張文濤

(1. 中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126； 2.南京大學(xué)，南京 210046)

1 研究現(xiàn)狀

突破壓力指非潤濕相的流體突破巖石的毛管阻力從而形成連續(xù)流動流體時所需的驅(qū)動壓力，根據(jù)定義和測試方法的不同，也稱排替壓力、驅(qū)替壓力等。HILDENBRAND等[1]對不同研究中突破壓力的含義進行了總結(jié)。突破壓力是反映泥頁巖微觀封閉能力的重要參數(shù)，國內(nèi)外的一些學(xué)者采用突破壓力和其他巖石結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別建立了蓋層遮擋能力分級評價標(biāo)準(zhǔn)[2-5]。

突破壓力的本質(zhì)是毛細(xì)管力封閉，根據(jù)毛細(xì)管理論，氣水界面處的毛細(xì)管力的計算公式為：Pc=2σcosθ/r。式中Pc為毛細(xì)管力；σ為氣水界面張力；θ為潤濕角；r為毛管半徑?？梢姀拿?xì)管理論來看，突破壓力主要受毛細(xì)管大小(孔喉半徑)影響，與巖石厚度無關(guān)[1,6]。俞凌杰等采用驅(qū)替法測試了不同長度樣品的突破壓力，結(jié)果顯示突破壓力與長度之間沒有關(guān)系[7]。然而也有觀點認(rèn)為突破壓力與巖石厚度存在正相關(guān)關(guān)系，提出這一觀點的主要證據(jù)包括：多個油氣田的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，蓋層封蓋的烴柱高度與蓋層的厚度存在正相關(guān)關(guān)系[8-11]；對不同長度樣品的驅(qū)替法突破壓力實驗結(jié)果得出了與俞凌杰等[7]相反的結(jié)論，即突破壓力與長度正相關(guān)[10-11]。目前這2種截然不同的觀點尚未能取得一致的意見。

獲取巖石突破壓力參數(shù)的實驗方法主要有2種：一是利用高壓壓汞得到巖石的孔徑分布數(shù)據(jù)，取進入10%孔隙的壓力點[12-13]或壓力-進汞飽和度曲線中的拐點壓力[14]作為突破壓力；二是驅(qū)替法，即巖石中飽和流體(通常為水)在其一端用非潤濕相流體(通常為氣體)驅(qū)替巖石中的流體，非潤濕相流體通過巖石到達(dá)另一端所需克服的最小壓力即為突破壓力[15-16]。由于驅(qū)替法突破壓力實驗中巖石是飽和流體的，因此驅(qū)替時可以認(rèn)為僅存在一個兩相流體界面，但實際上地質(zhì)情況往往較為復(fù)雜。如富有機質(zhì)頁巖既可以是烴源巖，也可以作為蓋層，而對于頁巖氣來說，頁巖則是生、儲、蓋一體[17-20]。這種情況下，一方面頁巖中的有機質(zhì)表面性質(zhì)為親油性，而無機礦物表面則為親水性，因此運移通道上形成了親水和親油交替分布的情況[21]。另一方面，隨著埋深增大，有機質(zhì)生烴作用生成了大量的油或氣，頁巖孔隙中還存在部分水[22]，生成的烴類與水混合分布，形成多個油水或氣水界面。盡管對于巖石突破壓力的實驗研究已經(jīng)有了大量的數(shù)據(jù)和成果，但這些研究主要集中在突破壓力與巖性、孔隙度、滲透率、應(yīng)力等參數(shù)的關(guān)系上[23-27]，而對于這種運移路徑上潤濕性復(fù)雜多變且存在多個兩相流體界面的情況，突破壓力如何變化尚不清楚。

巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以準(zhǔn)確地了解和控制其中的兩相界面的分布情況。因此為了研究流動路徑上的多個兩相界面對巖石突破壓力的影響，本文設(shè)計了一套裝置來測定單個毛細(xì)管中的突破壓力，在實驗中通過精確控制毛細(xì)管中的氣水界面數(shù)目和潤濕性，研究多氣水界面和復(fù)雜潤濕性情況下的突破壓力變化情況。

