致密-低滲透油藏兩相啟動壓力梯度變化規律

鄒 劍， 周法元， 董明達， 張 華， 韓曉冬， 王弘宇

(1.中海油集團天津分公司， 天津 300452； 2.重慶科技學院石油與天然氣工程學院， 重慶 401331)

近年來，隨著中國致密-低滲透油藏的不斷開發，致密基質中油水兩相滲流規律逐漸成為研究的焦點[1-3]?，F階段注水開采仍是致密-低滲油藏的主要開發方式之一，但由于儲層基質具有滲透性差、流體滲流阻力高等特點，導致注水開發過程中注入壓力普遍過高，同時易發生水井欠注等現象[4-5]。由于致密-低滲儲層孔喉尺寸較小，導致注水開采過程中油水兩相滲流受到毛管力的影響較大，生產過程中注入水在儲層基質流動時存在兩相啟動壓力梯度，又稱兩相啟動壓力梯度[6-7]。鄧玉珍等[8]通過測試低滲和特低滲巖心注入不同比例油水時的滲流曲線得出了不同含水飽和度下油水兩相啟動壓力梯度，結果表明兩相啟動壓力梯度隨含水飽和度升高而降低。朱維耀等[9]向飽和油后的致密巖心中注入水并在出口端有流體流出時停泵，取出入口兩端壓差穩定后的值為兩相啟動壓力梯度，發現油水兩相啟動壓力梯度與滲透率呈冪指數關系。李斌會等[10]采用與鄧玉珍相同的實驗方法測試了超低滲和致密巖心不同含水飽和度時的兩相啟動壓力梯度，得出了兩相啟動壓力梯度隨含水飽和度先升高后降低的結論。

以往的研究中主要通過改變注入油水比例來模擬含水飽和度的變化，最終確定不同含水飽和度下兩相啟動壓力梯度值。本文通過測量水驅油過程中不同時間點的臨界壓力梯度，最終得出致密-低滲巖心一維水驅油過程中平均含水飽和度與兩相啟動壓力梯度之間的關系。同時，結合原油啟動壓力梯度測量實驗，將原油啟動壓力梯度與兩相啟動壓力梯度測量結果進行對比，分析了兩相啟動壓力梯度的形成原因。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及設備

表1為實驗巖心基本參數。實驗中所使用的原油為長慶油田某儲層所取脫氣原油，密度為0.823 6 g/cm3，在60 ℃時黏度為1.52 mPa·s。實驗過程中保持環境溫度為60 ℃，圍壓為3 MPa。

表1 實驗巖心的基本參數

圖1為原油啟動壓力梯度和兩相啟動壓力梯度測試裝置示意圖。測試裝置主要分為三個部分：驅替部分、巖心固定部分及數據采集部分。驅替部分包括手搖泵、壓力容器、隔離容器、驅替容器和恒速恒壓泵，巖心固定部分為巖心夾持器，數據采集部分包括高精度壓差傳感器和微流量計量裝置。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.2 原油啟動壓力梯度測量方法

目前測量單相流體啟動壓力梯度主要采用壓差-流量法，該方法可以通過壓力梯度曲線的擬合得出工程意義上的擬啟動壓力梯度。根據壓差-流量法可以將原油啟動壓力梯度測量實驗過程分為以下幾個步驟：①將巖心烘干24 h后測量巖心基本尺寸及氣測滲透率；②將巖心放入夾持器中抽真空同時飽和油，老化24 h后根據飽和油前后巖心重量差確定巖心孔隙體積；③按圖1所示連接儀器，注意保證在實驗溫度下壓力容器中的壓力為一個大氣壓；④利用手搖泵略微壓縮壓力容器中氣體體積，待壓力平穩后通過高精度壓差傳感器和微流量計量裝置測量巖心兩端壓差及出口端流量；⑤逐步緩慢地增加壓力容器中氣體的壓力，等待壓差和流量基本平穩后讀取相應值；⑥對數據進行處理，繪制原油滲流曲線并確定原油啟動壓力梯度。

