煤层气储层水锁损害机理及防水锁剂的研究

胡友林,乌效鸣

(1.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉 430074;2.长江大学石油工程学院,湖北荆州 434023)

煤层气储层水锁损害机理及防水锁剂的研究

胡友林1,2,乌效鸣1

(1.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉 430074;2.长江大学石油工程学院,湖北荆州 434023)

水锁效应是造成煤层气储层损害的主要因素之一,研究其水锁损害机理和防水锁技术有利于保护煤层气储层,从而提高煤层气采收率。以山西沁水盆地3号煤样为研究对象,实验研究了外来流体侵入对煤层气解吸时间和渗透率的影响。结果表明,外来流体侵入延长煤层气解吸时间和降低渗透率,随着含水率上升,煤层气解吸时间延长和渗透率降低。在此基础上进行了防水锁剂的研究,优选出了防水锁剂FSSJ,并对其性能进行了评价。结果表明,FSSJ起泡性弱、降低表面张力、增大接触角、降低煤芯自吸水量、减少煤层气储层水锁损害,具有较好的防水锁效果。煤层气储层水锁损害应具备自然条件、物质条件以及压力条件。

煤层气储层;水锁损害;防水锁剂;外来流体;解吸时间;渗透率

煤层气(俗称瓦斯)是以吸附状态储存于煤层内的一种非常规天然气[1-2]。煤岩特殊的基质孔隙和割理组成的孔隙结构特征以及微裂缝分布广的特点使得煤层气储层极易因外来流体侵入而发生水锁损害,严重影响煤层气的解吸、扩散、渗流及后期开采[3-6],因此开展煤层气储层水锁损害机理和防水锁研究具有非常重要意义。与常规石油天然气储层相比,煤岩特殊的孔隙裂缝结构及煤层气的储存机制、产出方式的特性决定了煤层气储层水锁损害机理具有其特殊性,因此常规油气储层的水锁损害机理应用于煤层气储层存在一定局限性。针对煤层气储层水锁损害机理及防水锁问题,目前国内主要是单方面研究水锁损害对储层渗透率的影响,或者是单方面研究水锁损害对煤层气解吸的影响,并未将二者综合起来研究煤层气储层水锁损害机理和防水锁技术,煤层气储层水锁损害机理及防水锁研究相对不够完善[7-15]。笔者以山西沁水盆地3号煤样为研究对象,将外来流体侵入煤样后对煤层气解吸时间和对储层渗透率的影响二者结合起来开展煤层气储层水锁损害机理及防水锁研究。

1 煤层气储层水锁损害机理

煤储层天然裂隙内径很小,可将其看作是无数大小不等、形状各异、彼此曲折的毛细管,当外来流体侵入裂隙后,井眼周围含水饱和度上升,从而降低煤层气的解吸速率和渗透率,该现象称为“水锁效应”[16]。煤层气储层发生水锁损害与其天然裂隙内径大小、外来流体侵入量和表面张力相关。

1.1 水锁损害实验评价

煤层气解吸速率和渗流能力是煤层气开发的重要参数,煤层气解吸速率常用解吸时间表征其大小,煤层气渗流能力常用渗透率表征其大小。为研究煤层气储层水锁损害机理,需要通过测定同一煤样在相同条件下外来流体侵入前后煤层气解吸时间和渗透率。实验中满足以下4个条件:①含煤层气的煤样必须是处于吸附平衡状态;②必须保证外来流体是在煤样吸附平衡后侵入;③必须保证外来流体与煤样有较好配伍性;④实验过程中必须保证煤样不发生其他损害。实验采用山西沁水盆地3号煤样,为避免外来流体对煤样造成其他损害,实验所用的外来流体为0.45μm以下微孔滤膜,过滤后并加入3%KCl的沁水河水。

具体实验步骤为:①测定煤样孔隙度;②测定煤样初始渗透率K1;③通过真空泵对煤样进行真空脱气;④煤样在甲烷平衡压力为0.5 MPa时吸附一定时间,直至达到吸附平衡状态;⑤煤样出口端反向注入外来流体(模拟外来流体侵入),在煤样中建立不同含水率;⑥填煤管的压力降为0,且没有甲烷排出的时间记录为煤层气解吸时间;⑦煤样完全解吸后测定煤样渗透率K2,并计算损害率;⑧重复实验步骤③～⑦测定不同含水率煤样的煤层气解吸时间和渗透率。实验结果见表1。

表1 煤样含水率对煤层气解吸时间和渗透率的影响Table 1 Influence of moistu re content on coalbed methane desorption time and permeability

