啟動(dòng)壓力梯度研究綜述

劉子嘉?黎泳豪?曹禮鋆?沈毅

摘要：本文主要研究稠油的壓力啟動(dòng)梯度，從而得出稠油的非線性滲流規(guī)律。稠油是一種非牛頓流體，其在地下的滲流過程是非線性過程。啟動(dòng)壓力梯度是描述稠油非線性滲流規(guī)律的重要參數(shù)。只有準(zhǔn)確的測(cè)定這個(gè)參數(shù)才能準(zhǔn)確地描述稠油的非線性滲流規(guī)律。因此這個(gè)參數(shù)的確定，是描述稠油非線性滲流規(guī)律中最為關(guān)鍵的問題。本文在調(diào)研國(guó)內(nèi)稠油流變特性和滲流規(guī)律研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過分析調(diào)研結(jié)果中啟動(dòng)壓力梯度的影響因素從而總結(jié)概括出稠油非線性滲流規(guī)律，以此為稠油開采的研究領(lǐng)域提供相關(guān)信息指導(dǎo)幫助。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)?dòng)壓力梯度;測(cè)量方法;溫度;儲(chǔ)層物性

引言

世界上稠油資源極為豐富，目前我國(guó)海上稠油、陸地稠油與瀝青資源總量約占石油資源總量的20%以上，具有代表常規(guī)石油能源的戰(zhàn)略地位。隨著中國(guó)及世界稠油開采量的增加以及開采技術(shù)、集輸、長(zhǎng)輸工藝技術(shù)不斷提高，人們對(duì)稠油流動(dòng)性質(zhì)的研究越來越深入。開采稠油的首要問題就是研究稠油在儲(chǔ)層中的滲流規(guī)律，為后期的開采方案提供理論基礎(chǔ)。

一、啟動(dòng)壓力梯度測(cè)量方法

稠油主要由烷烴、芳烴、膠質(zhì)瀝青質(zhì)組成，隨著膠質(zhì)與瀝青質(zhì)含量的增加，稠油的相對(duì)密度及黏度也增大。稠油的高黏特性與其化學(xué)組成結(jié)構(gòu)有關(guān)，分子結(jié)構(gòu)屬于不均勻的膠體分散體系，導(dǎo)致稠油具有非牛頓流體的特點(diǎn)，并且在多孔介質(zhì)中的滲流特征與常規(guī)原油不同，一般表現(xiàn)為非線性滲流，可能存在啟動(dòng)壓力梯度，只有當(dāng)驅(qū)替壓力梯度超過啟動(dòng)壓力梯度時(shí)稠油才開始流動(dòng)。

目前國(guó)內(nèi)測(cè)量啟動(dòng)壓力的方法主要有：穩(wěn)態(tài)法、非穩(wěn)態(tài)法、毛細(xì)管平衡法、氣泡法、微流量驅(qū)替法等。

（一）啟動(dòng)壓力定義及滲流特點(diǎn)

當(dāng)巖石孔隙中的邊界流體厚度和孔隙半徑相似的時(shí)候，流體在巖石孔隙中流動(dòng)時(shí)會(huì)存在啟動(dòng)壓力梯度。當(dāng)巖心兩端之間的壓差增加，在孔隙中參與流體的量也增加，參與流動(dòng)的孔隙數(shù)量也增加。啟動(dòng)壓力和孔隙度的關(guān)系成反比關(guān)系。啟動(dòng)壓力梯度與滲流速度之間的關(guān)系曲線如圖1所示。圖中曲線的A點(diǎn)就是最小啟動(dòng)壓力，只有壓力梯度大于A點(diǎn)時(shí)才可以流動(dòng);B點(diǎn)為擬啟動(dòng)壓力梯度點(diǎn)，為EF直線的反向延長(zhǎng)線和橫坐標(biāo)的交點(diǎn);C點(diǎn)為臨界壓力梯度，當(dāng)壓力梯度高于C點(diǎn)時(shí)的流體，其流動(dòng)符合達(dá)西定律。

