油藏启动压力研究基础理论问题探讨

郑力会 康晓东 蒋珊珊 赵文森 曾 杨

（1. 中国石油大学石油工程学院，北京 102249；2. 中国石油钻井工程重点实验室防漏堵漏分室，湖北武汉 430100；3. 海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100027）

油藏启动压力研究基础理论问题探讨

郑力会1,2康晓东3蒋珊珊3赵文森3曾 杨3

（1. 中国石油大学石油工程学院，北京 102249；2. 中国石油钻井工程重点实验室防漏堵漏分室，湖北武汉 430100；3. 海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100027）

大多数学者认为油藏存在启动压力，认为启动压力为流体边界层性质异常、流体非牛顿性以及油气相渗透率滞后所致，但流体边界层性质异常已被化学界否定；小部分学者认为不存在启动压力，造成启动压力存在的假象是因为岩石自身应变需要响应过程、实验仪器精度有限、人为测量误差以及储层伤害引起附加压差等，而且以启动压力梯度的存在无法解释油气运移和生产压差现象为例证说明不存在启动压力。调研发现，启动压力相关问题一直在研究，且还有许多工作要完成。这些工作的核心是要弄清楚启动压力的内涵。

启动压力；启动压力梯度；存在；机理

19世纪末，F. H. King［1］（1898）发现，地下水低速流过土壤时，不遵守达西定律。B. V. Derjaguin等［2］（1944）发现油气储层中、D. Swartzendruber［3］（1962）发现砂层中、R. J. Miller等［4］（1963）发现土壤中，流体偏离达西定律的现象普遍存在。一般认为，非达西流动需要给予一定的力，流体才能流动。这个力就是启动压力。

薛芸等［5］（2001）认为，启动压力梯度以下，流速按非线性规律缓慢增加。压力梯度超过启动压力梯度后，流速按线性规律快速增加。熊伟等［6］（2009）把渗流速度和驱动压力关系建立的直线，反向延长与压力梯度轴相交，截距称为拟启动压力梯度，也称名义启动压力梯度、视启动压力梯度。

经过100多年的研究，以启动压力真实存在为基础，研究越来越精细，成果越来越多。但近十年，却开始了启动压力梯度存在与否的讨论。

大多数学者认为启动压力存在。最早发现的文献是 ARTHURC. SIMMONS［7］（1938）研究 Bradford地区注水开发油田时提到，起始注入时压力要比预期压力高些，克服渗透性砂岩存在允许进入的压力或者阈压（Threshold Pressure）。此后，L. K. Thomas［8］（1967）为研究启动驱替压力（Threshold Displacement Pressure）研制测量夹持器，对比计算前人和自己的实验数据，从理论上明确启动压力与渗透率呈倒数关系。后来，许多学者从不同方面、利用不同方法对此进行深入研究。

大部分学者认为，低孔隙度、低渗透率油气藏存在启动压力梯度，或者说启动压力大小与渗透率相关。以窦宏恩［9-10］（2009，2012）观点最为明确，他坚持存在启动压力梯度的观点和许多学者认为油气开发中存在启动压力梯度一致，特别是低渗透油气藏中启动压力梯度更明显。少数学者认为启动压力不存在，主要观点是，启动压力梯度是因为测量误差所致（李传亮等，2008）［11］，其陆续发表的文献中［12-13］，共同的观点是，之所以在一定压力梯度时才有流量，主要原因是实验稳定时间不足、储层伤害表皮效应以及毛管力所致。

