油層物理-楊勝來-第8章

第三篇儲層中多相流體的滲流機(jī)理儲層流體物性儲層巖石物性儲層中多相流體的滲流機(jī)理一般說來油藏中單相流體的情況極少，大多存在不互溶的油、水兩相流體或是油、氣、水三相流體。第三篇儲層中多相流體的滲流機(jī)理

1、流體與巖石、流體與流體的接觸面積相當(dāng)大

油藏巖石是比面極大的多孔介質(zhì)，即使孔道中只含有一相流體時，它與巖石孔隙的接觸面積已經(jīng)相當(dāng)大。而當(dāng)油藏流體以油、氣、水兩相或三相同時存在于巖石孔隙中時，在各相流體之間、流體與巖石顆粒固相間就存在著多種界面——水和巖石、油和巖石、油和水、油和氣、氣和水等多種接觸面，這些界面總面積極大。第三篇儲層中多相流體的滲流機(jī)理

儲層中多相流體的特點

2、與兩相界面有關(guān)的問題各相流體之間、流體與巖石表面之間——兩相界面分子的相互作用造成了有關(guān)界面性質(zhì)的很多問題：水驅(qū)油問題、油水界面時的毛細(xì)管附加阻力問題、互溶混相驅(qū)油時的油水界面消失的問題。3、與表面或界面性質(zhì)有關(guān)界面張力、吸附作用、油水對巖石孔隙表面的有選擇性地潤濕等現(xiàn)象。加上油藏巖石的孔隙孔道很小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又會引起毛細(xì)管現(xiàn)象、各種附加阻力效應(yīng)等等，從而對油藏流體的分布和流動有重大的影響。第三篇儲層中多相流體的滲流機(jī)理

儲層中多相流體的特點

由于界面現(xiàn)象與兩相內(nèi)部及界面的分子力有關(guān)，我們必須從微觀角度入手，研究是多相流體在儲層中：1、巖石的潤濕性2、毛管力及各種毛管阻力，探討消除和降低附加阻力的規(guī)律，3、微觀滲流機(jī)理，掌握油、水在巖石孔隙中的分布特點，掌握剩余油分布規(guī)律及其影響因素，4、多相滲流特征（相對滲透率）為宏觀上掌握油井生產(chǎn)規(guī)律，合理開發(fā)油田，改善開發(fā)效果以及提高采收率等工作打下基礎(chǔ)。第三篇儲層中多相流體的滲流機(jī)理

研究的目的和意義一、儲層流體的相間界面張力二、界面吸附現(xiàn)象三、儲層巖石潤濕性主要包括以下三個方面內(nèi)容：第一節(jié)儲層流體的相間界面張力主要包括以下五方面內(nèi)容：1.兩相界面的自由表面能2.比表面能和表面張力3.界面張力的影響因素4.油藏流體間的界面張力5.界面張力的測定一、兩相界面的自由界面能物質(zhì)界面層的分子與其內(nèi)部分子所處的狀態(tài)不同。在水相的內(nèi)部，由于同時受到周圍同類分子力的作用，所以其分子力場處于相對平衡狀態(tài)。

把由相內(nèi)分子力引起的一些性質(zhì)稱“體積性質(zhì)”把由兩相界面分子引起的性質(zhì)稱“界面性質(zhì)”任何兩相分界面稱“界面”例子：當(dāng)兩相中其中一相為氣體時，則把界面稱“表面”把固和液、液和液相接觸的界面稱“界面”把固體和氣體接觸界面稱“固體表面”把液體和氣體接觸界面稱“液體表面”第三篇儲層中多相流體的滲流機(jī)理

基本概念

一、兩相界面的自由界面能在各個方向上并不是相等的表面層分子a所受的合力的方向指向水相內(nèi)部并與表面垂直。分子a有向水相內(nèi)部運動的趨勢，即水相表面有自動縮小的趨勢。表面層分子力場的不平衡使得表面層分子儲存了多余的能量，我們把這種能量稱為‘自由能’——即兩相界面層的自由表面能。如果要想把水的內(nèi)部分子舉升到水面，就必須做功。只有對其作功才能使液相內(nèi)的水分子上升到水表面，這種能量（功）就轉(zhuǎn)化為自由表面能。

一、兩相界面的自由界面能（1）只有存在不互溶的兩相時自由界面能才存在。以上是水－空氣界面。同理對于任意兩相，不論是氣和液、液和液，還是氣和固、液和固的界面，都存在有上述的自由界面能。而完全互溶的兩相（例如酒精和水、煤油和原油），由于它們之間不存在界面，所以也就不存在自由界面能。（2）界面越大，自由界面能也越大根據(jù)熱力學(xué)第二定律知，任何自由能都有趨于最小的趨勢。由于等體積物體以球體表面積最小，表面能也最小，所以水銀滴掉在桌面上變成球形，而不是其它形狀，以使自由表面能居于最小。自由界面能的性質(zhì)一、兩相界面的自由界面能（3）界面是具有一定厚度的界面層界面層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與每一相的性質(zhì)都不同，是一個逐漸過渡的分子層。在該過渡層中的分子，都具有自由表面能，只是大小不同而已。在過渡層中，分子的熱力學(xué)性質(zhì)也是逐漸過渡并且是連續(xù)變化的，最終分子力場達(dá)到平衡的某一單相。例如，水與空氣接觸的表面層厚度至少有幾個分子層厚。一、兩相界面的自由界面能（4）自由界面能的大小與兩相分子性質(zhì)有關(guān)系。兩相分子的極性差越大，界面能越大。水是液體中極性最大的，而干凈的空氣極性很小，因此水-空氣界面的表面能最大。原油和四氯化碳的極性差很小，乃至界面消失而互溶，正因為如此，油層物理實驗中用四氯化碳來提取巖心中的石油。（5）自由界面能還與兩相的相態(tài)有關(guān)。液相和氣相界面的自由表面能一般比液相和液相界面的自由界面能要大。

