稠油非线性渗流启动压力梯度实验研究

柯文丽喻高明周文胜王守磊廖占山

1.长江大学石油工程学院；2. 湖北省油气钻采工程重点实验室；3.中海油研究总院

稠油非线性渗流启动压力梯度实验研究

柯文丽1，2喻高明1，2周文胜3王守磊3廖占山1，2

1.长江大学石油工程学院；2. 湖北省油气钻采工程重点实验室；3.中海油研究总院

稠油中胶质、沥青质等高分子混合物决定其特殊的结构特性，表现出非线性渗流的特点。启动压力梯度是研究非线性渗流的重要环节。以实际某油田为例，对比分析目前国内外常用的几种测量启动压力梯度的方法，选择出最佳实验方法，通过实验研究不同渗透率条件下启动压力梯度存在的临界黏度并绘制版图，最后研究目标油田全流度范围内启动压力梯度与流度的关系。实验结果表明：微流量驱替法是较为实用的测量启动压力梯度的方法；目标油田启动压力梯度存在的临界黏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。

稠油；非线性渗流；启动压力梯度；界限研究；实验方法

非常规油气田的开发逐渐成为人们关注的重点，其中稠油可探明储量与可采储量占有比例较大。目前中国海上稠油、陆地稠油与沥青资源总量约占石油资源总量的20%以上，具有替代常规石油能源的战略地位［1］。开采稠油的首要问题就是研究稠油在储层中的渗流规律，为后期制定开采方案提供理

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［2-3］。

目前国内外关于启动压力梯度的研究大都是针对低渗透油藏，而稠油启动压力梯度的研究有限且不够深入。大部分作者仅仅是对启动压力梯度的影响因素进行研究，并没有考虑稠油启动压力梯度存在的临界条件。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、气泡法等。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。非稳态法主要是非稳态渗流中测量压力的实验方法，原油在岩心内开始流动以后关井，认为原油停止流动时入口端的压力为启动压力［3-4］。毛细管平衡法则是在岩心两端连接毛细管，利用重力的作用所产生的高度差测量得到启动压力，该方法耗时长，效率低［5-6］。气泡法主要是将岩心出口端管线插入水中，当水中出现气泡则认为此时入口端的压力为启动压力［7-8］。启动压力梯度的测量方法虽然很多，但都存在一定问题。

以实际油田为例，研究目标油田原油流变性，了解稠油的非牛顿特性；将新的测量方法与现有实验方法对比分析；最后提出研究启动压力梯度存在界限的实验方法，并针对实际目标油田研究考虑了黏度与渗透率条件下，启动压力梯度存在的临界值以及存在范围，为后期开采提供理论依据。

1　原油流变性实验研究

Experimental study on rheological property of crude oil

1.1实验方法及条件

Methods and conditions

实验过程中采用MCR301型流变仪，分析某油田原油流变特征，测定某油田某井口脱水原油在不同剪切速率时的黏度变化趋势，并测定了不同温度条件下的流变特征曲线与黏温曲线。

1.2实验结果分析

Results analysis

（1）剪切应力与剪切速率的关系。由图1可知，稠油黏度随着温度升高而降低，温度不同，黏度与温度的依赖关系不同，温度越低，黏度越大，流动性越差。这是由于具有不同物理化学性质的流体，其剪切应力与剪切速率的相关系数是不相同的。对于稠油这种多相混合物液体，大分子固体颗粒的大小、分布情况、在液体中的浓度以及胶质含量、饱和烃成份等相互间的动量交换、缔结长大、排列方式对其黏度影响较大［9］。大多数原油是一种比较稳定的胶体分散体系，其分散相以沥青质为核心，以附于它的胶质为溶剂化层而构成胶团、胶束，其分散介质则主要由油分和部分胶质组成［10］。从胶团、胶束中心到分散介质其组成是逐渐变化过渡的。这些胶团、胶束的联接或被拆开是稠油黏温关系变化的实质。

