油藏啟動壓力研究基礎理論問題探討

鄭力會 康曉東 蔣珊珊 趙文森 曾 楊

（1. 中國石油大學石油工程學院，北京 102249；2. 中國石油鉆井工程重點實驗室防漏堵漏分室，湖北武漢 430100；3. 海洋石油高效開發國家重點實驗室，北京 100027）

油藏啟動壓力研究基礎理論問題探討

鄭力會1,2康曉東3蔣珊珊3趙文森3曾 楊3

（1. 中國石油大學石油工程學院，北京 102249；2. 中國石油鉆井工程重點實驗室防漏堵漏分室，湖北武漢 430100；3. 海洋石油高效開發國家重點實驗室，北京 100027）

大多數學者認為油藏存在啟動壓力，認為啟動壓力為流體邊界層性質異常、流體非牛頓性以及油氣相滲透率滯后所致，但流體邊界層性質異常已被化學界否定；小部分學者認為不存在啟動壓力，造成啟動壓力存在的假象是因為巖石自身應變需要響應過程、實驗儀器精度有限、人為測量誤差以及儲層傷害引起附加壓差等，而且以啟動壓力梯度的存在無法解釋油氣運移和生產壓差現象為例證說明不存在啟動壓力。調研發現，啟動壓力相關問題一直在研究，且還有許多工作要完成。這些工作的核心是要弄清楚啟動壓力的內涵。

啟動壓力；啟動壓力梯度；存在；機理

19世紀末，F. H. King［1］（1898）發現，地下水低速流過土壤時，不遵守達西定律。B. V. Derjaguin等［2］（1944）發現油氣儲層中、D. Swartzendruber［3］（1962）發現砂層中、R. J. Miller等［4］（1963）發現土壤中，流體偏離達西定律的現象普遍存在。一般認為，非達西流動需要給予一定的力，流體才能流動。這個力就是啟動壓力。

薛蕓等［5］（2001）認為，啟動壓力梯度以下，流速按非線性規律緩慢增加。壓力梯度超過啟動壓力梯度后，流速按線性規律快速增加。熊偉等［6］（2009）把滲流速度和驅動壓力關系建立的直線，反向延長與壓力梯度軸相交，截距稱為擬啟動壓力梯度，也稱名義啟動壓力梯度、視啟動壓力梯度。

經過100多年的研究，以啟動壓力真實存在為基礎，研究越來越精細，成果越來越多。但近十年，卻開始了啟動壓力梯度存在與否的討論。

大多數學者認為啟動壓力存在。最早發現的文獻是 ARTHURC. SIMMONS［7］（1938）研究 Bradford地區注水開發油田時提到，起始注入時壓力要比預期壓力高些，克服滲透性砂巖存在允許進入的壓力或者閾壓（Threshold Pressure）。此后，L. K. Thomas［8］（1967）為研究啟動驅替壓力（Threshold Displacement Pressure）研制測量夾持器，對比計算前人和自己的實驗數據，從理論上明確啟動壓力與滲透率呈倒數關系。后來，許多學者從不同方面、利用不同方法對此進行深入研究。

大部分學者認為，低孔隙度、低滲透率油氣藏存在啟動壓力梯度，或者說啟動壓力大小與滲透率相關。以竇宏恩［9-10］（2009，2012）觀點最為明確，他堅持存在啟動壓力梯度的觀點和許多學者認為油氣開發中存在啟動壓力梯度一致，特別是低滲透油氣藏中啟動壓力梯度更明顯。少數學者認為啟動壓力不存在，主要觀點是，啟動壓力梯度是因為測量誤差所致（李傳亮等，2008）［11］，其陸續發表的文獻中［12-13］，共同的觀點是，之所以在一定壓力梯度時才有流量，主要原因是實驗穩定時間不足、儲層傷害表皮效應以及毛管力所致。

