第三章(3-2)润湿性要点

第二节储层岩石的润湿性及其对水驱油的影响本节内容主要包括以下方面：1、润湿性概念２、岩石润湿性３、润湿滞后现象及其影响因素４、油藏岩石润湿性的测定５、岩石润湿性与水驱油的相互关系一、储层岩石润湿性１、润湿的基本概念：（1）润湿：自然界现象：将水滴在玻璃板上，水在玻璃板上迅速铺开，而如果是水银滴在玻璃板上，水银液滴在玻璃板上呈现球滴。润湿：是指液体在分子力的作用下沿固体表面流散的现象。空气空气水水银玻璃玻璃润湿研究对象：不混容的两相液体－固体三相体系，或液体－气体－固体三相体系。（2）润湿相流体与非润湿相流体：能沿固体表面铺开的那一相称为润湿相流体，另一相称为非润湿相流体。（气相在大多数情况下是非润湿相）（水－空气－玻璃体系中，水为润湿相流体，空气为非润湿相流体）（水银－空气－玻璃体系中，水银为非润湿相流体，空气为润湿相流体）（3）选择性润湿：固体表面优先于哪一种流体润湿。（水－空气－玻璃体系中，玻璃表面对水选择性润湿）（水银－空气－玻璃体系中，玻璃表面对空气选择性润湿）２、储层岩石润湿程度的确定——接触角（θ）（润湿角）研究对象：水－油－岩石三相体系。（气－油－岩石和气－水－岩石三相体系中，气体为非润湿相流体）分别以１代表水、２代表油、３代表岩石。表示岩石润湿性程度的参数——接触角θ(也称润湿角)接触角θ的确定：通过水-油-岩石三相交点做水-油界面的切线，切线与水-岩石界面之间的夹角（经过水相）称为接触角（θ）。（0°＜θ＜１８0°）（１）当θ＜90°时，水对岩石表面选择性润湿；水为润湿相流体；岩石亲水或称水湿岩石；θ越小，岩石的亲水性越强；（２）当θ＞90°时，油对岩石表面选择性润湿；油为润湿相流体；岩石亲油或称油湿岩石；θ越大，岩石的亲油性越强；（３）当θ=90°时，油、水润湿岩石的能力相当，岩石既不亲水也不亲油，即岩石为中性润湿；３、润湿的实质油水对岩石表面选择性润湿是作用于三相周界的两相界面张力相互作用的结果，当其达到平衡时，有：σ2,3=σ1,3+σ1,2cosθσ2,3-σ1,3=σ1,2cosθ=A（润湿张力）A的物理意义：水对岩石表面选择性润湿导致油—岩石界面比表面能的减小。润湿的实质：固体表面自由能的减小。4、附着功W(也称粘附功)附着功W：指将单位面积的湿相流体(如水)从固体表面(亲水岩石表面)驱开所作的功。（是润湿的反过程。）由上图知，拉开前的比表面能为σ1,3，拉开后的比表面能为σ2,3+σ1,2因此：W=（σ2,3+σ1,2）-σ1,3因为：σ2,3-σ1,3=σ1,2cosθ所以：W=σ1,2（1+cosθ）由上式看出，θ角越小，附着功W越大，即湿相流体（水）对岩石的润湿程度越强；因此，研究附着功的意义是：用附着功判断岩石润湿性。5、润湿反转现象润湿反转：在一定条件下，加入表面活性剂（或其它的特殊处理方法），使岩石表面的亲水性和亲油性相互转化的现象。表面活性物质自发地吸附在两相界面上并使界面张力减小，因此，表面活性物质吸附于岩石表面，将可能导致：（1）亲水性的岩石表面的亲水性变弱甚至变成亲油性表面；（2）亲油性的岩石表面的亲油性变弱甚至变成亲水性表面。研究岩石润湿反转的意义：岩石润湿反转的特性，已被油田得到了广泛的合理应用。表面活性剂驱油是合理应用润湿反转特性的一个实例。从地面向油层注入一定量的表面活性剂溶液，通过表面活性剂在油层岩石颗粒表面的吸附，使亲油岩石颗粒表面向亲水转换，有利于“剥落”岩石颗粒表面的“油膜”，从而达到提高原油采收率的目的。二、润湿滞后现象及其影响因素润湿滞后是在流体流动过程中出现的一种润湿现象。如图下所示，将原来水平放置的亲水固体（岩石）表面倾斜一个角度α，可以发现，油-水-固（岩石）三相周界不能立即向前移动，而是油-水两相界面发生变形，使得原始的接触角发生改变，然后，三相周界才向前移动。润湿滞后：指三相润湿周界沿固体表面移动的迟缓而产生润湿接触角改变的现象。