油层物理学课件.ppt

1、 储油气层岩石内饱和着油、气、水多相流体，因而储油气层岩石内饱和着油、气、水多相流体，因而存在着错综复杂的流体之间以及流体和孔隙壁面之间的存在着错综复杂的流体之间以及流体和孔隙壁面之间的界面关系，它直接影响流体在孔隙中的分布和渗流。界面关系，它直接影响流体在孔隙中的分布和渗流。 在研究饱和多相流体的岩石物理性质时，通常是以研在研究饱和多相流体的岩石物理性质时，通常是以研究油层中与界面现象有关的表面性质为基础。与界面现究油层中与界面现象有关的表面性质为基础。与界面现象有关的表面张力、吸附作用、润湿作用以及毛细管现象有关的表面张力、吸附作用、润湿作用以及毛细管现象将对流体渗流产生重大影响。此外，多

2、相流体在岩石象将对流体渗流产生重大影响。此外，多相流体在岩石孔隙中的渗流性质相渗透率也取决于上述表面性质。孔隙中的渗流性质相渗透率也取决于上述表面性质。 运用表面物理化学的研究成果，研究油层中的各种运用表面物理化学的研究成果，研究油层中的各种界面现象，对于认识油层，寻找油气运移富集的规律以界面现象，对于认识油层，寻找油气运移富集的规律以及提高油层石油采收率均具有重要的理论和实际意义。及提高油层石油采收率均具有重要的理论和实际意义。第一节第一节 表面张力和表面能表面张力和表面能一一 表面张力和表面能的基本概念表面张力和表面能的基本概念 度量分子表面现象的物理性质是表度量分子表面现象的物理性质是表

3、面张力和表面能，并由表面张力过渡到面张力和表面能，并由表面张力过渡到润湿性。润湿性。对含有多相流体的孔隙介质的特性来说，必须考虑到两对含有多相流体的孔隙介质的特性来说，必须考虑到两个互不相溶的个互不相溶的“相相”的分界面上力的影响。如果一相是液的分界面上力的影响。如果一相是液体而另一相是气体时，它们的分界面实际上就是液体表面。体而另一相是气体时，它们的分界面实际上就是液体表面。其界面分子的受力状况如图其界面分子的受力状况如图3-1-1所示。所示。图图3-1-1 界面分子受力状况示意图界面分子受力状况示意图 作用于表面层分子上的力都指向水的内部和沿着分作用于表面层分子上的力都指向水的内部和沿着分

4、界面的方向。所以它们的总的相互作用力不等于零，界面的方向。所以它们的总的相互作用力不等于零，而是垂直于分界面并指向液体的内部。而是垂直于分界面并指向液体的内部。 在构成在构成1平方厘米液面的全部分子上所受到的这一平方厘米液面的全部分子上所受到的这一个力，称为分子压力或内压力。用个力，称为分子压力或内压力。用达因平方厘米达因平方厘米或或公斤平方厘米公斤平方厘米量度。分子压力的大小取决于量度。分子压力的大小取决于它的物理化学性质。它的物理化学性质。 厚度等于分子间相互作用力的作用半径的分子层，厚度等于分子间相互作用力的作用半径的分子层，称为表面层。称为表面层。 因为在表面层上存在着分子压力，所以为

5、了形成新因为在表面层上存在着分子压力，所以为了形成新的表面，就需要消耗一定的功，把分子从液体内部的表面，就需要消耗一定的功，把分子从液体内部移入表面层。这些功就转化成表面层的能量表面移入表面层。这些功就转化成表面层的能量表面能。能。 刚刚形成的刚刚形成的1平方厘米表面所带有的功，称为比自平方厘米表面所带有的功，称为比自由表面能或表面张力由表面能或表面张力( ): 或或 SR SR owoggwowg 对于储油（气）层来说，表面张力可以存对于储油（气）层来说，表面张力可以存在于以下各个界面上。即油水（在于以下各个界面上。即油水（ ）、油）、油气（气（ ）、气水（）、气水（ ）、油岩石（）、油岩石

