覆膜支撑剂导气阻水效果可视化试验研究

谭晓华， 丁 磊， 胥伟冲， 瞿 霜， 温中林

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都 610500；2.中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院，四川成都 610041；3.四川川庆石油钻采科技有限公司，四川广汉 618300；4.中国石油青海油田天然气开发公司，青海格尔木 816000）

目前我国大多数气藏均属于不同程度的水驱气藏，其中边底水活跃的气藏大概占40%～50%。对于水驱气藏，随着开发进行，地层压力不断降低，导致气藏周围的边底水进入储层的渗流通道，形成复杂的气水关系，可能出现水锥、水窜等现象；与此同时，气相相对渗透率大幅降低，并在井筒中形成积液，影响气井的产量，甚至会因水淹报废。因此，对于水驱气藏的开采应该采取适当的技术措施，阻止水体进入井筒，实现水驱气藏的有效开发。

为提高水侵气井的产量，实现气井二次生产的目的，可以对压裂支撑剂（石英砂等）进行覆膜，使其具有疏水导气的能力，利用其支撑压裂裂缝时，裂缝对气相具有高导流能力，并抑制水相流动。国内外关于覆膜支撑剂的研究较多，1970年B.M.Young[1]将糠醇或糠醇树脂涂覆在固体颗粒上，制成第一批覆膜支撑剂；20世纪80年代，国外学者将热固化树脂涂覆在骨料上，发明了预固化覆膜支撑剂，具有强度高、密度低、球圆度好和破碎率低等优点[2–3]；后来为解决压裂后地层出砂、返排吐砂的问题，研制了可固化的覆膜支撑剂[4–10]，在地层条件下，树脂在骨料上发生固化、胶结，形成阻止出砂、返排吐砂的过滤网；此后，相继研制出了自悬浮支撑剂[11–15]、疏水支撑剂[16–17]、自聚性支撑剂[18]和低密度支撑剂[19]等具有优异性能的覆膜支撑剂，解决了油气田压裂改造中的大多数问题。近年来，针对覆膜支撑剂强度、防出砂和防回流方面的研究较多，但对覆膜支撑剂疏水导气方面的研究较少[20]。

基于上述现状，笔者针对水侵气藏出水严重的问题，制备了一种覆膜支撑剂，通过可视化试验研究了覆膜支撑剂的导气阻水效果，以期为应用覆膜支撑剂实现水驱气藏控水稳产提供依据。

1 覆膜支撑剂的制备

制备覆膜支撑剂所用覆膜剂是自主研发的一种常温固化型液体，其黏度为1.2 mPa·s，分子结构中的硅氧烷键（Si—O—Si）具有强大的键合能量，耐温性能极好，在250 ℃的高温环境中也不发生分解。选取30/40 目石英砂作为制备覆膜支撑剂的原材料，将覆膜剂均匀喷洒在石英砂表面，同时不断搅拌石英砂，覆膜剂会在石英砂表面形成一层均匀的薄膜，待薄膜风干固化之后会紧贴在石英砂表面，形成覆膜支撑剂。覆膜支撑剂具有光泽度高、丰满度高、透明性好和强度高等特点，并且覆膜能长时间保持稳定的低表面能，具有良好的疏水性和导气性。

为初步评价覆膜支撑剂的疏水性，分别将水滴在石英砂、覆膜支撑剂和经过高温流体冲刷的覆膜支撑剂上，观察亲水性，结果见图1。由图1可知：石英砂具有较强的亲水性，水滴到石英砂上，水会快速渗透；覆膜支撑剂具有疏水性，水滴到覆膜支撑剂上，水会停留在覆膜支撑剂表面，并且经高温流体冲刷后其仍然保持了稳定的疏水能力。

图1 石英砂和覆膜支撑剂的滴水试验结果Fig.1 Water drop test results of conventional quartz sand and coated proppant

2 覆膜支撑剂相对渗透率试验

为了对比覆膜支撑剂与普通石英砂的气–水两相渗透规律，笔者将石英砂和覆膜支撑剂分别充填在相同尺寸的填砂管中，充分压实后测定其气–水相的相对渗透率。

2.1 试验装置

试验装置主要由平流泵、压力表、填砂管、气液分离器、U形管和气量计组成（见图2），其中填砂管是试验装置的关键部分。压力表采用YN60型耐震真空负压表，量程为 0～0.25 MPa。

图2 相对渗透率试验装置示意Fig.2 Schematic diagram of device for relative permeability test

2.2 试验步骤

2.2.1 制作填砂管

截取2根长度为5 m的透明胶管制作填砂管。该胶管外径 6.0 mm，内径 4.0 mm。将 30/40 目的石英砂和覆膜支撑剂分别填充到2根透明胶管中，采用“一堵一填”的填充方式，即透明胶管一侧密封封堵，从另一侧填充石英砂和覆膜支撑剂。填充过程中不停甩动透明胶管，使填充物在作用力下完全接触，达到充分压实的目的。待透明胶管填充满并充分压实后，在透明胶管两侧入口处填入纱布，防止渗流过程中砂粒运移流失。

