朱維耀，田 巍，2，朱華銀，宋智勇，孫 巖

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083； 2.中國石化 中原油田博士后科研工作站，河南 濮陽 457001；

一種測試油氣藏巖石啟動壓力梯度的優(yōu)化方法

朱維耀1，田 巍1，2，朱華銀3，宋智勇1，孫 巖1

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083； 2.中國石化 中原油田博士后科研工作站，河南 濮陽 457001；

3.中國石油 勘探開發(fā)研究院 廊坊分院，河北 廊坊 065007)

瞬間動用法和兩端壓力平衡法測定最小啟動壓力梯度，耗時都較長，且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高。“壓差-流量法”測試擬啟動壓力梯度，在定圍壓模式下的測試結(jié)果會偏大?；谏鲜龇治?，設(shè)計出了一體化實驗流程，并制定出“非穩(wěn)態(tài)動用-壓力平衡法”，優(yōu)選出“壓差-流量法”最佳實現(xiàn)方式。該流程通過采用精密設(shè)備來保證測試數(shù)據(jù)的精確度，且適用各種滲透率范圍巖心的測試。通過將本方法應(yīng)用于吐哈油田巖心測試，測定結(jié)果符合預(yù)期，可以將該方法推廣到實驗室測量中。

有效圍壓;最小啟動壓力梯度；壓差-流量法；非穩(wěn)態(tài)動用-壓力平衡法；低滲透氣田

近年來,低滲透油氣田開發(fā)是國內(nèi)外研究的熱點，低滲透致密氣藏研究也逐步展開，致密氣藏特殊的滲流特性和規(guī)律[1]也越來越受到油氣田開發(fā)工作者的重視。啟動壓力梯度[2]正是其研究的關(guān)鍵之一,而對于啟動壓力梯度的測試，國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的測定標(biāo)準(zhǔn)和方法。有學(xué)者[3-5]對實驗方法進行過研究，但僅僅是對文獻的總結(jié)，沒有形成系統(tǒng)的方法。為了改善這一現(xiàn)狀，筆者詳細(xì)分析了目前啟動壓力梯度測定方法中存在的問題，并提出了解決方案。目前測試最小啟動壓力梯度的方法主要包括測定流體動用瞬間壓力和巖心穩(wěn)定前后的液位差，兩者都有缺陷。擬啟動壓力梯度的測定采用穩(wěn)態(tài)法中“壓差-流量法”，但是實驗測試點的實現(xiàn)方式有4種，不同的測試點實現(xiàn)方式所求取的結(jié)果也有差別。如何才能測得更接近于實際的結(jié)果，這就需要研究工作者不斷深入研究和解決。本文在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化創(chuàng)新，設(shè)計出一套一體化流程，可用于各種流體啟動壓力梯度的測定，希望能為以后的研究提供有價值的參考，為進一步提高油氣采收率貢獻力量。

1 現(xiàn)有測試方法

1.1 最小啟動壓力梯度

最小啟動壓力梯度也稱真實啟動壓力梯度，是最能反映孔隙中流體從靜止到被動用瞬間的壓力梯度臨界值，該臨界值也是理論工作者較為認(rèn)可的一個參考值。關(guān)于最小啟動壓力梯度的測試，目前采用的方法主要包括瞬間動用法和兩端壓力平衡法兩種。

1) 瞬間動用法

也稱氣泡法[6-9]，即測定孔隙中流體動用瞬間的壓力。當(dāng)孔隙中充滿流體時，在入口端加壓情況下，驅(qū)替壓差從低逐漸升高，巖心中壓力梯度越來越大，當(dāng)壓力梯度超過某一值后，注入的流體在克服注入端面各種阻力后進入巖心孔道，如果忽略注入過程中流體發(fā)生微小壓縮的體積，那么由于壓力的傳遞作用，孔隙中的流體就會發(fā)生微流動并傳遞到出口端面，而在出口端面會有流體滲出，實驗室就是通過測定該流體被動用瞬間的壓力作為最小啟動壓力。