2 實驗方法

傳統(tǒng)的驅(qū)替實驗中，測試的樣品通常為巖石柱塞樣品，但該方法難以控制和計量樣品中的兩相界面情況，因此本實驗采用了單個毛細(xì)管來開展研究工作。盡管該方法不能獲得巖石的真實突破壓力，但通過實驗可以分析孔徑、長度、潤濕性及氣水混合相等因素對突破壓力的影響。實驗所采用的裝置如圖1所示，U形管中裝有一定量的水，B端開口，A端用橡皮塞塞住并接有3根導(dǎo)管，導(dǎo)管1為進氣管，導(dǎo)管2通大氣，導(dǎo)管3則連接測試的毛細(xì)管。毛細(xì)管保持水平，末端與水相接觸，以消除末端液滴流出時產(chǎn)生的阻力。毛細(xì)管采用了內(nèi)徑1 mm和3 mm的2種玻璃管，玻璃管在實驗前用清洗液清洗，其內(nèi)壁表面為親水性。初始狀態(tài)時，進氣管1中的氣壓為大氣壓力，此時毛細(xì)管中的流體由于毛管阻力的作用而保持靜止?fàn)顟B(tài)。緩慢增加進氣管1的進氣壓力，U形管的兩端在壓力作用下產(chǎn)生液面差，根據(jù)該液面差的數(shù)值可以換算出此時的氣體壓力值。隨著毛細(xì)管一側(cè)的進氣壓力不斷增大，毛細(xì)管中的流體將克服毛細(xì)管阻力向另一端移動，此時毛細(xì)管兩端的壓力差即為毛管阻力的值，相當(dāng)于毛細(xì)管的突破壓力。

圖1 毛細(xì)管突破壓力模擬實驗裝置示意

實驗通過改變毛細(xì)管的參數(shù)以分析不同實驗條件對毛細(xì)管中突破壓力的影響。主要考慮了毛細(xì)管表面潤濕性和毛細(xì)管中的流體相2個因素，設(shè)計下列實驗：①毛細(xì)管內(nèi)壁為親水性，毛細(xì)管中充滿水，此時僅有一個氣水界面；②毛細(xì)管中為氣水兩相，即毛細(xì)管中的水相不再是連續(xù)的，而是被氣相分割成很多段，形成水柱和氣柱相互間隔的混合狀態(tài)；③將毛細(xì)管內(nèi)表面部分涂抹工業(yè)油脂，使其變?yōu)樗疂櫇裣嗪陀蜐櫇裣嘟惶娉霈F(xiàn)的混合狀態(tài)，通過毛細(xì)管的流體也為氣—水間隔分布的兩相。

3 實驗結(jié)果

共進行了3組實驗，其分析結(jié)果見表1和圖2。

第一組實驗首先考慮較為簡單的情況，采用內(nèi)壁為親水性的玻璃管作為毛細(xì)管，毛細(xì)管中充滿連續(xù)的水相，從毛細(xì)管的一側(cè)輸入空氣以驅(qū)替管中的水。選擇不同長度和不同直徑的毛細(xì)管進行實驗，結(jié)果表明，突破壓力主要取決于毛細(xì)管的直徑，而與毛細(xì)管長度無關(guān)(表1)。毛細(xì)管越粗，突破壓力越?。幌嗤旨?xì)的毛細(xì)管，長度不同，突破壓力相同。這是由于氣體向前移動只需克服氣液界面處的毛管阻力即可，這一結(jié)果與毛細(xì)管理論是一致的。根據(jù)毛細(xì)管力的計算公式，其他條件不變的情況下，毛細(xì)管力Pc與半徑r成反比，因此測得直徑3 mm的玻璃管的突破壓力(76 Pa)約為直徑1 mm的玻璃管的突破壓力(200Pa)的1/3(由于不同玻璃管的材質(zhì)、形狀以及每次實驗的流體性質(zhì)存在細(xì)微差異，因此實際測得的數(shù)值并非準(zhǔn)確的1/3)。

表1 不同條件下的突破壓力實驗結(jié)果

圖2 毛細(xì)管突破壓力模擬實驗結(jié)果

圖3 氣水混合分布影響突破壓力的原理示意

此外，需要說明的是，盡管本實驗過程中僅采用了氣、水兩相流體，但可以推測，若采用油和水2種流體開展相同的實驗，應(yīng)可以得出同樣的結(jié)論。

4 意義和討論

4.1 氣態(tài)烴的生成對頁巖封蓋能力的影響

無機礦物表面通常是親水的，但有機質(zhì)表面則是親油的，因此氣體在頁巖孔隙系統(tǒng)中運移時，運移通道的潤濕性也會在親水性和親油性之間不斷轉(zhuǎn)換。頁巖進入生烴階段后，未排出的烴類與頁巖中殘留的水共同分布在頁巖孔縫系統(tǒng)中。與油氣藏突破上覆蓋層的情況不同，這里的烴類與水之間并沒有統(tǒng)一的分界，而是共同散布在頁巖中，從微觀角度來看，在運移路徑上容易形成多個氣水或油水界面。根據(jù)模擬實驗分析的結(jié)果，運移路徑上存在多個兩相界面時，多個界面會對流體的運移產(chǎn)生共同的阻力，而流動通道上孔隙大小和表面潤濕性的不斷變化則會使阻力增大，從而導(dǎo)致突破壓力的增加。此外，蓋層頁巖中生成的天然氣可減緩或抵消下伏地層中天然氣的擴散作用，對此前人已有較多討論，稱之為烴濃度封閉[29-31]。由此可見，頁巖中的氣態(tài)烴的生成能夠增強其封蓋能力。