1.3 兩相啟動壓力梯度測量方法

由于水驅油過程中巖心內含水飽和度不斷變化，導致兩相啟動壓力梯度也不斷變化，一定程度上是含水飽和度的函數。為了測量水驅油過程中不同含水飽和度下的臨界壓力梯度，在實驗中可以通過恒速恒壓泵來改變巖心內平均含水飽和度。具體實驗過程可以分為以下幾個步驟。①將測量過原油啟動壓力梯度后的巖心靜置一段時間，直至壓差計中示數降為0為止；②利用手搖泵逐漸略微壓縮壓力容器中氣體體積，等待2 h以上后觀察出口端微流量計量裝置中流量，當流量大于0時記錄此時高精度壓差傳感器中對應的壓差大??；③通過恒速恒壓泵向巖心內注入流體，當注入量到達預計值后停泵，驅替過程中記錄產水量和產油量；④保持出口端閥門開啟，等待壓差計中壓差降落直至為0后重復②、③，直至采出液中含水率到達98%為止；⑤更換巖心重復①～④，測量不同滲透率巖心中兩相啟動壓力梯度隨平均含水飽和度變化規律。

2 實驗結果和討論

2.1 平均含水飽和度對兩相啟動壓力梯度的影響

在實際水驅油過程中，由于油水滲流的非活塞性，巖心內的沿程含水飽和度并不是一個定值，靠近注入端含水飽和度較高，靠近采出端含水飽和度較低。為了描述巖心內含水飽和度的變化，引入平均含水飽和度的概念，即當注入水到達一定量時，巖心內的平均含水飽和度表示為

(1)

式(1)中:Swa為巖心內平均含水飽和度，%；Qwi為入口端注入水總量，mL；Qwo為出口端采出水總量，mL；Vp為巖心孔隙體積，mL。

圖2 不同滲透率巖心兩相啟動壓力梯度和采出液含水率隨含水飽和度變化曲線Fig.2 The curve of two-phase threshold pressure gradient and water content of produced fluid changing with water saturation with different permeability

圖2為不同滲透率巖心兩相啟動壓力梯度和采出液含水率隨平均含水飽和度變化曲線?？梢园l現，不同滲透率的巖心中兩相啟動壓力梯度均隨平均含水飽和度先上升后下降。這是由于隨著油水前緣的推進油水界面數量不斷增加，毛管力的作用越來越強烈，從而使兩相啟動壓力梯度在初期為上升趨勢。當油水前緣運移到一定位置后，油水接觸到達一定極限，隨著平均含水飽和度的升高注入水在巖心中形成連通的水流通道，巖心前段油水混合帶逐漸變為高含水區域使巖心中油水混合帶范圍縮小，毛管力的作用逐漸減弱，最終導致兩相啟動壓力梯度逐漸下降。同時，在水驅前緣到達出口端之前，靠近出口端的巖心部分僅存在原油的單相滲流，這部分原油的兩相啟動壓力梯度可視為原油流動時的啟動壓力梯度，這也是出口端采出液見水前兩相啟動壓力梯度上升的原因之一。

對比不同巖心兩相啟動壓力梯度和采出液含水率曲線可以發現，除滲透率為1.14×10-3μm2的巖心兩相啟動壓力梯度最大值對應采出液含水率為16.6%外，其余巖心的兩相啟動壓力梯度最大值對應采出液含水率均為0，當采出液見水后巖心兩相啟動壓力梯度開始下降。產生這種現象的原因一方面為巖心內部油水兩相流動過程中，在油水前緣到達采出端附近時油水接觸最為充分，毛管力對兩相啟動壓力梯度的影響也最大；另一方面為當油水前緣到達采出端時油水兩相混合區域范圍達到最大值，原油單相流動區域完全消失，巖心沿程的驅動條件全部為油水兩相區的驅動條件，導致油水界面到達采出端時巖心兩端的兩相啟動壓力梯度達到最大值。