（二）啟動(dòng)壓力梯度測(cè)量方法及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

1.啟動(dòng)壓力梯度測(cè)量方法

（1）微流量驅(qū)替法

通過泵設(shè)定微小的流量驅(qū)替，在巖心入口端以較為緩慢的速度建立壓差，并利用液柱高度計(jì)量壓差，仔細(xì)觀察出口端液體移動(dòng)情況，當(dāng)液體開始移動(dòng)時(shí)，記錄此時(shí)的液柱高度，再將液柱高度換算為壓力，即為啟動(dòng)壓力

（2）光電式微流量檢測(cè)法

啟動(dòng)壓力梯度的測(cè)量是需要測(cè)量流體從靜止?fàn)顟B(tài)到流動(dòng)狀態(tài)的瞬間巖心兩端的壓力差值。然而就目前的技術(shù)條件，在那一瞬間的測(cè)量是難以達(dá)到精確的，因此我們都是用逐次降低實(shí)驗(yàn)流量來測(cè)試啟動(dòng)壓力梯度，每測(cè)定一次不同流量下巖心兩端的壓差值，就會(huì)描繪一份流量——壓力梯度實(shí)驗(yàn)曲線圖，其中擬合值為擬合曲線在壓力梯度坐標(biāo)上的截距，也為所測(cè)巖心的啟動(dòng)壓力梯度值。

（3）非穩(wěn)態(tài)法：非穩(wěn)態(tài)法是以流體從流動(dòng)到不流動(dòng)的壓力梯度臨界值為“啟動(dòng)壓力梯度”。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法為：初始時(shí)刻，將巖心在高壓下飽和原油，在一端封閉，并裝入測(cè)壓計(jì)，待系統(tǒng)壓力平衡且穩(wěn)定后，將巖心另一端放空至某一壓力值，連續(xù)測(cè)量封閉端壓力變化，直至系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，理論方面，建立不穩(wěn)定滲流方程，通過試井解釋的方法來確定啟動(dòng)壓力梯度。此方法具有實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)條件易于控制，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。而穩(wěn)態(tài)法主要是直接通過滲流曲線的直線段回歸得到啟動(dòng)壓力梯度。

（4）氣泡法：當(dāng)液體驅(qū)替巖心時(shí)，有一附加壓力會(huì)克服巖心中的阻力和流體間的界面張力，使驅(qū)替流體開始進(jìn)入孔道。此時(shí)流體開始移動(dòng)，巖心出口端開始產(chǎn)生氣泡，此時(shí)的驅(qū)替壓力即為啟動(dòng)壓力。

（5）滲流曲線擬合法：利用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量滲流曲線，然后對(duì)曲線進(jìn)行擬合得到啟動(dòng)壓力梯度。穩(wěn)態(tài)法包括恒壓法與恒流法。恒壓法是通過設(shè)定巖心入口端的壓力，測(cè)量該壓力下巖心出口端的液體流量，直至流量達(dá)到穩(wěn)定值;然后逐漸增加巖心入口端的壓力，測(cè)量不同壓力下的穩(wěn)定流量，根據(jù)穩(wěn)定時(shí)的流量與壓差，繪制滲流曲線。恒流法則是通過設(shè)定巖心入口端的流量，記錄穩(wěn)定時(shí)巖心出口端的流量，繪制滲流曲線，利用曲線在壓差坐標(biāo)軸上的截距來求取巖心的擬啟動(dòng)壓力梯度。