液和固之間的自由界面能大于液和氣之間的自由表面能。

液固>氣液1一、兩相界面的自由界面能二、比界面能和界面張力（比表面能和表面張力）

表面能和表面張力是兩個不同的概念。它們的意義不同（僅僅是數(shù)值相等），在熱力學(xué)上多用表面能的概念，而表面張力則多用在力學(xué)和實際應(yīng)用中。比表面能是單位表面積具有的自由表面能，比表面能的單位：SI單位制：焦耳/米2（J/m2），1焦耳/米2（J/m2）=1牛頓／米（N/m），工程上常用毫牛頓／米（mN/m）。CGS單位制：爾格/厘米2。1爾格/厘米2=1達(dá)因／厘米（dyn/cm）。1毫牛頓／米（mN/m）=1達(dá)因／厘米（dyn/cm）

從因次上看，比表面能等于單位長度上的力，所以習(xí)慣上把比表面能稱為表面張力，用符號σ表示。

圖8-3做功與氣液表面形成示意圖

由于體系表面層上的分子力的不對稱作用，使得其能量比相內(nèi)分子能量高，故增加體系的新表面積，相當(dāng)于把更多的分子從相內(nèi)移到表層來，就必須克服相內(nèi)分子的吸引力而做功，這種作功的能量就轉(zhuǎn)化為新生界面的表面能。

二、比界面能和界面張力（比表面能和表面張力）

嚴(yán)格地說，在兩相系統(tǒng)的表面層上只存在比表面能而不存在表面張力，表面張力只是自由表面能的一種表示方法，并非存在什么真實的‘張力’。只有在三相系統(tǒng)的周界上，這種表面能才有界面的張力存在，它是各自兩相界面層自由表面能在三相周界的接觸點相互“爭奪”的結(jié)果。如圖8—4所示，一滴油滴在水面上則有三種界面，即油-氣（2-3）、油-水（2-1）和水-氣（1-3）界面，各自界面層的表面能在三相周界的爭奪則呈現(xiàn)三種表面張力σ2-3、σ1-2

和σ1-3，當(dāng)三者達(dá)到平衡時則：二、比界面能和界面張力（比表面能和表面張力）

圖8-4三相周界界面張力示意圖

也只有在爭奪的過程中最后達(dá)到平衡的情況下才有張力的表現(xiàn)。界面張力的大小等于各自的比表面能；界面張力的方向，界面為平面則在平面上，界面為曲線，則在切線上；力的作用點則為三相周界的接觸點。二、比界面能和界面張力（比表面能和表面張力）

表8—1某些物質(zhì)與空氣、水的界面張力值物質(zhì)與空氣接觸時的表面張力mN／m(20℃時)與水接觸時的界面張力mN／m(20℃時)水銀水苯變壓器油杜依瑪茲石油正己烷正辛烷甲苯乙醚四氯化碳二硫化碳二氯甲烷二氯乙烷乙醇484.072.828.939.127.218.421.828.417.026.933.528.532.522.3375——35.045.130.351.150.8/10.745.0////二、比界面能和界面張力（比表面能和表面張力）1、物質(zhì)的組成可以看出，水銀與空氣接觸時的表面張力要大于與水接觸的界面張力，這是因為兩相間分子的極性差越大，表面能也就越大的特點。在液體中水的極性最大，而空氣的極性很小，所以水與空氣的界面張力最大。作為有機(jī)溶劑的原油與甲苯，由于它們都是有機(jī)物，因而之間的極性差很小，界面張力也就很小，甚至可以達(dá)到互溶以至界面消失。2、相態(tài)自由界面能的另一個特點是它的大小與兩相的相態(tài)有關(guān)，如液、液之間的自由界面能一般大于液氣之間的自由界面能。3、溫度和壓力溫度和壓力直接影響到分子間的距離，因而分子間的作用力也隨之變化，使得界面層上分子的力場受到影響，界面張力變化。三、界面張力的影響因素

對于任何液、氣兩相來說，都會有隨著溫度和壓力的增加，表面張力的減小的現(xiàn)象。因為當(dāng)溫度升高時，一方面增大了液體分子間的距離，分子間的引力減小，另一方面液體的蒸發(fā)，使液體與蒸汽間分子的力場差異變小，從而降低了表面張力。而升高壓力將增加氣體在液體中的溶解度，液體的密度因而減少，而氣體受壓密度增加，兩相的密度差減少，從而導(dǎo)致了兩相分子間的差異變小，分子力場不平衡減弱，最終表現(xiàn)為表面張力降低。