2) 兩端壓力平衡法

是將測得巖心進出口壓力穩(wěn)定時的壓差作為最小啟動壓力，其實現(xiàn)方式通常有兩種：①靜液位平衡方式[10-15]。依據(jù)連通器的原理，在巖心前端給定一個較高的液位高度，相當(dāng)于進口加壓，觀察液柱高度的變化，直到液位穩(wěn)定，兩端的液位差即為最小啟動壓力；②壓力衰減平衡方式[16-18]?？紫读黧w滲流穩(wěn)定后，將下游出口端放空，等待上游壓力緩慢衰減直至穩(wěn)定，將測得的壓力平衡穩(wěn)定時兩端壓力差作為最小啟動壓力。

上述兩種測試方法是室內(nèi)測定最小啟動壓力梯度常用的測定方法，但由于所采用的儀器設(shè)備精度的不同以及測定方法本身的缺陷導(dǎo)致所測得結(jié)果的精確度不高。

1.2 擬啟動壓力梯度

擬啟動壓力梯度的測定多采用“壓差-流量法”[19-25]，也稱穩(wěn)態(tài)法。通常將非線性滲流曲線分為曲線段和擬線性段兩部分，而通過求得擬線性段反向延長與壓力梯度坐標(biāo)軸交點的值作為擬啟動壓力梯度。為此，在室內(nèi)測定時就要求分別測定不同注入壓力下流體滲流穩(wěn)定時的流量，并注入壓力換算成壓力梯度，再用數(shù)學(xué)的方法將上述實驗點線性回歸得到直線方程，然后計算回歸直線與壓力梯度軸交點值。

實驗點經(jīng)線性回歸擬合得到直線方程通式為：

(1)

由于“壓差-流量法”是通過實驗點回歸擬合求得擬啟動壓力梯度值，且求得的數(shù)值較大，所以其結(jié)果多不被理論工作者接受。另一方面，由于實驗手段的不同，測得的結(jié)果也是千差萬別，沒有可比性，數(shù)值的可靠性得不到保證，但卻是最直觀有效的方法。

“壓差-流量法”要測定很多組壓差和流量數(shù)據(jù)，實驗點的測定目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。通常采用的流體注入方式分為兩種：恒定流量注入和恒定壓力注入。即按照設(shè)定的流量(壓力)注入實驗流體，分別測定不同流量(壓力)對應(yīng)滲流穩(wěn)定的壓力(流量)。由于低滲巖心的特殊性，圍壓施加方式的不同，可能會使得巖石本體由于受到有效應(yīng)力的變化而發(fā)生較大的本體變形，即發(fā)生應(yīng)力敏感。實驗過程中，圍壓的施加方式一般分為恒定圍壓和恒定凈圍壓[26]兩種模式。因此要全部測定出預(yù)定實驗點共有4種實現(xiàn)方式：①在恒定圍壓模式下，測定不同注入流量對應(yīng)的壓力；②在恒定圍壓模式下，測定不同注入壓力對應(yīng)的穩(wěn)定流量；③恒定凈圍壓模式下測定不同注入流量對應(yīng)的壓力；④恒定凈圍壓模式下測定不同注入壓力對應(yīng)的穩(wěn)定流量。不同的實現(xiàn)方式所測得數(shù)值擬合結(jié)果也有差別，然而目前的文獻幾乎都沒有交代測定實驗點所采用的實現(xiàn)方式。

2 問題與對策

2.1 最小啟動壓力梯度

最小啟動壓力梯度是流體從靜止到流動瞬間的真實啟動壓力梯度，所以其數(shù)據(jù)是有意義的。但是目前實驗室測定最小啟動壓力梯度所采用的方法都不完善。瞬間動用法只強調(diào)測定流體動用瞬間的壓力值，而沒有考慮壓力傳遞從巖心進口端到出口端時間的滯后性，孔隙中流體的狀態(tài)是從靜止到流動；而對于兩端壓力平衡法，無論是靜液位平衡方式還是壓力衰減平衡方式，孔隙中流體的流動狀態(tài)是從流動到靜止，由于低滲巖心孔喉細(xì)小，壓力平衡需很長時間。靜液位平衡方式測定最小啟動壓力是最粗略的方式，人為讀數(shù)，影響因素較多，準(zhǔn)確的液位值很難讀取。

