启动压力梯度研究综述

刘子嘉 黎泳豪 曹礼鋆 沈毅

摘要：本文主要研究稠油的压力启动梯度，从而得出稠油的非线性渗流规律。稠油是一种非牛顿流体，其在地下的渗流过程是非线性过程。启动压力梯度是描述稠油非线性渗流规律的重要参数。只有准确的测定这个参数才能准确地描述稠油的非线性渗流规律。因此这个参数的确定，是描述稠油非线性渗流规律中最为关键的问题。本文在调研国内稠油流变特性和渗流规律研究文献的基础上，通过分析调研结果中启动压力梯度的影响因素从而总结概括出稠油非线性渗流规律，以此为稠油开采的研究领域提供相关信息指导帮助。

关键词：启动压力梯度;测量方法;温度;储层物性

引言

世界上稠油资源极为丰富，目前我国海上稠油、陆地稠油与沥青资源总量约占石油资源总量的20%以上，具有代表常规石油能源的战略地位。随着中国及世界稠油开采量的增加以及开采技术、集输、长输工艺技术不断提高，人们对稠油流动性质的研究越来越深入。开采稠油的首要问题就是研究稠油在储层中的渗流规律，为后期的开采方案提供理论基础。

一、启动压力梯度测量方法

稠油主要由烷烃、芳烃、胶质沥青质组成，随着胶质与沥青质含量的增加，稠油的相对密度及黏度也增大。稠油的高黏特性与其化学组成结构有关，分子结构属于不均匀的胶体分散体系，导致稠油具有非牛顿流体的特点，并且在多孔介质中的渗流特征与常规原油不同，一般表现为非线性渗流，可能存在启动压力梯度，只有当驱替压力梯度超过启动压力梯度时稠油才开始流动。

目前国内测量启动压力的方法主要有：稳态法、非稳态法、毛细管平衡法、气泡法、微流量驱替法等。

（一）启动压力定义及渗流特点

当岩石孔隙中的边界流体厚度和孔隙半径相似的时候，流体在岩石孔隙中流动时会存在启动压力梯度。当岩心两端之间的压差增加，在孔隙中参与流体的量也增加，参与流动的孔隙数量也增加。启动压力和孔隙度的关系成反比关系。启动压力梯度与渗流速度之间的关系曲线如图1所示。图中曲线的A点就是最小启动压力，只有压力梯度大于A点时才可以流动;B点为拟启动压力梯度点，为EF直线的反向延长线和横坐标的交点;C点为临界压力梯度，当压力梯度高于C点时的流体，其流动符合达西定律。

（二）启动压力梯度测量方法及验证实验

1.启动压力梯度测量方法

（1）微流量驱替法

通过泵设定微小的流量驱替，在岩心入口端以较为缓慢的速度建立压差，并利用液柱高度计量压差，仔细观察出口端液体移动情况，当液体开始移动时，记录此时的液柱高度，再将液柱高度换算为压力，即为启动压力

（2）光电式微流量检测法

启动压力梯度的测量是需要测量流体从静止状态到流动状态的瞬间岩心两端的压力差值。然而就目前的技术条件，在那一瞬间的测量是难以达到精确的，因此我们都是用逐次降低实验流量来测试启动压力梯度，每测定一次不同流量下岩心两端的压差值，就会描绘一份流量——压力梯度实验曲线图，其中拟合值为拟合曲线在压力梯度坐标上的截距，也为所测岩心的启动压力梯度值。

（3）非稳态法：非稳态法是以流体从流动到不流動的压力梯度临界值为“启动压力梯度”。设计实验方法为：初始时刻，将岩心在高压下饱和原油，在一端封闭，并装入测压计，待系统压力平衡且稳定后，将岩心另一端放空至某一压力值，连续测量封闭端压力变化，直至系统达到稳定状态，理论方面，建立不稳定渗流方程，通过试井解释的方法来确定启动压力梯度。此方法具有实验简单，实验条件易于控制，实验时间短等优点。而稳态法主要是直接通过渗流曲线的直线段回归得到启动压力梯度。