三、界面張力的影響因素

在油氣儲層中，存在多種界面，但固體表面張力很難確定，為此，通常只限于討論流體間的界面張力。油藏流體組成復(fù)雜而且油藏中各處的溫度、壓力大小也不同，溫度、壓力條件又改變著流體的組成，這些因素決定了油層中流體間的界面張力變化的復(fù)雜性，即使在同一個油氣層，界面張力不是定值，不同油氣層則差別會更大。下面根據(jù)上述界面張力的概念及其特點，解釋油藏流體界面張力的大小及變化規(guī)律。

四、油藏流體間的界面張力

1、油-氣界面

油氣界面張力隨氣相在液相中溶解度的增大而降低。天然氣中含重?zé)N氣體愈多，原油中的溶解氣量就愈大，那么，當(dāng)壓力增加時，表面張力減小幅度也越大。

油藏原油處于高溫、高壓的條件下，并且溶有大量的天然氣，油藏中油氣系統(tǒng)的界面張力就要比地面脫氣原油和空氣系統(tǒng)的界面張力小得多。同理，油藏內(nèi)部不同地點的原油界面張力也有變化，例如氣頂附近原油的界面張力要小于遠(yuǎn)離氣頂?shù)脑偷慕缑鎻埩Α?、油-氣界面

（1）對于無溶解氣的油-水體系，俄國學(xué)者認(rèn)為，溫度和壓力的改變對油水間的界面張力基本上無影響。這是因為溫度增加，使油、水同時膨脹；而增大壓力，又使油、水同時受壓縮，油、水各自的分子熱力學(xué)性質(zhì)變化基本一致，使得油、水間的分子力場仍可能保持不變，從而表面張力仍保持不變。也有些研究者認(rèn)為，隨著溫度的升高，油-水界面張力會有明顯的降低，而壓力對界面張力的影響較小。

2、油-水界面

（2）對有溶解氣的油-水體系：溶解氣量的多少，對油-水兩相間的界面張力起著決定性的作用。2、油-水界面

表8—2國內(nèi)外部分油田的油水界面張力值油田名稱油水界面張力，mN／m測定條件杜依瑪茲石油羅馬什金石油老格羅茲內(nèi)Ⅱ／HⅡ得克薩斯34個油田勝利油田遼河油田大慶油田長慶油田任丘油田30.225.626.013.6~34.323~319~2430~3628.640地面地面地面地面70℃45℃~85℃地下51℃地面2、油-水界面

圖8—8是有溶解氣的條件下，油-水界面張力隨壓力變化的關(guān)系示意圖。曲線①、②、③分別代表原油相對密度和溶解氣量不同的三種情況。由圖可見,當(dāng)壓力小于飽和壓力Pb時，壓力升高，界面張力增大，這是由于當(dāng)壓力小于飽和壓力前，氣體在油中的溶解度大于在水中的溶解度，使油-水間極性差更大而引起的；當(dāng)壓力大于Pb時，隨著壓力增加，界面張力變化不大，因為在高于飽和壓力后，增加壓力不會增加氣體的溶解度，而僅僅是對流體增加了壓縮作用。油水體系的界面張力還會隨著原油組成的不同而不同，當(dāng)原油中輕烴的含量高時，原油的密度低、粘度小，導(dǎo)致油、水間的分子力場變化，油-水界面張力就小。無論油-水系統(tǒng)中有無溶解氣，體系的界面張力都會隨著溫度升高而降低，因為溫度增加，分子運動加劇，油-水表面上分子極性差（即分子力場）減小，從而界面張力降低。

2、油-水界面五、界面張力的測定方法適用范圍界面張力，mN／m備注吊片法較高的界面張力1~102

懸滴法中等的界面張力10—1~102

旋轉(zhuǎn)液滴法低界面張力或超低界面張力10—1~10—3如微乳液和油(或水)1、旋滴法2、懸滴法

懸滴法界面張力儀由注射器、針頭和光學(xué)攝像裝置等組成。根據(jù)液體的粘度選擇針頭的粗細(xì)，若測定液為普通液體，選0.7mm針頭；若為粘稠液，視其粘度大小，可選1.5~2.0mm的針頭。

五、界面張力的測定3、吊片法表面張力測定儀的測定基本原理如圖8—10所示：調(diào)節(jié)升降裝置，使試樣皿內(nèi)的油-水界面剛好與玻璃吊片底端接觸，這時由于固相玻璃吊片和兩液相（油和水）相接觸，出現(xiàn)了固-液、液-液界面張力，其作用結(jié)果是向下拉動玻璃片。這樣，由一套記錄顯示裝置將拉力R和砝碼的大小直接記錄下來，按下面公式來計算出界面張力。

五、界面張力的測定

通常采用查圖表(諾模圖)的方法(圖8—11)，若已知地面(21℃)時所測得的油-水界面張力σo及地層溫度T，可由圖8—11直接查出地層溫度下油-水的界面張力σt。

