氣驅(qū)過程中氣竄問題的室內(nèi)研究與探討

鄭繼龍，宋志學(xué)，陳平，張相春，趙軍，胡雪，吳曉燕

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津塘沽300452

氣竄是物理模擬實(shí)驗(yàn)過程中常見的現(xiàn)象，如何有效預(yù)防氣竄［1］以及發(fā)生氣竄后采取正確的處理手段［2?3］對(duì)于成功實(shí)施氣驅(qū)室內(nèi)研究具有重要的意義。在注氣驅(qū)替過程中，由于巖心的非均質(zhì)性，隨著注入時(shí)間的延續(xù)和注入孔隙體積倍數(shù)的增加，注入氣的前緣部分會(huì)沿巖心的高滲透層形成竄流通道，注入氣很快發(fā)生突破。注入氣發(fā)生突破后，將對(duì)注入氣的波及系數(shù)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致采收率降低［4?5］。因此，探討如何預(yù)防氣竄和氣竄后及時(shí)采用有效方法處理氣竄，在氣驅(qū)物理模擬實(shí)驗(yàn)過程中有非常重要的意義。

1 室內(nèi)氣竄判別方法

目前室內(nèi)氣竄現(xiàn)象的識(shí)別主要有4種方法［6?9］：1）氣相色譜法，即借助氣象色譜儀通過對(duì)模型產(chǎn)出液中注入氣體所占比例隨注入時(shí)間的變化曲線進(jìn)行分析，這種方法能有效判斷氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)是否氣竄并確定模型中注入氣所占的比例；2）示蹤劑法，通過模型注入端注入氣體示蹤劑，在模型的出口端取氣樣進(jìn)行示蹤劑檢測(cè)，確定模型是否氣竄；3）氣液比法，根據(jù)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出液中氣液比隨時(shí)間變化曲線直接判斷氣竄；4）壓差法，根據(jù)模型入口端和出口端壓差隨注入時(shí)間的變化曲線判斷氣竄。其中，氣液比法比較簡(jiǎn)單，可有效判斷氣竄時(shí)間，但無法確定產(chǎn)出氣中注入氣所占比例。目前室內(nèi)氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)研究過程中主要采用氣相色譜法和氣液比法相結(jié)合的手段進(jìn)行氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)研究。

2 影響實(shí)驗(yàn)氣竄因素分析

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究及調(diào)研發(fā)現(xiàn)，氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)過程中，壓力、巖心長(zhǎng)度、滲透率等因素對(duì)氣竄影響較大，通過室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)注入氣體竄流規(guī)律進(jìn)行深入研究，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

2.1 試驗(yàn)裝置

1） QX5210?HC?A?AH?S 型號(hào)高壓恒壓恒速泵，美國錢德工程有限公司生產(chǎn)。

2）巖心驅(qū)替試驗(yàn)裝置，揚(yáng)州華寶石油儀器有限公司生產(chǎn)。

3）巖心夾持器（Φ25 mm×300 mm），江蘇海安發(fā)達(dá)石油儀器有限公司生產(chǎn)。4）TG05－3氣體測(cè)量計(jì)，德國Ritter公司生產(chǎn)。5）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，揚(yáng)州華寶石油儀器有限公司生產(chǎn)。

6）氮?dú)猓莉v氣體（天津）銷售有限公司生產(chǎn)，純度為 99.9%。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1）測(cè)量巖心長(zhǎng)度和直徑，安裝巖心，巖心夾持器注環(huán)壓3.0 MPa，按圖1所示流程連接實(shí)驗(yàn)裝置，檢查密閉性。

2）調(diào)節(jié)減壓閥至實(shí)驗(yàn)壓力，待壓力表穩(wěn)定后半小時(shí)開始實(shí)驗(yàn)。

3）分別記錄各種壓力條件下，巖心發(fā)生氣竄的時(shí)間。

4）更換不同長(zhǎng)度及滲透率的巖心，按照以上步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