綜上，可以發(fā)現(xiàn)其中存在的問題。首先，都忽略了流體在孔隙中流動壓力傳遞緩慢帶來的誤差，即壓力從進口傳遞到出口的時間延遲性；其次，實驗設(shè)備的精度，真實啟動壓力梯度一般較小，采用常規(guī)的實驗設(shè)備可能會出現(xiàn)數(shù)值較大的誤差，甚至出現(xiàn)零點漂移，因此要采用高精度的實驗設(shè)備；最后，模擬實驗情況和實際地層條件的符合度，模擬的情況和地層的實際情況越接近，所測得結(jié)果越可靠，對油田現(xiàn)場就越有意義。

基于上述分析，在室內(nèi)實驗時可以采取以下措施：①升壓的過程要緩慢，觀察到流體被動用后停泵，給出一定的平衡時間，直到進、出口壓差值穩(wěn)定，通過壓力傳感器觀察壓力的變化；②采用高精度的高線性壓差傳感器采集巖心進、出口壓差數(shù)據(jù)；③精確模擬地層條件，實驗溫度和上覆壓力等條件要嚴(yán)格和實際地層條件相符，這樣測得數(shù)據(jù)才可靠。

2.2 擬啟動壓力梯度

測定擬啟動壓力梯度采用“壓差-流量法”，但由于測定實驗點實現(xiàn)手段的不同，測定的結(jié)果也相差懸殊。恒定圍壓和恒定凈圍壓模式是對巖石本體作用的兩種方式，正是圍壓作用方式的不同導(dǎo)致了巖石骨架變形程度的差異，從而引起巖石滲流效果的不同，正是滲流效果的變化導(dǎo)致了實驗點線性回歸擬合求取擬啟動壓力梯度數(shù)值的可信度降低。

在恒定圍壓模式下，注入驅(qū)替流體無論是采用恒定流量還是恒定壓力方式，整個測定過程中，巖石均發(fā)生應(yīng)力敏感。當(dāng)注入壓力較小時，巖石所承受的凈圍壓較大，巖石本體壓縮嚴(yán)重；在注入壓力增大后，巖石承受的凈圍壓變小，巖石壓縮變形程度也變小，巖石本體受力狀態(tài)與前者相比已發(fā)生變化。在有效圍壓由大變小的過程中，巖石骨架形變量越來越小，巖石由彈性形變階段逐漸過渡到塑性形變階段。當(dāng)有效圍壓較大時，巖石的形變主要是骨架被壓縮，變形幅度較??；當(dāng)進入塑性形變階段，有效圍壓的變化會引起滲透率的大幅變化，出現(xiàn)大孔喉的狀態(tài)恢復(fù)和微裂縫的復(fù)裂，巖石滲流效果逐漸變好。因此，在進行實驗點線性回歸擬合時該實驗點就會凹向流量軸，導(dǎo)致計算的擬啟動壓力梯度數(shù)值偏大。在恒定流量注入時，滲流穩(wěn)定所需時間較長，而恒定壓力注入測定實驗點所花費時間相對短些。

在恒定凈圍壓模式下，無論采用哪種流體注入方式，巖石受壓變形都是恒定的。因此，流體無論是高壓注入還是低壓注入，巖石的滲流效果都是恒定的，這樣所測的實驗點經(jīng)線性回歸擬合時相關(guān)性較好，而且數(shù)值較準(zhǔn)確。在恒定流量注入時，由于圍壓是一直變化的，這就導(dǎo)致巖心總是處于動態(tài)中，滲流穩(wěn)定所需時間相對較長。

經(jīng)上述分析優(yōu)選可以發(fā)現(xiàn)，測定擬啟動壓力梯度較為理想的測試點實現(xiàn)方式是在恒定凈圍壓模式下，流體以恒定壓力方式注入。