五、界面張力的測定

圖8—12為地層條件下甲烷-水界面張力圖，由已知的地層溫度及壓力，從圖8—12直接查出甲烷-水的界面張力。若氣藏中天然氣主要成分是甲烷，則可確定氣藏的界面張力。

五、界面張力的測定

主要包括以下六方面內(nèi)容：一、吸附的概念

二、氣－液界面（表面）的吸附三、氣－固界面上的吸附四、液－固界面上的吸附五、潤濕現(xiàn)象和毛管力六、界面粘度第二節(jié)界面吸附現(xiàn)象

溶解于某相中的物質(zhì)，自發(fā)地聚集到兩相界面層的現(xiàn)象稱之為“吸附”例如：特征：1.溶解——多種分子2.發(fā)生在兩相界面3.濃度分布不均勻4.降低界面張力吸附是某些分子在固體表面或液體表面的聚集一、吸附的概念

液體表面的吸附問題是怎樣一個過程，又是如何降低自由界面能的？純水中加入少許活性劑(肥皂)，則肥皂水溶液的表面張力要比純水的表面張力減小很多。兩相界面的表面張力對外來物（如活性劑肥皂）的存在極其敏感，盡管外來物質(zhì)很少，它卻使表面張力急劇減小。這種現(xiàn)象：一方面表面張力的性質(zhì);另一方面外來物的性質(zhì)

二、氣-液界面（表面）的吸附

圖8—13鈉肥皂分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)式從外來物的性質(zhì)（肥皂的性質(zhì)）來看，從化學(xué)結(jié)構(gòu)上講，它是高級脂肪酸的一些鹽類，例如鈉肥皂分子化學(xué)結(jié)構(gòu)式為CnH2n+lCOONa比如C16H33COONa。

它的一端是由碳?xì)浣M成的基團(tuán)，具有對稱的非極性結(jié)構(gòu)，稱之為碳?xì)滏?如C16H33-)；另一端則是非對稱的極性基團(tuán)(如-COONa)。這種具有兩性的分子通常以“—O”表示。直線段代表非極性的碳?xì)滏?，圓環(huán)的一端代表極性基團(tuán)。二、氣-液界面（表面）的吸附

將少許肥皂活性劑放入純水中，肥皂活性劑分子便自發(fā)地集聚在兩相界面層上(水面)，水為極性的，所以，活性劑分子的極性端朝向水里，而非極性端則力圖與非極性的空氣相作用，從而使得水表面層的極性差減小，水表面層的自由表面能也隨之減小，表面張力減小。二、氣-液界面（表面）的吸附從圖上可以看出，當(dāng)表面活性物質(zhì)的濃度較小時，隨濃度的增加，比吸附的增大和表面張力的減小都比較快。但是，當(dāng)濃度增加到—定值后，比吸附則不再增加，而趨于比吸附最大值。這是因為吸附趨飽和(圖8—14)。此時的表面張力值，也就不再隨濃度的增加而減小了。圖8—14中最右邊的情況，就是水中的活性劑分子聚集在一起，憎水的非極性端向內(nèi)互相靠攏，親水基向外，形成所謂‘膠束’。從上述肥皂水溶液的吸附過程的例子可以看出，若C為吸附在A、B兩相界面的物質(zhì)，則物質(zhì)A的極性＞C的極性＞B的極性，這就是所謂的“極性均衡”原則。凡是吸附作用的發(fā)生，都將滿足這一個原則。二、氣-液界面（表面）的吸附

可見，活性劑集中到界面上去，就會使極性差減小，也就是使自由表面能（即表面張力）減小，而這一過程恰與自由能趨于最小的趨勢是一致的，所以，肥皂活性劑分子向水界面層集中是自發(fā)的過程。純水的表面張力很大(72.8mN／m)，而加肥皂后表面張力會大大降低。具有上述結(jié)構(gòu)的分子所組成的物質(zhì)——表面活性劑，在液體中都能降低界面張力。從上述肥皂水溶液的吸附過程的例子可以看出：若C為吸附在A、B兩相界面的物質(zhì)，則物質(zhì)A的極性＞C的極性＞B的極性這就是所謂的“極性均衡”原則。凡是吸附作用的發(fā)生，都將滿足這一個原則。

二、氣-液界面（表面）的吸附原油是含多種分子的混合物，就其極性組成而言，可以分為非極性物質(zhì)和含有極性的活性物質(zhì)兩類。前者如烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴，后者一般是烴與氧、硫、氮的化合物，如環(huán)烷酸、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等。實際上，可以認(rèn)為原油是表面活性物質(zhì)在非極性烴類中的一種溶液。被吸附在兩相界面層上、能大大減低表面張力的物質(zhì)叫做表面活性物質(zhì)或表面活性劑。界面層單位面積上比相內(nèi)多余的吸附量叫比吸附，用G表示。二、氣-液界面（表面）的吸附在氣-液界面上，比吸附與溶質(zhì)濃度、表面活度之間的關(guān)系由吉布斯(Gibbs)等溫吸附關(guān)系式表示：式中：G——吉布斯比吸附量；