1 启动压力存在理由

启动压力存在的理由一般认为主要是：液体边界层性质异常、流体的非牛顿性和油气相渗透率滞后等3种。

1.1 液体边界层黏度异常导致启动压力

B.V.Derjaguin 等［14］（1971）研究玻璃和石英毛细管的流体，发现异常物理性质水的蒸气压力、蒸发速度及流动速度明显低于期望值，由此认为在固体表面分子剩余力场作用下形成晶体结构物质，被称为边界水、水膜水、结构水或异常水。然而，同样是B. V.Derjaguin［15］（1974），利用实验否定这种说法并解释说，因为这种水所谓异常性质，是毛细管壁上可溶性盐使水的物理特性产生变化，同时胶体物质造成水的塑性流动。否定液体边界层性质异常引起存在启动压力结论的，还有 H. K. Chistenson 等［16］（1987）用表面力测量仪测量2个云母片缝隙间水的黏度，发现在缝隙间距小至2 nm时，水的黏度与本体水的黏度没有差别，且在水流动时，不动层厚度仅为1～2个水分子层大小，符合正常的黏滞性流动规律；将水换为十四烷的实验亦得到类似结果。R. G. Horn 等［17］（1989）测量 2 个石英片缝隙间的水黏度，发现边界水与本体水的黏度没有差别，不动层厚度仅为1个水分子层大小。

看来，边界层性质异常是存在启动压力梯度的原因这一观点早已被其它学科否定（邓英尔［18］，1998年）。化学界曾经提出的观点，由于科技进步和研究深入被否定。但限于学科间交流程度，该观点在当今石油界仍被作为解释低速非达西流动的依据（薛芸等，2001年），这需要一定时间来纠正。

1.2 流体非牛顿性导致启动压力

M. K. ING Hubbert［19］（1956）用偏振光显微镜发现，胶体黏土颗粒会造成流速变化，并认为由此存在启动压力。D. Swartzendruber［3］（1962）通过实验结果与理论预期比对发现，砂层中水的塑性黏度和动切力都随黏土矿物含量的增加而增加。因此可以推测，多孔介质中低速非达西流动的胶体物质进入流体导致的塑性流动，可能是产生启动压力的原因。

G. J. Hirasak［20］（1972）研究注聚时流动和吸附的影响因子时提出，启动压力影响流动和吸附。1974年，B. V. Derjaguin实验分析已证实，水在玻璃和石英毛细管中的异常流动性质与流体黏度有关。由于存在各种矿物微粒，天然岩石中塑性流动导致启动压力的现象应比石英或玻璃毛细管中更突出。从而，进一步印证了塑性流动是引起启动压力存在的原因。

1.3 油气相渗透率滞后导致启动

任晓娟等［21］（1997）认为，气体在干岩样遵从达西定律，但岩样中含有低于束缚水饱和度流体时，遵从低速非达西流动规律。

贺承祖等［22］（1998）认为，低于束缚水饱和度流体的岩样中，水膜存在是导致气体遵从低速非达西流动规律的原因。但在一般驱动压力下，气藏达到驱动平衡时的水膜厚度比毛细管半径小得多。因此，实际储集层中的水膜不应是导致存在启动压力梯度的原因。

P. Chowdiah［23］（1998年）研究岩石含水时发现，油、气相渗透率与水饱和度形成的历史有关。达到相同水饱和度时，用蒸发法或吸入法得到的含水饱和度岩心，测定得到的气相渗透率，比用泄流法得到的要低，水在前一种情况下比后一种情况下占据的渗流通道要多。因此，P. Chowdiah认为，低速非达西流动实验时，用蒸发法将岩样水饱和度降至束缚水饱和度以下后，必须施加额外的启动压力，将占据较多渗流通道的孔隙水挤到其它位置，使其重新分布，气体才能流动。因此，可以认为，相渗透率滞后是低速非达西流动的起因。并由此预言，含水岩石中，油的流动也应有类似的情况。

概而言之，启动压力存在的理由有2类：一是，地层流体是非牛顿流体；二是，地层流体分布变化。也有人认为，存在启动压力梯度的主要原因，是孔道的复杂性［24］（刘曰武，2002 年）。熊伟（2009）也有相似的观点，认为在较低的驱动压力下参与渗流的流体只在较大的喉道内流动。随着驱动压力梯度的增加，更多的小喉道内的流体参与渗流，所以产生启动压力。以此表明，流体通过不同尺寸喉道时，启动压力梯度不同。但笔者认为这些观点可以归咎于地层流体分布变化。所以，没有单列一类。