3 一體化測試優(yōu)化方法

基于上述分析，并綜合考慮以往方法中存在的問題與對策，設(shè)計出了一套測定啟動壓力梯度的一體化流程(圖1)。該流程的優(yōu)點是使用了高精度的壓力傳感器和高線性壓差傳感器。高精度設(shè)備的使用決定了其適于各種流體和較大滲透率范圍巖心啟動壓力梯度測試，而且操作較簡便，電腦采集所有數(shù)據(jù)，排除了人為誤差的可能。

3.1 一體化測試流程

滲流裝置選用先進的Auto-floodTM(AFS300TM)驅(qū)替評價系統(tǒng)。為了更準(zhǔn)確模擬地層實際應(yīng)力變化特征，實驗裝置選用三軸巖心夾持器。注入泵為高精度恒速恒壓泵，泵流速范圍在0.01～50.00mL/min(壓力≤70MPa)，精度為±0.3%(最大密封泄漏為0.25μL/min)。采用高精度多級柱塞泵(Teledyne isco100-DX)控制圍壓和回壓，該泵可根據(jù)需要設(shè)置為恒壓和恒流量模式，回壓閥采用BP-100空氣彈簧式回壓閥。

圖1 啟動壓力梯度一體化測試流程Fig.1 Flow chart of the integrated test measurement of threshold pressure gradient1，2，3.注入泵；4，5，6.儲氣、儲液中間容器；7.三軸巖心夾持器；8，9.壓力傳感器；10.高線性壓差傳感器； 11.液體收集裝置； 12.空氣彈簧式回壓閥；13.高壓干燥氮氣瓶

壓力采集使用DXD高精度數(shù)字壓力傳感器，測試精度為±0.02%，并通過采用高線性壓差傳感器(型號為validyne)裝置來精確測量巖心兩端的壓力差，系統(tǒng)定時自動采集數(shù)據(jù)并完成相應(yīng)數(shù)據(jù)分析。

3.2 一體化流程的應(yīng)用測試方法

1) 氣體啟動壓力梯度測試

①將巖心在108 ℃烘干48 h以上,而后分別測定巖心長度、直徑、孔隙度及滲透率等數(shù)據(jù)；②將巖心以上述測滲透率相同方向裝填入巖心夾持器；③接通流程，首先校正儀器，對儀器初始值調(diào)零，而后同時升高圍壓和回壓，升壓過程要以2 MPa為步長，以30 min為間隔，逐級增壓至上覆壓力和地層壓力值，恒定不變，并升溫至實驗溫度；④中間容器中充滿氣體，將巖心夾持器出口管段的出口置于流量收集裝置液面下(將出口管段中可能存在的液體排空)，流量收集裝置中裝滿清水；⑤通過注入泵以0.01 mL/min的流量為中間容器加壓，觀察收集管中液面下的出氣管口，觀察到第一個氣泡冒出后立即停泵，并關(guān)閉三軸巖心夾持器進口閥門，靜置；⑥觀察數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的壓差傳感器數(shù)據(jù)值,直至該值穩(wěn)定，數(shù)據(jù)穩(wěn)定所需時間參照公式(2),此穩(wěn)定的數(shù)據(jù)即為最小啟動壓力。

通過大量實驗觀察總結(jié)，進、出口壓差穩(wěn)定所需時間(從停泵到壓差數(shù)據(jù)穩(wěn)定的時間)符合下式：

(2)

式中:t為所需時間，h；n為滲透率的數(shù)量級。計算時將滲透率換算成科學(xué)記數(shù)法(1×10n～9.9×10n)×10-3μm2的形式。

2) 液體最小啟動壓力梯度測試

巖心前處理同1)中步驟①，而后抽真空12h以上飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水，其余步驟同1)中步驟②—⑥，使用充滿標(biāo)準(zhǔn)鹽水的中間容器開展實驗。

3) 油-水兩相啟動壓力梯度測試

①巖心前處理同1)中步驟①，而后抽真空12h以上飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水；②同(1)中步驟②，③，然后以0.01 mL/min的注入速度用模擬油驅(qū)替巖心中的水，直至采出液含水100%為止，而后停泵，并關(guān)閉夾持器進出口閥門，老化12h以上；③同1)中步驟③，以下操作同1)中步驟③—⑥，使用的中間容器充滿標(biāo)準(zhǔn)鹽水。記錄穩(wěn)定時系統(tǒng)采集的高線性壓差傳感器數(shù)據(jù)。

