第一节 储层岩石的润湿性.docx

第三章 储层岩石中多相流体的渗流特征（23 学时）第一节 储层岩石的润湿性（6 学时）一、教学目的 了解流体润湿性的概念，润湿滞后现象以及其影响因素掌 握判断岩石润湿性的方法了解岩石润湿性与水驱油的相互关 系二、教学重点、难点教学重点：1、 岩石润湿性的判断及测定；2、 润湿滞后现象；3、 润湿性对油水的分布和驱油效率的影响 教学难点1、岩石润湿性的测定；2、润湿滞后现象分析三、教法说明 课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的数据和图表四、教学内容本节主要介绍八个方面的问题：一、润湿现象（润湿性）的含义二、结合功和附着功三、润湿接触角四、影响润湿性的因素五、润湿滞后现象六、油藏岩石的润湿性七、润湿性的测定方法八、润湿性对油水分布和驱油效率的影响（一）、润湿现象（润湿性）的含义 润湿性：非混相流体在固体表面上的流散现象通过分析我们不难得出几个结论：① 润湿现象总是发生在三相体系之中，其中一相必为固体，另外 两相可以为液液或液气② 润湿现象也是一种表面现象，是发生在三相（其中一相必为固 相）同时存在时，三种相界面上自由表面能平衡（系统的总自由界面 能最低）的结果是自由表面能在三相存在的条件下（其中两相液体 在固体表面上）发生作用的一种特殊现象。

③ 润湿现象主要表现在两相流体在固体表面上争夺面积，它与三 个相界面上各自的自由表面能大小有密切关系其中固相与那一相液 体的界面张力低，固体不亲哪一相而憎另一相流体④ 我们平常所说的亲油、亲水是指当两种非混相流体（如油和水） 在分子力作用下，某种液体自发地将另一种液体从固体表面驱走的能 力也就是两种液体要比较谁相对来说铺能力强，我们就说固体表面 亲谁，或谁亲固体表面，所以说润湿相对的而不是绝对的，一种流体 只有同另一种液体相比较也许又为湿相了如在石英表面上当油水两 相比较也许又为比较为非湿相，水为湿相；但当油气共存时，油又为湿相了二）、结合功和附着功结合功一一将面积为lcm2的纯液体拉开所需做的功如图所示，设有面积为的两块同种液体，在未接触之前它们都与其蒸汽相接触，在这两个面积上的（阴影部分）总表面做为2oLg,接触之后，由于同种液体结合在一起不构成界面，所以当两者结合之后，整修体系的自由能减少了W = 2a结 LL Lg需做功释放能量附着功——将截面积为的固液界面拉开所需作的功如图所示，设接触面积为lcm2，那么在液体和固体未分开之前， 系统在接触面（液固）上的自由能为当液体和固体分开之后，SL其自由能变为。

这就是说，要想把液体从固体表面上剥走，就lgsg必须做功，所做的功为：W = a +a —a附 Lg Sg Ls即为附着功或粘附功液需做功不难看出，附着功 W 附越大，表示要把液体从固体表面上剥下来 所需做功越多，这就是说液体越不容易从固体表面上剥下来，却固体 表面越亲该液体，或者说该液体在固体表面上的润湿性越强，所以说， 附着 W 附可以表示该液体在固体表面的润湿能力三）、润湿接触角如图所示，当液滴在固体表面呈平衡状态时，A分子在固体表面 处于平衡状态之时，A分子受三个界面张力作用而平衡，三个界面张 力分别垂直于三相周界的接解线，并分别处于三个界面的平面中过 A点作两液体界面的切线，比切线同固体表面形成两个夹角0和0' 他们的和为 1800，我们把自固液界面经过液体内部到汽液界面的夹角 叫做接触角，而把自固液界面经过汽相到汽液界面的夹角不叫接触 角，如图中所示，0为接触角，0'不为接触角但是，如果处于固 体表面的不是液体同它自身的蒸汽，而是两种互不相溶的液体，那么 接触角0应该是从极性大的一相量起，或者是从密度大的那一相量 起根据力的平衡条件有：c =c cos0 + Csg lg lsc -ccos 0 = sg 1clg这就是有名的杨——裘皮公式双：W =o +o —o附 sg lg slW = o + o cos 0 = o (1 + cos 0 )附 lg lg lg其中：olg cos 0 ――称为附着张力或润湿张力它是指液体对固体 表面的选择性润湿所导致的汽固界面比表面能的减小，这一点恰与任 何自由能都趋于最小的热力学性质是一致的。