巖心的物性參數(shù)如表1所示。

表1 巖心的物性參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

1）實(shí)驗(yàn)過程中巖心未飽和水，在巖心長(zhǎng)度和滲透率一定的條件下，巖心突破時(shí)間跟巖心壓力之間的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖可見，隨著注入壓力的升高，發(fā)生氣竄的突破時(shí)間呈下降趨勢(shì)。結(jié)果表明，注入壓力與氣體在多孔介質(zhì)中的突破時(shí)間呈冪指數(shù)關(guān)系。當(dāng)壓力低于0.5 MPa時(shí)，無法形成氣體竄流通道，氣體很難發(fā)生突破。當(dāng)壓力高于2.5 MPa，氣體竄流速度很快，氣竄時(shí)間比較短。林揚(yáng)等提出了預(yù)測(cè)氣體的氣竄時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如式（1）所示［10］：

式中：t為低滲透層發(fā)生氣竄的時(shí)間；t0為單位時(shí)間；L為巖心長(zhǎng)度；L0為單位長(zhǎng)度巖心；K1為高滲透層的滲透率；K2為低滲透層的滲透率；p為入口壓力；P0為10倍大氣壓。

圖2 氣竄時(shí)間隨注入壓力的變化關(guān)系曲線

根據(jù)氣竄時(shí)間經(jīng)驗(yàn)公式可知，氣竄時(shí)間跟巖心注入壓力成冪指數(shù)關(guān)系，巖心滲透率越大越容易發(fā)生氣竄，室內(nèi)氣竄實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果完全符合，說明采用該方法進(jìn)行氣竄實(shí)驗(yàn)研究切實(shí)可行。

在氣竄時(shí)間隨注入壓力的變化實(shí)驗(yàn)過程中，采用5＃巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，巖心長(zhǎng)度150 mm，巖心滲透率為 5 mD，實(shí)驗(yàn)壓力分別為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 MPa，隨著壓力的逐漸升高，氣竄時(shí)間逐漸下降，在注入壓力小于2.5 MPa時(shí)，氣竄時(shí)間下降速度比較快，主要原因是注入壓力過低氣體通過巖心過程中無法形成氣體竄流通道，巖心之間的孔喉阻力大于氣體注入壓力，導(dǎo)致氣體在巖心中無法快速通過，阻礙了氣體的竄流；當(dāng)注入壓力大于2.5 MPa時(shí)，氣竄時(shí)間下降速度減緩，主要原因是巖心的注入壓力大于巖心的孔喉阻力，氣體在巖心中形成了竄流通道，此后只要?dú)怏w注入壓力大于2.5 MPa，氣竄時(shí)間基本不會(huì)發(fā)生變化。

2）實(shí)驗(yàn)過程中巖心未飽和水，在巖心長(zhǎng)度和壓力一定的條件下，巖心突破時(shí)間跟滲透率之間的關(guān)系曲線如圖3所示。結(jié)果表明，氣竄時(shí)間隨著巖心滲透率的增加，呈下降趨勢(shì)。在氣竄時(shí)間隨巖心滲透率的變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)過程中，采用 6＃、7＃、8＃、9＃和10＃巖心，長(zhǎng)度均為120 mm，在實(shí)驗(yàn)過程中巖心注入壓力為 2.5 MPa，滲透率分別為 5、10、18、28 和 40 mD，隨著滲透率的逐漸升高，氣竄時(shí)間逐漸下降，在巖心滲透率小于28 mD時(shí)，氣竄時(shí)間下降速度比較快，主要原因是在此注入壓力條件下，隨著巖心滲透率的增加，巖心孔喉逐漸變大，形成流體流動(dòng)通道，氣體易通過巖心，發(fā)生氣竄；當(dāng)注入滲透率大于28 mD時(shí)，氣竄時(shí)間下降速度減緩，主要原因是在巖心的注入壓力不變的情況下，隨巖心滲透率的增加，巖心中已形成氣體竄流通道，此后在注入壓力不變的情況下，只要巖心的滲透率大于28 mD，氣竄時(shí)間基本不會(huì)發(fā)生變化。

