多因素作用下的稠油流动界限试验

曹涵 李宜强 刘哲宇 孔德彬 刘涛 岳航

摘要：稠油在儲层中的流动能力受温度、压力和渗透率等多重因素影响，以普通稠油和特稠油为研究对象，通过原油的黏温性和流变性测试获得稠油的反常温度点，结合岩心单相渗流试验，研究多因素影响下的稠油流动特征变化规律，并建立流度与拟启动压力梯度和启动温度的关系。结果表明：普通稠油和特稠油通过黏温关系和流变特性获得的反常温度点分别为60和80 ℃，在低渗、中渗和高渗岩心上发生流动状态变化的温度点分别为80、65、60 ℃和120、90、80 ℃；稠油拟启动压力梯度随着温度的升高、渗透率的增加而减小，并利用原油流度与有效驱替压力关联了两类稠油的流动状态转换区间，得到相关性良好的多因素影响下稠油的拟启动压力梯度表达式和启动温度表达式，能够更加准确的预测稠油油藏的极限泄油半径和转驱温度。

关键词：稠油； 非达西渗流； 物理模拟； 启动压力梯度； 反常温度

中图分类号：TE 357 文献标志码：A

引用格式：曹涵，李宜强，刘哲宇，等.多因素作用下的稠油流动界限试验［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2023，47（6）：104-110.

CAO Han， LI Yiqiang， LIU Zheyu， et al. Experimental study on flow boundary of heavy oils with multiple influence factors［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2023，47（6）：104-110.

Experimental study on flow boundary of heavy

oils with multiple influence factors

CAO Han1，2， LI Yiqiang1，2， LIU Zheyu1，2，

KONG Debin3 ， LIU Tao1，2， YUE Hang1，2

（1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting（China University of Petroleum （Beijing））， Beijing 102249， China;

2.College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China;

3.School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract：The mobility of heavy oils in reservoirs can be affected by multiple factors， such as temperature， pressure， formation rock permeability and oil property and compositions. In this study， the flow behaviors of ordinary heavy oil and extra heavy oil under various reservoir conditions were investigated. The inflection temperature of different oils was obtained based on viscosity-temperature and rheology testing and the variation regularity of flow characteristics of the heavy oils influenced by multiple factors were further studied via single-phase flow experiments in cores， and the relationships between mobility and threshold pressure gradient and threshold temperature were established. The results show that the inflection temperatures obtained by the viscosity-temperature and rheology testing of the ordinary heavy oil and extra heavy oil are 60 and 80 ℃， respectively， and the temperatures of the altered flow-state in low permeability， middle permeability and high permeability cores are of 80， 65， 60 ℃ and 120， 90， 80 ℃，correspondingly for the ordinary oil and the extra heavy oil. The threshold pressure gradient of heavy oils decreases with the increase of temperature and permeability. Oil mobility and effective displacement pressure can be used to correlate the districts of the altered flow-state of different types of heavy oils， and the threshold pressure gradient and threshold temperature values affected by multiple factors were obtained with good correlativity. The expression of the threshold temperature can be useful to accurately predict the limit of oil drainage radius and the temperature for displacement transition in heavy oil reservoirs.

Keywords：heavy oil; non-Darcy flow; physical simulation; starting pressure gradient; inflection temperature