2.2 滲透率對兩相啟動壓力梯度的影響

圖3為不同滲透率巖心兩相啟動壓力梯度的最大值和最小值變化曲線，可以發現兩相啟動壓力梯度的最大值和最小值與滲透率均存在良好的冪函數關系，滲透率從52.17×10-3μm2降低至5.42 ×10-3μm2，兩相啟動壓力梯度的最大值和最小值分別上升了0.353 MPa/m和0.221 MPa/m，而滲透率從5.42×10-3μm2變為0.12×10-3μm2時兩相啟動壓力梯度最大值上升了2.57 MPa/m，最小值上升了0.94 MPa/m，兩條曲線在滲透率為5×10-3μm2附近存在一個明顯的拐點。

圖3 不同滲透率巖心兩相啟動壓力梯度的最大值和最小值曲線Fig.3 Maximum and minimum curves of two-phase threshold pressure gradient in cores with different permeability

產生這種現象的原因主要為滲透率越低巖心孔喉尺寸越小，油水間毛管力越大，從而對兩相啟動壓力梯度的影響也越大。同時，孔喉尺寸越小導致了單相啟動壓力梯度越大，從另一方面增大了兩相啟動壓力梯度。兩相啟動壓力梯度隨滲透率變化的數學表達式為

Gh=0.862k-0.709

(2)

Gl=0.45k-0.634

(3)

式中:Gh為兩相啟動壓力梯度最大值，MPa/m；Gl為兩相啟動壓力梯度最小值，MPa/m；k為巖心氣測滲透率，10-3μm2。

為了進一步研究不同滲透率巖心兩相啟動壓力梯度隨平均含水飽和度變化的幅度，定義不同滲透率巖心兩相啟動壓力梯度最大值與最小值對應值之比為兩相啟動壓力梯度極差，其物理意義為特定滲透率巖心平均含水飽和度對兩相啟動壓力梯度的影響程度。表達式為

(4)

式(4)中:ms為水驅油臨界壓力梯度極差。水驅油臨界壓力梯度極差越大說明巖心水驅油臨界壓力梯度受含水飽和度的影響也越大，反之則越小。

圖4為不同滲透率巖心的兩相啟動壓力梯度極差，可以明顯看出隨著滲透率降低兩相啟動壓力梯度極差逐漸升高，說明滲透率越低的巖心含水飽和度對兩相啟動壓力梯度的影響程度越大。產生這種現象的原因主要是隨著滲透率下降毛管力對油水兩相滲流影響所占比重增加，導致不同含水飽和度下兩相啟動壓力梯度的變化幅度增加。滲透率越低的巖心中孔喉尺寸通常也越小，導致油水兩相滲流時毛管力的影響越大。油水前緣運移至采出端附近時，滲透率越低的巖心油水毛管力的作用越強，而采出液含水率到達98%時毛管力對兩相滲流的影響基本可以忽略。因此，隨著滲透率的增大，兩相啟動壓力梯度最大值的增大幅度高于采出液含水率98%時兩相啟動壓力梯度的增大幅度，最終表現為兩相啟動壓力梯度極差隨巖心降低而升高。

圖4 不同滲透率巖心的兩相啟動壓力梯度極差Fig.4 Two-phase threshold pressure gradient range of cores with different permeability

2.3 兩相啟動壓力梯度形成機理分析

為了分析兩相啟動壓力梯度的產生原因，必須將其形成機理與原油啟動壓力梯度的形成機理區別開來。前人通過大量研究[11-15]發現，邊界層流體是產生啟動壓力梯度的主要原因，即低滲透油藏由于孔喉尺寸較小，邊界層流體厚度較大，導致壓力梯度較小時流體參與流動的部分遠低于常規油藏，在宏觀上則表現為啟動壓力梯度。圖5為不同滲透率巖心兩相啟動壓力梯度最大值和原油啟動壓力梯度對比，可知，滲透率為0.12×10-3μm2的巖心中原油擬啟動壓力梯度為0.345 MPa/m，而兩相啟動壓力梯度最大值為2.98 MPa/m，二者之間相差2.63 MPa/m，而滲透率為20.41×10-3μm2的巖心中二者之差為0.072 MPa/m，這說明在油水兩相滲流中毛管力是兩相啟動壓力梯度的主要形成原因，同時巖心滲透率越低毛管力對兩相啟動壓力梯度的影響越強。