1 啟動壓力存在理由

啟動壓力存在的理由一般認為主要是：液體邊界層性質異常、流體的非牛頓性和油氣相滲透率滯后等3種。

1.1 液體邊界層黏度異常導致啟動壓力

B.V.Derjaguin 等［14］（1971）研究玻璃和石英毛細管的流體，發現異常物理性質水的蒸氣壓力、蒸發速度及流動速度明顯低于期望值，由此認為在固體表面分子剩余力場作用下形成晶體結構物質，被稱為邊界水、水膜水、結構水或異常水。然而，同樣是B. V.Derjaguin［15］（1974），利用實驗否定這種說法并解釋說，因為這種水所謂異常性質，是毛細管壁上可溶性鹽使水的物理特性產生變化，同時膠體物質造成水的塑性流動。否定液體邊界層性質異常引起存在啟動壓力結論的，還有 H. K. Chistenson 等［16］（1987）用表面力測量儀測量2個云母片縫隙間水的黏度，發現在縫隙間距小至2 nm時，水的黏度與本體水的黏度沒有差別，且在水流動時，不動層厚度僅為1～2個水分子層大小，符合正常的黏滯性流動規律；將水換為十四烷的實驗亦得到類似結果。R. G. Horn 等［17］（1989）測量 2 個石英片縫隙間的水黏度，發現邊界水與本體水的黏度沒有差別，不動層厚度僅為1個水分子層大小。

看來，邊界層性質異常是存在啟動壓力梯度的原因這一觀點早已被其它學科否定（鄧英爾［18］，1998年）。化學界曾經提出的觀點，由于科技進步和研究深入被否定。但限于學科間交流程度，該觀點在當今石油界仍被作為解釋低速非達西流動的依據（薛蕓等，2001年），這需要一定時間來糾正。

1.2 流體非牛頓性導致啟動壓力

M. K. ING Hubbert［19］（1956）用偏振光顯微鏡發現，膠體黏土顆粒會造成流速變化，并認為由此存在啟動壓力。D. Swartzendruber［3］（1962）通過實驗結果與理論預期比對發現，砂層中水的塑性黏度和動切力都隨黏土礦物含量的增加而增加。因此可以推測，多孔介質中低速非達西流動的膠體物質進入流體導致的塑性流動，可能是產生啟動壓力的原因。

G. J. Hirasak［20］（1972）研究注聚時流動和吸附的影響因子時提出，啟動壓力影響流動和吸附。1974年，B. V. Derjaguin實驗分析已證實，水在玻璃和石英毛細管中的異常流動性質與流體黏度有關。由于存在各種礦物微粒，天然巖石中塑性流動導致啟動壓力的現象應比石英或玻璃毛細管中更突出。從而，進一步印證了塑性流動是引起啟動壓力存在的原因。

1.3 油氣相滲透率滯后導致啟動

任曉娟等［21］（1997）認為，氣體在干巖樣遵從達西定律，但巖樣中含有低于束縛水飽和度流體時，遵從低速非達西流動規律。

賀承祖等［22］（1998）認為，低于束縛水飽和度流體的巖樣中，水膜存在是導致氣體遵從低速非達西流動規律的原因。但在一般驅動壓力下，氣藏達到驅動平衡時的水膜厚度比毛細管半徑小得多。因此，實際儲集層中的水膜不應是導致存在啟動壓力梯度的原因。

P. Chowdiah［23］（1998年）研究巖石含水時發現，油、氣相滲透率與水飽和度形成的歷史有關。達到相同水飽和度時，用蒸發法或吸入法得到的含水飽和度巖心，測定得到的氣相滲透率，比用泄流法得到的要低，水在前一種情況下比后一種情況下占據的滲流通道要多。因此，P. Chowdiah認為，低速非達西流動實驗時，用蒸發法將巖樣水飽和度降至束縛水飽和度以下后，必須施加額外的啟動壓力，將占據較多滲流通道的孔隙水擠到其它位置，使其重新分布，氣體才能流動。因此，可以認為，相滲透率滯后是低速非達西流動的起因。并由此預言，含水巖石中，油的流動也應有類似的情況。

概而言之，啟動壓力存在的理由有2類：一是，地層流體是非牛頓流體；二是，地層流體分布變化。也有人認為，存在啟動壓力梯度的主要原因，是孔道的復雜性［24］（劉曰武，2002 年）。熊偉（2009）也有相似的觀點，認為在較低的驅動壓力下參與滲流的流體只在較大的喉道內流動。隨著驅動壓力梯度的增加，更多的小喉道內的流體參與滲流，所以產生啟動壓力。以此表明，流體通過不同尺寸喉道時，啟動壓力梯度不同。但筆者認為這些觀點可以歸咎于地層流體分布變化。所以，沒有單列一類。