（6）毛細(xì)管平衡法：毛細(xì)管平衡法應(yīng)用的原理就是連通器原理， 毛細(xì)管平衡法就是將毛細(xì)管連接在巖心兩側(cè)，通過重力的作用產(chǎn)生高度差，測(cè)量高度差的值就為啟動(dòng)壓力。夾持器兩端連接毛細(xì)管的目的，第一個(gè)是能靈敏精確的反映液面的變化，第二個(gè)是可以減少滲流總量縮短測(cè)定周期。該方法不僅證明了低滲透巖心啟動(dòng)壓力梯度的存在，而且可以直接測(cè)定出最小啟動(dòng)壓力梯度值。在實(shí)驗(yàn)中，取用環(huán)氧樹脂密封包裹的巖心，進(jìn)出口端毛細(xì)管連接處被墊片燒融所密封。測(cè)定過程中，毛細(xì)管與巖心均充滿實(shí)驗(yàn)流體，并且保持出口端頁(yè)面低于出口端液面，使其保持一定的壓力梯度，因?yàn)閴毫μ荻鹊淖饔昧黧w通過巖心滲流，出口端液面上升，井口端液面下降。如果啟動(dòng)壓力梯度在巖心中不存在，則在充分平衡后兩端的液面會(huì)相等，如果存在，則最后就會(huì)有一個(gè)高度差，這個(gè)高度差就是巖心的真實(shí)啟動(dòng)梯度。

實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)：在巖心中流體的低速非線性滲流時(shí)驅(qū)替壓差和流量及其的小，就算采用精密儀器也很難精準(zhǔn)測(cè)量，以前許多的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，都不能精準(zhǔn)和可能多的采集非線性段數(shù)據(jù)，最終導(dǎo)致擬合誤差大且所得結(jié)果沒有足夠的說服力。而毛細(xì)管平衡法的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：①實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng);②平衡充分;③實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說服力強(qiáng);④硬件要求不高且操作簡(jiǎn)便。這些特點(diǎn)完全能夠克服以上的缺點(diǎn)，所以毛細(xì)管平衡法也是一個(gè)很好的測(cè)量啟動(dòng)壓力的方法。

通過長(zhǎng)期毛細(xì)管實(shí)驗(yàn)，完整準(zhǔn)確的測(cè)定了低滲巖心非達(dá)西段滲流曲線。低滲巖心啟動(dòng)壓力梯度真實(shí)存在并且與流度的關(guān)系成反比。低滲巖心存在異常的滲吸現(xiàn)象，可能與巖心微細(xì)孔隙的潤(rùn)濕性改變有關(guān);滲吸度與巖心孔隙度的關(guān)系成正比，這對(duì)于低滲油藏的采收率提高有著深遠(yuǎn)影響和重大意義。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

非穩(wěn)態(tài)法所測(cè)得的數(shù)據(jù)比較小，非穩(wěn)態(tài)法是將些許高的壓力直接施加在入口端，讓流體從流動(dòng)到完全靜止，但是當(dāng)流體從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)因?yàn)槌碛土鲃?dòng)過程中本身帶有巨大的慣性力成為動(dòng)力，因而所得啟動(dòng)壓力梯度會(huì)因?yàn)閼T性力而變得偏小，并且花費(fèi)得時(shí)間也比較長(zhǎng)。但是在實(shí)際油田開發(fā)過程中一般是施加壓力讓原油流動(dòng)，就要克服靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)得慣性力，所以這個(gè)時(shí)候得慣性力一般都為阻力。毛細(xì)管平衡法所測(cè)得的啟動(dòng)壓力梯度要比擬合法與氣泡法測(cè)得更加精確，因?yàn)樵跉馀莘y(cè)量過程中需要克服一定的出口端水施加的壓力，且形成的泡較小時(shí)不易察覺，也易產(chǎn)生誤差，因此氣泡法并不是太適合;曲線擬合法由于是用滲流曲線擬合來間接計(jì)算得到啟動(dòng)壓力梯度，所以會(huì)與真實(shí)的值偏差較大，通過最終所得結(jié)果可知，曲線擬合法所測(cè)得的啟動(dòng)壓力梯度更加偏大，屬于擬啟動(dòng)壓力梯度。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對(duì)比從而得出微流量驅(qū)替法所測(cè)得啟動(dòng)壓力梯度更準(zhǔn)確，與真實(shí)巖石啟動(dòng)壓力梯度更貼合。