所以，润湿的实质就是 固体表面能的减小固液相界面的极性差越小，其自由表面能也越小， 固体则越为液体所润湿从W附 =o lg °+cos 0)可以看出，某一种液体在固体表面是否润湿，完全可以用润湿接触角来判断即① 0=0 时，cos 6 =1W = 2o = W附 lg 结液体在固体表面的附着功等于液体本身的结合功，也就是说液体 与固体表面的吸引力等于液体本身的吸引力这时，液体在固体表面 上就象在液体本身表面上一样，此时液体在固体表面上完全铺展，称 完全不润湿② 6=180时，W =0附即从固体表面把液体剥下来，不需要做功即固体对液体分子没 有吸引力因而液体在固体表面上完全不粘附，即完全不铺展，称完 全不润湿对于实际情况来说，液体同固体分子多少总有一点吸引力，所以般来说，00<6<1800，且6越小，则粘附功越大，即润湿性越好四）、影响润湿性的因素润湿现象是三相接触周界上自由表面能的一种表现形式，是指当 有两种流体和固体表面三相同时存在时才会发生的一种表面现象因 此，影响润湿性的因素都与这三相的特性变化有关1、 岩石矿物成份的影响油芷中大多数造岩矿物都是亲水的固体，但它们的润湿程度并不 相同。

有机物质（如石蜡、硬脂酸）和金属硫化物（ZnS）等亲油固 体，所以如果岩石中含有较多的物质将会使颗粒表面局部亲油粘土矿物，特别是蒙脱石；泡质胶结物的存在都会增加岩石的亲 水性总而言之，矿物成分的复杂性和非均质性可能导致岩石各部分的 润湿性不尽相同2、流体性质的影响 下图为水和四种不同的油分别在石英和方石表面上的润湿情况 （实验所得）：从上图不难看出：同样都是石英表面，当油相为异辛烷时，0 =30属于亲水；但当油相为异硅标时，0=158属憎水，原因是异 奎标是含极性分子的化合物，所以可以明显地使石英表面亲水转变为 亲油当油相均为环烷酸时，水只能润湿石英表面（0 =350），而不能 润湿方解石先面（0=1060），原因是方解石同环烷酸的亲和力特别好， 所以说同一固体表面不同的液体组合接触角不同同组流体在不同的 矿物表石接触角也不同对于油芷来说，岩石的矿物多种多样，石油 中所含组分又相当复杂，而且会变化不定，加上地层中矿化度的变化， 所以就使得实际油芷的岩石——油——水系统中的选择性润湿具有 多样性和复杂性3、饱和顺序对润湿性的影响所谓饱和顺序实际就是指饱和油水的先后顺序，它对润湿性也有 影响。

我们所开发的油藏，绝大部分都是属于水相液积，这就是说， 在先的岩石孔隙中，水首先占据了岩石的表面和小孔道，当后运移而 来的油接触到岩石表面之后，很难克服岩石和水的结合力而将水排 走，因此造成绝大多数的储油岩都是亲水的4、表面活性剂的影响极性物质的存在会对石油在矿物上的润湿性生产复杂的影响甚 至还会使岩石表面的润湿性向着对立面方向转化，即亲油——亲水， 亲水——亲油水溶性表面活性物质可使岩石表面亲水化油溶性表面活性物质可使岩石表面亲油化活性物质在固体表面上的吸附使润湿性发生转化的程度 ，往往 与溶液中表面溶性物质的浓度有关，同时也与固体表面性质、活性剂 性质有关随着表面活性物质浓度的增加，无论是亲油还是亲水，其润湿性 都向立面发生变化但是并不一定发生反转同时，润湿性发生改变的幅度是浓度较低时大，浓度较高时变化小5、其它因素的影响除了上面讨论的几种影响因素之外，岩石表面活性物质浓度的增 加，无论是亲油还是亲水其润湿性都向对立面发生变化但是并不 一定发生反转同时，润湿性发生改变的幅度是浓度较低时大，浓度 较高时变化小五) 、润湿滞后现象润湿滞后实际上是指：当三相周界沿固体表面移动时，不能立刻 达到平衡而发生的一种滞迟现象。