2 啟動壓力不存在的理由

李傳亮等（2008，2010，2011）認為啟動壓力不存在的理由是，啟動壓力是巖石自身應變特征、測量水平有限造成的啟動壓力和地層污染造成啟動壓力，并認為用目前啟動壓力梯度的方法無法解釋一些地質和生產現象。

2.1 啟動壓力是巖石自身應變特征

不存在啟動壓力的學者認為，應力敏感或啟動壓力是巖石自身應變特征造成的。理想固體應變能夠瞬間完成，真實固體應變有響應過程。材料內部結構復雜程度決定響應時間不同。有些固體應變響應時間較短，彈性變形；有些固體響應時間較長，黏性（塑性）流動。土壤靠自身重量可實現沉降，巖石靠自身重量可導致蠕動。因此，固體不存在啟動應力。

2.2 測量水平有限造成啟動壓力

通常，低速滲流條件下流速測量十分困難，滲流速度微弱有時誤認為是0。反之，受儀器精度限制，測量出實際應該是0的啟動壓力梯度值。顯然，人為因素所致，并非巖石本身性質。巖心磨制過程中端面顆粒堵塞，也是造成非0啟動壓力梯度的人為因素。同樣，生產過程中，油井生產指示曲線為一條通過原點的直線，即截距壓力為0。但是，許多油井的截距壓力并不為0。有些為正，有些為負，是測試本身存在的問題，不能說明地層巖石存在啟動壓力。

2.3 地層污染造成存在啟動壓力

許多油氣井開井時，存在啟動壓力。不是地層巖石所致，是因井筒積液和近井地帶污染所致。產生啟動壓力后，排出積液，解除污染，油氣井就可以正常生產。

同樣，Bingham流體因為存在結構黏度在低剪切速率下和高剪切速率下的破壞與恢復，所以其模型中有屈服剪切應力，真實的Bingham流體并不存在啟動剪切應力。常規地層原油和天然氣也不存在啟動剪切應力。只是膠質瀝青質稠油存在較高低剪切結構黏度。

2.4 啟動壓力梯度無法解釋地質和生產現象

按目前啟動壓力梯度的說法，一些現象無法解釋。支持不存在啟動壓力梯度的學者認為，如果地層水密度1.0 g/cm3，地層原油密度0.6 g/cm3，油氣運移壓力梯度為0.004 MPa/m。低壓力梯度下存在啟動壓力梯度，油氣不可能運移，也就不可能開采油氣資源。

還有，實驗中，如果測得壓力梯度為0.25 MPa/m，可能是以下原因造成的：一是流量太低，儀器無法精確測量，無法判斷壓力梯度為0.25 MPa/m時的流量一定是0；二是實際地層不會有如此高的啟動壓力梯度，100 m供給半徑至少需要25 MPa的生產壓差；三是測試時間太短，壓力在低滲透巖石中傳播速度較慢，需要較長時間才可能有流量。

啟動壓力不存在的主要理由，反映了學者們對啟動壓力問題認識上的差異，也反映了啟動壓力梯度自身存在的問題。

3 啟動壓力相關問題確實需要爭論

啟動壓力是否存在，其存在原因究竟如何？該問題不僅在石油界有爭論，其它行業也在研究。

M.R.TEK［25］（1957）通過研究達西普適方程進展，論述引起啟動壓力的原因，發現Darcy定律在孔隙中適用性不好，雖然早已研究，但一直沒有很好地解決這個問題，至少啟動壓力話題流體力學家、物理學家、工程師都從各自的角度在闡述各自的觀點，并進行說明和解釋。例如，機械學家用類似管流的方法研究，答案比較滿意。但膠結孔隙的幾何結構會形成湍流，用這種方法解釋，理由不當。然而，工程上，用經驗和半經驗的公式研究這個問題，接受用類似管研究方式。但目前，關于啟動壓力相關問題的爭論至少在啟動壓力內涵、實驗方法和實驗測得數據的處理方法等3個方面需要進一步說明。