2 启动压力不存在的理由

李传亮等（2008，2010，2011）认为启动压力不存在的理由是，启动压力是岩石自身应变特征、测量水平有限造成的启动压力和地层污染造成启动压力，并认为用目前启动压力梯度的方法无法解释一些地质和生产现象。

2.1 启动压力是岩石自身应变特征

不存在启动压力的学者认为，应力敏感或启动压力是岩石自身应变特征造成的。理想固体应变能够瞬间完成，真实固体应变有响应过程。材料内部结构复杂程度决定响应时间不同。有些固体应变响应时间较短，弹性变形；有些固体响应时间较长，黏性（塑性）流动。土壤靠自身重量可实现沉降，岩石靠自身重量可导致蠕动。因此，固体不存在启动应力。

2.2 测量水平有限造成启动压力

通常，低速渗流条件下流速测量十分困难，渗流速度微弱有时误认为是0。反之，受仪器精度限制，测量出实际应该是0的启动压力梯度值。显然，人为因素所致，并非岩石本身性质。岩心磨制过程中端面颗粒堵塞，也是造成非0启动压力梯度的人为因素。同样，生产过程中，油井生产指示曲线为一条通过原点的直线，即截距压力为0。但是，许多油井的截距压力并不为0。有些为正，有些为负，是测试本身存在的问题，不能说明地层岩石存在启动压力。

2.3 地层污染造成存在启动压力

许多油气井开井时，存在启动压力。不是地层岩石所致，是因井筒积液和近井地带污染所致。产生启动压力后，排出积液，解除污染，油气井就可以正常生产。

同样，Bingham流体因为存在结构黏度在低剪切速率下和高剪切速率下的破坏与恢复，所以其模型中有屈服剪切应力，真实的Bingham流体并不存在启动剪切应力。常规地层原油和天然气也不存在启动剪切应力。只是胶质沥青质稠油存在较高低剪切结构黏度。

2.4 启动压力梯度无法解释地质和生产现象

按目前启动压力梯度的说法，一些现象无法解释。支持不存在启动压力梯度的学者认为，如果地层水密度1.0 g/cm3，地层原油密度0.6 g/cm3，油气运移压力梯度为0.004 MPa/m。低压力梯度下存在启动压力梯度，油气不可能运移，也就不可能开采油气资源。

还有，实验中，如果测得压力梯度为0.25 MPa/m，可能是以下原因造成的：一是流量太低，仪器无法精确测量，无法判断压力梯度为0.25 MPa/m时的流量一定是0；二是实际地层不会有如此高的启动压力梯度，100 m供给半径至少需要25 MPa的生产压差；三是测试时间太短，压力在低渗透岩石中传播速度较慢，需要较长时间才可能有流量。

启动压力不存在的主要理由，反映了学者们对启动压力问题认识上的差异，也反映了启动压力梯度自身存在的问题。

3 启动压力相关问题确实需要争论

启动压力是否存在，其存在原因究竟如何？该问题不仅在石油界有争论，其它行业也在研究。

M.R.TEK［25］（1957）通过研究达西普适方程进展，论述引起启动压力的原因，发现Darcy定律在孔隙中适用性不好，虽然早已研究，但一直没有很好地解决这个问题，至少启动压力话题流体力学家、物理学家、工程师都从各自的角度在阐述各自的观点，并进行说明和解释。例如，机械学家用类似管流的方法研究，答案比较满意。但胶结孔隙的几何结构会形成湍流，用这种方法解释，理由不当。然而，工程上，用经验和半经验的公式研究这个问题，接受用类似管研究方式。但目前，关于启动压力相关问题的争论至少在启动压力内涵、实验方法和实验测得数据的处理方法等3个方面需要进一步说明。

ARTHUR C.SIMMONS［7］（1938）在文章中说：“High pressures are desirable in the extraction of oil by water flooding due primarily to the fact that each sand permeability has a definite admittance or threshold pressure, and the use of higher pressures will admit water to strata of lower permeability.”明确存在启动压力。至于存在不存在启动压力梯度，文中没有明确。

