多因素作用下的稠油流動界限試驗

曹涵 李宜強 劉哲宇 孔德彬 劉濤 岳航

摘要：稠油在儲層中的流動能力受溫度、壓力和滲透率等多重因素影響，以普通稠油和特稠油為研究對象，通過原油的黏溫性和流變性測試獲得稠油的反常溫度點，結合巖心單相滲流試驗，研究多因素影響下的稠油流動特征變化規律，并建立流度與擬啟動壓力梯度和啟動溫度的關系。結果表明：普通稠油和特稠油通過黏溫關系和流變特性獲得的反常溫度點分別為60和80 ℃，在低滲、中滲和高滲巖心上發生流動狀態變化的溫度點分別為80、65、60 ℃和120、90、80 ℃；稠油擬啟動壓力梯度隨著溫度的升高、滲透率的增加而減小，并利用原油流度與有效驅替壓力關聯了兩類稠油的流動狀態轉換區間，得到相關性良好的多因素影響下稠油的擬啟動壓力梯度表達式和啟動溫度表達式，能夠更加準確的預測稠油油藏的極限泄油半徑和轉驅溫度。

關鍵詞：稠油； 非達西滲流； 物理模擬； 啟動壓力梯度； 反常溫度

中圖分類號：TE 357 文獻標志碼：A

引用格式：曹涵，李宜強，劉哲宇，等.多因素作用下的稠油流動界限試驗［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2023，47（6）：104-110.

CAO Han， LI Yiqiang， LIU Zheyu， et al. Experimental study on flow boundary of heavy oils with multiple influence factors［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2023，47（6）：104-110.

Experimental study on flow boundary of heavy

oils with multiple influence factors

CAO Han1，2， LI Yiqiang1，2， LIU Zheyu1，2，

KONG Debin3 ， LIU Tao1，2， YUE Hang1，2

（1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting（China University of Petroleum （Beijing））， Beijing 102249， China;

2.College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China;

3.School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract：The mobility of heavy oils in reservoirs can be affected by multiple factors， such as temperature， pressure， formation rock permeability and oil property and compositions. In this study， the flow behaviors of ordinary heavy oil and extra heavy oil under various reservoir conditions were investigated. The inflection temperature of different oils was obtained based on viscosity-temperature and rheology testing and the variation regularity of flow characteristics of the heavy oils influenced by multiple factors were further studied via single-phase flow experiments in cores， and the relationships between mobility and threshold pressure gradient and threshold temperature were established. The results show that the inflection temperatures obtained by the viscosity-temperature and rheology testing of the ordinary heavy oil and extra heavy oil are 60 and 80 ℃， respectively， and the temperatures of the altered flow-state in low permeability， middle permeability and high permeability cores are of 80， 65， 60 ℃ and 120， 90， 80 ℃，correspondingly for the ordinary oil and the extra heavy oil. The threshold pressure gradient of heavy oils decreases with the increase of temperature and permeability. Oil mobility and effective displacement pressure can be used to correlate the districts of the altered flow-state of different types of heavy oils， and the threshold pressure gradient and threshold temperature values affected by multiple factors were obtained with good correlativity. The expression of the threshold temperature can be useful to accurately predict the limit of oil drainage radius and the temperature for displacement transition in heavy oil reservoirs.

Keywords：heavy oil; non-Darcy flow; physical simulation; starting pressure gradient; inflection temperature