润湿滞后的影响因素包括：倾斜一个角度α1、润湿次序（三相周界的移动方向）的影响润湿次序的含义：固体（岩石）表面一开始是和油接触，后来水把油驱赶走代之以水和固体（岩石）表面接触，或者是反之的情况。三相周界的移动方向的含义：A点移动方向是水驱油的方向，即水将占据油原来的部分空间；B点移动方向是油驱水的方向，即油将占据水原来的部分空间；前进角（θ1）：水驱油（润湿相流体驱赶非润湿相流体）时的接触角；后退角（θ2）：油驱水（非润湿相流体驱赶润湿相流体）时的接触角；由于润湿次序的不同产生了两个不等的接触角，且在一般情况下有：θ1＞θ＞θ2（θ为原始接触角）静润湿滞后：由润湿次序不同而引起的接触角的变化。2、三相周界移动速度的影响如下图所示，油水在岩石孔隙中静止时，接触角为30°，岩石表面具有较强的水润湿；当水驱油在岩石孔隙中流动时，接触角发生了改变，接触角随水驱油速度的增大而变大，即滞后现象越严重，当水驱油速度的增大到某一值时，岩石表面变为亲油性，发生了润湿反转现象。动润湿滞后：由三相周界移动速度而引起的接触角的变化。静止时，θ=30°，岩石亲水12水驱油速度为V1时，θ=60°，岩石亲水性减弱水驱油速度为V2＞V1时，θ=75°，岩石亲水性再减弱水驱油速度为V3＞V2时，θ=115°，岩石类似亲油性，发生润湿反转研究动润湿滞后的意义：亲水油藏水驱油时，当水驱油的速度过大时，将导致油藏岩石具有“亲油”的性质。实践证明，亲油油藏水驱油的残余油饱和度比亲水油藏水驱油的残余油饱和度大；因此，从提高原油采收率的目的出发，注水开发的油藏，并非注水速度越大就越好。3、固体表面粗糙度的影响岩石颗粒表面粗糙程度增加，三相周界移动更加迟缓，润湿滞后现象更为显著。固体的棱角和尖锐凸起对润湿滞后有很大的影响。尖锐对对三相周界的移动阻力很大，如下图所示，此时接触角应该加上“形角τ”，才能反映滞后现象，“形角τ”越大，滞后也越显著。4、表面活性物质吸附的影响石油中天然活性物质或人工注入油层的活性剂吸附在岩石的的表面，润湿滞后现象增强。下图表明：曲线1：在光滑干净的大理石表面，水滴趋于平衡的速度很快；曲线2：在油中预浸59天的大理石表面，水滴趋于平衡的速度较慢；曲线3：经过油酸（活性剂）预处理的大理石表面，水滴趋于平衡的速度更慢；三、油藏岩石的润湿性1、储层岩石的润湿性影响因素（1）岩石的矿物组成（2）油藏流体组成的影响原油的组成非常复杂，按对润湿性的影响其物质可分为三类，（1）非极性的烃类（主要组成），（2）含有极性的氧、硫、氮的化合物，（3）原油中的极性物质或称活性物质。图8—29表示对同样石英矿物表面，当原油的组成不同时，润湿接触角也不同。当油相为异辛烷时，水能润湿石英表面；当油相为异奎啉时，水却不能润湿石英表面；当油相为环烷酸时，其接触角为35°，水能润湿其表面。（3）表面活性物质的影响（4）岩石孔隙表面的非均质及粗糙度的影响表8—4不同烃类组分在聚四氟乙烯光面上的前进角烃类戊烷(C5H12)己烷(C6H14)辛烷(C8H18)十二烷(C12H26)前进角(度)082642原油中烃类所含碳原子数越多，接触角就越大。2、油藏岩石润湿性的认识（1）油藏岩石具有亲水性岩石地质沉积理论解释。（2）油藏岩石具有亲油性油藏形成后，原油中表面活性物质在岩石表面的吸附理论解释。（3）油藏岩石为斑状润湿：是指在同一岩样的表面上由于矿物组成不同表现出不同的润湿性，油湿或水湿表面无特定位置，就单个孔隙而言，一部分表面为强水湿，其余部分则可能为强油湿，而且油湿表面也并不一定连续（图8—27）。（4）油藏岩石为混合润湿：是指在大小不同的孔道其润湿性不同，小孔隙保持水湿不含油，而在大孔隙的砂粒表面由于与原油接触常是亲油的，油可连续形成渠道流动，如图8—28所示。（5）实际资料统计：油藏岩石具有亲水性的为27%，油藏岩石具有亲油性的为28%，其余的中间润湿。所以，实际油藏的润湿性是不确定，要根据实验结果确定。