C——溶質(zhì)濃度；

()T——表面活度，即在某一溫度下，表面張力隨溶液濃度的變化率，代表溶質(zhì)表面活性的大小；

T，R——絕對溫度和通用氣體常數(shù)。

二、氣-液界面（表面）的吸附

當(dāng)<0時，比吸附G為正值，稱為正吸附，它表明表面張力隨溶質(zhì)濃度的增加而減少，溶質(zhì)為表面活性物質(zhì)；如果＞0時，比吸附G為負(fù)值，稱負(fù)吸附，它表明表面張力隨溶質(zhì)濃度的增加而增加，溶質(zhì)為表面非活性物質(zhì)，如多數(shù)的無機(jī)鹽如NaCl、MgCl2、CaCl2等都會使表面張力增高。它們?nèi)苡谒校瑫黾恿怂喾肿拥膬?nèi)聚力，從而就增加了油-水、氣-水的界面張力。

二、氣-液界面（表面）的吸附比吸附G與溶液中表面活性物質(zhì)濃度之間的關(guān)系曲線，稱為比吸附等溫線表面張力σ與溶液中表面活性物質(zhì)濃度之間的關(guān)系曲線，稱為表面張力等溫線吸附飽和二、氣-液界面（表面）的吸附

最右邊的情況：水中的活性劑分子聚集在一起，憎水的非極性端向內(nèi)互相靠攏，親水基向外，形成‘膠束’——Micelle

由于非極性的憎水端被極性端完全包圍在內(nèi)部，不與水接觸，它們就會穩(wěn)定地溶于水中，對水的表面張力也就沒有太大影響。臨界膠束濃度CMC——CriticalMicelleConcentration一般表面活性劑的CMC為10－2～10－15mol/L一個膠束中包含的分子個數(shù)：幾十～幾百～幾千個二、氣-液界面（表面）的吸附

圖8—16給出了在油水兩相為乙、丙烷混合氣體所飽和的情況下，油-水表面張力隨壓力的變化。當(dāng)壓力開始增加時表面張力有所增加，當(dāng)壓力繼續(xù)增加時表面張力隨即減小，緊接著則趨于不變。這一過程既和乙、丙烷氣體在兩相中溶解有關(guān)系，又和油中的極性組分在兩相界面層的濃度變化有關(guān)系。

二、氣-液界面（表面）的吸附在油水兩相體系中，當(dāng)表面活性劑處于界面上時，親油基處于油中，親水基留在水中。表面活性劑在界面上的濃度高于其在油相或水相中的濃度。在互不混溶的液體體系中加入表面活性劑物質(zhì)，會使它們的界面張力降低。例如正辛烷－水體系，界面張力～50mN/m。加入十二烷基硫酸鈉，可以使界面張力降低至幾mN/m的水平。三、液-液界面上的吸附

和液體一樣，固體表面上分子所受的力也是不對稱的，因此固體表面也存在界面能。固體可以吸附碰撞到其表面上的氣體分子或從溶液中吸附其他物質(zhì)，以降低其表面能。歷史上，對吸附作用的研究和工業(yè)應(yīng)用是從固體開始的。四、氣-固界面上的吸附

蘭格繆爾（1916年）提出的單分子層吸附理論，認(rèn)為固體表面的分子力場不飽和，產(chǎn)生剩余力并使碰撞到固體表面的氣體分子被吸附。吸附作用是氣體分子在固體表面凝聚和逃逸兩種相反運動的動態(tài)平衡的結(jié)果。蘭格繆爾提出了吸附量與氣體壓力的關(guān)系，即等溫吸附關(guān)系式：

式中：V——某一定量吸附劑上氣體吸附質(zhì)的摩爾數(shù)

P——氣體壓力

V∞——該一定量吸附劑所能吸附最大摩爾數(shù)

b——吸附系數(shù)或特性常數(shù)。

四、氣-固界面上的吸附當(dāng)P值很低時，bP值遠(yuǎn)小于1，V≈V∞bP，因此V壓力p成正比。在P值很高時，bP值遠(yuǎn)大于1，則有V＝V∞，這表明高壓力下，吸附劑的表面已被單分子層的吸附物質(zhì)覆蓋，增加壓力，吸附量不再增加。四、氣-固界面上的吸附

固體表面的吸附具有以下規(guī)律：（1）單位質(zhì)量的固體的吸附量，隨著吸附界面面積的增大而增大。（2）固體表面是凹凸不平的，表面物質(zhì)的成分也不均一，不同的成分具有不同的吸附性能，所以固體的吸附具有選擇性。固體表面不同的部位的吸附效果常有較大差異。（3）吸附是放熱的，所以升高溫度吸附量降低（4）吸附量與被吸附物質(zhì)的濃度成正比，濃度越大，吸附量越大。氣體具有較大的壓縮性，固體表面對氣體的吸附隨壓力的升高而增大。

四、氣-固界面上的吸附

液體在固體表面上的吸附一方面是因為固體表面力場的誘導(dǎo)，另一方面是由于吸附層分子如活性劑的影響。固體表面物質(zhì)的成分很不均一，表面凹凸不平，導(dǎo)致了固體吸附的不同部位具有不同的吸附性能，表現(xiàn)出選擇性吸附，即固體的極性部分易吸附極性物，而非極性部位易吸附非極性物等。液體在固體表面上的吸附常形成邊界層。五、液-固界面上的吸附

