张文涛

(1. 中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126； 2.南京大学，南京 210046)

1 研究现状

突破压力指非润湿相的流体突破岩石的毛管阻力从而形成连续流动流体时所需的驱动压力，根据定义和测试方法的不同，也称排替压力、驱替压力等。HILDENBRAND等[1]对不同研究中突破压力的含义进行了总结。突破压力是反映泥页岩微观封闭能力的重要参数，国内外的一些学者采用突破压力和其他岩石结构参数，分别建立了盖层遮挡能力分级评价标准[2-5]。

突破压力的本质是毛细管力封闭，根据毛细管理论，气水界面处的毛细管力的计算公式为：Pc=2σcosθ/r。式中Pc为毛细管力；σ为气水界面张力；θ为润湿角；r为毛管半径。可见从毛细管理论来看，突破压力主要受毛细管大小(孔喉半径)影响，与岩石厚度无关[1,6]。俞凌杰等采用驱替法测试了不同长度样品的突破压力，结果显示突破压力与长度之间没有关系[7]。然而也有观点认为突破压力与岩石厚度存在正相关关系，提出这一观点的主要证据包括：多个油气田的统计数据显示，盖层封盖的烃柱高度与盖层的厚度存在正相关关系[8-11]；对不同长度样品的驱替法突破压力实验结果得出了与俞凌杰等[7]相反的结论，即突破压力与长度正相关[10-11]。目前这2种截然不同的观点尚未能取得一致的意见。

获取岩石突破压力参数的实验方法主要有2种：一是利用高压压汞得到岩石的孔径分布数据，取进入10%孔隙的压力点[12-13]或压力-进汞饱和度曲线中的拐点压力[14]作为突破压力；二是驱替法，即岩石中饱和流体(通常为水)在其一端用非润湿相流体(通常为气体)驱替岩石中的流体，非润湿相流体通过岩石到达另一端所需克服的最小压力即为突破压力[15-16]。由于驱替法突破压力实验中岩石是饱和流体的，因此驱替时可以认为仅存在一个两相流体界面，但实际上地质情况往往较为复杂。如富有机质页岩既可以是烃源岩，也可以作为盖层，而对于页岩气来说，页岩则是生、储、盖一体[17-20]。这种情况下，一方面页岩中的有机质表面性质为亲油性，而无机矿物表面则为亲水性，因此运移通道上形成了亲水和亲油交替分布的情况[21]。另一方面，随着埋深增大，有机质生烃作用生成了大量的油或气，页岩孔隙中还存在部分水[22]，生成的烃类与水混合分布，形成多个油水或气水界面。尽管对于岩石突破压力的实验研究已经有了大量的数据和成果，但这些研究主要集中在突破压力与岩性、孔隙度、渗透率、应力等参数的关系上[23-27]，而对于这种运移路径上润湿性复杂多变且存在多个两相流体界面的情况，突破压力如何变化尚不清楚。

岩石内部孔隙结构复杂，难以准确地了解和控制其中的两相界面的分布情况。因此为了研究流动路径上的多个两相界面对岩石突破压力的影响，本文设计了一套装置来测定单个毛细管中的突破压力，在实验中通过精确控制毛细管中的气水界面数目和润湿性，研究多气水界面和复杂润湿性情况下的突破压力变化情况。

2 实验方法

传统的驱替实验中，测试的样品通常为岩石柱塞样品，但该方法难以控制和计量样品中的两相界面情况，因此本实验采用了单个毛细管来开展研究工作。尽管该方法不能获得岩石的真实突破压力，但通过实验可以分析孔径、长度、润湿性及气水混合相等因素对突破压力的影响。实验所采用的装置如图1所示，U形管中装有一定量的水，B端开口，A端用橡皮塞塞住并接有3根导管，导管1为进气管，导管2通大气，导管3则连接测试的毛细管。毛细管保持水平，末端与水相接触，以消除末端液滴流出时产生的阻力。毛细管采用了内径1 mm和3 mm的2种玻璃管，玻璃管在实验前用清洗液清洗，其内壁表面为亲水性。初始状态时，进气管1中的气压为大气压力，此时毛细管中的流体由于毛管阻力的作用而保持静止状态。缓慢增加进气管1的进气压力，U形管的两端在压力作用下产生液面差，根据该液面差的数值可以换算出此时的气体压力值。随着毛细管一侧的进气压力不断增大，毛细管中的流体将克服毛细管阻力向另一端移动，此时毛细管两端的压力差即为毛管阻力的值，相当于毛细管的突破压力。

图1 毛细管突破压力模拟实验装置示意

实验通过改变毛细管的参数以分析不同实验条件对毛细管中突破压力的影响。主要考虑了毛细管表面润湿性和毛细管中的流体相2个因素，设计下列实验：①毛细管内壁为亲水性，毛细管中充满水，此时仅有一个气水界面；②毛细管中为气水两相，即毛细管中的水相不再是连续的，而是被气相分割成很多段，形成水柱和气柱相互间隔的混合状态；③将毛细管内表面部分涂抹工业油脂，使其变为水润湿相和油润湿相交替出现的混合状态，通过毛细管的流体也为气—水间隔分布的两相。