图1　原油流变曲线Fig. 1 Rheological curve of crude oil

（2）表观黏度与剪切速率的关系。由图2可知，剪切速率较低时，随着剪切速率的增加，黏度下降较快；剪切速率相对较高时，随着剪切速率的增大，黏度下降变缓，当剪切速率继续增加时，黏度基本保持不变。这是由于稠油在毛细管或是在岩心中流动时，随着剪切的进行，呈杂乱卷曲状长链分子的细长纤维沿剪切方向有序排列起来，视黏度下降［11］。当剪切速率或渗流速度足够大时，这些杂乱卷曲分子已经最大限度地伸展和定向，视黏度也达到平衡，此时再加大剪切速率或渗流速度也不能改变视黏度［12］。由图2还可看出，温度对原油黏度的影响作用很大，在相同剪切速率条件下，随着温度的降低，原油黏度增大，当温度下降时，原油黏度增大幅度更快；温度越低，原油流变特征曲线的斜率变化幅度越大，非牛顿特征越明显。当温度升到一定程度时原油的流变特性表现为牛顿流体。出现该种现象的原因是由于随着温度的升高，原油中的石蜡、胶质、沥青质充分溶解，相互作用减弱，内摩擦力减小，当温度高于析蜡温度时，原油表现为近似牛顿流体或非牛顿流体较弱的流体；而当温度降低，特别是当原油温度低于其析蜡温度时，原油中析出的石蜡及沥青质微小颗粒分散在原油中，颗粒之间的相互作用形成具有一定强度的结构体，表现为黏度迅速增加［13］。

图2　原油黏温曲线Fig. 2 Viscosity-temperature curve of crude oil

2　启动压力梯度测量方法及验证实验

Measuring methods and verification experiments of start-up pressure gradient

2.1启动压力梯度测量方法

Measuring methods

以某油田E28井的原油为例进行研究，在室温24 ℃的条件下，将地层原油与煤油混合配制为黏度64.92 mPa·s的模拟油进行实验。实验首先将已经建立好束缚水的岩心静置24 h，使岩心内的原油充分老化，保证出口端管线内充满液体；然后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。该方法称之为微流量驱替法［14］。验证实验的基础数据见表1。

表1　实验基础数据Table 1 Experimental basic data

（1）非稳态法：首先利用泵在岩心入口端施加一个较大的压力（通过岩心入口端液柱读取）使岩心流体开始流动，然后关闭泵以及岩心入口端阀门，观察并记录岩心入口端液柱高度变化以及出口端液面移动情况，直至入口端液面高度不再下降，出口端管线内液体不再移动，记录此时的高度，换算成压力。

（2）气泡法：设定某一流量驱替岩心，将出口端管线放入水中，当水中产生气泡时，读取入口端压力，即为启动压力。

（3）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，直至流量达到一稳定值；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。之后，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。

2.2实验结果和分析

Experimental results and analysis

通过不同方法测量得到的启动压力梯度数据见表2。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，这是因为利用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，所以气泡法相对来说不够理想；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，由实验结果可知，曲线拟合法所测得的启动压力梯度偏大很多，属于拟启动压力梯度；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置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，且花费时间长。但在实际油田开发过程中通常是施加一定的压力使原油流动，需要克服流体为保持原有静置状态时的惯性力，此时的惯性力为阻力，所以从实验数据对比结果可以看出微流量驱替法所测得的启动压力梯度更接近岩石的真实启动压力梯度［15］。

表2　不同方法测得的启动压力梯度Table 2 Start-up pressure gradients measured using various methods

3　启动压力梯度研究

Research of start-up pressure gradient

3.1研究方法

Methods

启动压力梯度存在界限的研究包括：首先是验证低黏度、高渗透率条件下是否存在启动压力；其次是研究考虑不同渗透率条件下启动压力梯度存在的临界黏度值（笔者主要考虑黏度与渗透率）；最后绘制启动压力梯度存在临界黏度与流度的版图。具体实施方法为：在某一渗透率条件下，选择合理的模拟油黏度值，通过逐渐减小黏度（或逐渐增加黏度）测量启动压力梯度，直至在某一黏度下无启动压力或某一黏度下出现启动压力，绘制曲线进行拟合，拟合曲线与黏度轴的交点视为该渗透率下启动压力梯度存在的临界黏度，即该渗透率下启动压力梯度存在的临界黏度值。然后改变渗透率重复上述实验过程，可以获得多组渗透率下启动压力梯度存在的临界黏度值，最后绘制流度与临界黏度的版图。