也可以说是三相接触周界的交点沿固体表面移动的迟缓现象产生润湿滞后的原因:1液体和固体表面的污染；2表面的粗糙；3大分子的表面不可动性；4表面活性物质在固体表面的吸附和脱附过程都需要时间润湿滞后的分类:(1)静润湿滞后(2)动润湿滞后(六) 、油藏岩石的润湿性鉴于储油层岩石润湿性的复杂性，所以通常将油层的润湿性划分 为三类，即：亲水、亲油、中间润湿分类标准有两种：① 根据实验润湿接触角的大小来进行分类：（1）最初人们是根据静平衡接触角来分类的e >9Oo 亲油e >900 亲水e>9oo 中间润湿近些年来，人们认识到油层的注水动态主要决定于动接触角，因 此出现了不同的分类方法：（2）Treiber 等人规定了用前进角来分类的范围：0 - 75o 亲水9 ”5o - 1O5o 中性润湿性11O5o - 18Oo 亲油根据这种分类方法，他将所研究的55 个油田进行了分类，即： 66%亲油 7%中间润湿 27%亲水（3）N.R.Morrow 提出了根据毛管自发吸入的行为进行分类的方 法，他认为：a・当前进角e 1=0-620时，水能自发吸入，亲水b当ei〉620,e2〈i330时，中间润湿，此时，无论是油还是水都 不能自发吸入。

而最初饱和岩心的流体总是留在较小的孔隙里或呈悬 环状存在于较大的孔隙的拐角、喉道处C当e2〉1330时，油能自发吸入，亲油根据 Morrow 的这种分类方法，将前面提到的55 个油田重新进行 分类得：7%亲油 67%中间润湿 26%亲水这种分类法比较受吹迎② 根据储油岩石的吸油、吸亲量大小进行分类由于前面的接触角法是建立在岩石具有均匀润湿的基础之上的， 加上接触角的测量精定往往很难保证，并且考虑到实际油芷的润湿性 往入都是非均质的，所以用吸入法分类标准比较能够反映油层的真实 情况此法的分类原则：为偏亲油非均匀润湿性为偏亲水非均匀润湿性（七）、润湿性的测定方法测定润湿性的方法:用于测量润湿性的方法很多，根据测量原理的不同可以分为四大类：① 光学接触角法② 基于毛细管力作用的方法，如何莫特法，自动吸入法、离心机法③ 基于吸附原理的染料吸附法④ 核松驰法⑤ 其它方法（八）、润湿性对油水分布和驱油效率的影响（一）润湿性对油水分布的影响油水在岩石孔隙内的静态分布完全是受润湿性的控制在水驱油过程中，油水在岩石孔道中的动态分布在很大程度上也受润湿性的控 制和影响润湿性直接影响着束缚水饱和度、残余油饱和度、水驱油 效率、毛管压力、相对渗透率曲线、水驱动态和电阻率。

下面即表示油水分别在亲油和亲水的岩石表面的静态分布情况 如果岩石表面是亲水的，水则附着于颗粒表面a・当含水饱和度较低时，水便围绕颗粒接触点形成一个水环， 称之为“环状分布”由于此时含水饱和度非常小，这些水环既不能相互接触，又不能 连通起来，因此，是不能流动的，亦就是说它们是束缚水存在的一处 形式；与此同时，油则处于“迂回状”分布连续存在于孔隙中间，在 存在压差之下形成渠道参与流动，这里所说的迂回状是指液体连续地 沿颗粒盘绕迂回b当含水饱。