3 实验结果

共进行了3组实验，其分析结果见表1和图2。

第一组实验首先考虑较为简单的情况，采用内壁为亲水性的玻璃管作为毛细管，毛细管中充满连续的水相，从毛细管的一侧输入空气以驱替管中的水。选择不同长度和不同直径的毛细管进行实验，结果表明，突破压力主要取决于毛细管的直径，而与毛细管长度无关(表1)。毛细管越粗，突破压力越小；相同粗细的毛细管，长度不同，突破压力相同。这是由于气体向前移动只需克服气液界面处的毛管阻力即可，这一结果与毛细管理论是一致的。根据毛细管力的计算公式，其他条件不变的情况下，毛细管力Pc与半径r成反比，因此测得直径3 mm的玻璃管的突破压力(76 Pa)约为直径1 mm的玻璃管的突破压力(200Pa)的1/3(由于不同玻璃管的材质、形状以及每次实验的流体性质存在细微差异，因此实际测得的数值并非准确的1/3)。

表1 不同条件下的突破压力实验结果

图2 毛细管突破压力模拟实验结果

图3 气水混合分布影响突破压力的原理示意

此外，需要说明的是，尽管本实验过程中仅采用了气、水两相流体，但可以推测，若采用油和水2种流体开展相同的实验，应可以得出同样的结论。

4 意义和讨论

4.1 气态烃的生成对页岩封盖能力的影响

无机矿物表面通常是亲水的，但有机质表面则是亲油的，因此气体在页岩孔隙系统中运移时，运移通道的润湿性也会在亲水性和亲油性之间不断转换。页岩进入生烃阶段后，未排出的烃类与页岩中残留的水共同分布在页岩孔缝系统中。与油气藏突破上覆盖层的情况不同，这里的烃类与水之间并没有统一的分界，而是共同散布在页岩中，从微观角度来看，在运移路径上容易形成多个气水或油水界面。根据模拟实验分析的结果，运移路径上存在多个两相界面时，多个界面会对流体的运移产生共同的阻力，而流动通道上孔隙大小和表面润湿性的不断变化则会使阻力增大，从而导致突破压力的增加。此外，盖层页岩中生成的天然气可减缓或抵消下伏地层中天然气的扩散作用，对此前人已有较多讨论，称之为烃浓度封闭[29-31]。由此可见，页岩中的气态烃的生成能够增强其封盖能力。

4.2 页岩盖层厚度与突破压力的关系

页岩盖层厚度越大，越不容易产生贯穿性的断层，盖层在平面上的展布也越稳定，从而封盖性能也越好，这是毋庸置疑的。前人研究中争论的焦点在于盖层突破压力是否与厚度有关。付广、袁际华等[10-11]研究认为，突破压力与样品长度呈正相关关系。若按这一结论，则油气储层之上的所有岩石都可提供一部分的突破压力，即使是砂岩、粉砂岩之类的岩层，只要厚度足够大，也可以成为盖层，这有悖于我们的常识。本文的实验结果及俞凌杰等[7]的模拟实验结果都说明，当页岩中为单相流体时，其突破压力主要受孔喉直径的影响，而与厚度无关。尽管如此，在很多油气田中，盖层封盖的烃柱高度与盖层的厚度存在正相关关系却是无法否认的[8-11]。其原因可能是多方面的，例如盖层厚度与岩石的岩性可能存在一定的相关性，由于文献中给出的信息有限，这里对此无法做出判断。但本文的实验结果也可以解释其中一种可能的原因，即盖层中存在含油或含气的富有机质页岩，当盖层页岩中为两相混合流体时，突破压力会随厚度增大而增大。原因是厚度越大运移路径上的油水或气水界面越多，而运移通道的直径和润湿性也是不断变化的，这种情况下多个界面对流体运移的阻力具有累积效应，从而导致突破压力的增加。

4.3 启动压力梯度的形成机制

前人研究中曾提出用启动压力梯度的概念来说明突破压力与盖层厚度存在相关性[11,32]。启动压力梯度的概念来自低渗油藏的开发领域，指流体在低渗透油藏中渗流时，必须有一个附加的压力梯度来克服岩石表面对流体的吸附力(分子作用力)引起的阻力才能流动[33]。与突破压力的含义不同之处在于，启动压力梯度是启动压力与厚度的比值，因此按照这一理论，在一定的启动压力梯度下，驱动流体所需的压力自然与厚度正相关。但也有学者对启动压力梯度表示怀疑，认为单相渗流情况下不存在启动压力梯度[34]。

对于单相流体的情况，由于本实验中的毛细管直径与低渗岩石中的毛细管直径相差甚远，分子作用力的情况难以类比，在此不做讨论。但从实验结果可以看到，在存在两相流体的情况下，驱替压力与厚度有关，存在一个压力梯度，只有大于该压力梯度时，才能使流体发生流动。有研究表明，两相流体的启动压力梯度明显高于单相流体[35]，也说明混合相流体的流动需要更高的驱替压力，这与本研究中的实验结果是一致的。

5 结论

(1)单一毛细管的实验结果表明，毛细管中存在两相混合流体时，突破压力与两相界面数目呈正相关关系，在此情况下，表面润湿性的多变将进一步使突破压力增加。

(2)前人对于突破压力与盖层厚度是否存在相关性存在争论，本研究表明，当页岩盖层中为单相流体时，突破压力主要与孔喉直径有关，而页岩中为两相混合流体时，突破压力则随厚度增加而变大。两相混合流体是启动压力梯度存在的重要机制。

(3)黑色页岩中散布的有机质及烃类的生成能够增强页岩的封闭能力。