表1结果表明,外来流体侵入后延长煤层气解吸时间和降低煤样渗透率,随着含水率上升,煤层气解吸时间延长和渗透率降低,储层损害程度越严重。主要是因为外来流体侵入对煤储层的解吸和渗流具有水锁阻碍作用。煤储层是一种复杂的多孔介质,外来流体侵入后将裂隙中气体推向储层深部,并在气、水界面形成一个凹向水相的弯液面,进而形成毛细管阻力,当孔隙内部与外部环境之间的压力差不足以克服该毛细管阻力时,便阻碍煤层气解吸和渗流。

1.2 水锁损害机理分析

(1)自然条件。

煤储层多孔隙、多裂隙性,且天然裂隙内径很小以及所处的近似干燥的环境是外来流体侵入时储层发生水锁损害的自然条件。

(2)物质条件。

外来流体吸附在煤体表面,储层中煤层气由吸附态变为游离态,并在外来流体的驱替、携带作用下外排。外来流体侵入后,在孔隙两端产生毛细管自吸作用,并在煤层气运移孔隙通道中形成毛细管阻力,驱动压力不足以克服毛细管阻力,从而延长煤层气解吸时间和降低煤储层渗透率,外来流体侵入是储层发生水锁损害的物质条件。

(3)压力条件。

毛细管压力计算公式为

式中,Pc为毛细管压力,Pa/cm;σ为表面张力,mN/ cm;θ为接触角,(°);r为毛细管半径,cm。

根据Paiseuille定律,在驱动压差作用下,从毛细管中克服毛细管阻力排出液体的体积为

式中,L为液柱长度;P为驱动压力;μ为外来流体黏度。

式(2)转换线速度为

对式(3)积分得出从半径为r的毛管中排出长为L的液柱所需的时间为

储层发生水锁损害的压力条件为

只有当孔隙内外之间的压力差大于毛细管阻力,煤层气才能形成吸渗。

2 煤层气储层防水锁技术

在煤层气储层钻完井及生产过程中外来流体不可避免侵入储层造成储层水锁损害,在外来流体中加入防水锁剂降低表面张力或改变煤样润湿性是减少煤层气储层水锁损害最有效方法[17-18]。

2.1 防水锁剂优选

防水锁剂主要为表面活性剂,或者是以表面活性剂为主体并辅以其他添加剂。防水锁剂的特点:①少量的加入能大大降低表面张力或改变润湿性;②加速侵入液的蒸发,有利于近井滞留液以蒸发方式被驱走,更好地解除水锁[19-21]。

2.1.1 防水锁剂优选方法

室内采用界面张力仪测定防水锁剂沁水河水溶液的表面张力。表面活性剂的加入引起的起泡现象不利于煤层气储层防水锁,防水锁剂的起泡性应较弱,实验结果见表2。

表2结果表明,沁水河水中加入浓度为0.5%～1.0%防水锁剂FSSJ后具有较弱的起泡性和良好的表面活性,表面张力小于20 mN/m,在沁水河水中加入FSSJ后溶液表面张力大幅度降低,降低表面张力可降低毛细管阻力,从而减少储层水锁损害。

表2 表面活性和起泡性测试结果Table 2 Resu lts of surface activity and foamability test

2.1.2 防水锁剂FSSJ作用机理

防水锁剂FSSJ其主要成分胺基硅醇、聚合醇、氟碳表面活性剂等。胺基硅醇具有独特的分子结构,含有多个胺基和羟基(—OH),在煤样表面发生吸附;胺基硅醇中含有活泼的硅醇基(Si—OH),发生反应缩合成高分子化合物——网状有机硅树酯膜(体型结构具有憎水性)。聚合醇在煤样表面发生吸附形成憎水膜,降低外来流体侵入深度。氟碳表面活性剂使得水溶液形成较低界面张力,增大接触角,实现“反毛细管效应”,阻止外来流体侵入储层内径更小的裂隙。

2.2 防水锁剂FSSJ性能评价

2.2.1 润湿反转能力

(1)接触角法。

将煤样放置在防水锁剂FSSJ溶液中浸泡4 h后取出,40℃烘箱中烘干后,采用HARKE-SPCA视频接触角测定仪测定沁水河水与处理后煤样表面的接触角。实验结果如图1所示。由图1可知,沁水河水在未处理煤样表面展开,而沁水河水在1.0%FSSJ溶液浸泡后的煤样表面呈半球状,其接触角(75.4°)大于未处理煤样的接触角(24.2°),且接触角随防水锁剂FSSJ浓度的增大而增大。