4.2 頁巖蓋層厚度與突破壓力的關(guān)系

頁巖蓋層厚度越大，越不容易產(chǎn)生貫穿性的斷層，蓋層在平面上的展布也越穩(wěn)定，從而封蓋性能也越好，這是毋庸置疑的。前人研究中爭論的焦點在于蓋層突破壓力是否與厚度有關(guān)。付廣、袁際華等[10-11]研究認(rèn)為，突破壓力與樣品長度呈正相關(guān)關(guān)系。若按這一結(jié)論，則油氣儲層之上的所有巖石都可提供一部分的突破壓力，即使是砂巖、粉砂巖之類的巖層，只要厚度足夠大，也可以成為蓋層，這有悖于我們的常識。本文的實驗結(jié)果及俞凌杰等[7]的模擬實驗結(jié)果都說明，當(dāng)頁巖中為單相流體時，其突破壓力主要受孔喉直徑的影響，而與厚度無關(guān)。盡管如此，在很多油氣田中，蓋層封蓋的烴柱高度與蓋層的厚度存在正相關(guān)關(guān)系卻是無法否認(rèn)的[8-11]。其原因可能是多方面的，例如蓋層厚度與巖石的巖性可能存在一定的相關(guān)性，由于文獻(xiàn)中給出的信息有限，這里對此無法做出判斷。但本文的實驗結(jié)果也可以解釋其中一種可能的原因，即蓋層中存在含油或含氣的富有機質(zhì)頁巖，當(dāng)蓋層頁巖中為兩相混合流體時，突破壓力會隨厚度增大而增大。原因是厚度越大運移路徑上的油水或氣水界面越多，而運移通道的直徑和潤濕性也是不斷變化的，這種情況下多個界面對流體運移的阻力具有累積效應(yīng)，從而導(dǎo)致突破壓力的增加。

4.3 啟動壓力梯度的形成機制

前人研究中曾提出用啟動壓力梯度的概念來說明突破壓力與蓋層厚度存在相關(guān)性[11,32]。啟動壓力梯度的概念來自低滲油藏的開發(fā)領(lǐng)域，指流體在低滲透油藏中滲流時，必須有一個附加的壓力梯度來克服巖石表面對流體的吸附力(分子作用力)引起的阻力才能流動[33]。與突破壓力的含義不同之處在于，啟動壓力梯度是啟動壓力與厚度的比值，因此按照這一理論，在一定的啟動壓力梯度下，驅(qū)動流體所需的壓力自然與厚度正相關(guān)。但也有學(xué)者對啟動壓力梯度表示懷疑，認(rèn)為單相滲流情況下不存在啟動壓力梯度[34]。

對于單相流體的情況，由于本實驗中的毛細(xì)管直徑與低滲巖石中的毛細(xì)管直徑相差甚遠(yuǎn)，分子作用力的情況難以類比，在此不做討論。但從實驗結(jié)果可以看到，在存在兩相流體的情況下，驅(qū)替壓力與厚度有關(guān)，存在一個壓力梯度，只有大于該壓力梯度時，才能使流體發(fā)生流動。有研究表明，兩相流體的啟動壓力梯度明顯高于單相流體[35]，也說明混合相流體的流動需要更高的驅(qū)替壓力，這與本研究中的實驗結(jié)果是一致的。

5 結(jié)論

(1)單一毛細(xì)管的實驗結(jié)果表明，毛細(xì)管中存在兩相混合流體時，突破壓力與兩相界面數(shù)目呈正相關(guān)關(guān)系，在此情況下，表面潤濕性的多變將進一步使突破壓力增加。

(2)前人對于突破壓力與蓋層厚度是否存在相關(guān)性存在爭論，本研究表明，當(dāng)頁巖蓋層中為單相流體時，突破壓力主要與孔喉直徑有關(guān)，而頁巖中為兩相混合流體時，突破壓力則隨厚度增加而變大。兩相混合流體是啟動壓力梯度存在的重要機制。

(3)黑色頁巖中散布的有機質(zhì)及烴類的生成能夠增強頁巖的封閉能力。