隨著常規石油儲量的逐漸減少，稠油資源的開發越來越受到人們的關注［1-3］。稠油富含重質有機化合物，例如瀝青質分子之間存在著分子間相互作用力，易于形成聚集體，導致稠油具有黏度大、流動性差的物理化學特性［4-5］。常規水驅不利的油水流度比導致采收率低［6-7］，因此降低原油黏度和提高原油流動性是解決稠油開采問題的關鍵。在一般油藏條件下，高黏度的稠油無法流動，導致其滲流規律表現為非線性滲流特征［8- 9］，只有當驅替壓力梯度大于啟動壓力梯度時稠油才開始流動［10］。近年來許多學者針對稠油油藏的滲流特征進行了理論研究。張躍雷等［11］使用細管模型測量了不同黏度原油的流變性，確定了塑性黏度與啟動壓力梯度的關系式；孫建芳等［12］對稠油非達西滲流特征及影響因素進行了研究，提出了計算稠油啟動壓力梯度的公式；柯文麗等［13］通過對比幾種測量啟動壓力梯度的方法，選擇出了最佳的試驗方法；張代燕等［14］利用克拉瑪依油田天然巖心，研究了存在束縛水情況下稠油油藏的啟動壓力梯度經驗表達式。目前，大多數研究主要以普通稠油為研究對象，仍缺乏特超稠油啟動壓力梯度的相關試驗數據。筆者以普通稠油和特稠油為研究對象，將稠油的非牛頓流體特性與多孔介質中的非線性滲流結合起來，通過進行黏溫曲線測試、流變曲線測試和巖心單相滲流試驗，確定不同原油性質、不同溫度、不同滲透率影響下的稠油流動特征變化規律，得到多因素影響下稠油的擬啟動壓力梯度和啟動溫度表達式，獲得稠油流動界限圖版。

1 試 驗

1.1 試驗條件

試驗所用普通稠油和特稠油油樣品分別取自新疆油田和勝利油田，將兩類稠油進行脫水處理，脫水至含水率小于1%，表1為兩類稠油的基礎參數。

試驗儀器包括安東帕MCR301旋轉流變儀、恒溫箱、ISCO高精度驅替泵、壓力傳感器、數據采集軟件、高溫高壓巖心夾持器、活塞、六通閥、高壓管線等。

1.2 試驗方法

1.2.1 稠油黏溫及流變特性測試

采用安東帕MCR301旋轉流變儀測試兩種稠油不同溫度下的黏溫曲線和流變曲線，在測試溫度范圍30～120 ℃中選定合適的溫度區間，黏溫曲線每升溫10 ℃測定1次，剪切速率為7.2 s-1，流變曲線選取的剪切速率為0～500 s-1。

1.2.2 稠油擬啟動壓力梯度測試

試驗裝置示意圖如圖1所示，使用的巖心為疏松砂巖人造巖心。

試驗流程：①將兩種稠油樣品脫水后用不銹鋼篩網在高溫下過濾，裝入活塞中待用；②按試驗示意圖連接好試驗裝置，取長度約8 cm的短巖心飽和原油，靜置24 h，充分老化；③將恒溫箱溫度設定為試驗溫度，當溫度達到設定值并穩定后，恒溫2 h；④將驅替泵流速設定為0.001 mL/min，緩慢的將液體驅替到巖心入口端，逐漸建立入口壓力，當壓力數據顯示穩定后記錄注入壓力；⑤將巖心靜置老化8 h，換不同的流速驅替至壓力穩定，流速為0.05～0.5 mL/min；⑥根據試驗數據繪制滲流速度與壓力梯度的關系曲線并擬合出線性回歸方程，計算壓力梯度坐標軸上的截距即為巖心擬啟動壓力梯度。

2 結果討論

2.1 稠油黏溫特性測試

溫度是稠油黏度的重要影響因素之一，如圖2（a）所示，隨著溫度上升，兩種稠油黏度大幅降低，這很大程度上取決于膠質和瀝青質及其長鏈烴分子間形成粒子的結構強度，升高溫度能夠有效瓦解膠質與瀝青質之間的氫鍵，減弱π-π堆疊作用，使原油黏度降低［15］。當溫度升到一定值時，兩種稠油的黏溫曲線均出現一個拐點，通常稱為反常溫度點，通過圖2（a）的黏溫曲線可以大概估算普通稠油和稠油樣品的反常溫度點分別在60～70 ℃和80～90 ℃，當溫度高于反常溫度點時，兩種稠油的黏溫曲線隨溫度的變化開始趨于平緩。