(2)煤样自吸法。

当煤样与沁水河水接触时,煤样在毛细管力作用下自吸水。通过自吸法研究煤样在FSSJ处理前和处理后的自吸水量随时间的变化,煤样处理方法与接触角法中煤样处理方法相同,实验结果如图2所示。

由图2可知,在同一自吸时间内,经1.0%FSSJ沁水河水溶液浸泡后煤样自吸水量远远低于未浸泡煤样的自吸水量,自吸4 h后未浸泡的煤样自吸水量为0.37 g,而浸泡后的煤样自吸水量为0.09 g。

2.2.2 防水锁效果评价

图1 煤样接触角Fig.1 Contact angle of coal core

图2 煤样自吸水量与时间的关系曲线Fig.2 Relationship curves between self adsorption water of coal and time

根据水锁损害实验评价方法和实验步骤,评价了1.0%FSSJ沁水河水溶液侵入煤样后煤层气解吸时间、储层渗透率和防水锁效果,实验结果如表3、图3所示。

表3 煤样含水率(1.0%FSSJ溶液)对煤层气解吸时间和渗透率的影响Table 3 Influence of moistu re content(1.0%FSSJ solution)of coal on coalbed methane desorption tim e and permeability

图3 不同外来流体侵入解吸时间和侵入渗透率的对比曲线Fig.3 Contrast curves of desorption time and permeability under different external fluid invasion

由表3、图3可知,在沁水河水加入1.0%FSSJ后,煤层气解吸时间大幅度缩短,储层渗透率损害率大幅度降低,防水锁剂FSSJ能明显减少储层水锁损害。主要因为:一方面FSSJ降低表面张力和增大接触角,降低毛细管阻力;另一方面FSSJ实现“反毛细管效应”,改变煤样润湿性,阻止外来流体进一步侵入储层内径更小的裂隙,降低毛细管阻力,从而有利于煤层气解吸和渗流。

3 结 论

(1)外来流体的侵入对煤储层的解吸和渗流具有水锁阻碍作用,外来流体侵入后延长煤层气解吸时间和降低煤样渗透率,随着含水率上升,煤层气解吸时间延长和渗透率降低,储层损害程度越严重。

(2)煤层气储层多孔隙、多裂隙性以及所处的干燥环境是发生水锁损害自然条件,外来液侵入是发生水锁损害物质条件,毛细管阻力是发生水锁损害压力条件。

(3)防水锁剂FSSJ能有效降低表面张力,增大接触角,实现“反毛细管效应”,改变煤样润湿性,阻止外来流体侵入储层内径更小的裂隙,有效减少煤层气储层水锁损害。

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Research on coalbed methane reservoir water blocking dam age mechanism and anti-water blocking

HU You-lin1,2,WU Xiao-ming1

(1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China;2 College of Petroleum Engineering,Yangtze University,Jingzhou 434023,China)

Water blocking effect is one of themain factors causing coalbed methane reservoir damage,the research of itswater blocking damagemechanism and anti-water blocking technology is beneficial to protecting coalbed methane reservoir,thus enhancing CBM recovery.Taking No.3 coal in QinshuiBasin of Shanxi Province as the research object, the influence of external fluid invasion on coalbed methane desorption time and permeability was experimentally studied.The results show that external fluid invasion prolongs coalbed methane desorption time and decreases permeability,coalbedmethane desorption time prolongs and permeability decreases with the increase ofwater cut.The research on anti-water blocking was carried outon this basis,the anti-water blocking agent FSSJwas selected out,and its properties were evaluated.The results show that the FSSJwith weak foamability can effectively reduce surface tension,increase contact angle,decrease self adsorption water quantity of coal,reduce coalbed methane reservoir water blocking damage,and has better anti-water blocking effect.Coalbedmethane reservoirwater blocking damage should have natural condition,material condition and pressure condition.

coalbed methane reservoir;water blocking damage;anti-water blocking;external fluid;desorption time; permeability

P618.11

A

0253-9993(2014)06-1107-05

胡友林,乌效鸣.煤层气储层水锁损害机理及防水锁剂的研究[J].煤炭学报,2014,39(6):1107-1111.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1024

Hu Youlin,Wu Xiaoming.Research on coalbed methane reservoir water blocking damagemechanism and anti-water blocking[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1107-1111.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1024

2013-07-15 责任编辑:韩晋平

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05036-001)

胡友林(1978—),男,湖北黄冈人,讲师,博士研究生。E-mail:61872218@qq.com。通讯作者:乌效鸣(1956—),男,浙江宁波人,教授,博士生导师。E-mail:xmwu5610@163.com