随着常规石油储量的逐渐减少，稠油资源的开发越来越受到人们的关注［1-3］。稠油富含重质有机化合物，例如沥青质分子之间存在着分子间相互作用力，易于形成聚集体，导致稠油具有黏度大、流动性差的物理化学特性［4-5］。常规水驱不利的油水流度比导致采收率低［6-7］，因此降低原油黏度和提高原油流动性是解决稠油开采问题的关键。在一般油藏条件下，高黏度的稠油无法流动，导致其渗流规律表现为非线性渗流特征［8- 9］，只有当驱替压力梯度大于启动压力梯度时稠油才开始流动［10］。近年来许多学者针对稠油油藏的渗流特征进行了理论研究。张跃雷等［11］使用细管模型测量了不同黏度原油的流变性，确定了塑性黏度与启动压力梯度的关系式；孙建芳等［12］对稠油非达西渗流特征及影响因素进行了研究，提出了计算稠油启动压力梯度的公式；柯文丽等［13］通过对比几种测量启动压力梯度的方法，选择出了最佳的试验方法；张代燕等［14］利用克拉玛依油田天然岩心，研究了存在束缚水情况下稠油油藏的启动压力梯度经验表达式。目前，大多数研究主要以普通稠油为研究对象，仍缺乏特超稠油启动压力梯度的相关试验数据。笔者以普通稠油和特稠油为研究对象，将稠油的非牛顿流体特性与多孔介质中的非线性渗流结合起来，通过进行黏温曲线测试、流变曲线测试和岩心单相渗流试验，确定不同原油性质、不同温度、不同渗透率影响下的稠油流动特征变化规律，得到多因素影响下稠油的拟启动压力梯度和启动温度表达式，获得稠油流动界限图版。

1 试 验

1.1 试验条件

试验所用普通稠油和特稠油油样品分别取自新疆油田和胜利油田，将两类稠油进行脱水处理，脱水至含水率小于1%，表1为两类稠油的基础参数。

试验仪器包括安东帕MCR301旋转流变仪、恒温箱、ISCO高精度驱替泵、压力传感器、数据采集软件、高温高压岩心夹持器、活塞、六通阀、高压管线等。

1.2 试验方法

1.2.1 稠油黏温及流变特性测试

采用安东帕MCR301旋转流变仪测试两种稠油不同温度下的黏温曲线和流变曲线，在测试温度范围30～120 ℃中选定合适的温度区间，黏温曲线每升温10 ℃测定1次，剪切速率为7.2 s-1，流变曲线选取的剪切速率为0～500 s-1。

1.2.2 稠油拟启动压力梯度测试

试验装置示意图如图1所示，使用的岩心为疏松砂岩人造岩心。

试验流程：①将两种稠油样品脱水后用不锈钢筛网在高温下过滤，装入活塞中待用；②按试验示意图连接好试验装置，取长度约8 cm的短岩心饱和原油，静置24 h，充分老化；③将恒温箱温度设定为试验温度，当温度达到设定值并稳定后，恒温2 h；④将驱替泵流速设定为0.001 mL/min，缓慢的将液体驱替到岩心入口端，逐渐建立入口压力，当压力数据显示稳定后记录注入压力；⑤将岩心静置老化8 h，换不同的流速驱替至压力稳定，流速为0.05～0.5 mL/min；⑥根据试验数据绘制渗流速度与压力梯度的关系曲线并拟合出线性回归方程，计算压力梯度坐标轴上的截距即为岩心拟启动压力梯度。

2 结果讨论

2.1 稠油黏温特性测试

溫度是稠油黏度的重要影响因素之一，如图2（a）所示，随着温度上升，两种稠油黏度大幅降低，这很大程度上取决于胶质和沥青质及其长链烃分子间形成粒子的结构强度，升高温度能够有效瓦解胶质与沥青质之间的氢键，减弱π-π堆叠作用，使原油黏度降低［15］。当温度升到一定值时，两种稠油的黏温曲线均出现一个拐点，通常称为反常温度点，通过图2（a）的黏温曲线可以大概估算普通稠油和稠油样品的反常温度点分别在60～70 ℃和80～90 ℃，当温度高于反常温度点时，两种稠油的黏温曲线随温度的变化开始趋于平缓。