從黏溫特征曲線上可以看出，兩種稠油的黏度與溫度均呈指數函數關系，對兩種稠油樣品的黏溫關系進行回歸分析，基本符合Arrhenius方程［16］：

μ=Aexp（-E/RT）.（1）

式中，μ為黏度，mPa·s;E為活化能，kJ/mol；A為頻率因子；R為通用氣體常數，8.314 47 J/（mol·K）；T為熱力學溫度，K。

E/R反映了活化能的相對值，表征稠油分子之間纏結作用和摩擦阻力，是黏度與溫度敏感程度的一種量度。E/R越大，需要克服的能量越多，則溫度對黏度的影響越大［17］。如圖2（b）所示，熱力學溫度的倒數與黏度的對數關系曲線表現出“兩段式”特征，對每一段的數據進行線性擬合，發現相關性良好，每一段的相關系數均超過0.998。普通稠油在溫度為60～70 ℃開始出現轉折點，特稠油的溫度為80～90 ℃時擬合直線的斜率也開始明顯增加，說明此時稠油已經達到了反常溫度點，內部的微觀結構開始發生改變。反常溫度點前后的溫度區間對應著不同的活化能，高溫區間的活化能小于低溫區間的活化能，且特稠油的活化能大于普通稠油。因為當溫度小于反常溫度點或在較高的瀝青質含量下，分散的瀝青質顆粒之間存在更強的相互作用力，需要更高的活化能來克服這些吸引力從而使稠油流動［18］。

2.2 稠油流變特性測試

稠油是典型的非牛頓流體，黏度不僅會受到溫度的影響，還會隨剪切速率的變化而變化。如圖3（a）和圖4（a）所示，兩種稠油在反常溫度點前表現出非牛頓流體剪切變稀的特性，當剪切速率較小時，稠油中的膠質瀝青質形成的空間網狀結構還沒有發生不可逆的破壞，具有觸變恢復的能力，但在高速剪切的作用下，稠油的黏度發生了不可逆的降低，流動時的黏滯阻力變小。隨著溫度升高，稠油逐漸向牛頓流體特性轉化，當溫度達到反常溫度點時，黏度基本保持不變，不再受到剪切速率的影響。

通過剪切應力和剪切速率的關系曲線可以判斷稠油的流動形式。如圖3（b）和圖4（b）所示，在低于反常溫度點時，稠油表現出賓漢流體的特征，此時兩種稠油的剪切應力與剪切速率呈線性關系，但直線不過原點，需要克服一定的屈服應力使原油結構發生變化才能發生流動。隨著溫度的升高，流變曲線逐漸向橫坐標靠近，斜率逐漸減小，非牛頓特性逐漸減弱，對兩種稠油的流變曲線進行線性擬合，符合流變學狀態方程：

τ=τ0+cγ.（2）

式中，τ為剪切應力，Pa；τ0為屈服應力，Pa；γ為剪切速率，s-1；c為稠度系數。

計算不同溫度下剪切應力和剪切速率的本構方程和屈服應力，結果見表2。當溫度達到反常溫度點時，即普通稠油和特稠油的溫度分別達到60和80 ℃時，外界施加的驅動力大于原油的極限剪切應力，屈服應力開始變為0，直線經過原點，稠油從形變開始轉化為流動的狀態，原油從非牛頓流體轉變為牛頓流體［17］。

2.3 稠油擬啟動壓力梯度測試

稠油因其黏度大流動性差在儲層中表現為非達西滲流特征，一般受兩個因素影響：一是稠油本身是一種非牛頓流體，具有黏彈性和擬塑性；二是稠油含有大量的極性物質，界面活性強，易于吸附在巖石孔隙表面，形成邊界層，對滲流有一定的阻礙作用。稠油在孔隙介質中的流動規律一般采用修正的達西定律進行表征，表達式為

式中，k為滲透率，10-3 μm2；G為擬啟動壓力梯度，MPa/m。

如圖5和6所示，對壓力梯度與流速進行線性擬合，隨著溫度和滲透率的增加，擬合的直線斜率逐漸增加，橫坐標軸的截距逐漸減小，說明滲流能力逐漸提高，即擬啟動壓力梯度逐漸減小。在同一滲透率和溫度下，特稠油的斜率遠小于普通稠油，滲流能力大大減弱，需要更高的啟動壓力梯度，這是由于原油的黏度增大，非烴類物質含量增加，大量的極性物質吸附在巖石孔隙表面，導致流動阻力大大增加。對于特稠油，升高溫度可以顯著降低其啟動壓力梯度，使稠油在巖心中順利流動。

