层位边底水，形成边底水互相窜通，进而导致大量出水。

为模拟绒囊流体在微孔裂隙、人工裂缝和边底水涌入3类不同尺度产水通道中的稳气控水能力,室内分别以基质岩心柱塞和线切割4 mm人工裂缝的岩心柱塞(图1)为对象，模拟绒囊流体封堵层间小尺度产水通道和人工裂缝等大尺度产水通道，利用物模方法开展绒囊流体封堵基质岩心及人工裂缝岩心“突破压力-流量”实验。

现场绒囊流体配制比例为1.8%囊层剂(主要成分为羟乙基淀粉)+1.2%囊毛剂(主要成分为聚阴离子纤维素)+1.0%囊核剂(主要成分为十二烷基磺酸钠)+1.0%囊膜剂(主要成分为十二烷基苯磺酸钠)。室内量取10 000 mL去离子水，分别称取上述质量比的囊层剂、囊毛剂、囊核剂和囊膜剂，按顺序加入1 000 mL去离子水中，8 000 r/min下搅拌40 min。实测所配制绒囊流体密度为0.894 g/cm3，黏度为57 mPa · s，囊泡平均粒径分布范围为100～120 μm，流体性质参数符合现场性能参数范围。

图1 室内人工造缝岩心柱塞Fig. 1 Laboratory core plunger with hydraulic fractures

以模拟地层水和氮气为气液两相流动介质，利用自制的测试装置(图2)测试气液两相突破绒囊流体封堵的压力。评价绒囊流体在岩心基质或裂缝中对水、气的封堵效果，分析绒囊流体堵水过程中的稳气控水能力，讨论绒囊流体堵水提高单井产量争议性问题。

图2 气水突破压力测试实验装置流程图Fig. 2 Flow chart of gas/water breakthrough pressure test device

岩心经抽真空加压饱和、充分饱和模拟地层水后，在围压3 MPa，驱替压力恒定1.5 MPa条件下，测定通过岩心柱塞的气体流量，采集周期1 min。当流速达到0.1 mL/min，反向注入绒囊流体至岩心柱塞出口端见液，在相同实验条件下分别测定通过岩心柱塞的气体流量；相同条件下，测定通过岩心柱塞的液体流量，采集周期1 min。当流速达到0.1 mL/min，反向注入绒囊流体至岩心柱塞出口端见液，在同样实验条件下分别测定通过岩心柱塞的液体流量，分别记录气液两相的突破压力梯度数据。

2 结果分析与讨论

基于LX-Y井试采过程绒囊堵水评价争议，结合室内研究，评价绒囊流体在基质孔隙、人工裂缝和边底水涌入等情况的稳气控水能力，分析绒囊流体堵水过程中的稳气控水能力，探讨上述争议的核心问题。

2.1 绒囊流体能封堵基质出水

实验测得绒囊流体封堵3枚基质岩心后，氮气突破压力梯度分别为0.019、0.02、0.022 MPa/cm，均值0.020 3 MPa/cm；模拟地层水的突破压力梯度分别为0.202、0.209、0.201 MPa/cm，均值0.204 MPa/cm，水的突破压力梯度约为气体突破压力梯度10倍。

研究表明，地层中裂缝的孔隙尺寸通常认为与地层的渗透率具有一定的相关性。史胜龙等在研究微泡沫直径与地层孔隙直径的匹配关系中认为岩心渗透率与平均孔隙直径相关性如式(1)所示［18］。

式中，为平均孔隙直径，μm；k为渗透率，μm2。

利用式(1)拟合得该区地层最大平均孔隙直径为0.445 μm，远小于绒囊堵水流体中囊泡的最小平均粒径(110 μm)。因此绒囊堵水流体封堵基质岩心时，由于流体体系中囊泡粒径大于孔隙直径，滞留于岩心表面无法进入孔隙内部，而体系中微小聚合物组分聚集于岩心端面，形成一层聚合物膜［6］，当端面有孔隙时，聚合物组分进入孔隙中，封堵基质裂隙。且聚合物膜对水产生流动阻力，几乎不影响气的流动，实现对基质岩心的堵水稳气。

2.2 绒囊流体能封堵人工裂缝出水

实验测得绒囊流体封堵3枚含4 mm人工裂缝岩心后，氮气的突破压力梯度分别为0.018、0.021、0.020 MPa/cm，均值0.019 7 MPa/cm；模拟地层水的突破压力梯度分别为0.043、0.038、0.039 MPa/cm，均值0.040 MPa/cm。水突破压力梯度约为气体突破压力梯度2倍，水和气突破压力梯度比值较封堵基质岩心有一定幅度下降。

分析认为，封堵人工裂缝等这类较大尺度产水通道时，绒囊流体是以囊泡堆积的形式实现承压封堵［9］，囊泡和囊泡之间有一定尺度的流通通道，气体可以自由通过，同时水分子也可以部分通过，表现为气水的突破压力梯度有差值，但相差不大。现场应用过程中，遇产水通道尺度较大且水量较大的情况，可以通过提高绒囊流体的用量，或者提高当前体系中囊泡的数量，强化囊泡封堵，增加水的流通阻力，提高水的突破压力，实现稳气控水。

2.3 绒囊流体能封堵边底水窜

当人工改造后的裂缝沟通其他层位边底水时，易形成边底水窜。这类出水通道综合了基质孔隙出水和人工裂缝出水的特征。

结合上述分析可知，绒囊流体利用体系中分散的聚合物分子进入地层微小孔隙，相互之间缠绕形成聚合物封堵膜结构，水分子很少或很难突破这层聚合物膜，但气体分子则易于突破。对于漏失通道尺寸较大的人工裂缝岩心，绒囊流体同时利用体系中的囊泡堆积形成承压封堵结构。绒囊流体封堵边底水窜原理见图3。

图3 绒囊流体在孔隙和裂缝中封堵地层水示意图Fig. 3 Sketch of fuzzy-ball fluid plugging formation water in pores and fractures

结合室内研究得出，绒囊流体通过聚合物缠绕成膜能封堵基质孔隙等小尺度出水通道，通过大量囊泡堆积能封堵人工裂缝和涌入边底水的大尺度产水通道，基本不阻碍气体的流通。但LX-Y气井试采过程使用绒囊流体堵水后，气井产能依然不高，故而出现对堵水效果评价的诸多争议。有研究认为，临兴上古深部煤系地层微裂缝发育区为深煤系层单井产量突破的潜力区，局部呈现单井见气快，产水多，易应力敏感、气产量上升缓慢等特点，表现为气井堵水后产能乏力。后续建议结合临兴深部煤系天然气井地质成藏特点和邻井生产数据对LX-Y井的天然气产能进行进一步系统评价，并做相应稳气控水措施调整。

结合室内实验和探讨，对绒囊流体现场堵水作业特别是针对大尺度的人工裂缝出水和边底水涌入情况，建议增加堵剂用量，或者提高现有体系中囊泡的数量，提高水的突破压力梯度，实现稳气控水。

3 结论

(1)室内证实绒囊流体堵水后气体和模拟地层水的突破压力不同，气体的突破压力梯度低于水的突破压力梯度，绒囊流体堵水后增大了水的流动阻力，表现出稳气控水能力。

(2)针对出水量大的层位，可以通过提高绒囊流体用量，或者提高体系中囊泡的单位体积的数量以提高封堵后水的突破压力，实现稳气控水。

(3)影响堵水后气井产能因素众多，受限于室内模拟条件，无法与现场施工条件完全匹配，气井产能和施工工艺对单井产量的影响有待进一步验证。