从黏温特征曲线上可以看出，两种稠油的黏度与温度均呈指数函数关系，对两种稠油样品的黏温关系进行回归分析，基本符合Arrhenius方程［16］：

μ=Aexp（-E/RT）.（1）

式中，μ为黏度，mPa·s;E为活化能，kJ/mol；A为频率因子；R为通用气体常数，8.314 47 J/（mol·K）；T为热力学温度，K。

E/R反映了活化能的相对值，表征稠油分子之间缠结作用和摩擦阻力，是黏度与温度敏感程度的一种量度。E/R越大，需要克服的能量越多，则温度对黏度的影响越大［17］。如图2（b）所示，热力学温度的倒数与黏度的对数关系曲线表现出“两段式”特征，对每一段的数据进行线性拟合，发现相关性良好，每一段的相关系数均超过0.998。普通稠油在温度为60～70 ℃开始出现转折点，特稠油的温度为80～90 ℃时拟合直线的斜率也开始明显增加，说明此时稠油已经达到了反常温度点，内部的微观结构开始发生改变。反常温度点前后的温度区间对应着不同的活化能，高温区间的活化能小于低温区间的活化能，且特稠油的活化能大于普通稠油。因为当温度小于反常温度点或在较高的沥青质含量下，分散的沥青质颗粒之间存在更强的相互作用力，需要更高的活化能来克服这些吸引力从而使稠油流动［18］。

2.2 稠油流变特性测试

稠油是典型的非牛顿流体，黏度不仅会受到温度的影响，还会随剪切速率的变化而变化。如图3（a）和图4（a）所示，两种稠油在反常温度点前表现出非牛顿流体剪切变稀的特性，当剪切速率较小时，稠油中的胶质沥青质形成的空间网状结构还没有发生不可逆的破坏，具有触变恢复的能力，但在高速剪切的作用下，稠油的黏度发生了不可逆的降低，流动时的黏滞阻力变小。随着温度升高，稠油逐渐向牛顿流体特性转化，当温度达到反常温度点时，黏度基本保持不变，不再受到剪切速率的影响。

通过剪切应力和剪切速率的关系曲线可以判断稠油的流动形式。如图3（b）和图4（b）所示，在低于反常温度点时，稠油表现出宾汉流体的特征，此时两种稠油的剪切应力与剪切速率呈线性关系，但直线不过原点，需要克服一定的屈服应力使原油结构发生变化才能发生流动。随着温度的升高，流变曲线逐渐向横坐标靠近，斜率逐渐减小，非牛顿特性逐渐减弱，对两种稠油的流变曲线进行线性拟合，符合流变学状态方程：

τ=τ0+cγ.（2）

式中，τ为剪切应力，Pa；τ0为屈服应力，Pa；γ为剪切速率，s-1；c为稠度系数。

计算不同温度下剪切应力和剪切速率的本构方程和屈服应力，结果见表2。当温度达到反常温度点时，即普通稠油和特稠油的温度分别达到60和80 ℃时，外界施加的驱动力大于原油的极限剪切应力，屈服应力开始变为0，直线经过原点，稠油从形变开始转化为流动的状态，原油从非牛顿流体转变为牛顿流体［17］。

2.3 稠油拟启动压力梯度测试

稠油因其黏度大流动性差在储层中表现为非达西渗流特征，一般受两个因素影响：一是稠油本身是一种非牛顿流体，具有黏弹性和拟塑性；二是稠油含有大量的极性物质，界面活性强，易于吸附在岩石孔隙表面，形成边界层，对渗流有一定的阻碍作用。稠油在孔隙介质中的流動规律一般采用修正的达西定律进行表征，表达式为

式中，k为渗透率，10-3 μm2；G为拟启动压力梯度，MPa/m。

如图5和6所示，对压力梯度与流速进行线性拟合，随着温度和渗透率的增加，拟合的直线斜率逐渐增加，横坐标轴的截距逐渐减小，说明渗流能力逐渐提高，即拟启动压力梯度逐渐减小。在同一渗透率和温度下，特稠油的斜率远小于普通稠油，渗流能力大大减弱，需要更高的启动压力梯度，这是由于原油的黏度增大，非烃类物质含量增加，大量的极性物质吸附在岩石孔隙表面，导致流动阻力大大增加。对于特稠油，升高温度可以显著降低其启动压力梯度，使稠油在岩心中顺利流动。