4) 擬啟動壓力梯度測試

①巖心前處理同3)中步驟①；②同1)中步驟②，③；③設(shè)定注入泵凈圍壓為3 MPa，打開夾持器進出口閥門，啟動驅(qū)替泵,以恒定注入壓力的方式注入實驗流體,觀察注入流量的變化，待采出流量穩(wěn)定后,記錄該壓力下的穩(wěn)定流量值；④更換下一設(shè)定注入壓力,重復(fù)步驟③，直至執(zhí)行完所有實驗設(shè)計壓力,結(jié)束實驗。

上述前3種方法中，整個實驗過程孔隙流體流動狀態(tài)是靜止—瞬間流動—靜止。該過程綜合了瞬間動用法和兩端壓力平衡法的優(yōu)點，該法稱為“非穩(wěn)態(tài)動用-壓力平衡法”。

4 實例應(yīng)用

實驗選取吐哈油田某區(qū)塊同一層位巖性相同的巖心，地層壓力為25 MPa，上覆壓力為30 MPa，地層溫度為60 ℃，飽和鹽水礦化度為80 000 mg/L，原油粘度3.5 mPa·s。巖心經(jīng)處理后，鉆取為直徑為2.5 cm長度為5 cm左右的巖心柱，所選取巖心基礎(chǔ)參數(shù)見表1。

巖心擬啟動壓力梯度的測試采用“壓差-流量法”，其他3個啟動壓力梯度的測試均采用“非穩(wěn)態(tài)動用-壓力平衡法”，按照3.2的方法開展測試，測試結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2表明，巖心的啟動壓力梯度隨著滲透率的增加而減低，而且在滲透率較小(<0.1×10-3μm2)時，啟動壓力梯度隨滲透率的增加而急劇降低，除氣體啟動壓力梯度外，都符合良好的乘冪關(guān)系。如表2所示，在滲透率超過0.1×10-3μm2以上，啟動壓力梯度隨滲透率的增加而降低的幅度趨于平穩(wěn)，當(dāng)滲透率從0.001 0×10-3μm2升到0.013 9×10-3μm2再升到8.400 0×10-3μm2時，液體最小啟動壓力梯度從4.001 MPa/m降到0.037 MPa/m再降到0.011 MPa/m，下降幅度分別為3.631 MPa/m和0.359 MPa/m。

表1 實驗選取巖心基礎(chǔ)參數(shù)

圖2 啟動壓力梯度隨滲透率變化關(guān)系Fig.2 Relationship between threshold pressure gradient and permeability

在相同滲透率變化區(qū)間上，兩相啟動壓力梯度下降的幅度分別為11.803 MPa/m和1.133 MPa/m；氣體啟動壓力梯度在滲透率超過0.15×10-3μm2以后變?yōu)? MPa/m。對比所測得4組啟動壓力梯度的數(shù)值，可知：氣體啟動壓力梯度<液體最小啟動壓力梯度<液體擬啟動壓力梯度<油水兩相啟動壓力梯度，油水兩相的啟動壓力梯度要高于單相的啟動壓力梯度。圖3表明，啟動壓力梯度隨著滲透率倒數(shù)的增加而呈現(xiàn)線性增加。根據(jù)表2，氣體、液體的啟動壓力梯度和滲透率倒數(shù)的相關(guān)性關(guān)系都較好，相關(guān)系數(shù)都在0.95以上。因此，根據(jù)這種線性關(guān)系，可以制作某區(qū)域滲透率與啟動壓力梯度關(guān)系圖版，這樣就可以在圖版上很方便地查知某滲透率儲層對應(yīng)的啟動壓力梯度大小。

