稠油拟启动压力梯度测定实验方法及应用

宁丽华

（辽河油田金马油田开发公司，辽宁盘锦124010）

稠油拟启动压力梯度测定实验方法及应用

宁丽华

（辽河油田金马油田开发公司，辽宁盘锦124010）

根据多孔介质中单一流体的渗流规律及物质平衡原理，在考虑稠油微可压缩特性与非线性渗流特征基础上，建立一维稠油非线性渗流理论模型，以此为理论基础设计了两种非稳态渗流测压方式测定稠油拟启动压力梯度的实验方法。通过拟合恒流量注入过程与停止注入过程的多孔介质注入端测定的压力变化，从而计算出不同温度时稠油的拟启动压力梯度值。对比理论计算与稳定实验测定拟启动压力梯度的误差可知，关闭注入端测定注入端压力变化而求得的稠油拟启动压力梯度更精确，其原因是由于停止注入实验方法只需进行压力测量而无需考虑流量测量的问题，因此该方法实验简单易操作、实验时间短、计算精度高。

稠油； 拟启动压力梯度； 实验方法； 实验研究

近年来，稠油资源的开发利用弥补了轻质原油产量的不足，同时稠油作为动力燃料和化工原料有其独特的优点，是其它能源所不能代替的。因此，稠油资源的开发利用越来越受到人们的重视。稠油是天然存在于孔隙介质中的复杂混合物，其物理化学特性变化较大。稠油一般只含少量挥发性及易蒸馏的碳氢化合物，而相对分子质量较大的烃类、沥青质含量高，且含有氧、氮、硫的化合物以及稀有金属钒和微量镍、钼等，因此稠油粘度高，密度大，自然条件下很难在孔隙介质中发生流动［1－3］。室内实验及现场应用表明，油藏条件下稠油的渗流不符合达西流动，其显著特点是当稠油所受的驱动压力梯度超过一个临界值之后，稠油才能流动，此临界值被称为拟启动压力梯度［4－8］。此问题类似于低渗透油气藏的启动压力梯度现象［9－10］。目前，实验室测量启动压力梯度的方法都是采用常规的测定稳定流动状态下压差和流量关系的方法，即将岩心或者填砂管饱和原油后，测定一定压差作用下的稳态流量，再利用数学方法求得启动压力梯度［11］。稳态法测量过程中由于流量实现精确控制比较困难，而且要达到稳定状态所需的时间较长，因此稳态法测定稠油拟启动压力梯度费时费力，又难以保证实验精度。稠油在多孔介质中的不稳定流动包括两种情况，一种是定注入端流量和定出口压力的不稳定注入过程，另外一种是关闭注入端和定出口压力的不稳定停注流动过程［12－14］。本质上讲，这两种方法相类似，多孔介质入口端的流量都相等（一种给定流量，另一种流量为零），而出口端的压力保持为大气压。

本文基于这两种情况，根据多孔介质中稠油的渗流特征及物质平衡原理，提出了稠油拟启动压力梯度实验测定方法，并对两种方法的拟启动压力梯度计算结果与稳态法测定值进行了对比。实验过程中，由于第一种方法需要平流泵设定流量，因此平流泵的流量精度成为限制稠油拟启动压力梯度测量精度的重要因素；第二种方法无需测量流量而只需将多孔介质入口端关闭即可，其实验过程简单，计算结果精度高。但由于稳态实验需要测定多个不同流量条件下的驱动压差，低流量条件下的驱动压差较小，因此流量的控制及压差的测定误差较大，而低流量和低压差时对稠油启动压力梯度外推计算结果影响较大，使得启动压力梯度的计算精度低于不稳定实验拟合方法得到的数值。

1 稠油非线性渗流理论

稠油油藏储层泥质含量低，油藏孔隙度、渗透率一般较大。测定稠油拟启动压力梯度实验过程中一般使用长填砂管填装粒径均匀的石英砂或玻璃珠，实验油样采用地面的脱气脱水原油。因此，填砂管中稠油的流动为一维单相微可压缩不稳定流动。根据实验条件提出以下基本假设：（1）多孔介质不可压缩且各向同性；（2）多孔介质内各点温度相同；（3）稠油具有微可压缩特性。根据以上假设，建立一维稠油不稳定渗流方程：

