氣驅過程中氣竄問題的室內(nèi)研究與探討

鄭繼龍，宋志學，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分公司，天津塘沽300452

氣竄是物理模擬實驗過程中常見的現(xiàn)象，如何有效預防氣竄［1］以及發(fā)生氣竄后采取正確的處理手段［2?3］對于成功實施氣驅室內(nèi)研究具有重要的意義。在注氣驅替過程中，由于巖心的非均質性，隨著注入時間的延續(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，將對注入氣的波及系數(shù)產(chǎn)生影響，導致采收率降低［4?5］。因此，探討如何預防氣竄和氣竄后及時采用有效方法處理氣竄，在氣驅物理模擬實驗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模型產(chǎn)出液中注入氣體所占比例隨注入時間的變化曲線進行分析，這種方法能有效判斷氣驅實驗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行示蹤劑檢測，確定模型是否氣竄；3）氣液比法，根據(jù)室內(nèi)模擬實驗產(chǎn)出液中氣液比隨時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間的變化曲線判斷氣竄。其中，氣液比法比較簡單，可有效判斷氣竄時間，但無法確定產(chǎn)出氣中注入氣所占比例。目前室內(nèi)氣驅實驗研究過程中主要采用氣相色譜法和氣液比法相結合的手段進行氣驅實驗研究。

2 影響實驗氣竄因素分析

通過室內(nèi)實驗研究及調(diào)研發(fā)現(xiàn)，氣驅實驗過程中，壓力、巖心長度、滲透率等因素對氣竄影響較大，通過室內(nèi)物理模擬實驗裝置，對注入氣體竄流規(guī)律進行深入研究，實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置流程圖

2.1 試驗裝置

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

2）巖心驅替試驗裝置，揚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)達石油儀器有限公司生產(chǎn)。4）TG05－3氣體測量計，德國Ritter公司生產(chǎn)。5）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，揚州華寶石油儀器有限公司生產(chǎn)。

6）氮氣，永騰氣體（天津）銷售有限公司生產(chǎn)，純度為 99.9%。

2.2 實驗步驟

1）測量巖心長度和直徑，安裝巖心，巖心夾持器注環(huán)壓3.0 MPa，按圖1所示流程連接實驗裝置，檢查密閉性。

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

3）分別記錄各種壓力條件下，巖心發(fā)生氣竄的時間。

4）更換不同長度及滲透率的巖心，按照以上步驟進行實驗。

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 實驗結果及討論

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

式中：t為低滲透層發(fā)生氣竄的時間；t0為單位時間；L為巖心長度；L0為單位長度巖心；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 氣竄時間隨注入壓力的變化關系曲線

根據(jù)氣竄時間經(jīng)驗公式可知，氣竄時間跟巖心注入壓力成冪指數(shù)關系，巖心滲透率越大越容易發(fā)生氣竄，室內(nèi)氣竄實驗結果與經(jīng)驗公式的計算結果完全符合，說明采用該方法進行氣竄實驗研究切實可行。

在氣竄時間隨注入壓力的變化實驗過程中，采用5＃巖心進行實驗，巖心長度150 mm，巖心滲透率為 5 mD，實驗壓力分別為 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，氣竄時間逐漸下降，在注入壓力小于2.5 MPa時，氣竄時間下降速度比較快，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，導致氣體在巖心中無法快速通過，阻礙了氣體的竄流；當注入壓力大于2.5 MPa時，氣竄時間下降速度減緩，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，此后只要氣體注入壓力大于2.5 MPa，氣竄時間基本不會發(fā)生變化。