通過將本次實驗測試的擬啟動壓力梯度的數(shù)值與文獻中相比，在相同滲透率情況下，如果忽略儲層物性的差別，本實驗結(jié)果要比文獻中的結(jié)果低了1～2個數(shù)量級，尤其對于低滲和特低滲儲層測試結(jié)果，差別就更大，甚至超過兩個數(shù)量級，而按照文獻中的測定結(jié)果進行反算注入壓力，一般得到的注入壓力值都較高，而實際上在低注入壓力下流體就已經(jīng)被動用了。按照本次測定結(jié)果進行反算注入壓力，得到的值比文獻中反算值低了很多，而且現(xiàn)場在該注入壓力下已經(jīng)動用儲層流體。可見，本方法測定結(jié)果更加接近于地層啟動壓力真實值，而且該方法考慮的更全面，測定結(jié)果更準(zhǔn)確，測定精度也更高。

在測試過程中，除擬啟動壓力梯度外，其余3種啟動壓力梯度都是在精確模擬地層條件下完成的，測定結(jié)果具有較高的參考價值。對于實際的油藏，是油水共存的，因此在精確模擬地層條件下所測得油水兩相啟動壓力梯度具有一定的參考價值。

5 結(jié)論

1) 采用瞬間動用法測試最小啟動壓力梯度，由于沒有考慮壓力傳遞緩慢帶來的實驗誤差而導(dǎo)致結(jié)果偏高；兩端壓力平衡法由于影響因素較多，測定結(jié)果的精確度不高，而且耗時較長。

2) 采用“壓差-流量法”測定擬啟動壓力梯度，在恒定圍壓模式下，測定結(jié)果往往偏大；在定凈圍壓模式下，測定結(jié)果較為可靠，但恒流量注入測試方式較不經(jīng)濟，恒壓注入流體實驗方法較為可行。

3) 設(shè)計了啟動壓力梯度的一體化流程并制定了“非穩(wěn)態(tài)動用-壓力平衡法”實驗方法。該方法通過給出一定平衡時間消除壓力傳遞緩慢帶來的實驗誤差，高精度儀表的應(yīng)用保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，嚴(yán)格模擬地層條件保證了測定結(jié)果的真實性，而且具有更大的測定范圍，可以實現(xiàn)“壓差-流量法”實驗點測定最佳實現(xiàn)方式。

表2 啟動壓力梯度隨滲透率參數(shù)的變化關(guān)系

4) 利用本文設(shè)計流程和方法針對吐哈油田巖心開展研究，測定結(jié)果符合預(yù)期?！胺欠€(wěn)態(tài)動用-壓力平衡法”可以推廣到啟動壓力梯度的室內(nèi)測試中。

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(編輯 張玉銀)

An optimization method to measure rock threshold pressure gradient of oil and gas reservoirs

Zhu Weiyao1，Tian Wei1，2，Zhu Huayin3，Song Zhiyong1，Sun Yan1

(1.SchoolofCivilandResourcesEngineering，UniversityofScience&TechnologyBeijing，Beijing100083，China； 2.WorkingStationforPostdoctoralScientificResearchofZhongyuanOilfieldCompanyLtd.，Puyang，Henan457001，China； 3.LangfangBranch，ResearchInstituteofPetroleumExploration&Development，PetroChina，Langfang,Hebei065007，China)

Instantaneous threshold method and dual-ends pressure balance method are commonly used to test minimum threshold pressure gradient,but they are time-consuming and hard to ensure the accuracy of measurement data.The test results of pseudo threshold pressure may be slightly higher by using method of “differential pressure-flow” under constant confining pressure.Based on the above considerations,a set of integrated experiment process is designed,and the method of unsteady threshold-pressure balance is formulated.Also the way to implement the method of “differential pressure-flow” is optimized.The accuracy of the test results is ensured by using precise equipments in the experiment process,and the process is suitable for a wide range of core permeability test of threshold pressure gradient.Test results meet the expectation when this method is applied to well cores in Tuha oilfields,and this method can become a common measurement in the lab.

effective confining pressure，minimum threshold pressure gradient,method of differential pressure-flow,method of unsteady threshold-pressure balance,low permeability gas field

2015-06-18;

2016-03-25。

朱維耀(1960—)，男，教授、博士生導(dǎo)師，滲流力學(xué)、流體力學(xué)和油氣田開發(fā)。E-mail:weiyaook@sina.com。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB228002) 。

0253-9985(2017)01-0175-06

10.11743/ogg20170118

TE37

A