二、溫度對(duì)啟動(dòng)壓力梯度的影響

粘度是稠油的重要特性參數(shù)之一，稠油粘度的可變化性是其被劃分為非牛頓流體的重要依據(jù)，稠油作為非牛頓流體也有著與之相似的特定流動(dòng)規(guī)律，如圖4所示，這也為研究稠油在地層中的滲流規(guī)律提供了指導(dǎo)方向。溫度的改變會(huì)極大程度地影響稠油粘度隨之變化，因此稠油黏度對(duì)溫度變化十分敏感，溫度也通過改變稠油的粘度成為影響其滲流的重要間接因素之一。

溫度是影響稠油流變性的重要因素，隨著溫度的上升，稠油的黏度也逐漸下降。李雪峰對(duì)中原油田實(shí)驗(yàn)油樣試驗(yàn)結(jié)果表示原油粘度是影響稠油注蒸汽開采效果的主要因素，認(rèn)識(shí)和掌握原油粘度的變化規(guī)律極為重要。原油粘度對(duì)溫度的敏感性隨溫度的升高而降低，原油的粘—溫敏感性隨原油粘度的增大而增強(qiáng)。稠油的黏度對(duì)溫度非常的敏感，隨溫度升高而大幅度降低，在拐點(diǎn)溫度之前稠油粘—溫關(guān)系曲線隨壓力變化較大，在拐點(diǎn)溫度處之后，壓力對(duì)粘度影響不大，流變性曲線說明，低溫40℃條件下稠油油樣屬于Bingham塑性流體，隨溫度升高，原有流變性表現(xiàn)為牛頓流體特性。

三、儲(chǔ)層物性對(duì)啟動(dòng)壓力梯度的影響

稠油滲透規(guī)律偏離達(dá)西定律，經(jīng)常顯示非牛頓性質(zhì)。起動(dòng)時(shí)壓力梯度隨著石油密度的增加而增大。稠油只有在驅(qū)動(dòng)壓力梯度超過啟動(dòng)壓力梯度時(shí)才開始流動(dòng)，油井的儲(chǔ)層動(dòng)用半徑將被稠油的啟動(dòng)壓力梯度影響，從而影響整個(gè)油井的經(jīng)濟(jì)效益。稠油油田開發(fā)時(shí)候如何確定存在啟動(dòng)壓力梯度的油田如何確定儲(chǔ)層動(dòng)用半徑的大小是現(xiàn)在關(guān)注的問題。如何確定油藏開采半徑的問題是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在這個(gè)基礎(chǔ)上，通過理論結(jié)論得出了儲(chǔ)層動(dòng)用半徑的數(shù)學(xué)模型。

（一）微裂縫的影響

鄭文寬等人的實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于滲透率接近的巖樣，微裂縫發(fā)育與否對(duì)擬啟動(dòng)壓力梯度數(shù)值影響較小，即微裂縫對(duì)已進(jìn)入擬線性流動(dòng)狀態(tài)下的儲(chǔ)層影響較小。由于賈敏效應(yīng)的影響，啟動(dòng)壓力梯度隨流度變化關(guān)系擬合的冪函數(shù)曲線冪指數(shù) n 受巖心孔喉非均質(zhì)性控制，孔喉非均質(zhì)性越強(qiáng)，冪指數(shù) n 越大，用此預(yù)測(cè)實(shí)際油藏啟動(dòng)注采壓差誤差也就越大。微裂縫開度變化相對(duì)于孔道和喉道的半徑變化幅度較小，因而賈敏效應(yīng)影響相對(duì)較小，擬合冪指數(shù)更接近。微裂縫可以降低低速滲流下邊界層對(duì)滲流的影響，對(duì)于滲透率接近的巖樣，微裂縫越發(fā)育，真實(shí)啟動(dòng)壓力梯度越低，不可動(dòng)流體所占比例越低。即較低壓差下，流體即可流動(dòng)，但想達(dá)到擬線性流動(dòng)狀態(tài)仍較為困難。