2）實驗過程中巖心未飽和水，在巖心長度和壓力一定的條件下，巖心突破時間跟滲透率之間的關系曲線如圖3所示。結果表明，氣竄時間隨著巖心滲透率的增加，呈下降趨勢。在氣竄時間隨巖心滲透率的變化關系實驗過程中，采用 6＃、7＃、8＃、9＃和10＃巖心，長度均為120 mm，在實驗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，氣竄時間逐漸下降，在巖心滲透率小于28 mD時，氣竄時間下降速度比較快，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，形成流體流動通道，氣體易通過巖心，發(fā)生氣竄；當注入滲透率大于28 mD時，氣竄時間下降速度減緩，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，氣竄時間基本不會發(fā)生變化。

圖3 氣竄時間隨巖心滲透率的變化關系曲線

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

圖4 氣竄時間隨巖心長度的變化關系曲線

綜上所述，通過室內(nèi)物理模擬實驗注入氣體竄流規(guī)律研究，最終確定了氣驅實驗過程中，壓力、巖心長度、滲透率與氣竄時間之間的關系，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，同時提高巖心長度。這樣就能夠避免氣驅室內(nèi)試驗過程中發(fā)生氣竄，提高實驗成功率。

3 氣竄室內(nèi)實驗預防

由圖2和經(jīng)驗公式均可看出，氣驅實驗過程中氣竄跟注入壓力、巖心長度、滲透率有著直接的關系，防止氣竄最有效的方法就是降低巖心滲透率，提高巖心長度。

室內(nèi)氣驅實驗過程中巖心選擇尤為關鍵，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度的方法，進行氣驅實驗，這樣可以避免氣竄的發(fā)生，目前室內(nèi)巖心長度通常選擇2 000 mm；在利用巖心夾持器進行氣驅實驗過程中，在巖心長度一定的條件下，應該盡可能地選擇滲透率較低的巖心進行低壓驅替，例如巖心長度為150 mm時，實驗注入壓力最好選擇小于2.5 MPa，巖心滲透率低于28 mD，這樣可以延長氣竄時間，有效降低實驗過程中氣竄的發(fā)生，提高試驗成功率。

4 結論

1）氣驅實驗過成中氣竄跟注入壓力、巖心長度、滲透率有著直接的關系，防止氣竄最有效的方法就是降低巖心滲透率，提高巖心長度。

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

3）在利用巖心夾持器進行氣驅實驗過程中，在巖心長度一定的條件下，應該盡可能的選擇滲透率較低的巖心進行低壓驅替。

［1］王彬，朱玉鳳.氣頂油氣田氣頂氣竄研究［J］.天然氣工業(yè)， 2000， 20（3）： 79?81.

［2］呂延防，付廣，張云峰，等.斷層封閉性研究［M］.北京：石油工業(yè)出版社， 2002：18?42.

［3］RAMEY H J.Fundamentals of Thermal Oil Recovery［M］.Dallas：Petroleum Engineering Publishing Co，1965：22?34.

［4］劉崇建，張玉隆，郭小陽，等.水泥漿橋堵引起的失重和氣侵研究［J］.天然氣工業(yè)，1979，5（1）：27?32.

［5］曠曦域，曹獻平，鐘棟，等.空氣泡沫防氣竄能力評價的實驗研究［J］.油氣藏評價與開發(fā)，2012，2（3）：34?36.

［6］朱玉新，李保柱，宋文杰，等.利用圖版判別凝析氣藏氣竄的方法探討［J］.油氣地質與采收率，2004， 11（6）：53?55.

［7］朱禮平，廖忠會，刁素等.川西水平井水泥漿防氣竄評價方法［J］.石油鉆采工藝，2012，34（1）：60?62.

［8］李景梅.注CO2開發(fā)油藏氣竄特征及影響因素研究［J］.石油天然氣學報，2012，34（3）：153?155.

［9］牛新明，張克堅，丁士東，等.川東北地區(qū)高壓防氣竄固井技術［J］.石油鉆探技術，2008，36（3）：10?15.

［10］林楊，劉楊，胡雪，等.CO2在非均質多孔介質中的氣竄與運移［J］.石油化工高等學校學報，2010（2）：43?46.