气驱过程中气窜问题的室内研究与探讨

郑继龙，宋志学，陈平，张相春，赵军，胡雪，吴晓燕

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津塘沽300452

气窜是物理模拟实验过程中常见的现象，如何有效预防气窜［1］以及发生气窜后采取正确的处理手段［2⁃3］对于成功实施气驱室内研究具有重要的意义。在注气驱替过程中，由于岩心的非均质性，随着注入时间的延续和注入孔隙体积倍数的增加，注入气的前缘部分会沿岩心的高渗透层形成窜流通道，注入气很快发生突破。注入气发生突破后，将对注入气的波及系数产生影响，导致采收率降低［4⁃5］。因此，探讨如何预防气窜和气窜后及时采用有效方法处理气窜，在气驱物理模拟实验过程中有非常重要的意义。

1 室内气窜判别方法

目前室内气窜现象的识别主要有4种方法［6⁃9］：1）气相色谱法，即借助气象色谱仪通过对模型产出液中注入气体所占比例随注入时间的变化曲线进行分析，这种方法能有效判断气驱实验是否气窜并确定模型中注入气所占的比例；2）示踪剂法，通过模型注入端注入气体示踪剂，在模型的出口端取气样进行示踪剂检测，确定模型是否气窜；3）气液比法，根据室内模拟实验产出液中气液比随时间变化曲线直接判断气窜；4）压差法，根据模型入口端和出口端压差随注入时间的变化曲线判断气窜。其中，气液比法比较简单，可有效判断气窜时间，但无法确定产出气中注入气所占比例。目前室内气驱实验研究过程中主要采用气相色谱法和气液比法相结合的手段进行气驱实验研究。

2 影响实验气窜因素分析

通过室内实验研究及调研发现，气驱实验过程中，压力、岩心长度、渗透率等因素对气窜影响较大，通过室内物理模拟实验装置，对注入气体窜流规律进行深入研究，实验装置如图1所示。

图1 实验装置流程图

2.1 试验装置

1） QX5210⁃HC⁃A⁃AH⁃S 型号高压恒压恒速泵，美国钱德工程有限公司生产。

2）岩心驱替试验装置，扬州华宝石油仪器有限公司生产。

3）岩心夹持器（Φ25 mm×300 mm），江苏海安发达石油仪器有限公司生产。4）TG05－3气体测量计，德国Ritter公司生产。5）数据采集系统，扬州华宝石油仪器有限公司生产。

6）氮气，永腾气体（天津）销售有限公司生产，纯度为 99.9%。

2.2 实验步骤

1）测量岩心长度和直径，安装岩心，岩心夹持器注环压3.0 MPa，按图1所示流程连接实验装置，检查密闭性。

2）调节减压阀至实验压力，待压力表稳定后半小时开始实验。

3）分别记录各种压力条件下，岩心发生气窜的时间。

4）更换不同长度及渗透率的岩心，按照以上步骤进行实验。

岩心的物性参数如表1所示。

表1 岩心的物性参数

2.3 实验结果及讨论

1）实验过程中岩心未饱和水，在岩心长度和渗透率一定的条件下，岩心突破时间跟岩心压力之间的关系曲线如图2所示。由图可见，随着注入压力的升高，发生气窜的突破时间呈下降趋势。结果表明，注入压力与气体在多孔介质中的突破时间呈幂指数关系。当压力低于0.5 MPa时，无法形成气体窜流通道，气体很难发生突破。当压力高于2.5 MPa，气体窜流速度很快，气窜时间比较短。林扬等提出了预测气体的气窜时间的经验关系式如式（1）所示［10］：

式中：t为低渗透层发生气窜的时间；t0为单位时间；L为岩心长度；L0为单位长度岩心；K1为高渗透层的渗透率；K2为低渗透层的渗透率；p为入口压力；P0为10倍大气压。

图2 气窜时间随注入压力的变化关系曲线

根据气窜时间经验公式可知，气窜时间跟岩心注入压力成幂指数关系，岩心渗透率越大越容易发生气窜，室内气窜实验结果与经验公式的计算结果完全符合，说明采用该方法进行气窜实验研究切实可行。