（1）运动方程

式中，→v－渗流速度，m/s；K－绝对渗透率，μm2；μ－原油粘度，mPa·s；p－压力，Pa；λ－原油启动压力梯度，Pa/m。

（2）连续性方程

式中，ρ－原油密度，kg/m3；φ－孔隙度，%；t－时间，s；x－距离，m。

（3）状态方程

原油的等温压缩系数公式：

稠油密度关于压力的计算公式：

式中，c－流体等温压缩系数，1/Pa；V－体积，m3；ρsc－标况下的原油密度，kg/m3；psc－标况压力，Pa。

（4）边界条件及初始条件

①稳定注入过程

稳定注入过程为对多孔介质饱和稠油，至压力稳定于标况压力，然后以恒定流量向多孔介质中注入稠油的过程，因此其边界条件和初始条件分别为：

停止注入过程为对多孔介质饱和稠油后关闭出口端继续向多孔介质中注入稠油一段时间，然后关闭注入端，至多孔介质中压力稳定后打开出口端的过程，因此其边界条件和初始条件分别为：

式中，Q－流体流量，m3/s；A－渗流截面积，m2；pi－停止注入稳定后系统内的平均压力，Pa。

（5）稳定注入过程方程的简化及求解

①方程的化简：

②方程的无因次化

式中，pD－无因次压力；XD－无因次距离；tD－无因次时间；λD－无因次启动压力梯度；QcD－无因次流量。

③方程的求解

用分离变量方法对上述方程组进行求解，经整理得到稳定注入过程的无因次压力分布公式：

同理，得到停止注入过程的无因次压强分布公式：

2 实验验证及结果对比

实验装置如图1所示。首先将系统恒温至某一温度，利用平流泵将岩心饱和稠油，而后关闭注入泵直至多孔介质出口端无稠油流出；待系统压力平衡后，再次打开平流泵，同时连续测量多孔介质入口端的压力变化，直至系统达到稳定状态为止。在稳定状态下测定多孔介质两端的压差，纪录稠油的流量。然后，关闭填砂管出口端阀门，至填砂管入口端压力达到一定值后，关闭平流泵；待系统压力平衡后，打开多孔介质出口端阀门，同时连续测量入口端的压力变化。根据不稳定压力曲线和稳定状态时的压差，利用公式（9）和（10）求得该温度条件下稠油的拟启动压力梯度。

Fig.1 The Schematic of heavy oil threshold pressure gradient experiment图1 稠油拟启动压力梯度测定装置流程

利用室内实验测定了一种稠油油样分别在温度为80，90和100℃条件下从定流量注入到稳定状态过程的压力变化、稳定状态下压力梯度与流量的关系以及关闭注入泵后填砂管入口端的压力变化。实验参数如表1所示。

表1 多孔介质参数及原油物性Table1 The parameters of porous media and oil properties

图2为稳定状态时不同温度条件下填砂管中的压力梯度随原油流量的变化曲线。由图2可知，一定温度下原油的流量与压力梯度呈线性关系；但是三个温度下的拟合直线都不通过原点，说明稠油在多孔介质中的流动存在启动压差，即只有稠油在多孔介质中所受的驱动压差超过启动压差稠油才开始流动；稠油拟启动压力梯度随温度的升高逐渐降低，80℃时对应的拟启动压力梯度为0.591 7MPa/m，90℃时对应0.358 3MPa/m，100℃对应0.158 3 MPa/m，这也说明如果温度继续升高稠油的拟启动压力梯度将会消失，即稠油由粘塑性流体转变为牛顿流体。由于该结果是利用最小二乘法对稳定状态下不同流量与驱动压力梯度间的关系进行处理得到的，因此该拟启动压力梯度应为准确值。下面以该拟启动压力梯度为基础对比其他两种实验方法计算值，从而选择合适的不稳定流动实验方法。

Fig.2 Heavy oil threshold pressure gradient VS.liquid flux at different temperature图2 不同温度条件下压力梯度随稠油流量的变化

图3（a）－（c）为定注入流量时不同温度条件下计算与实验无因次压力随无因次时间的拟合关系曲线。由图3（a）－（c）可知，通过调整稠油的拟启动压力梯度值可以使计算无因次压力曲线和实验测定值得到很好的拟合，但是不同流量同一温度时相同油样的计算拟启动压力梯度有所差别。

Fig.3 The curves of dimensionless pressure VS.dimensionless time of different flux at different temperature图3 不同温度不同流量时无因次压力随无因次时间的变化

图4为不同温度下停止注入时计算与实验测定无因次压力随无因次时间的拟合关系曲线。将两种实验方法拟合后的拟启动压力梯度与稳定状态下测定的值列于表2中。由表2可知，随温度的升高拟启动压力梯度逐渐降低；定注入流量时，相同温度时不同流量的拟启动压力梯度有所差别，与稳定状态下测定的启动压力梯度值误差较大；关闭注入端时，相同温度时不同流量的拟启动压力梯度与稳定状态下测定的启动压力梯度误差小，均低于1%。因此，关停注入端的实验方法测定注入端压力随时间的变化更能精确测定稠油的拟启动压力梯度。

Fig.4 Comparison of dimensionless pressure between experiments and calculations at different temperature图4 不同温度下停止注入时实验结果与计算结果对比