油藏流體中的油和水，其中水具有很強(qiáng)的極性，原油中各種非烴類化合物，如環(huán)烷酸、瀝青質(zhì)等也具有極性結(jié)構(gòu)，因此它們?nèi)菀妆挥蓸O性礦物顆粒組成的巖石表面所吸附?？梢哉J(rèn)為：石油在巖石中的吸附程度主要取決于石油中所含極性物質(zhì)的多少。

Б.B.澤烈金指出，玻璃面上油水膜厚度約為0.075μm。

巖石固體表面的吸附層十分牢固，由于它具有反常的力學(xué)性質(zhì)及很高的抗剪切的能力，因此很難除去。五、液-固界面上的吸附

A.Φ.列別捷夫曾進(jìn)行氣驅(qū)水試驗，證明在700N離心力作用下氣驅(qū)水后，多孔介質(zhì)中顆粒表面上仍留有約幾個水分子層的薄膜。在巖石孔隙中，水被吸附于孔隙內(nèi)壁表面上形成牢固的吸附層，孔隙半徑等于和小于吸附層厚度的孔隙，就不會再有儲油價值。因此，從吸附角度而言，有效孔隙應(yīng)是半徑大于吸附水膜厚度的孔隙。因為吸附層的厚度受巖石表面性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、液體性質(zhì)、溫度及壓力等多種因素的影響，造成了儲層巖石表面具有選擇性吸附的特點。五、液-固界面上的吸附

液體在固體表面的吸附要比氣體復(fù)雜的多。計算溶質(zhì)在固液界面的吸附量與液相中溶質(zhì)濃度的經(jīng)驗公式目前也有幾種，如蘭格繆爾（Langmuir）的吸附等溫式表示為：

Г——吸附量，mol/g；Г∞——飽和吸附量（即1g吸附劑當(dāng)表面蓋滿一層時所能吸附的溶質(zhì)的量），mol/g；c——溶質(zhì)的濃度，mol/L；b——吸附系數(shù)，其數(shù)值與溫度、溶質(zhì)和溶劑的性質(zhì)有關(guān)，L/mol。

五、液-固界面上的吸附吸附現(xiàn)象是由于物質(zhì)表面的未飽和力場自發(fā)地吸附周圍介質(zhì)以降低其表面自由能的自發(fā)現(xiàn)象。潤濕現(xiàn)象是自然界中的另一類自發(fā)現(xiàn)象。當(dāng)不相混的兩相流體(如油、水)與巖石固相接觸時，其中的一相流體沿著巖石表面鋪開，其結(jié)果也使體系的表面自由能降低，我們稱這種現(xiàn)象為潤濕現(xiàn)象。能沿巖石表面鋪開的那一相稱為潤濕相。由于潤濕作用支配著油、氣、水在地層巖石孔隙中的微觀分布。六、潤濕現(xiàn)象和毛管力在液-固體系中，由于上述吸附現(xiàn)象、潤濕現(xiàn)象的作用，當(dāng)流體在巖石表面上流動時所表現(xiàn)的粘度（稱為界面粘度）將不同于流體粘度(BlukViscosity)。七、界面粘度

主要包括以下方面：1巖石潤濕性概念2潤濕滯后現(xiàn)象3儲層巖石的潤濕性及其影響因素4油水在巖石孔隙中的分布5油藏巖石潤濕性的測定第三節(jié)儲層巖石的潤濕性潤濕現(xiàn)象是自然界中的另一類自發(fā)現(xiàn)象。當(dāng)不相混的兩相流體(如油、水)與巖石固相接觸時，其中的一相流體沿著巖石表面鋪開，其結(jié)果也使體系的表面自由能降低，我們稱這種現(xiàn)象為潤濕現(xiàn)象。1、潤濕現(xiàn)象一、巖石潤濕性的概念

潤濕是指液體在界面張力的作用下沿巖石表面流散的現(xiàn)象。將一滴液體滴在玻璃板上，如果液滴（例如水滴）在玻璃板上迅速鋪開，說明液體潤濕固體表面；而如果液滴不散開（例如水銀），則說明液體不濕潤固體表面（如圖）。1、潤濕現(xiàn)象

討論潤濕現(xiàn)象時，總是指三相體系：一相為固體，另一相為液體，第三相為氣體或另一種液體。某種液體潤濕固體與否，總是相對于另一相氣體（或液體）而言的。如果某一相液體能潤濕固相，則另一相是不潤濕固相的。1、潤濕現(xiàn)象

巖石潤濕性是巖石礦物與油藏流體相互作用的結(jié)果，是一種綜合特性。當(dāng)不相混的兩相流體(如油、水)與巖石固相接觸時，其中的一相流體沿著巖石表面鋪開，其結(jié)果也使體系的表面自由能降低，我們稱這種現(xiàn)象為潤濕現(xiàn)象。能沿巖石表面鋪開的那一相稱為潤濕相。2、巖石潤濕性

表示潤濕程度的參數(shù)——接觸角或附著功1、接觸角(也稱潤濕角)通過液-液-固（或氣-液-固）三相交點做液-液（或液氣）界面的切線，切線與固-液界面之間的夾角稱為接觸角，用θ表示，并規(guī)定θ從極性大的液體一面算起。油-水-巖石系統(tǒng)的潤濕性：