2.2.2 相对渗透率试验

1）用平流泵驱替地层水以一定的流速通过石英砂填砂管，待填砂管出口端不再产气时，表示填砂管已达到饱和地层水的状态。记录流量和填砂管进出口的压差，连续测定3次水相渗透率，其相对误差小于3%时，以此水相渗透率作为水–气相对渗透率的基础值。

2）调整出口气液分离器、U形管和气量计，用平流泵从填砂管入口泵入空气，开始气驱水，记录各个时刻的驱替压力、产水量及产气量。

3）气驱水至残余水状态，测定残余水状态下的气相渗透率后，结束试验。

4）取下填砂管，清洗、调整试验装置，改用覆膜支撑剂填砂管重复上述试验。

2.3 试验结果及分析

按照石油天然气行业标准《岩石中两相流体相对渗透率测定方法》（SY/T 5345—2007）中相对渗透率的计算方法，分别计算石英砂填砂管和覆膜支撑剂填砂管的气–水相对渗透率，并绘制气–水相对渗透率曲线（见图3）。从图3可以看出，在相同试验条件下，覆膜支撑剂的气相相对渗透率明显高于石英砂，并且覆膜支撑剂的水相相对渗透率明显低于石英砂。由此可见，覆膜支撑剂可以提高气相相对渗透率，抑制水相流动，即覆膜支撑剂具有疏水导气作用。

图3 石英砂与覆膜支撑剂的气–水相相对渗透率曲线Fig.3 Relative permeability curves of the gas–water phase with conventional quartz sand and coated proppant

3 导气阻水可视化试验

相对渗透率试验结果表明，覆膜支撑剂具有良好的疏水导气作用，为进一步了解覆膜支撑剂在地层中的性质，进行了导气阻水可视化试验，即利用密封渗流模型，在矩形渗流槽边部填入石英砂，在渗流槽中部填入覆膜支撑剂，模拟压实胶结的地层，然后利用平流泵以恒速驱替的方式向渗流槽内注入染色的水，将渗流槽中已经饱和的气驱替出来，观察并记录驱替过程中气水运移的方向和运移规律。

3.1 试验装置

导气阻水可视化试验装置主要由平流泵、渗流模型、气液分离器、U形管和气量计组成（见图4），其中渗流模型是试验装置的关键部分。

图4 可视化试验装置示意Fig.4 Visualization experiment device schematic diagram

根据相似性原则，利用 0.60 m×0.40 m×0.01m 的渗流模型模拟半径20 m、厚度60 m的圆形地层。假定水体为无限水体（即驱替压力恒定），将渗流模型单井产气量作为地层单井累计产气量，将渗流模型单井产水量作为地层单井累计产水量。

3.2 试验步骤

3.2.1 渗流模型制作

渗流模型由 700 mm×500 mm×20 mm 的有机玻璃板制作而成，中间渗流槽尺寸为600 mm×400 mm×10 mm，在渗流槽中部 500 mm×120 mm×10 mm 范围内填入30/40 目覆膜支撑剂，形成中部覆膜支撑剂带，在渗流槽其余位置填入30/40 目石英砂（见图5），并充分压实，在渗流槽进口端和出口端填入纱布，以防止砂粒运移流失，盖上盖板、并用螺杆固定。

图5 渗流模型Fig.5 Seepage model

将试验装置的各部分连接好，并确保其密封性，采用恒速（v=6 mL/min）驱替的方法，用染色的水驱替渗流模型中饱和的气体，观察气水运移规律，并分别记录3 口模拟井的累计产水量和累计产气量；当气液分离器中不再产生气体时，说明渗流模型中的气体被驱替完毕，再记录一段时间的数据后，关闭平流泵，结束试验。

3.3 试验结果及分析

图6所示为不同驱替时间观察到染色水的运移情况。图7所示为3口模拟井不同驱替时间下的生产曲线。

从图6可以看出，当水体驱替速度为6 mL/min时，经过40 min的驱替，渗流模型基本被染色水充满。从图6还可以看出，整个驱替过程大致分为4个阶段：

图6 可视化试验染色水运移情况Fig.6 Dyed water migration in visualization experiment

第1阶段，即堵水阶段，驱替时间0～20 min。在此阶段，当驱替水体在压差作用下渗入砂体后，沿着石英砂体缓慢渗流。由于石英砂具有亲水性，毛细管力方向指向水体前进方向，毛细管力与驱替压力的合力形成推动水体前进的动力；而覆膜支撑剂具有疏水性，毛细管力方向与水体前进方向相反，形成阻止水体前进的阻力（见图8）；并且根据图7 ，模拟井2的产气量明显高于两侧，由于覆膜支撑剂具有导气性，因此推测出上下两侧部分被驱替出的气体通过覆膜支撑剂带流出模型（见图9）。