3 实验方法及求解计算

3.1 实验方法设计

由上述的分析可知，关闭注入端的实验方法具有的优点为实验简单、实验条件易于控制、达到稳定状态时间较短、测量精度高，而无需进行大量的重复性实验。

实验方法为首先将填砂后的填砂管安装在恒温箱内并恒温至所需温度，在低注入流量下将岩心饱和原油；将出口端关闭，以低流速继续向填砂管内注入稠油直至填砂管入口端压力达到一定值为止；关闭注入端的阀门和恒流泵，将恒温箱设定为更高的温度（一般高于120℃）以便于填砂管内的压力达到平衡，待系统压力达到平衡；将实验系统冷却至原设定温度，将出口端打开（出口压力为标准大气压），同时连续记录填砂管入口端的压力变化，直至系统达到稳定状态为止；为计算方便，直接绘制不同实测压力随无因次时间的变化曲线，利用停止注入方式的计算方法拟合实验曲线，从而求得稠油的拟启动压力梯度。

表2 不同实验方法拟启动压力梯度计算值及误差对比Table 2 Comparison of heavy oil threshold pressure gradient of different experimental methods

3.2 启动压力梯度的计算方法

利用停止注入过程的理论公式，将填砂管尺寸、多孔介质参数、原油物性参数、系统初始压力以及一系列拟启动压力梯度值输入后，计算出一系列无因次压力随无因次时间的变化曲线，利用公式（11）反求出对应的多孔介质两端的压差，将实测数据与计算压力进行拟合，就可以计算得到稠油的拟启动压力梯度。

取与上述验证实验相同的基本参数，计算初始压力选择3MPa，80℃对应原油粘度的拟启动压力梯度分别取0，0.000 5，0.001 0，0.002 0和0.005 0 MPa/m时的多孔介质两端压差随无因次时间的变化曲线。对公式（10）中的求和部分直接取前100项进行计算，此时的计算精度已经满足计算要求。为说明计算前100项的计算精度，选取计算前100项和前200项的计算结果进行对比。图5为计算前100项与前200项的结果对比图。由图5可知，两种计算的结果曲线完全重合，因此取前100项进行计算完全满足精度要求。

利用实验数据和理论数据拟合求解稠油启动压力过程中，采用了地层原油的压缩系数计算启动压力梯度，而实验用油的压缩系数与油藏条件有所差异，使得拟合得到的启动压力与油藏实际条件下稠油的启动压力存在误差。实验过程中，直接采用油藏的温度和压力条件，即可得到该油藏条件下的稠油启动压力梯度，从而得到对油田开发有价值的计算结果。

3.3 稳定时间预测

如图5所示，当无因次时间达到5时，压力分布已经趋于稳定，因此稳定状态时对应的实验时间为

取80℃验证实验中的基本参数，φ＝0.35，μ＝237.04mPa·s，c＝4.5×10－3MPa－1，L＝0.6m，K＝2.702 7μm2，计算稳定时间为t＝248.64s，即关闭入口端打开出口端后4min可视为达到稳定状态，因此实验过程中数据采集系统的压力记录时间间隔必须设定足够小才能有效采集数据。

Fig.5 Comparison of pressure difference between the front of 100 and 200图5 前100项与前200项计算结果对比

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（Ed.：SGL，Z）

Experimental Method and Its Applications of Threshold Pressure Gradient of Heavy Oil in Porous Media

NING Li－hua
（Jinma Oilfield Development Company of Liaohe Oilfield Company，Panjin Liaoning124010，P.R.China）

According to seepage law and material balance principle of single phase fluid in porous media，a one－dimensional theoretical model of heavy oil seepage is established based on micro－compressible property and non－linear flow of heavy oil in porous media.Two experimental methods of unsteady state seepage are designed to measure the threshold pressure gradient of heavy oil in porous media.Experimental pressure with time at the inlet of porous media was matched by adjusting the threshold pressure gradient during the two processes of constant flow injection and shutting the inlet，so the threshold pressure gradient of heavy oil in porous media was calculated at different temperatures.The threshold pressure gradient of heavy oil was more precise by calculating from shutting the inlet than constant flow injection.The reason was that the experimental method of shutting the inlet of porous media only measures pressure without considering oil phase flow at the inlet of porous media.The method has advantages of easily operation，rapid stabilization and high accuracy.

Heavy oil；Threshold pressure gradient；Experimental method；Experimental study

.Tel.：＋86－13998739678；e－mail：ninglh771＠163.com

TE345

A

10.3696/j.issn.1006－396X.2011.01.014

2010－11－16

宁丽华（1961－），女，辽宁盘锦市，工程师。

1006－396X（2011）01－0059－05

Received16November2010；revised6January2011；accepted12January2011