計算兩種稠油在不同滲透率和不同溫度下的擬啟動壓力梯度，如圖7所示。隨著溫度的升高，黏度迅速下降，擬啟動壓力梯度也迅速降低。在同一條件下，特稠油的擬啟動壓力梯度明顯遠大于普通稠油，造成不同種類稠油具有不同的啟動壓力梯度的原因主要是油藏的孔隙結構、膠結物組成及含量不同，原油與巖心孔隙表面的物理化學作用力不同，克服這種作用力的難度不同。在達到某一溫度（將此處的溫度定義為稠油啟動溫度點TS）時，擬啟動壓力梯度近似為零，隨著溫度繼續升高，稠油在多孔介質中的流動特征轉變為達西滲流規律。

普通稠油在低滲、中滲和高滲巖心上的啟動溫度分別為80、65和60 ℃，特稠油在低滲、中滲和高滲的巖心上的啟動溫度分別為120、90和80 ℃，與通過黏溫及流變測試得到的反常溫度點比較，發現普通稠油和特稠油分別在60和80 ℃時已表現出牛頓流體特征，但該溫度下稠油在中低滲巖心中仍需要克服一定的啟動壓力才能順利流動，此時多孔介質性質的影響不可忽略，且稠油黏度越大受到的影響越大。

繪制擬啟動壓力梯度與流度的關系曲線，如圖8（a）所示，在雙對數坐標下兩種稠油的擬啟動壓力梯度隨流度的增加線性減小，將擬啟動壓力梯度與流度的關系經過冪律函數擬合，得到普通稠油和特稠油的擬啟動壓力梯度公式為

普通稠油和特稠油相關系數都超過0.96，每條直線的上半部分為可流動區域，即壓差達到了擬啟動壓力梯度，下半部分為不可流動區域。建立流度與啟動壓力梯度的關系式對稠油開發具有重要意義，可以預測出合理井距和井間剩余油分布情況。

油田現場大多數依靠靜態手段測試稠油的反常溫度點來獲得多孔介質中稠油的流動能力，但是這種方法對于判斷油藏動用范圍的結果極為模糊，也無法指明蒸汽工藝參數是否合理。如圖8（b）所示，做啟動溫度的倒數與50 ℃流度對數的關系曲線，無論是普通稠油還是特稠油，啟動溫度隨滲透率的增加而降低，并且在同一滲透率下，隨原油黏度的增加，啟動溫度逐漸增大。將啟動溫度的倒數與50 ℃流度的對數進行線性擬合，相關系數R2=0.9869，得到回歸方程為

式中，μ50為50 ℃時脫氣原油的黏度，mPa·s。

稠油油藏蒸汽驅開采的轉驅溫度至少要保證注采井熱連通溫度超過反常溫度［19-20］，否則稠油在地層條件下流動能力差，會影響蒸汽驅的開采效果。所以稠油啟動的溫度點是開采過程中至關重要的操作參數，通過式（5）獲得不同多孔介質條件下不同類型稠油的啟動溫度，對稠油開發過程中優化蒸汽吞吐后蒸汽驅的轉驅溫度具有指導意義。

3 結 論

（1） 通過黏溫及流變測試獲得普通稠油和特稠油的反常溫度分別為60和80 ℃，當溫度高于反常溫度時，稠油分子間的相互作用力開始減小，屈服應力變為0，從非牛頓流體轉變為牛頓流體。

（2）擬啟動壓力梯度與流度呈冪指數關系，隨流度增加，擬啟動壓力梯度減小，即原油黏度的減小或巖心滲透率的增大，使原油在流動時與巖心孔隙表面的物理化學作用力減小，可流動范圍增大。

（3）不同類型稠油啟動溫度的倒數與50 ℃流度的對數線性相關，基于考慮多孔介質性質的稠油啟動溫度的計算方法得到普通稠油和特稠油在低滲、中滲和高滲的巖心上啟動溫度分別為80、65、60 ℃和120、90、80 ℃。

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