（4）气泡法：当液体驱替岩心时，有一附加压力会克服岩心中的阻力和流体间的界面张力，使驱替流体开始进入孔道。此时流体开始移动，岩心出口端开始产生气泡，此时的驱替压力即为启动压力。

（5）渗流曲线拟合法：利用稳态法测量渗流曲线，然后对曲线进行拟合得到启动压力梯度。稳态法包括恒压法与恒流法。恒压法是通过设定岩心入口端的压力，测量该压力下岩心出口端的液体流量，直至流量达到稳定值;然后逐渐增加岩心入口端的压力，测量不同压力下的稳定流量，根据稳定时的流量与压差，绘制渗流曲线。恒流法则是通过设定岩心入口端的流量，记录稳定时岩心出口端的流量，绘制渗流曲线，利用曲线在压差坐标轴上的截距来求取岩心的拟启动压力梯度。

（6）毛细管平衡法：毛细管平衡法应用的原理就是连通器原理， 毛细管平衡法就是将毛细管连接在岩心两侧，通过重力的作用产生高度差，测量高度差的值就为启动压力。夹持器两端连接毛细管的目的，第一个是能灵敏精确的反映液面的变化，第二个是可以减少渗流总量缩短测定周期。该方法不仅证明了低渗透岩心启动压力梯度的存在，而且可以直接测定出最小启动压力梯度值。在实验中，取用环氧树脂密封包裹的岩心，进出口端毛细管连接处被垫片烧融所密封。测定过程中，毛细管与岩心均充满实验流体，并且保持出口端页面低于出口端液面，使其保持一定的压力梯度，因为压力梯度的作用流体通过岩心渗流，出口端液面上升，井口端液面下降。如果启动压力梯度在岩心中不存在，则在充分平衡后两端的液面会相等，如果存在，则最后就会有一个高度差，这个高度差就是岩心的真实启动梯度。

实验特点：在岩心中流体的低速非线性渗流时驱替压差和流量及其的小，就算采用精密仪器也很难精准测量，以前许多的测量实验，都不能精准和可能多的采集非线性段数据，最终导致拟合误差大且所得结果没有足够的说服力。而毛细管平衡法的特点有以下几点：①实验周期长;②平衡充分;③实验数据说服力强;④硬件要求不高且操作简便。这些特点完全能够克服以上的缺点，所以毛细管平衡法也是一个很好的测量启动压力的方法。

通过长期毛细管实验，完整准确的测定了低渗岩心非达西段渗流曲线。低渗岩心启动压力梯度真实存在并且与流度的关系成反比。低渗岩心存在异常的渗吸现象，可能与岩心微细孔隙的润湿性改变有关;渗吸度与岩心孔隙度的关系成正比，这对于低渗油藏的采收率提高有着深远影响和重大意义。

（二）实验结果和分析

非稳态法所测得的数据比较小，非稳态法是将些许高的压力直接施加在入口端，让流体从流动到完全静止，但是当流体从运动状态到静止状态时因为稠油流动过程中本身带有巨大的惯性力成为动力，因而所得启动压力梯度会因为惯性力而变得偏小，并且花费得时间也比较长。但是在实际油田开发过程中一般是施加压力让原油流动，就要克服静止状态时得惯性力，所以这个时候得惯性力一般都为阻力。毛细管平衡法所测得的启动压力梯度要比拟合法与气泡法测得更加精确，因为在气泡法测量过程中需要克服一定的出口端水施加的压力，且形成的泡较小时不易察觉，也易产生误差，因此气泡法并不是太适合;曲线拟合法由于是用渗流曲线拟合来间接计算得到启动压力梯度，所以会与真实的值偏差较大，通过最终所得结果可知，曲线拟合法所测得的启动压力梯度更加偏大，属于拟启动压力梯度。通过实验数据分析对比从而得出微流量驱替法所测得启动压力梯度更准确，与真实岩石启动压力梯度更贴合。