(1)當(dāng)θ＜90°時，水可以潤濕巖石，巖石親水或稱水濕；(2)當(dāng)θ=90°時，油、水潤濕巖石的能力相當(dāng)，巖石既不親水也不親油，即為中性潤濕；

(3)當(dāng)θ＞90°時，油可以潤濕巖石，巖石親油或稱油濕；2、巖石潤濕性

某一流體潤濕固體表面是各相界面張力相互作用的結(jié)果。2、巖石潤濕性

在三相周界點（O點）處產(chǎn)生了三種界面張力，即：氣-液界面張力σgL，氣-固界面張力σgs，液-固界面張力σLs。當(dāng)三種表面張力之間達(dá)到平衡時，有：

該式即著名的楊氏(Young)方程。2、巖石潤濕性

2、附著功(也稱粘附功)衡量巖石潤濕性大小的另一個指標(biāo)是附著功或粘附功。它是指在非濕相流體(如氣相)中,將單位面積的濕相從固體界面拉(離)開所作的功。

在這一過程中，做功的能量轉(zhuǎn)化為固體表面能的增加，設(shè)表面能的增加值為△Us，則：

式中：U1和U2分別是濕相流體離開固體表面前后固體的比表面能

，，和則分別是氣液、氣固和液固的界面張力。根據(jù)表面張力的概念，(σgL+σgs)>σLs，故△Us>0，即體系的表面能增加，這個表面能的增量就等于附著功(或粘附功)，用符號W表示，有：

再由楊氏方程式得：

因此接觸角與附著功具有如下關(guān)系式：

由上式看出，θ角越小，附著功W越大，也即濕相流體對固體的潤濕程度越好；

因此，可以用附著功判斷巖石潤濕性的好壞對于油、水、巖石三相體系，當(dāng)附著功大于油水界面張力時，巖石親水；當(dāng)附著功小于油水界面張力時，巖石親油；當(dāng)附著功等于油水界面張力時，巖石為中性潤濕。表面活性物質(zhì)自發(fā)地吸附在兩相界面上則使界面張力減小，因此，表面活性物質(zhì)吸附于固體表面將使親水性的固體表面向親油性表面轉(zhuǎn)化（如圖8—21上）?；蛘哂捎H油性的表面變成親水性的表面（圖8—21下）。3、表面活性物質(zhì)對潤濕性的影響——潤濕反轉(zhuǎn)現(xiàn)象

轉(zhuǎn)化的程度既與固體表面性質(zhì)和活性物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，又和活性物質(zhì)的濃度有關(guān)3、表面活性物質(zhì)對潤濕性的影響——潤濕反轉(zhuǎn)現(xiàn)象我們把固體表面在活性物質(zhì)吸附的作用下潤濕性發(fā)生轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象稱為潤濕反轉(zhuǎn)。砂巖顆粒(主要是硅酸鹽)的原始性質(zhì)是親水性的，但砂巖表面常常由于表面活性物質(zhì)的吸附而發(fā)生了潤濕反轉(zhuǎn)，變成親油性。我們也可以根據(jù)潤濕反轉(zhuǎn)的原理采取措施來提高采收率，例如向油層注入活性水，使其中的表面活性劑按極性相近規(guī)則吸附第二層，抵消了原有活性物質(zhì)的作用，以使親油表面反轉(zhuǎn)為親水表面，使油容易被驅(qū)走，從而提高采收率。3、表面活性物質(zhì)對潤濕性的影響——潤濕反轉(zhuǎn)現(xiàn)象

二、潤濕滯后現(xiàn)象

潤濕滯后是在流體流動過程中出現(xiàn)的一種潤濕現(xiàn)象，如圖8—23所示，將原來水平放置的固體表面傾斜一個角度α，可以發(fā)現(xiàn)，油-水-固三相周界不能立即向前移動，而是油-水兩相界面發(fā)生變形，使得原始的接觸角發(fā)生改變，然后，三相周界才向前移動。在A點，水驅(qū)油時由于水占據(jù)了油原來的部分空間而形成的接觸角稱為前進(jìn)角θ1，θ1＞θ（θ為原始接觸角）。在B點，油驅(qū)水時的接觸角稱為后退角θ2，有θ2＜θ。

所謂潤濕滯后就是指在外力作用下開始運動時，三相周界沿固體表面移動遲緩而使?jié)櫇窠佑|角改變的一種現(xiàn)象。潤濕滯后現(xiàn)象與下列三種因素有關(guān)：1、與三相周界的移動方向有關(guān)——靜潤濕滯后2、與三相周界的移動速度有關(guān)——動潤濕滯后3、與石油中的表面活性物質(zhì)在巖石表面上的吸附有關(guān)4、與巖石顆粒表面粗糙程度有關(guān)二、潤濕滯后現(xiàn)象

二、潤濕滯后現(xiàn)象

3、與石油中的表面活性物質(zhì)在巖石表面上的吸附有關(guān)4、與巖石顆粒表面粗糙程度有關(guān)