清晰论述启动压力内涵的是G. L. Hassler［26］（1942）：“the 'threshold pressure' that is just sufficient to start the flow of gas through the wet rock becomes less and less, until finally， at the critical saturation, even an infinitesimal pressure difference will cause a steady flow of gas proportional to the applied pressure.”非常肯定、清晰地表明，存在启动压力而且其数值随着流动逐渐减小，可以小到流动时的压力无法查觉。

L. K. Thomas［28］（1967）研究孔隙介质的启动压力现象后认为：“The ability of a cap rock to contain gas is expressed in terms of its threshold displacement pressure, which is defined as the minimum pressure needed to initiate the displacement of a wetting phase by a non-wetting phase from a porous medium 100 percent saturated with the wetting phase。”明确提出非润湿性流体驱替润湿性流体，需要较小的力以启动流体。

冯文光［27］（1986）综述非达西渗流研究现状，认为布兹列夫斯基在1924年首先指出，在某些情况下只有在超过某个起始的压力梯度时才发生液体的渗流。1965年特列宾首先提出了石油渗流的条件下不遵循线性达西定律的问题。库萨柯夫、特列宾、列尔托夫、奥尔芬通过不同实验都发现，含有表面活性物质的原油通过很细的砂子时，渗透率急剧降低，渗流速度与压差不成比例地迅速增长，当流体压力梯度的绝对值小于起始压力梯度时，流体不流动。暂时找不到布兹列夫斯基和其他前苏联学者原文，无法确定他们说的是压力还是压力梯度。但可以明确的是，冯文光给出的是压力梯度，虽然没有给出明确定义，但提出的压力梯度和压力是两个不同的概念，它对后续的研究起到了至关重要的作用。

闫庆来等［28］（1990）通过实验评价了单相水、低浓度盐水、模拟油后指出，在较低渗流速度下，渗流曲线呈非线性关系；随着渗流速度提高，非线性关系向线性段不通过原点过渡；再提高流速则由线性关系变为紊流非线性。曲线的低速非线性部分至线性部分连续过渡表明，存在临界渗流速度，相对于高速湍流非线性的速度临界值，称其为下限临界渗流速度。渗流曲线的线性段均不呈现达西流特征。曲线段截距表明，存在初始压力梯度。

黄延章［29］（1997）认为，对中高渗透性稀油油藏来说，原油流动孔道不算太小，原油边界层不太厚，边界层中的原油占总油量的比例不太大，边界层原油的非牛顿性对线性渗流规律影响不明显。然而,对低渗透油藏和稠油油藏来说，这个影响则是不可忽视的。它会使渗流规律发生明显的变化，出现启动压力。模型本身有缺点且启动压力计算值偏高，可暂不采用；用带启动压力梯度的线性规律来描述渗流过程，反映了低渗透地层中渗流的基本特征，可供工程计算应用。

孙黎娟等［30］（1998）研究表明，油水在油藏中渗流时除黏滞阻力外，还有油与岩石的吸附阻力或水化膜的吸引阻力，只有当驱动压力克服这种阻力后，液体才能流动，这就是启动压力现象。

宋付权等［30］（2000）认为，只有在实际压力梯度大于某一临界值时流体才能流动，这个临界值称为启动压力梯度（TPG）。D.B.Bennion［32］（2000）认为，储层岩石有效渗透率，应该是岩石原有渗透率减去钻完井、储层改造造成的地层渗透率降低值。低渗气藏，存在启动压力。低于启动压力的开采压力，不能使侵入井眼附近的滤液得到清除，储层初始表现为没有渗透率。言外之意，储层刚开始没有产量，不仅仅是启动压力所为，还有储层伤害因素。即启动压力和储层表皮是两个问题。