二、温度对启动压力梯度的影响

粘度是稠油的重要特性参数之一，稠油粘度的可变化性是其被划分为非牛顿流体的重要依据，稠油作为非牛顿流体也有着与之相似的特定流动规律，如图4所示，这也为研究稠油在地层中的渗流规律提供了指导方向。温度的改变会极大程度地影响稠油粘度随之变化，因此稠油黏度对温度变化十分敏感，温度也通过改变稠油的粘度成为影响其渗流的重要间接因素之一。

温度是影响稠油流变性的重要因素，随着温度的上升，稠油的黏度也逐渐下降。李雪峰对中原油田实验油样试验结果表示原油粘度是影响稠油注蒸汽开采效果的主要因素，认识和掌握原油粘度的变化规律极为重要。原油粘度对温度的敏感性随温度的升高而降低，原油的粘—温敏感性随原油粘度的增大而增强。稠油的黏度对温度非常的敏感，随温度升高而大幅度降低，在拐点温度之前稠油粘—温关系曲线随压力变化较大，在拐点温度处之后，压力对粘度影响不大，流变性曲线说明，低温40℃条件下稠油油样属于Bingham塑性流体，随温度升高，原有流变性表现为牛顿流体特性。

三、储层物性对启动压力梯度的影响

稠油渗透规律偏离达西定律，经常显示非牛顿性质。起动时压力梯度随着石油密度的增加而增大。稠油只有在驱动压力梯度超过启动压力梯度时才开始流动，油井的储层动用半径将被稠油的启动压力梯度影响，从而影响整个油井的经济效益。稠油油田开发时候如何确定存在启动压力梯度的油田如何确定储层动用半径的大小是现在关注的问题。如何确定油藏开采半径的问题是根据实验室物理模拟实验结果，在这个基础上，通过理论结论得出了储层动用半径的数学模型。

（一）微裂缝的影响

郑文宽等人的实验研究表明，对于渗透率接近的岩样，微裂缝发育与否对拟启动压力梯度数值影响较小，即微裂缝对已进入拟线性流动状态下的储层影响较小。由于贾敏效应的影响，启动压力梯度随流度变化关系拟合的幂函数曲线幂指数 n 受岩心孔喉非均质性控制，孔喉非均质性越强，幂指数 n 越大，用此预测实际油藏启动注采压差误差也就越大。微裂缝开度变化相对于孔道和喉道的半径变化幅度较小，因而贾敏效应影响相对较小，拟合幂指数更接近。微裂缝可以降低低速渗流下边界层对渗流的影响，对于渗透率接近的岩样，微裂缝越发育，真实启动压力梯度越低，不可动流体所占比例越低。即较低压差下，流体即可流动，但想达到拟线性流动状态仍较为困难。

裂缝性潜山稠油油藏具有典型的裂缝性油藏特点，裂缝发育，渗透率较高，但在开发过程中，随着地下流体的不断采出，储层岩石所受有效应力增加，岩石孔隙、喉道、裂缝发生变形，岩石的孔隙度、渗透率随之降低，既储层应力敏感性;另一方面，它又是稠油油藏，原油粘度大，流动能力差，导致稠油油藏的渗流是具有启动压力梯度的非达西渗流，启动压力梯度是原油能否渗流的门槛值。裂缝发育有利于油井生产，而稠油本身的可流动性又制约着产量的提高。一方面，在致密油气藏开发过程中，随着地下流体的不断采出，储层岩石所受有效应力增加，岩石孔隙、喉道、裂缝发生变形，岩石的孔隙度、渗透率随之降低，这种现象就是储层应力敏感性。裂缝发育程度越高，储层应力敏感性更大，储层物性易受应力改善，因此推断裂缝的发育程度与稠油启动压力成正相关关系。

（二）储层渗透率的影响

由源自乌石 A 油田 10 块岩样进行水测启动压力梯度测试图可以得出，拟启动压力梯度与渗透率呈现比较好的幂函数关系，随着渗透率的增大，拟启动压力梯度逐渐减小，关系式为，相关系数。当渗透率，拟启动压力梯度迅速增加，说明渗透率 后，建立有效驱替压力难度增大，开发难度增加。白慧芳等人的研究结果也有相似之处，这也可以得出结论，即：启动压力梯度随渗透率的增大而减小，两者呈幂指数关系，当渗透率小于某一临界值时，启动压力梯度急剧下降。启动压力梯度随含水饱和度的增大而增大，两者呈现指数关系，当含水饱和度大于一定数值时，启动压力梯度迅速上升。