動潤濕滯后是在水驅(qū)油或油驅(qū)水過程中，當(dāng)油、水和巖石三相周界沿固體表面向前移動時，由于油、水界面各處運動速度不同而使接觸角發(fā)生變化的現(xiàn)象。如圖8—24所示，在親水毛管孔道中，當(dāng)油水界面靜止平衡時，彎液面上的接觸角為θ（θ小于90o）；當(dāng)水驅(qū)油時，界面開始移動，而三相周界不能立即移動，油水界面首先變形，接觸角增大為θl，此時為動潤濕滯后；當(dāng)油驅(qū)水時，接觸角減小為θ2。同樣，水驅(qū)油時的接觸角稱為前進(jìn)角或稱增大角θ1；油驅(qū)水時的接觸角為后退角或減小角θ2；當(dāng)三相周界停止移動處于穩(wěn)定時，測定的潤濕角為平衡角θ，則有θl＞θ＞θ2。

二、潤濕滯后現(xiàn)象

但前進(jìn)角和后退角的數(shù)值與潤濕周界的移動速度的有關(guān)（圖8—25）。運動速度越大，則動潤濕滯現(xiàn)象越嚴(yán)重，當(dāng)運動速度超過某一臨界值后，會發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖8－26)。這說明，在靜止或低速條件下，水可以很好地潤濕地層；但當(dāng)注水驅(qū)油速度過大時，彎液面的運動速度就會超過水潤濕巖石表面的臨界速度，此時潤濕角變大，潤濕性就會發(fā)生反轉(zhuǎn)，也就不能很好利用水潤濕作用。水流過孔道后，巖石表面還會留下不利于驅(qū)油的油膜。二、潤濕滯后現(xiàn)象

1、巖石的礦物組成2、油藏流體組成的影響原油的組成非常復(fù)雜，按對潤濕性的影響其物質(zhì)可分為三類，（1）非極性的烴類（主要組成），（2）含有極性的氧、硫、氮的化合物，（3）原油中的極性物質(zhì)或稱活性物質(zhì)。圖8—29表示對同樣石英礦物表面，當(dāng)原油的組成不同時，潤濕接觸角也不同。當(dāng)油相為異辛烷時，水能潤濕石英表面；當(dāng)油相為異奎啉時，水卻不能潤濕石英表面；當(dāng)油相為環(huán)烷酸時，其接觸角為35°，水能潤濕其表面。3、表面活性物質(zhì)的影響三、儲層巖石的潤濕性及其影響因素

三、儲層巖石的潤濕性及其影響因素表8—4不同烴類組分在聚四氟乙烯光面上的前進(jìn)角烴

類

戊

烷(C5H12)己

烷(C6H14)辛

烷(C8H18)十二烷

(C12H26)前進(jìn)角(度)082642原油中烴類所含碳原子數(shù)越多，接觸角就越大。

1、潤濕性對油水微觀分布的影響

斑狀潤濕是指在同一巖樣的表面上由于礦物組成不同表現(xiàn)出不同的潤濕性，油濕或水濕表面無特定位置，就單個孔隙而言，一部分表面為強(qiáng)水濕，其余部分則可能為強(qiáng)油濕，而且油濕表面也并不一定連續(xù)（圖8—27）?；旌蠞櫇袷侵冈诖笮〔煌目椎榔錆櫇裥圆煌】紫侗３炙疂癫缓?，而在大孔隙的砂粒表面由于與原油接觸常是親油的，油可連續(xù)形成渠道流動，如圖8—28所示。

4、礦物表面粗糙度的影響4、巖石孔隙表面的非均質(zhì)及粗糙度的影響

1、潤濕性對油水微觀分布的影響四、油水在巖石孔隙中的分布(a)水：環(huán)狀，油：迂回狀

(d)水：迂回狀，油：環(huán)狀，(b)水、油：迂回狀

(e)水：油：迂回狀(c)水：迂回狀，油：孤滴狀

(f)水：孤滴狀，油：迂回狀

圖8—31“渠道流態(tài)”示意圖——濕相驅(qū)非濕相非潤濕相驅(qū)出濕相的過程稱之為驅(qū)替過程。濕相驅(qū)出非濕相的過程則稱之為“吸吮過程”1、潤濕性對油水微觀分布的影響

圖8—33親水巖石水驅(qū)油是吸吮過程1、潤濕性對油水微觀分布的影響

圖8—34親油巖石注水過程中的油水分布

圖8—35親油巖石水驅(qū)油是驅(qū)替過程1、潤濕性對油水微觀分布的影響

1、潤濕性對油水微觀分布的影響

1、潤濕性對油水微觀分布的影響

2、潤濕性決定著孔道中毛管壓力的大小和方向上述油水分布和流動規(guī)律，一方面取決于巖石表面潤濕性，另一方面也取決于巖石孔道中的毛管壓力。而毛管壓力的大小和方向又取決于毛細(xì)管孔隙是親水毛管還是親油毛管。親水毛管的毛管壓力的方向與注水的驅(qū)動壓差方向一致，此時毛管壓力為驅(qū)油的動力；相反，親油毛管的毛管壓力與注水驅(qū)油方向相反，毛管壓力為阻力。因此毛管壓力的大小和方向，直接影響著流體在巖石中的流動，對于驅(qū)油有著重要的作用，為此將在下一章專門研究毛管壓力。