3.2启动压力梯度的存在界限

Research on the limits for the existence of start-up pressure gradient

3.2.1低黏度油启动压力实验 实验过程中驱替泵设置微小的流量进行驱替，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。在恒温25 ℃条件下配制模拟油（将某油田井口脱气原油与煤油按一定比例混合），黏度分别为4.982 mPa·s与20.536 mPa·s。岩心选择与某油田渗透率级别相同的人造岩心。实验结果见表3，由实验数据可知，在低黏度、较高渗透率条件下并不存在启动压力。这是由于低黏度原油组分中没有或只含有微量的高分子烃类及沥青，失去了稠油所具有的结构特性，所以在高孔渗储层中流动时不存在启动压力。

表3　低黏度条件下测量得到的启动压力Table 3 Starting pressure measured under low viscosity conditions

3.2.2稠油启动压力存在界限实验 实验是在恒温25 ℃条件下（将某油田井口脱气原油与煤油按一定比例混合），模拟油的黏度主要选择50 mPa·s上下微小浮动进行研究，通过逐步改变模拟油黏度的方法，找到某一渗透率条件下启动压力存在与不存在的几组黏度值，将存在启动压力的黏度值与启动压力梯度值绘制曲线进行拟合，拟合曲线与黏度轴的交点定为启动压力梯度存在的临界黏度值。最后绘制不同渗透率下的临界黏度曲线，找出适合于该油田启动压力存在界限的经验公式。岩心选择与某油田渗透率级别相同的人造岩心。

启动压力梯度存在界限实验具体步骤：选取K1、μ1，测启动压力梯度，如果启动压力梯度存在，则选取μi＜μ1，测量μi黏度下的启动压力梯度，如果启动压力梯度不存在，则选取μi＞μ1，测量μi黏度下的启动压力梯度（其中K1为选取任意岩心的渗透率值，μ1为选取的第一个黏度值，μi为选取的第i个黏度值，i=2，3，4，…）；不断重复选取μi，直至测得多组启动压力梯度值，将启动压力梯度存在的点与对应的黏度绘制关系曲线进行拟合，在拟合曲线上启动压力梯度为零时对应的黏度值视为启动压力梯度存在的临界黏度。为了实验结果的准确性，在实验过程中必须保证每组黏度值的变化很小；改变渗透率，重复步骤1、2，可以得到多组渗透率与临界黏度值，绘制曲线。实验数据见表4，临界黏度与渗透率的关系曲线如图3所示。

表4　启动压力梯度存在的临界黏度实验数据Table 4 Experimental data of critical viscosity for the existence of start-up pressure gradient

图3　临界黏度与渗透率的关系曲线Fig. 3 Critical viscosity vs. permeability

通过某油田稠油启动压力梯度存在界限研究，得到不同渗透率岩心启动压力梯度值存在的黏度界限，认为在选取某油田所研究的渗透率范围内，启动压力梯度存在的临界黏度随着渗透率的增加，临界黏度增大，且增大的幅度随渗透率的不断增加趋于平缓。从图可知，当黏度与渗透率值处于曲线上方区域时存在启动压力梯度，当处于曲线下方区域及落在曲线上时不存在启动压力梯度。

3.3全流度范围内启动压力梯度研究

Research of start-up pressure gradient within full mobility range

根据某油田渗透率与黏度的范围，选取与某油田渗透率级别相同的人造岩心，在室内恒温25 ℃条件下将某油田井口采出的脱气原油与煤油混合配置到地层温度下的黏度。为了能够更好的模拟地层真实条件，特将岩心饱和地层水，油驱建立束缚水后测启动压力梯度。某油田全流度范围内的启动压力梯度与流度关系实验数据见表5，版图如图4所示。从实验结果可以看出，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，并通过乘幂函数进行拟合。造成这种现象的原因是由于随着原油黏度的不断减小，原油中胶质、沥青质以及高分子烃类含量减少，造成原油结构特性变弱，在多孔介质中的流动时分子间作用力变小，减小了流动阻力，并随着渗透率的增加，这种阻力减小的速度越快，从而导致原油启动压力梯度随流度的增加逐渐减小。