（三）启动压力梯度-储层物性计算模型

由裂缝应力敏感实验结果分析，储层裂缝岩石渗透率与有效应力之间有较好的相关关系，Pedrosa于1986年提出了渗透率变异模型切：

对上式积分得到渗透率随压力变化的表达式

上式中为介质变形系数，10MPa-1;k为油层渗透率，μm2;k0为油层原始渗透率，μm2;p为油藏压力，0.1MPa;p0为油藏初始压力，0.1MPa。另一方面，稠油与常规稀油不同，由于其黏度高、分子量大、极性强，原油与岩石界面及原油之间界面的相互作用力大，導致稠油油藏的渗流是具有启动压力梯度的非达西渗流，启动压力梯度是原油能否渗流的门槛值。稠油在多孔介质渗流时，只有当驱动压力梯度超过初始启动压力梯度时，稠油才开始流动。考虑稠油可流动性的渗流方程：

上式中， ∂为渗流速度cm/S;μ为稠油黏度，mPa.s;G为启动压力梯度，0.1MPa/m。存在启动压力梯度时储层动用半径计算公式的推导。假设一水平、均质、等厚的圆形地层，供给边缘半径为re，原始地层压力为pe，井半径为rw，井底压力为pwf;已知地层渗透率为K，油相渗透率为Ko，流体粘度为μ，启动压力梯度为G，地层厚度为h，流体及岩石微可压缩。不考虑启动压力梯度时，根据渗流力学的基本原理，稳定渗流微分方程为

积分得

分离变量得

由于启动压力梯度的存在，使得低渗储层比中高渗储层具有更强的应力敏感性，当初始渗透率小于某一临界值时，渗透率越低对应力越敏感，大于此值后，渗透率随应力的变化幅度与渗透率初始值无关。低渗、特低渗油、气藏在生产过程中，随着油气采出，地层压力下降，近井地带的渗透率会大幅度下降，造成单井产量大幅下降，缩短了油气井增产措施（如压裂、酸化）的周期，增加了这类油气、藏的开发成本和开发难度。

四、结论与建议

（一）微流量驱替法是较为实用的测量启动压力梯度的方法;启动压力梯度存在的临界粘度随渗透率的增加而增大，且增大的幅度逐渐趋于平缓;流度较小时，随流度的增加启动压力梯度下降较快，随着流度的不断增加，启动压力梯度下降幅度减缓。毛细管平衡法所测得的启动压力梯度要比气泡法和拟合法测得精确。非稳态法所测得的数据比较小，非稳态法是在入口端施加较高的压力使流体流动至静置，而当流体从运动状态到静止状态时由于稠油流动过程中具有较大的惯性力，此时的惯性力成为了流动的动力，所以测量得到的启动压力梯度会偏小。

（二）粘度是稠油的重要特性参数之一，稠油粘度的可变化性是其被划分为非牛顿流体的重要依据。稠油的粘度对温度非常的敏感，随温度升高而大幅度降低;温度的改变会极大程度地影响稠油粘度随之变化，温度也通过改变稠油的粘度成为影响其渗流的重要间接因素之。由此出现了稠油热采、火烧油藏等技术，其本质就是通过加热稠油使其粘度下降，增大其地层流动性，以此达到提高稠油油藏采收率的目的。

（三）启动压力梯度受储层物性的影响，鉴于启动压力梯度对稠油油藏开发的重要性，建议将启动压力梯度与流体饱和度、渗透率、孔喉半径、边界层厚度的定量分析作为今后研究重点。启动压力梯度随渗透率的增大而减小，两者呈幂指数关系，当渗透率小于某一临界值时，启动压力梯度急剧下降。岩心的饱和状态对启动压力具有很大的影响，在实际的生产中确定启动压力梯度时，应该考虑岩心的饱和状态。

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作者簡介：

刘子嘉，1999.03生，汉，女，辽宁省盘锦市人，大学本科，专业方向：石油工程。