在气窜时间随注入压力的变化实验过程中，采用5＃岩心进行实验，岩心长度150 mm，岩心渗透率为 5 mD，实验压力分别为 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 MPa，随着压力的逐渐升高，气窜时间逐渐下降，在注入压力小于2.5 MPa时，气窜时间下降速度比较快，主要原因是注入压力过低气体通过岩心过程中无法形成气体窜流通道，岩心之间的孔喉阻力大于气体注入压力，导致气体在岩心中无法快速通过，阻碍了气体的窜流；当注入压力大于2.5 MPa时，气窜时间下降速度减缓，主要原因是岩心的注入压力大于岩心的孔喉阻力，气体在岩心中形成了窜流通道，此后只要气体注入压力大于2.5 MPa，气窜时间基本不会发生变化。

2）实验过程中岩心未饱和水，在岩心长度和压力一定的条件下，岩心突破时间跟渗透率之间的关系曲线如图3所示。结果表明，气窜时间随着岩心渗透率的增加，呈下降趋势。在气窜时间随岩心渗透率的变化关系实验过程中，采用 6＃、7＃、8＃、9＃和10＃岩心，长度均为120 mm，在实验过程中岩心注入压力为 2.5 MPa，渗透率分别为 5、10、18、28 和 40 mD，随着渗透率的逐渐升高，气窜时间逐渐下降，在岩心渗透率小于28 mD时，气窜时间下降速度比较快，主要原因是在此注入压力条件下，随着岩心渗透率的增加，岩心孔喉逐渐变大，形成流体流动通道，气体易通过岩心，发生气窜；当注入渗透率大于28 mD时，气窜时间下降速度减缓，主要原因是在岩心的注入压力不变的情况下，随岩心渗透率的增加，岩心中已形成气体窜流通道，此后在注入压力不变的情况下，只要岩心的渗透率大于28 mD，气窜时间基本不会发生变化。

图3 气窜时间随岩心渗透率的变化关系曲线

3）实验过程中岩心未饱和水，在岩心渗透率和压力一定的条件下，岩心突破时间跟岩心长度之间的关系曲线如图4所示。结果表明，气窜时间随着岩心长度的增加，基本呈单调上升趋势，与上述经验公式计算结果一致。在气窜时间随岩心长度的变化关系实验过程中，岩心注入压力和岩心渗透率不变，实验采用 1＃、2＃、3＃、4＃、5＃岩心，随着岩心长度的增加，气窜时间逐渐升高，由图4和上述经验公式均可看出，在岩心渗透率和注入压力不变的情况下，当岩心长度达到一定长度时，岩心气窜时间将会趋于无限大，所以在气驱室内研究过程中，为了最大限度地避免实验过程中气窜的发生，需要最大限度的延长岩心的长度。因此，在室内研究中，通常采用长度为2 000 mm的岩心进行气驱实验。

图4 气窜时间随岩心长度的变化关系曲线

综上所述，通过室内物理模拟实验注入气体窜流规律研究，最终确定了气驱实验过程中，压力、岩心长度、渗透率与气窜时间之间的关系，由此可见，防止气窜最有效的方法就是尽量选择渗透率较低的岩心，同时提高岩心长度。这样就能够避免气驱室内试验过程中发生气窜，提高实验成功率。

3 气窜室内实验预防

由图2和经验公式均可看出，气驱实验过程中气窜跟注入压力、岩心长度、渗透率有着直接的关系，防止气窜最有效的方法就是降低岩心渗透率，提高岩心长度。

室内气驱实验过程中岩心选择尤为关键，在岩心渗透率和注入压力一定的情况下，建议选择增加岩心长度的方法，进行气驱实验，这样可以避免气窜的发生，目前室内岩心长度通常选择2 000 mm；在利用岩心夹持器进行气驱实验过程中，在岩心长度一定的条件下，应该尽可能地选择渗透率较低的岩心进行低压驱替，例如岩心长度为150 mm时，实验注入压力最好选择小于2.5 MPa，岩心渗透率低于28 mD，这样可以延长气窜时间，有效降低实验过程中气窜的发生，提高试验成功率。

4 结论

1）气驱实验过成中气窜跟注入压力、岩心长度、渗透率有着直接的关系，防止气窜最有效的方法就是降低岩心渗透率，提高岩心长度。

2）在岩心长度和渗透率一定的条件下，气窜时间跟岩心注入压力成幂指数关系。在岩心长度和压力一定的条件下，气窜时间随着岩心渗透率的增加，呈下降趋势。在岩心渗透率和压力一定的条件下，气窜时间随着岩心长度的增加，呈单调上升趋势。

3）在利用岩心夹持器进行气驱实验过程中，在岩心长度一定的条件下，应该尽可能的选择渗透率较低的岩心进行低压驱替。

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