6、（ ）、）、水岩石（水岩石（ ）和气岩石（）和气岩石（ ）的界面上。）的界面上。 表面张力产生的根本原因是分子间引力。由于相同表面张力产生的根本原因是分子间引力。由于相同分子或不同分子之间分子引力的差异，不同物质之分子或不同分子之间分子引力的差异，不同物质之间具有不同的表面张力（表间具有不同的表面张力（表3-1-1、表、表3-1-2)。表表3-1-1 不同液体在室温条件下与本身蒸气及空气接触时的表面张力值不同液体在室温条件下与本身蒸气及空气接触时的表面张力值物物 质质表面张力（表面张力（20）达因达因/厘米厘米物物 质质表面张力（表面张力（20）达因达因/厘米厘米n已烷已烷18.4苯苯29.0

7、乙醚乙醚17.0三氯甲烷三氯甲烷28.5n辛烷辛烷21.8二氯乙烷二氯乙烷32.2四氯化碳四氯化碳26.9二硫化碳二硫化碳32.3m二甲苯二甲苯28.9水水72.8甲苯甲苯28.5水银水银484表3-1-2 水及水银与不同物质接触时的表面张力值第一相第一相第二相第二相表面张力表面张力达因达因/厘米厘米水水 银银本身蒸气本身蒸气471.6水水 银银酒酒 精精364.3水水 银银苯苯362.0水水本身蒸气本身蒸气73.8水水苯苯32.6水水戊戊 醇醇4.42水水丁丁 醇醇1.76二二 流体的极性流体的极性 在物理化学中论述有关表面现象时，通常是把在物理化学中论述有关表面现象时，通常是把作用于该相流

8、体上的分子间力的强度单位，称为液作用于该相流体上的分子间力的强度单位，称为液体的极性。体的极性。 液体的分子压力越大，则其极性也就越大。随液体的分子压力越大，则其极性也就越大。随着流体极性的增加，也就是随着其分子压力的增加，着流体极性的增加，也就是随着其分子压力的增加，液体分子的结合强度及介电常数就增大，而压缩性液体分子的结合强度及介电常数就增大，而压缩性则变小。则变小。 相互接触之各相彼此在极性上的差别愈大，在相互接触之各相彼此在极性上的差别愈大，在它们分界面上的表面张力也就愈大。它们分界面上的表面张力也就愈大。结结 论：论： 各种石油与水接触时的表面张力值不同，是因各种石油与水接触时的表面

9、张力值不同，是因为它们两者的极性不同。或者更准确地说，是因为为它们两者的极性不同。或者更准确地说，是因为各种石油中极性组分的含量不同。水相对于各种石各种石油中极性组分的含量不同。水相对于各种石油来说，是一种极性最大的流体，因此，随着石油油来说，是一种极性最大的流体，因此，随着石油极性的减少，它们分界面上的表面张力就变大。极性的减少，它们分界面上的表面张力就变大。 显然，当两种流体相接触时，流体的极性是决显然，当两种流体相接触时，流体的极性是决定它们之间表面张力的内在因素。定它们之间表面张力的内在因素。 三三 温度和压力对表面张力的影响温度和压力对表面张力的影响 当纯质液体与蒸汽相接触时，如与蒸

10、汽的临界点相当纯质液体与蒸汽相接触时，如与蒸汽的临界点相差很远，则表面张力的大小与温度变化呈线性关系。差很远，则表面张力的大小与温度变化呈线性关系。 压力对表面张力的影响则与温度的影响不同。因为压力对表面张力的影响则与温度的影响不同。因为随着压力的升高，气体和液体的相互溶解度也提高，此随着压力的升高，气体和液体的相互溶解度也提高，此时液体和气体分界面上的表面张力将随着压力之升高而时液体和气体分界面上的表面张力将随着压力之升高而下降。下降。 )1 (0tt在表在表33中有不同温度及压力下水与气中有不同温度及压力下水与气体分界面上的表面张力数据。体分界面上的表面张力数据。表3-1-3 在各种温度及