裂縫性潛山稠油油藏具有典型的裂縫性油藏特點(diǎn)，裂縫發(fā)育，滲透率較高，但在開發(fā)過程中，隨著地下流體的不斷采出，儲(chǔ)層巖石所受有效應(yīng)力增加，巖石孔隙、喉道、裂縫發(fā)生變形，巖石的孔隙度、滲透率隨之降低，既儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性;另一方面，它又是稠油油藏，原油粘度大，流動(dòng)能力差，導(dǎo)致稠油油藏的滲流是具有啟動(dòng)壓力梯度的非達(dá)西滲流，啟動(dòng)壓力梯度是原油能否滲流的門檻值。裂縫發(fā)育有利于油井生產(chǎn)，而稠油本身的可流動(dòng)性又制約著產(chǎn)量的提高。一方面，在致密油氣藏開發(fā)過程中，隨著地下流體的不斷采出，儲(chǔ)層巖石所受有效應(yīng)力增加，巖石孔隙、喉道、裂縫發(fā)生變形，巖石的孔隙度、滲透率隨之降低，這種現(xiàn)象就是儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性。裂縫發(fā)育程度越高，儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性更大，儲(chǔ)層物性易受應(yīng)力改善，因此推斷裂縫的發(fā)育程度與稠油啟動(dòng)壓力成正相關(guān)關(guān)系。

（二）儲(chǔ)層滲透率的影響

由源自烏石 A 油田 10 塊巖樣進(jìn)行水測(cè)啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試圖可以得出，擬啟動(dòng)壓力梯度與滲透率呈現(xiàn)比較好的冪函數(shù)關(guān)系，隨著滲透率的增大，擬啟動(dòng)壓力梯度逐漸減小，關(guān)系式為，相關(guān)系數(shù)。當(dāng)滲透率，擬啟動(dòng)壓力梯度迅速增加，說明滲透率 后，建立有效驅(qū)替壓力難度增大，開發(fā)難度增加。白慧芳等人的研究結(jié)果也有相似之處，這也可以得出結(jié)論，即：?jiǎn)?dòng)壓力梯度隨滲透率的增大而減小，兩者呈冪指數(shù)關(guān)系，當(dāng)滲透率小于某一臨界值時(shí)，啟動(dòng)壓力梯度急劇下降。啟動(dòng)壓力梯度隨含水飽和度的增大而增大，兩者呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，當(dāng)含水飽和度大于一定數(shù)值時(shí)，啟動(dòng)壓力梯度迅速上升。

（三）啟動(dòng)壓力梯度-儲(chǔ)層物性計(jì)算模型

由裂縫應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，儲(chǔ)層裂縫巖石滲透率與有效應(yīng)力之間有較好的相關(guān)關(guān)系，Pedrosa于1986年提出了滲透率變異模型切：

對(duì)上式積分得到滲透率隨壓力變化的表達(dá)式

上式中為介質(zhì)變形系數(shù)，10MPa-1;k為油層滲透率，μm2;k0為油層原始滲透率，μm2;p為油藏壓力，0.1MPa;p0為油藏初始?jí)毫Γ?.1MPa。另一方面，稠油與常規(guī)稀油不同，由于其黏度高、分子量大、極性強(qiáng)，原油與巖石界面及原油之間界面的相互作用力大，導(dǎo)致稠油油藏的滲流是具有啟動(dòng)壓力梯度的非達(dá)西滲流，啟動(dòng)壓力梯度是原油能否滲流的門檻值。稠油在多孔介質(zhì)滲流時(shí)，只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力梯度超過初始啟動(dòng)壓力梯度時(shí)，稠油才開始流動(dòng)。考慮稠油可流動(dòng)性的滲流方程：