圖3 氣竄時(shí)間隨巖心滲透率的變化關(guān)系曲線

3）實(shí)驗(yàn)過程中巖心未飽和水，在巖心滲透率和壓力一定的條件下，巖心突破時(shí)間跟巖心長(zhǎng)度之間的關(guān)系曲線如圖4所示。結(jié)果表明，氣竄時(shí)間隨著巖心長(zhǎng)度的增加，基本呈單調(diào)上升趨勢(shì)，與上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果一致。在氣竄時(shí)間隨巖心長(zhǎng)度的變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)過程中，巖心注入壓力和巖心滲透率不變，實(shí)驗(yàn)采用 1＃、2＃、3＃、4＃、5＃巖心，隨著巖心長(zhǎng)度的增加，氣竄時(shí)間逐漸升高，由圖4和上述經(jīng)驗(yàn)公式均可看出，在巖心滲透率和注入壓力不變的情況下，當(dāng)巖心長(zhǎng)度達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，巖心氣竄時(shí)間將會(huì)趨于無限大，所以在氣驅(qū)室內(nèi)研究過程中，為了最大限度地避免實(shí)驗(yàn)過程中氣竄的發(fā)生，需要最大限度的延長(zhǎng)巖心的長(zhǎng)度。因此，在室內(nèi)研究中，通常采用長(zhǎng)度為2 000 mm的巖心進(jìn)行氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)。

圖4 氣竄時(shí)間隨巖心長(zhǎng)度的變化關(guān)系曲線

綜上所述，通過室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)注入氣體竄流規(guī)律研究，最終確定了氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)過程中，壓力、巖心長(zhǎng)度、滲透率與氣竄時(shí)間之間的關(guān)系，由此可見，防止氣竄最有效的方法就是盡量選擇滲透率較低的巖心，同時(shí)提高巖心長(zhǎng)度。這樣就能夠避免氣驅(qū)室內(nèi)試驗(yàn)過程中發(fā)生氣竄，提高實(shí)驗(yàn)成功率。

3 氣竄室內(nèi)實(shí)驗(yàn)預(yù)防

由圖2和經(jīng)驗(yàn)公式均可看出，氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)過程中氣竄跟注入壓力、巖心長(zhǎng)度、滲透率有著直接的關(guān)系，防止氣竄最有效的方法就是降低巖心滲透率，提高巖心長(zhǎng)度。

室內(nèi)氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)過程中巖心選擇尤為關(guān)鍵，在巖心滲透率和注入壓力一定的情況下，建議選擇增加巖心長(zhǎng)度的方法，進(jìn)行氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)，這樣可以避免氣竄的發(fā)生，目前室內(nèi)巖心長(zhǎng)度通常選擇2 000 mm；在利用巖心夾持器進(jìn)行氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)過程中，在巖心長(zhǎng)度一定的條件下，應(yīng)該盡可能地選擇滲透率較低的巖心進(jìn)行低壓驅(qū)替，例如巖心長(zhǎng)度為150 mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)注入壓力最好選擇小于2.5 MPa，巖心滲透率低于28 mD，這樣可以延長(zhǎng)氣竄時(shí)間，有效降低實(shí)驗(yàn)過程中氣竄的發(fā)生，提高試驗(yàn)成功率。

4 結(jié)論

1）氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)過成中氣竄跟注入壓力、巖心長(zhǎng)度、滲透率有著直接的關(guān)系，防止氣竄最有效的方法就是降低巖心滲透率，提高巖心長(zhǎng)度。

2）在巖心長(zhǎng)度和滲透率一定的條件下，氣竄時(shí)間跟巖心注入壓力成冪指數(shù)關(guān)系。在巖心長(zhǎng)度和壓力一定的條件下，氣竄時(shí)間隨著巖心滲透率的增加，呈下降趨勢(shì)。在巖心滲透率和壓力一定的條件下，氣竄時(shí)間隨著巖心長(zhǎng)度的增加，呈單調(diào)上升趨勢(shì)。

3）在利用巖心夾持器進(jìn)行氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)過程中，在巖心長(zhǎng)度一定的條件下，應(yīng)該盡可能的選擇滲透率較低的巖心進(jìn)行低壓驅(qū)替。

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