11、压力下，水与气体分界面上的表面张力值压压 力力MPa表面张力（达因表面张力（达因/厘米）厘米）压压 力力MPa表面张力（达因表面张力（达因/厘米）厘米）25652565074.167.57.0555.950.40.7171.163.210.5051.646.51.7666.558.814.0047.942.33.5261.855.519.0044.139.5 在油层情况下，当存在油、气、水三在油层情况下，当存在油、气、水三相时，油和水之间的表面张力的变化主要相时，油和水之间的表面张力的变化主要取决于气体在油中的溶解度。压力越高，取决于气体在油中的溶解度。压力越高，气体在石油中的溶解度也就越大，

12、致使油气体在石油中的溶解度也就越大，致使油和水的极性差变大，油水的表面张力也和水的极性差变大，油水的表面张力也随之增大。随之增大。 如果加在系统上的压力高于石油被天如果加在系统上的压力高于石油被天然气所饱和时的压力，也就是说在全部气然气所饱和时的压力，也就是说在全部气体都溶解于石油中以后还继续提高压力，体都溶解于石油中以后还继续提高压力，在这种情况下，由于石油被压缩而使分子在这种情况下，由于石油被压缩而使分子间力增大，油水界面上的表面张力也将间力增大，油水界面上的表面张力也将随之降低。随之降低。 在有溶解在有溶解气存在的情气存在的情况下，油水况下，油水表面张力与表面张力与压力的实验压力的实验关

13、系如图关系如图3-1-2所示。所示。图图3-1-2 在有溶解气的条件下油水表面张力与压力在有溶解气的条件下油水表面张力与压力的关系的关系四四 吸附与表面张力吸附与表面张力 在液体中可溶物质在体积内部以及在表面层之在液体中可溶物质在体积内部以及在表面层之间的分布是不一样的。与可溶性物质在表面层中的间的分布是不一样的。与可溶性物质在表面层中的分布有关的现象，被称为吸附作用。每平方厘米表分布有关的现象，被称为吸附作用。每平方厘米表面吸附的可溶性物质的克数称为比吸附，用以定量面吸附的可溶性物质的克数称为比吸附，用以定量描述吸附量的大小。比吸附的大小可用克平方厘描述吸附量的大小。比吸附的大小可用克平方厘

14、米或摩尔平方厘米来表示。若在表面层中有过剩米或摩尔平方厘米来表示。若在表面层中有过剩的可溶物质就把它称为正吸附，而过少时则称为负的可溶物质就把它称为正吸附，而过少时则称为负吸附。吸附。吸附作用既可发生在液体表面，也可发生在吸附作用既可发生在液体表面，也可发生在固体表面。固体表面的吸附有如下规律：固体表面。固体表面的吸附有如下规律：1.固体表面对被吸附物质的吸附量随着吸附表面的加大而增加。固体表面对被吸附物质的吸附量随着吸附表面的加大而增加。2.表面物质成份也不均一，固体的吸附具有选择性。固体表面的表面物质成份也不均一，固体的吸附具有选择性。固体表面的不同部位其吸附效果常有较大差异；不同部位其吸

15、附效果常有较大差异；3吸附作用都是放热的，所以随着温度升高，其吸附量要降低；吸附作用都是放热的，所以随着温度升高，其吸附量要降低；4吸附量与被吸附物质的浓度成正比，浓度越大，吸附量越大。吸附量与被吸附物质的浓度成正比，浓度越大，吸附量越大。5.固体表面既可以吸附溶剂（液体本身），也可以吸附其中的被固体表面既可以吸附溶剂（液体本身），也可以吸附其中的被溶物质。溶物质。 固体表面吸附层的厚度根据实际测量，固体表面吸附层的厚度根据实际测量，液体和气体分子在固体表面的吸附层厚度为液体和气体分子在固体表面的吸附层厚度为0.0010.001微米微米0.210.21微米。不同固体表面和液体微米。不同固体表面

16、和液体（气体）的吸附层厚度如表（气体）的吸附层厚度如表3-1-43-1-4所示。研究所示。研究指出，这种吸附层是十分牢固的，在一般指出，这种吸附层是十分牢固的，在一般压力差下是不能除去的，水被吸附在岩石颗压力差下是不能除去的，水被吸附在岩石颗粒表面常形成不可流动的束缚水。粒表面常形成不可流动的束缚水。表3-1-4 固体表面液体（气体）吸附层厚度固固 体体液液 体体吸附层厚度吸附层厚度（微米）（微米）玻玻 璃璃水水 溶溶 液液0.010.001石石 英英水水 溶溶 液液0.02石石 英英水水0.1玻玻 璃璃水水0.075玻璃毛管玻璃毛管庚庚 基基 酸酸0.21固固 体体N2，CO20.001 液