ARTHUR C.SIMMONS［7］（1938）在文章中說：“High pressures are desirable in the extraction of oil by water flooding due primarily to the fact that each sand permeability has a definite admittance or threshold pressure, and the use of higher pressures will admit water to strata of lower permeability.”明確存在啟動壓力。至于存在不存在啟動壓力梯度，文中沒有明確。

清晰論述啟動壓力內涵的是G. L. Hassler［26］（1942）：“the 'threshold pressure' that is just sufficient to start the flow of gas through the wet rock becomes less and less, until finally， at the critical saturation, even an infinitesimal pressure difference will cause a steady flow of gas proportional to the applied pressure.”非常肯定、清晰地表明，存在啟動壓力而且其數值隨著流動逐漸減小，可以小到流動時的壓力無法查覺。

L. K. Thomas［28］（1967）研究孔隙介質的啟動壓力現象后認為：“The ability of a cap rock to contain gas is expressed in terms of its threshold displacement pressure, which is defined as the minimum pressure needed to initiate the displacement of a wetting phase by a non-wetting phase from a porous medium 100 percent saturated with the wetting phase。”明確提出非潤濕性流體驅替潤濕性流體，需要較小的力以啟動流體。

馮文光［27］（1986）綜述非達西滲流研究現狀，認為布茲列夫斯基在1924年首先指出，在某些情況下只有在超過某個起始的壓力梯度時才發生液體的滲流。1965年特列賓首先提出了石油滲流的條件下不遵循線性達西定律的問題。庫薩柯夫、特列賓、列爾托夫、奧爾芬通過不同實驗都發現，含有表面活性物質的原油通過很細的砂子時，滲透率急劇降低，滲流速度與壓差不成比例地迅速增長，當流體壓力梯度的絕對值小于起始壓力梯度時，流體不流動。暫時找不到布茲列夫斯基和其他前蘇聯學者原文，無法確定他們說的是壓力還是壓力梯度。但可以明確的是，馮文光給出的是壓力梯度，雖然沒有給出明確定義，但提出的壓力梯度和壓力是兩個不同的概念，它對后續的研究起到了至關重要的作用。

閆慶來等［28］（1990）通過實驗評價了單相水、低濃度鹽水、模擬油后指出，在較低滲流速度下，滲流曲線呈非線性關系；隨著滲流速度提高，非線性關系向線性段不通過原點過渡；再提高流速則由線性關系變為紊流非線性。曲線的低速非線性部分至線性部分連續過渡表明，存在臨界滲流速度，相對于高速湍流非線性的速度臨界值，稱其為下限臨界滲流速度。滲流曲線的線性段均不呈現達西流特征。曲線段截距表明，存在初始壓力梯度。

黃延章［29］（1997）認為，對中高滲透性稀油油藏來說，原油流動孔道不算太小，原油邊界層不太厚，邊界層中的原油占總油量的比例不太大，邊界層原油的非牛頓性對線性滲流規律影響不明顯。然而,對低滲透油藏和稠油油藏來說，這個影響則是不可忽視的。它會使滲流規律發生明顯的變化，出現啟動壓力。模型本身有缺點且啟動壓力計算值偏高，可暫不采用；用帶啟動壓力梯度的線性規律來描述滲流過程，反映了低滲透地層中滲流的基本特征，可供工程計算應用。

孫黎娟等［30］（1998）研究表明，油水在油藏中滲流時除黏滯阻力外，還有油與巖石的吸附阻力或水化膜的吸引阻力，只有當驅動壓力克服這種阻力后，液體才能流動，這就是啟動壓力現象。

宋付權等［30］（2000）認為，只有在實際壓力梯度大于某一臨界值時流體才能流動，這個臨界值稱為啟動壓力梯度（TPG）。D.B.Bennion［32］（2000）認為，儲層巖石有效滲透率，應該是巖石原有滲透率減去鉆完井、儲層改造造成的地層滲透率降低值。低滲氣藏，存在啟動壓力。低于啟動壓力的開采壓力，不能使侵入井眼附近的濾液得到清除，儲層初始表現為沒有滲透率。言外之意，儲層剛開始沒有產量，不僅僅是啟動壓力所為，還有儲層傷害因素。即啟動壓力和儲層表皮是兩個問題。