圖5 不同滲透率巖心兩相啟動壓力梯度和原油擬啟動壓力梯度對比Fig.5 Two-phase threshold pressure gradient comparing with TPG of crude oil with different permeability

毛管力是油水在巖石潤濕性影響下在界面處產生的壓力差，其方向為指向油水界面的凹向，其大小受到界面張力、巖石潤濕性和孔隙半徑的影響。在水驅油過程中，毛管力主要分為以下幾種：

(1)連續毛管力：連續毛管力的形成條件為孔喉內水相和油相都是連續的，僅在油水界面處存在毛管力，如圖6(a)所示。這種毛管力在親水油藏中是驅油動力，而在親油油藏中則是驅油阻力。由于致密-低滲巖心中孔喉尺寸較小，所以此類毛管力在水驅油初期起到較大作用。

(2)附加毛管力：由于致密-低滲儲層中毛管網絡極為復雜且相互連通，各孔喉之間的半徑不同導致注入水優先進入阻力較小的孔喉，所以在水驅油過程中很難存在連續的水相和油相，通常情況下孔隙中原油都被截斷成大段的油柱。油水在等徑的親水毛管中典型分布如圖6(b)所示，油柱兩端沒有驅動壓差時，油柱兩側界面所受的毛管力相等，油柱靜止于毛管中。當在油柱左端的水開始流動時，油柱兩端產生了驅動壓差導致兩側油水界面發生形變，由于潤濕滯后使得兩側油水界面的形變程度不同，即θ1<θ2，所以油柱兩端界面受到的毛管力大小不同，其合力指向水流動的相反方向。即當親水巖心中油柱開始運移時會受到附加毛管力的影響，此時毛管力為驅油阻力。

(3)賈敏效應：由于致密-低滲儲層中孔喉結構復雜，同時孔喉之間尺寸相差較大，所以當油珠通過不同尺寸孔喉連接處的窄口時會產生賈敏效應，如圖6(c)所示。油柱通過窄口時需要經過一個形變過程，而使油珠發生形變需要一個附加的力，這個力的大小等于油珠變形后的毛管力與變形前產生的毛管力之差。在親水油藏中，油珠從大孔喉進入小孔喉時會發生賈敏效應，而對于親油油藏，油珠從小孔喉進入大孔喉也會產生賈敏效應，所以對于親水和親油油藏，賈敏效應都是驅油阻力。

圖6 油水毛管力主要類型Fig.6 Main types of oil and water capillary forces

基于原油啟動壓力梯度和兩相啟動壓力梯度測量結果可知，原油啟動壓力梯度和兩相啟動壓力梯度的形成機理完全不同。在油水兩相滲流過程中必須單獨考慮毛管力對兩相啟動壓力梯度的影響，不能將單相流體啟動壓力梯度的形成原因完全套用在油水兩相流動中。

3 結論

(1)致密-低滲巖心兩相啟動壓力梯度隨平均含水飽和度先上升后下降，在采出液見水時達到最大值，之后隨采出液含水率上升而下降。

(2)滲透率越低的巖心兩相啟動壓力梯度最大值越高，同時兩相啟動壓力梯度極差也越大。兩相啟動壓力梯度最大值與巖心氣測滲透率呈良好的冪函數關系，滲透率越低兩相啟動壓力梯度最大值上升速度越快。

(3)致密-低滲儲層油水兩相滲流中油水間毛管力是兩相啟動壓力梯度的主要形成原因，同時巖心滲透率越低毛管力對兩相啟動壓力梯度的影響越強。