啟動壓力梯度研究綜述

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)。只有準確的測定這個參數(shù)才能準確地描述稠油的非線性滲流規(guī)律。因此這個參數(shù)的確定，是描述稠油非線性滲流規(guī)律中最為關鍵的問題。本文在調(diào)研國內(nèi)稠油流變特性和滲流規(guī)律研究文獻的基礎上，通過分析調(diào)研結(jié)果中啟動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域提供相關信息指導幫助。

關鍵詞：啟動壓力梯度;測量方法;溫度;儲層物性

引言

世界上稠油資源極為豐富，目前我國海上稠油、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。隨著中國及世界稠油開采量的增加以及開采技術、集輸、長輸工藝技術不斷提高，人們對稠油流動性質(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層中的滲流規(guī)律，為后期的開采方案提供理論基礎。

一、啟動壓力梯度測量方法

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，稠油的相對密度及黏度也增大。稠油的高黏特性與其化學組成結(jié)構有關，分子結(jié)構屬于不均勻的膠體分散體系，導致稠油具有非牛頓流體的特點，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，可能存在啟動壓力梯度，只有當驅(qū)替壓力梯度超過啟動壓力梯度時稠油才開始流動。

目前國內(nèi)測量啟動壓力的方法主要有：穩(wěn)態(tài)法、非穩(wěn)態(tài)法、毛細管平衡法、氣泡法、微流量驅(qū)替法等。

（一）啟動壓力定義及滲流特點

當巖石孔隙中的邊界流體厚度和孔隙半徑相似的時候，流體在巖石孔隙中流動時會存在啟動壓力梯度。當巖心兩端之間的壓差增加，在孔隙中參與流體的量也增加，參與流動的孔隙數(shù)量也增加。啟動壓力和孔隙度的關系成反比關系。啟動壓力梯度與滲流速度之間的關系曲線如圖1所示。圖中曲線的A點就是最小啟動壓力，只有壓力梯度大于A點時才可以流動;B點為擬啟動壓力梯度點，為EF直線的反向延長線和橫坐標的交點;C點為臨界壓力梯度，當壓力梯度高于C點時的流體，其流動符合達西定律。

（二）啟動壓力梯度測量方法及驗證實驗

1.啟動壓力梯度測量方法

（1）微流量驅(qū)替法

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

（2）光電式微流量檢測法

啟動壓力梯度的測量是需要測量流體從靜止狀態(tài)到流動狀態(tài)的瞬間巖心兩端的壓力差值。然而就目前的技術條件，在那一瞬間的測量是難以達到精確的，因此我們都是用逐次降低實驗流量來測試啟動壓力梯度，每測定一次不同流量下巖心兩端的壓差值，就會描繪一份流量——壓力梯度實驗曲線圖，其中擬合值為擬合曲線在壓力梯度坐標上的截距，也為所測巖心的啟動壓力梯度值。

（3）非穩(wěn)態(tài)法：非穩(wěn)態(tài)法是以流體從流動到不流動的壓力梯度臨界值為“啟動壓力梯度”。設計實驗方法為：初始時刻，將巖心在高壓下飽和原油，在一端封閉，并裝入測壓計，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)測量封閉端壓力變化，直至系統(tǒng)達到穩(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壓力梯度。此方法具有實驗簡單，實驗條件易于控制，實驗時間短等優(yōu)點。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壓力梯度。

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

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

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

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

通過長期毛細管實驗，完整準確的測定了低滲巖心非達西段滲流曲線。低滲巖心啟動壓力梯度真實存在并且與流度的關系成反比。低滲巖心存在異常的滲吸現(xiàn)象，可能與巖心微細孔隙的潤濕性改變有關;滲吸度與巖心孔隙度的關系成正比，這對于低滲油藏的采收率提高有著深遠影響和重大意義。

（二）實驗結(jié)果和分析

非穩(wěn)態(tài)法所測得的數(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，讓流體從流動到完全靜止，但是當流體從運動狀態(tài)到靜止狀態(tài)時因為稠油流動過程中本身帶有巨大的慣性力成為動力，因而所得啟動壓力梯度會因為慣性力而變得偏小，并且花費得時間也比較長。但是在實際油田開發(fā)過程中一般是施加壓力讓原油流動，就要克服靜止狀態(tài)時得慣性力，所以這個時候得慣性力一般都為阻力。毛細管平衡法所測得的啟動壓力梯度要比擬合法與氣泡法測得更加精確，因為在氣泡法測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算得到啟動壓力梯度，所以會與真實的值偏差較大，通過最終所得結(jié)果可知，曲線擬合法所測得的啟動壓力梯度更加偏大，屬于擬啟動壓力梯度。通過實驗數(shù)據(jù)分析對比從而得出微流量驅(qū)替法所測得啟動壓力梯度更準確，與真實巖石啟動壓力梯度更貼合。

二、溫度對啟動壓力梯度的影響

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)律提供了指導方向。溫度的改變會極大程度地影響稠油粘度隨之變化，因此稠油黏度對溫度變化十分敏感，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。李雪峰對中原油田實驗油樣試驗結(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，認識和掌握原油粘度的變化規(guī)律極為重要。原油粘度對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。稠油的黏度對溫度非常的敏感，隨溫度升高而大幅度降低，在拐點溫度之前稠油粘—溫關系曲線隨壓力變化較大，在拐點溫度處之后，壓力對粘度影響不大，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、儲層物性對啟動壓力梯度的影響