李愛芬等［33］（2008）認為，巖石孔隙中當邊界層流體厚度與孔隙半徑相近時，流體開始流動時將存在啟動壓力梯度（巖心兩端壓差與長度的比值），啟動壓力梯度與孔隙直徑成反比。隨巖心兩端壓差增加，孔隙中參與流動的流體量增加，參與流動的孔隙數量也增加。在低滲情況下只要驅替壓力梯度大于某個臨界值，流體就會流動。這個臨界值被稱作最小啟動壓力梯度。壓力梯度高于最小啟動壓力梯度流體才開始流動；擬啟動壓力梯度為直線段的延長線與橫坐標的交點；壓力梯度高于臨界壓力梯度流體的流動符合達西定律，與宋付權提到的不一致。

正是因為這種不一致，還有許多問題的不明確，造成了許多不應有的混亂。

熊偉等（2009）把滲流速度和驅動壓力關系建立的直線反向延長與壓力軸相交，截距稱為擬啟動壓力梯度。并認為，擬啟動壓力梯度是儲集層滲流非線性程度和滲流能力的表征參數，是孔隙結構、固液作用的綜合體現，而不是滲流的門檻壓力梯度。擬啟動壓力梯度，有的學者稱為名義啟動壓力梯度、視啟動壓力梯度。

鄧英爾（1998）認為，存在一個大于啟動壓力梯度的運動區和小于啟動壓力梯度的靜止區。

張代燕等［34］（2012）認為，最小啟動壓力梯度，高于此點對應的壓力梯度稠油才開始流動；當壓力梯度增大到最大啟動壓力梯度或臨界壓力梯度后滲流速度隨壓力梯度呈線性增加。

王曉東等［35］（2013）認為，引入（擬）啟動壓力梯度概念來描述下限非Darcy滲流現象，是線性Darcy定律的一個補充或發展，它能簡明扼要地體現下限非Darcy滲流的特征，特別是基于它而產生的一批研究結果，有效地指導低滲透儲層的開發實踐。

可見，關于啟動壓力的概念，還是一個尚未統一的問題。

4 結論

目前看，啟動壓力梯度的內涵問題是許多爭論核心。這是許多學者沒有仔細研究的問題，也是不存在啟動壓力梯度支持者與不支持者，爭論經常出現目標不統一的主要原因。看來，啟動壓力梯度問題需要研究的問題應該更基礎，才能有效地解決其相關問題。

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（修改稿收到日期 2013-09-01）

Basic theory research on reservoir starting pressure

ZHENG Lihui1,2, KANG Xiaodong3, JIANG Shanshan3, ZHAO Wensen3, ZENG Yang3
（1. College of Petroleum engineering,China University of Petroleum,Beijing102249,China;2. CNPC Key Laboratory for Petroleum Drilling Engineering Lost Circulation Control Division,Wuhan430100,China;3. State Key Lab of Offshore Oil Exploitation,Beijing100027,China）

Most scholars believe the existence of starting pressure, thinking of the threshold pressure resulted from the abnormal of fluid boundary zone properties, non-Newtonian fluid and the lagging of oil-gas phase permeability. But the abnormal of fluid boundary layer properties have been proven to be negative by chemical experts; Small part of scholars believe that there is no threshold pressure,and the illusion of starting pressure existing is because of the respond process of rock strain, the limit of experimental instrument accuracy, man-made measurement error, and additional pressure difference caused by reservoir damage, besides, the presence of threshold pressure gradient cannot explain hydrocarbon migration and production pressure differential phenomena, so the exemplified explanation means no start-up pressure. The investigation shows found that, threshold pressure related problems have always been studied, and there is still much work to do. The core of the work is to make clear the connotation of starting pressure.

starting pressure; start-up pressure gradient; existence; mechanism

鄭力會，康曉東，蔣珊珊，等.油藏啟動壓力研究基礎理論問題探討［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（5）：121-125.

TE249

：A

1000–7393（2013） 05–0121–05

國家973計劃項目“海底資源開采的關鍵力學問題研究”部分內容（編號：2012CB724205）。

鄭力會，1968 年生。2005 年獲中國石油大學（北京）油氣井工程博士學位，主要從事儲層傷害基礎理論與控制技術研究，研究員，博導。電話：010-89733378。E-mail：zhenglihui@cup.edu.cn。

〔編輯 付麗霞〕