17、体中溶解有各种可溶物质，这些溶解液体中溶解有各种可溶物质，这些溶解物质的存在会改变液体原来的界面性质。物质的存在会改变液体原来的界面性质。例如，水中溶有醇、酸等有机物质，可以例如，水中溶有醇、酸等有机物质，可以使表面张力降低；而当溶入某些无机盐类使表面张力降低；而当溶入某些无机盐类时，如时，如NaClNaCl、MgClMgCl2 2、CaClCaCl2 2等则可提高其等则可提高其表面张力。表面张力。五五 表面张力的测定方法表面张力的测定方法 表面张力的测定方法很多，如毛细管上升法、液表面张力的测定方法很多，如毛细管上升法、液滴重量法、悬挂液滴（气泡）法、液滴（气泡）最滴重量法、悬挂液滴（气泡）

18、法、液滴（气泡）最大压力法、吊板及吊环法等等。大压力法、吊板及吊环法等等。 液滴重量法，在重力作用下，一个液滴要脱离毛液滴重量法，在重力作用下，一个液滴要脱离毛细管末端，必须克服表面张力。即液滴重量细管末端，必须克服表面张力。即液滴重量G应和表应和表面张力面张力成正比，即成正比，即KG 测定仪器如图测定仪器如图3-1-4所示：所示：。 图图33 当液滴在重力作用下要脱离毛细管末端当液滴在重力作用下要脱离毛细管末端时，表面张力也与脱落时的液滴形状成比时，表面张力也与脱落时的液滴形状成比例。将正要滴出的液滴进行拍照，然后在例。将正要滴出的液滴进行拍照，然后在照片上测量液滴的最大直径照片上测量液滴的

19、最大直径d1，以及距离，以及距离液滴顶端为液滴顶端为d1处的直径处的直径d2，根据下面的公，根据下面的公式计算表面张力式计算表面张力Hgd2121)( 悬挂液滴法即液滴（气泡）悬挂液滴法即液滴（气泡）最大压力法。最大压力法。 当毛细管末端的液滴（或当毛细管末端的液滴（或气泡）需要施加一定压力才气泡）需要施加一定压力才能使液滴（或气泡）脱离时，能使液滴（或气泡）脱离时，则所施加的压力与表面张力则所施加的压力与表面张力成比例（图成比例（图3-1-6）。测量）。测量液滴（或气泡）脱离时的最液滴（或气泡）脱离时的最大压力，可以计算表面张力。大压力，可以计算表面张力。p21ghr21图图3-1-6 施于

20、一定压力使气泡脱离施于一定压力使气泡脱离 图图3-1-7是用液滴（气泡）最大压力是用液滴（气泡）最大压力法测定表面张力装置的示意图法测定表面张力装置的示意图 图图36图图3-1-7 液滴气泡最大压力法测表面能力示意图液滴气泡最大压力法测表面能力示意图六六 地层条件下界面张力的确定方法地层条件下界面张力的确定方法1根据实验室测定结果确定根据实验室测定结果确定 斯坦丁斯坦丁(Standing, M.B.）和霍考特（）和霍考特（Hocott, E.W.）等学者曾在实验室测定过在高温高压下气）等学者曾在实验室测定过在高温高压下气水和油水之间的界面张力，其测定结果如图水和油水之间的界面张力，其测定结果如

21、图3-1-8所示。根据实验确定的地层条件下的气所示。根据实验确定的地层条件下的气水表面张力一般在水表面张力一般在3050达因厘米，油水界达因厘米，油水界面张力则在面张力则在3035达因厘米。当温度超过达因厘米。当温度超过1500F，以及压力超过，以及压力超过40MPa时，在实验室内没时，在实验室内没有得出分析结果。有得出分析结果。图图3-7图图3-1-8 表面张力或界面张力表面张力或界面张力作为温度与压力的函数作为温度与压力的函数2. 地层条件下气水界面张力的确定地层条件下气水界面张力的确定在大气温度和压力下，在大气温度和压力下，甲烷气地层水的界面张力甲烷气地层水的界面张力约为约为70达因厘米