图8 第1阶段水体流向Fig.8 Water flow direction at the first stage

图9 第1阶段气体流向Fig.9 Gas flow direction at the first stage

第2阶段，即突破阶段，驱替时间20～30 min。随着水体不断侵入，越来越多的水体聚集在覆膜支撑剂与石英砂交界处，来不及向两侧运移，使水体驱替压力逐渐增大，水体开始向覆膜支撑剂带内运移（见图10）。根据图7 ，此阶段模拟井2的产气量仍然远高于上下两侧模拟井，因此推测出模型内上下两侧部分被驱替出的气体进入覆膜支撑剂带内，与覆膜支撑剂带内的气体一同被驱替出模型（见图11）。

图10 第2阶段水体流向Fig.10 Water flow direction at the second stage

图11 第2阶段气体流向Fig.11 Gas flow direction at the second stage

第3阶段，即偏向阶段，驱替时间30～40 min。当水体驱替压力大于覆膜支撑剂的突破压力时，其开始向覆膜支撑剂带内运移，但在运移通道上仍不断受到覆膜支撑剂毛细管力的作用；随着水体不断向前运移，水体驱替压力逐渐降低，而覆膜支撑剂的毛细管力不变，导致覆膜支撑剂带内的水体运移速度逐渐降低，使覆膜支撑剂带内水体聚集。随着水体重新聚集，水驱气前缘压力升高，此时，处于覆膜支撑剂带边界处的水体将在压差作用下向石英砂带运移，使水体开始偏向两侧石英砂带（见图12）。由第3阶段水体流向（见图13）可知，上侧石英砂带仍显示有未被水体侵入的白色条带，这是因为中部覆膜支撑剂带水体向两侧运移时，进入上侧石英砂带后只是聚集在了石英砂带边部。此阶段因为石英砂带气水前缘较为靠近，模型中的气体大部分通过对应的模拟井被驱替出（见图14）。

图12 边界水体流向Fig.12 Boundary water flow direction

图13 第3阶段水体流向Fig.13 Water flow direction at the third stage

图14 第3阶段气体流向Fig.14 Gas flow direction at the third stage

第4阶段，即水淹阶段，驱替时间40～60 min，此阶段模型两侧完全被水体侵入，模型中部还存在部分剩余气。根据图7，模型上下两侧产水量剧增，而中部覆膜支撑剂带产水量一直较低，说明了覆膜支撑剂具备良好的疏水性。

图7 可视化试验生产曲线Fig.7 Production curves of visualization experiment

根据以上试验和分析结果可以预测，水驱气藏使用覆膜支撑剂进行压裂时，能够实现导气阻水的目的，提高气井产量。

4 现场试验

TN气田位于柴达木盆地中东部的三湖坳陷地区，储层整体表现出高孔中低渗的特点，非均质性强，边水易沿着高渗带快速突进，开采难度大。截至2018年6月，TN气田已进入气水同产阶段，水侵严重，导致低产井、积液井占比接近2/3，严重影响了该气田的开发[21]。为此，利用覆膜支撑剂对该气田X21井进行了重复压裂。

TN气田X21井于2009年4月8日完井，完井井深 1 250.00 m。2019年 3月 12日—5月 18日平均产气量 800 m3/d，平均产水量 51.0 m3/d，由于水淹严重导致躺井。为试验覆膜支撑剂的疏水导气特性，2019年6月26日对X21井进行了重复压裂，重复压裂井段 1059.50～1062.10 m，施工最高压力 27.0 MPa，最大排量 4.5 m3/min，施工总液量 292.5 m3，共注入覆膜支撑剂 100.0 m3，净液量 192.5 m3，平均砂比43.38%，反洗井液量 4.9 m3，施工周期 81 h。7 月4 日采用ϕ5.0 mm 油嘴生产，平均产气量 0.41×104m3/d，平均产水量 13.5 m3/d；8 月 20 日更换成ϕ9.5 mm 油嘴生产，平均产气量 1.23×104m3/d，平均产水量 21.4 m3/d。X21井采用覆膜支撑剂重复压裂后，产水量大幅降低，产气量明显提高，说明覆膜支撑剂具有疏水导气特性。

5 结论与建议

1）以石英砂、常温固化型液体为原料，制备了一种覆膜支撑剂，其覆膜能长时间保持较低的表面能。水滴试验表明，覆膜支撑剂即使经过高温流体长时间冲刷仍具有良好的疏水性。

2）通过石英砂和覆膜支撑剂的相对渗透率试验发现，覆膜支撑剂可以有效提高气相的相对渗透率，抑制水相的流动。

3）模拟地层可视化水驱气试验结果表明，覆膜支撑剂具有疏水导气的特性。

4）现场试验表明，采用覆膜支撑剂对水侵气井进行重复压裂改造，可以提高产气量，降低产水量，实现水侵气井的二次生产，可为水驱气藏的开发提供一种新的技术手段。

5）覆膜支撑剂室内试验还不够完善，无法同时满足试验可视化与模拟实际气藏温度压力条件的要求，建议与数值模拟相结合进行更为全面的模拟试验研究。