表5　某油田全流度范围内实验结果Table 5 Experimental results within full mobility range of an oilfield

图4　全流度范围启动压力梯度实验结果Fig. 4 Experimental results of start-up pressure gradient within full mobility range

4　结论

Conclusions

（1）目标油田原油具有非牛顿特性，温度与剪切速率都不同程度影响原油黏度，黏度随剪切速率的增加而降低，随温度的升高而降低。通过对比多种测量启动压力梯度的实验方法可知，微流量驱替法较为理想，其测量值也是最为接近岩心真实启动压力梯度的方法。

（2）从启动压力梯度界限版图可以看出，在研究某油田所选取研究的渗透率范围内，启动压力梯度存在的黏度界限在40～55 mPa·s之间，当黏度与渗透率值处于曲线上方区域时存在启动压力梯度，当处于曲线下方区域及落在曲线上时不存在启动压力梯度。另外，启动压力梯度存在的临界黏度随流度与渗透率的增加而增加，并且增加的幅度逐渐减小。

（3）从全流度范围内启动压力梯度研究结果可以看出，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。

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（修改稿收到日期 2016-04-03）

〔编辑 李春燕〕

Experimental study on start-up pressure gradient for nonlinear flow of heavy oil

KE Wenli1，2， YU Gaoming1，2， ZHOU Wensheng3， WANG Shoulei3， LIAO Zhanshan1，2
1. School of Petroleum Engineering， Yangtze Uniνersity， Wuhan， Hubei 430100， China； 2. Key Laboratory for Oil and Gas Drilling and Producing Engineering of Hubei Proνince， Wuhan， Hubei 430100， China； 3. CNOOC Research Center， Beijing 100027， China

Heavy oil has a special structural property due to the high molecular mixtures of colloid and asphaltene in it， and thus shows a feature of nonlinear flow. The start-up pressure gradient is a key indicator to study the nonlinear flow. Taking an oilfield as an example， some common measuring methods in China and abroad were compared and analyzed， and the optimal experimental method was selected to define the critical viscosity for the existence of start-up pressure gradient at different permeabilities. Typical curves were prepared. Finally， the relationship between the start-up pressure gradient and the mobility within the full mobility range of the oilfield was diagnosed. The experimental results show that the micro-flow displacement method is a practical method for measuring the start-up pressure gradient. The critical viscosity at which the start-up pressure gradient exists in the oilfield increases with the increase of permeability， but at a gradually-gentle rate. When the mobility is small， the start-up pressure gradient drops fast with the increase of mobility，and as the mobility increases steadily， the decline rate of start-up pressure gradient slackens.

heavy oil； nonlinear flow； start-up pressure gradient； limit research； experimental method

柯文丽（1987-），2013年毕业于长江大学油气田开发工程专业，硕士，主要从事油气田开发方向的研究工作，实验员。通讯地址：（430100）湖北省武汉市蔡甸区大学路特1号长江大学（武汉校区）石油工程学院。E-mail：kewenli2006@163.com论基础。

TE345

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0341- 06

10.13639/j.odpt.2016.03.013

KE Wenli， YU Gaoming， ZHOU Wensheng， WANG Shoulei， LIAO Zhanshan. Experimental study on start-up pressure gradient for nonlinear flow of heavy oil［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（3）: 341-346.

“十二五”国家科技重大专项“基于非线性渗流的水驱稠油油藏数值模拟技术及剩余油分布模式研究”（编号：2011ZX05024）。

引用格式：柯文丽，喻高明，周文胜，王守磊，廖占山. 稠油非线性渗流启动压力梯度实验研究［J］.石油钻采工艺，2016，38（3）：341-346.