上式中， ?為滲流速度cm/S;μ為稠油黏度，mPa.s;G為啟動(dòng)壓力梯度，0.1MPa/m。存在啟動(dòng)壓力梯度時(shí)儲(chǔ)層動(dòng)用半徑計(jì)算公式的推導(dǎo)。假設(shè)一水平、均質(zhì)、等厚的圓形地層，供給邊緣半徑為re，原始地層壓力為pe，井半徑為rw，井底壓力為pwf;已知地層滲透率為K，油相滲透率為Ko，流體粘度為μ，啟動(dòng)壓力梯度為G，地層厚度為h，流體及巖石微可壓縮。不考慮啟動(dòng)壓力梯度時(shí)，根據(jù)滲流力學(xué)的基本原理，穩(wěn)定滲流微分方程為

積分得

分離變量得

由于啟動(dòng)壓力梯度的存在，使得低滲儲(chǔ)層比中高滲儲(chǔ)層具有更強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，當(dāng)初始滲透率小于某一臨界值時(shí)，滲透率越低對(duì)應(yīng)力越敏感，大于此值后，滲透率隨應(yīng)力的變化幅度與滲透率初始值無關(guān)。低滲、特低滲油、氣藏在生產(chǎn)過程中，隨著油氣采出，地層壓力下降，近井地帶的滲透率會(huì)大幅度下降，造成單井產(chǎn)量大幅下降，縮短了油氣井增產(chǎn)措施（如壓裂、酸化）的周期，增加了這類油氣、藏的開發(fā)成本和開發(fā)難度。

四、結(jié)論與建議

（一）微流量驅(qū)替法是較為實(shí)用的測(cè)量啟動(dòng)壓力梯度的方法;啟動(dòng)壓力梯度存在的臨界粘度隨滲透率的增加而增大，且增大的幅度逐漸趨于平緩;流度較小時(shí)，隨流度的增加啟動(dòng)壓力梯度下降較快，隨著流度的不斷增加，啟動(dòng)壓力梯度下降幅度減緩。毛細(xì)管平衡法所測(cè)得的啟動(dòng)壓力梯度要比氣泡法和擬合法測(cè)得精確。非穩(wěn)態(tài)法所測(cè)得的數(shù)據(jù)比較小，非穩(wěn)態(tài)法是在入口端施加較高的壓力使流體流動(dòng)至靜置，而當(dāng)流體從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)由于稠油流動(dòng)過程中具有較大的慣性力，此時(shí)的慣性力成為了流動(dòng)的動(dòng)力，所以測(cè)量得到的啟動(dòng)壓力梯度會(huì)偏小。

（二）粘度是稠油的重要特性參數(shù)之一，稠油粘度的可變化性是其被劃分為非牛頓流體的重要依據(jù)。稠油的粘度對(duì)溫度非常的敏感，隨溫度升高而大幅度降低;溫度的改變會(huì)極大程度地影響稠油粘度隨之變化，溫度也通過改變稠油的粘度成為影響其滲流的重要間接因素之。由此出現(xiàn)了稠油熱采、火燒油藏等技術(shù)，其本質(zhì)就是通過加熱稠油使其粘度下降，增大其地層流動(dòng)性，以此達(dá)到提高稠油油藏采收率的目的。

（三）啟動(dòng)壓力梯度受儲(chǔ)層物性的影響，鑒于啟動(dòng)壓力梯度對(duì)稠油油藏開發(fā)的重要性，建議將啟動(dòng)壓力梯度與流體飽和度、滲透率、孔喉半徑、邊界層厚度的定量分析作為今后研究重點(diǎn)。啟動(dòng)壓力梯度隨滲透率的增大而減小，兩者呈冪指數(shù)關(guān)系，當(dāng)滲透率小于某一臨界值時(shí)，啟動(dòng)壓力梯度急劇下降。巖心的飽和狀態(tài)對(duì)啟動(dòng)壓力具有很大的影響，在實(shí)際的生產(chǎn)中確定啟動(dòng)壓力梯度時(shí)，應(yīng)該考慮巖心的飽和狀態(tài)。

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作者簡(jiǎn)介：

劉子嘉，1999.03生，漢，女，遼寧省盤錦市人，大學(xué)本科，專業(yè)方向：石油工程。