李爱芬等［33］（2008）认为，岩石孔隙中当边界层流体厚度与孔隙半径相近时，流体开始流动时将存在启动压力梯度（岩心两端压差与长度的比值），启动压力梯度与孔隙直径成反比。随岩心两端压差增加，孔隙中参与流动的流体量增加，参与流动的孔隙数量也增加。在低渗情况下只要驱替压力梯度大于某个临界值，流体就会流动。这个临界值被称作最小启动压力梯度。压力梯度高于最小启动压力梯度流体才开始流动；拟启动压力梯度为直线段的延长线与横坐标的交点；压力梯度高于临界压力梯度流体的流动符合达西定律，与宋付权提到的不一致。

正是因为这种不一致，还有许多问题的不明确，造成了许多不应有的混乱。

熊伟等（2009）把渗流速度和驱动压力关系建立的直线反向延长与压力轴相交，截距称为拟启动压力梯度。并认为，拟启动压力梯度是储集层渗流非线性程度和渗流能力的表征参数，是孔隙结构、固液作用的综合体现，而不是渗流的门槛压力梯度。拟启动压力梯度，有的学者称为名义启动压力梯度、视启动压力梯度。

邓英尔（1998）认为，存在一个大于启动压力梯度的运动区和小于启动压力梯度的静止区。

张代燕等［34］（2012）认为，最小启动压力梯度，高于此点对应的压力梯度稠油才开始流动；当压力梯度增大到最大启动压力梯度或临界压力梯度后渗流速度随压力梯度呈线性增加。

王晓东等［35］（2013）认为，引入（拟）启动压力梯度概念来描述下限非Darcy渗流现象，是线性Darcy定律的一个补充或发展，它能简明扼要地体现下限非Darcy渗流的特征，特别是基于它而产生的一批研究结果，有效地指导低渗透储层的开发实践。

可见，关于启动压力的概念，还是一个尚未统一的问题。

4 结论

目前看，启动压力梯度的内涵问题是许多争论核心。这是许多学者没有仔细研究的问题，也是不存在启动压力梯度支持者与不支持者，争论经常出现目标不统一的主要原因。看来，启动压力梯度问题需要研究的问题应该更基础，才能有效地解决其相关问题。

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（修改稿收到日期 2013-09-01）

Basic theory research on reservoir starting pressure

ZHENG Lihui1,2, KANG Xiaodong3, JIANG Shanshan3, ZHAO Wensen3, ZENG Yang3
（1. College of Petroleum engineering,China University of Petroleum,Beijing102249,China;2. CNPC Key Laboratory for Petroleum Drilling Engineering Lost Circulation Control Division,Wuhan430100,China;3. State Key Lab of Offshore Oil Exploitation,Beijing100027,China）

Most scholars believe the existence of starting pressure, thinking of the threshold pressure resulted from the abnormal of fluid boundary zone properties, non-Newtonian fluid and the lagging of oil-gas phase permeability. But the abnormal of fluid boundary layer properties have been proven to be negative by chemical experts; Small part of scholars believe that there is no threshold pressure,and the illusion of starting pressure existing is because of the respond process of rock strain, the limit of experimental instrument accuracy, man-made measurement error, and additional pressure difference caused by reservoir damage, besides, the presence of threshold pressure gradient cannot explain hydrocarbon migration and production pressure differential phenomena, so the exemplified explanation means no start-up pressure. The investigation shows found that, threshold pressure related problems have always been studied, and there is still much work to do. The core of the work is to make clear the connotation of starting pressure.

starting pressure; start-up pressure gradient; existence; mechanism

郑力会，康晓东，蒋珊珊，等.油藏启动压力研究基础理论问题探讨［J］. 石油钻采工艺，2013，35（5）：121-125.

TE249

：A

1000–7393（2013） 05–0121–05

国家973计划项目“海底资源开采的关键力学问题研究”部分内容（编号：2012CB724205）。

郑力会，1968 年生。2005 年获中国石油大学（北京）油气井工程博士学位，主要从事储层伤害基础理论与控制技术研究，研究员，博导。电话：010-89733378。E-mail：zhenglihui@cup.edu.cn。

〔编辑 付丽霞〕