斑状润湿是指在同一岩样的表面上由于矿物组成不同表现出不同的润湿性，油湿或水湿表面无特定位置，就单个孔隙而言，一部分表面为强水湿，其余部分则可能为强油湿，而且油湿表面也并不一定连续（图8—27）。混合润湿是指在大小不同的孔道其润湿性不同，小孔隙保持水湿不含油，而在大孔隙的砂粒表面由于与原油接触常是亲油的，油可连续形成渠道流动，如图8—28所示。四、储层岩石润湿性的测定1、测定光滑岩石表面的接触角方法（直接法）如图8—37所示，其原理是把欲测岩石样品（矿物）加工成平板、表面经过磨光处理，浸入液体（油或水）中，在平板光面上滴一滴直径约为1~2mm的液体（水或油）；通过光学系统或显微镜将液滴放大并拍照，便可以直接在照片上测出接触角。θhD岩片观测器观测器岩片注水针注油针水滴油滴油水2、测定附着功的方法（间接法）附着功W：指将湿相流体(如水)中从固体表面(亲水岩石表面驱开所作的功。W=σ1,2（1+cosθ）W越大，指将湿相流体(水)中从亲水岩石表面驱开所作的功越大，岩石的亲水性越强。3、自吸法（间接法）自吸法的步骤：如图8—39所示。亲水岩石：将饱和油的岩样放入吸水仪（图b）中。因岩石亲水，在毛管力的作用下，水会自动渗入岩样的孔隙中并将岩石中的油驱替出来。被驱出的油上浮到吸水仪的顶部，其体积可从吸水仪上部刻度读出。岩样吸水，就表示岩石有一定的亲水能力。亲油岩石：把饱和水的岩样浸入吸油仪中(图a)中。因岩石亲油，在毛管力的作用下，油会自动渗入岩石中并将水驱替出来。驱出的水沉于仪器底部，其体积由管上刻度读出。岩样吸油，就表示岩石有一定的亲油能力。水油油水（b）吸水排油（亲水岩石）（a）吸油排水（亲油岩石）4、自吸驱替法（间接法）自吸驱替法步骤：(1)吸油实验：将饱和水的岩心放入吸油仪中吸油排水，测出自吸油排水量。(2)油驱水实验：接着在夹持器中用油驱，测出油驱排水量。(3)吸水实验。让饱和油（只含束缚水）的岩心自吸水，测出自吸水排油量；(4)水驱油实验：再将岩心放入夹持器内用水驱，测出水驱出油量。（见图8-40）。润湿性的判断计算水湿指数和油湿指数，根据水湿指数和油湿指数确定岩石的润湿性。油驱排水量自吸油排水量自吸油排水量油湿指数水驱排油量自吸水排油量自吸水排油量水湿指数润湿指数润湿性亲油弱亲油中性弱亲水亲水油湿指数约l~0.8约0.7~0.6两指数相近约0.4~0.3约0.2~0水湿指数约0~0.2约0.3~0.4约0.6~0.7约0.8~1五、油水在岩石孔隙中的分布油水在岩石孔隙中的分布取决于岩石的润湿性、饱和度、饱和顺序。亲水岩石：（1）当含水饱和度很低时：水围绕颗粒接触点形成一个水环，称之为“环状分布”，水不能流动；油为“迂回状”连续分布于孔隙中间，油能流动。（2）当含水饱和度较大时：油水均为“迂回状“分布，均能流动。（3）当含水饱和度很大时：油失去连续性并破裂成油珠，成“孤滴状”分布；水为“迂回状”分布。亲油岩石：（1）当含水饱和度很低时：水为“孤滴状”分布，油为“迂回状”分布于。（2）当含水饱和度较大时：油水均为“迂回状“分布，均能流动。（3）当含水饱和度很大时：水为“迂回状”分布；油为“环状分布”。在亲水岩石中，油水同流动的地方，油取渠道态流动，少部分则被浸入的水分割包围成滴状（见前面的静态分布）。随着注水开发的不断进行，油层含水饱和度将会增加；开发后期，油层全部水淹，剩余油失去连续性。在亲油油藏中，注入水先沿大孔道形成连续水流渠道；水逐渐浸入较小的孔道并使这些水浸小孔道串联起来形成另一些水流渠道；油流被憋死在油层孔隙中。残余油一方面是停留在小的油流渠道内，另一方面在大水流渠道固相表面形成油膜。综上所述，油水在岩石孔隙空间的分布不仅与油水的饱和度大小有关，还与饱和度的变化方向有关（饱和顺序）。驱替过程（Drainage）非湿相驱替湿相的过程称。吸吮过程（Imbibition）湿相驱替非湿相的过程称。为如下图所示即为亲油岩石和亲水岩石的水驱油过程中的油分布示意图。饱和顺序（饱和历史）岩石孔隙中被油或水先后饱和的次序。