稠油滲透規(guī)律偏離達西定律，經(jīng)常顯示非牛頓性質(zhì)。起動時壓力梯度隨著石油密度的增加而增大。稠油只有在驅(qū)動壓力梯度超過啟動壓力梯度時才開始流動，油井的儲層動用半徑將被稠油的啟動壓力梯度影響，從而影響整個油井的經(jīng)濟效益。稠油油田開發(fā)時候如何確定存在啟動壓力梯度的油田如何確定儲層動用半徑的大小是現(xiàn)在關注的問題。如何確定油藏開采半徑的問題是根據(jù)實驗室物理模擬實驗結(jié)果，在這個基礎上，通過理論結(jié)論得出了儲層動用半徑的數(shù)學模型。

（一）微裂縫的影響

鄭文寬等人的實驗研究表明，對于滲透率接近的巖樣，微裂縫發(fā)育與否對擬啟動壓力梯度數(shù)值影響較小，即微裂縫對已進入擬線性流動狀態(tài)下的儲層影響較小。由于賈敏效應的影響，啟動壓力梯度隨流度變化關系擬合的冪函數(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，冪指數(shù) n 越大，用此預測實際油藏啟動注采壓差誤差也就越大。微裂縫開度變化相對于孔道和喉道的半徑變化幅度較小，因而賈敏效應影響相對較小，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滲流的影響，對于滲透率接近的巖樣，微裂縫越發(fā)育，真實啟動壓力梯度越低，不可動流體所占比例越低。即較低壓差下，流體即可流動，但想達到擬線性流動狀態(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，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，儲層巖石所受有效應力增加，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，既儲層應力敏感性;另一方面，它又是稠油油藏，原油粘度大，流動能力差，導致稠油油藏的滲流是具有啟動壓力梯度的非達西滲流，啟動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，儲層巖石所受有效應力增加，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)象就是儲層應力敏感性。裂縫發(fā)育程度越高，儲層應力敏感性更大，儲層物性易受應力改善，因此推斷裂縫的發(fā)育程度與稠油啟動壓力成正相關關系。

（二）儲層滲透率的影響

由源自烏石 A 油田 10 塊巖樣進行水測啟動壓力梯度測試圖可以得出，擬啟動壓力梯度與滲透率呈現(xiàn)比較好的冪函數(shù)關系，隨著滲透率的增大，擬啟動壓力梯度逐漸減小，關系式為，相關系數(shù)。當滲透率，擬啟動壓力梯度迅速增加，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：啟動壓力梯度隨滲透率的增大而減小，兩者呈冪指數(shù)關系，當滲透率小于某一臨界值時，啟動壓力梯度急劇下降。啟動壓力梯度隨含水飽和度的增大而增大，兩者呈現(xiàn)指數(shù)關系，當含水飽和度大于一定數(shù)值時，啟動壓力梯度迅速上升。

（三）啟動壓力梯度-儲層物性計算模型

由裂縫應力敏感實驗結(jié)果分析，儲層裂縫巖石滲透率與有效應力之間有較好的相關關系，Pedrosa于1986年提出了滲透率變異模型切：

對上式積分得到滲透率隨壓力變化的表達式

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為油藏初始壓力，0.1MPa。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，原油與巖石界面及原油之間界面的相互作用力大，導致稠油油藏的滲流是具有啟動壓力梯度的非達西滲流，啟動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，只有當驅(qū)動壓力梯度超過初始啟動壓力梯度時，稠油才開始流動?？紤]稠油可流動性的滲流方程：

上式中， ?為滲流速度cm/S;μ為稠油黏度，mPa.s;G為啟動壓力梯度，0.1MPa/m。存在啟動壓力梯度時儲層動用半徑計算公式的推導。假設一水平、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。不考慮啟動壓力梯度時，根據(jù)滲流力學的基本原理，穩(wěn)定滲流微分方程為

積分得

分離變量得

由于啟動壓力梯度的存在，使得低滲儲層比中高滲儲層具有更強的應力敏感性，當初始滲透率小于某一臨界值時，滲透率越低對應力越敏感，大于此值后，滲透率隨應力的變化幅度與滲透率初始值無關。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)替法是較為實用的測量啟動壓力梯度的方法;啟動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，隨流度的增加啟動壓力梯度下降較快，隨著流度的不斷增加，啟動壓力梯度下降幅度減緩。毛細管平衡法所測得的啟動壓力梯度要比氣泡法和擬合法測得精確。非穩(wěn)態(tài)法所測得的數(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至靜置，而當流體從運動狀態(tài)到靜止狀態(tài)時由于稠油流動過程中具有較大的慣性力，此時的慣性力成為了流動的動力，所以測量得到的啟動壓力梯度會偏小。

（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)。稠油的粘度對溫度非常的敏感，隨溫度升高而大幅度降低;溫度的改變會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，其本質(zhì)就是通過加熱稠油使其粘度下降，增大其地層流動性，以此達到提高稠油油藏采收率的目的。

（三）啟動壓力梯度受儲層物性的影響，鑒于啟動壓力梯度對稠油油藏開發(fā)的重要性，建議將啟動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。啟動壓力梯度隨滲透率的增大而減小，兩者呈冪指數(shù)關系，當滲透率小于某一臨界值時，啟動壓力梯度急劇下降。巖心的飽和狀態(tài)對啟動壓力具有很大的影響，在實際的生產(chǎn)中確定啟動壓力梯度時，應該考慮巖心的飽和狀態(tài)。

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作者簡介：

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