计算两种稠油在不同渗透率和不同温度下的拟启动压力梯度，如图7所示。随着温度的升高，黏度迅速下降，拟启动压力梯度也迅速降低。在同一条件下，特稠油的拟启动压力梯度明显远大于普通稠油，造成不同种类稠油具有不同的启动压力梯度的原因主要是油藏的孔隙结构、胶结物组成及含量不同，原油与岩心孔隙表面的物理化学作用力不同，克服这种作用力的难度不同。在达到某一温度（将此处的温度定义为稠油启动温度点TS）时，拟启动压力梯度近似为零，随着温度继续升高，稠油在多孔介质中的流动特征转变为达西渗流规律。

普通稠油在低渗、中渗和高渗岩心上的启动温度分别为80、65和60 ℃，特稠油在低渗、中渗和高渗的岩心上的启动温度分别为120、90和80 ℃，与通过黏温及流变测试得到的反常温度点比较，发现普通稠油和特稠油分别在60和80 ℃时已表现出牛顿流体特征，但该温度下稠油在中低渗岩心中仍需要克服一定的启动压力才能顺利流动，此时多孔介质性质的影响不可忽略，且稠油黏度越大受到的影响越大。

绘制拟启动压力梯度与流度的关系曲线，如图8（a）所示，在双对数坐标下两种稠油的拟启动压力梯度随流度的增加线性减小，将拟启动压力梯度与流度的关系经过幂律函数拟合，得到普通稠油和特稠油的拟启动压力梯度公式为

普通稠油和特稠油相关系数都超过0.96，每条直线的上半部分为可流动区域，即压差达到了拟启动压力梯度，下半部分为不可流动区域。建立流度与启动压力梯度的关系式对稠油开发具有重要意义，可以预测出合理井距和井间剩余油分布情况。

油田现场大多数依靠静态手段测试稠油的反常温度点来获得多孔介质中稠油的流动能力，但是这种方法对于判断油藏动用范围的结果极为模糊，也无法指明蒸汽工艺参数是否合理。如图8（b）所示，做启动温度的倒数与50 ℃流度对数的关系曲线，无论是普通稠油还是特稠油，启动温度随渗透率的增加而降低，并且在同一渗透率下，随原油黏度的增加，启动温度逐渐增大。将启动温度的倒数与50 ℃流度的对数进行线性拟合，相关系数R2=0.9869，得到回归方程为

式中，μ50为50 ℃时脱气原油的黏度，mPa·s。

稠油油藏蒸汽驱开采的转驱温度至少要保证注采井热连通温度超过反常温度［19-20］，否则稠油在地层条件下流动能力差，会影响蒸汽驱的开采效果。所以稠油启动的温度点是开采过程中至关重要的操作参数，通过式（5）获得不同多孔介质条件下不同类型稠油的启动温度，对稠油开发过程中优化蒸汽吞吐后蒸汽驱的转驱温度具有指导意义。

3 结 论

（1） 通过黏温及流变测试获得普通稠油和特稠油的反常温度分别为60和80 ℃，当温度高于反常温度时，稠油分子间的相互作用力开始减小，屈服应力变为0，从非牛顿流体转变为牛顿流体。

（2）拟启动压力梯度与流度呈幂指数关系，随流度增加，拟启动压力梯度减小，即原油黏度的减小或岩心渗透率的增大，使原油在流动时与岩心孔隙表面的物理化学作用力减小，可流动范围增大。

（3）不同类型稠油启动温度的倒数与50 ℃流度的对数线性相关，基于考虑多孔介质性质的稠油启动温度的计算方法得到普通稠油和特稠油在低渗、中渗和高渗的岩心上启动温度分别为80、65、60 ℃和120、90、80 ℃。

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