22、。随着温达因厘米。随着温度的变化，在压力增高每度的变化，在压力增高每0.68MPa时，气水界面张时，气水界面张力降低力降低510达因厘米。达因厘米。随着压力的不同，在温度增随着压力的不同，在温度增加时气水界面张力约降低加时气水界面张力约降低0.11.0达因（厘达因（厘米米F）。已作出温度和压）。已作出温度和压力对甲烷水系统影响的诺力对甲烷水系统影响的诺模图（图模图（图3-1-9)，可以估算，可以估算一定的地下温度和压力下的一定的地下温度和压力下的甲烷水的界面张力。甲烷水的界面张力。图图38图图3-1-9 不同温度和压力下甲烷不同温度和压力下甲烷水界面张力的诺模图水界面张力的诺模图3地层条件下油

23、水界面张力的确定地层条件下油水界面张力的确定 如果所研究的油如果所研究的油水系统只有在地水系统只有在地表温度下测定的界表温度下测定的界面张力值，那么，面张力值，那么，根据估算油藏温度根据估算油藏温度下的油水界面张力下的油水界面张力的诺模图（图的诺模图（图3-1-10），可以查出在），可以查出在地层温度下的油地层温度下的油水界面张力。水界面张力。图3-1-10 估算储层温度时的油水界面张力的诺模图假定增加1F温度时减少0.1达因/厘米。例(1)：界面张力不知，温度17F，油水系统平均地下界面张力10达因/厘米；例(2)：界面张力28达因/厘米（70F时平均值），温度150F，地下界面张力20达因

24、/厘米（Schowalter, 1979） 下面列出一些数据，反映了国内外油气田的界面下面列出一些数据，反映了国内外油气田的界面张力值（表张力值（表3-1-5)。表表3-1-5 国内外部分油田的油水界面张力值国内外部分油田的油水界面张力值油田名称油田名称油水界面张力油水界面张力达因达因/厘米厘米测测 定定 条条 件件乌赫金石油乌赫金石油33.3地地 面面杜依玛兹石油杜依玛兹石油30.2地地 面面伊利诺夫斯克石油伊利诺夫斯克石油23.9地地 面面罗马什金石油罗马什金石油25.6地地 面面老格罗兹内老格罗兹内/H26.0地地 面面老格罗兹内老格罗兹内/HB25.2地地 面面老格罗兹内老格罗兹内/H

25、B27.4地地 面面得克萨斯得克萨斯34个油田个油田13.634.3地地 面面胜利油田胜利油田233170辽河油田辽河油田9244585大庆油田大庆油田3036地地 下下长庆油田长庆油田28.651任丘油田任丘油田40地地 面面第二节第二节 润湿性润湿性一一 润湿作用润湿作用 液滴或气体在固体表面的扩散现象称液滴或气体在固体表面的扩散现象称为润湿作用。当液滴在固体表面立即扩散，为润湿作用。当液滴在固体表面立即扩散，即称为该种液体润湿固体表面；当液滴呈即称为该种液体润湿固体表面；当液滴呈圆珠状，不沿固体表面扩散，则称为该种圆珠状，不沿固体表面扩散，则称为该种液体不润湿固体表面。液体不润湿固体表面

26、。 在讨论润湿作用时，总是指在讨论润湿作用时，总是指“三相三相”体系，其中体系，其中一相是固体，另一相为液体，第三相为气体或另一一相是固体，另一相为液体，第三相为气体或另一种液体。在油层中是油水，岩石三相，而在气层种液体。在油层中是油水，岩石三相，而在气层中则为气水岩石三相。在三相体系中，两种流中则为气水岩石三相。在三相体系中，两种流体相中其中一相可以优先地润湿固体表面，这一现体相中其中一相可以优先地润湿固体表面，这一现象称为选择性润湿。图象称为选择性润湿。图3-2-2表示水相选择性地表示水相选择性地润湿固体表面。对于油气储层岩石来说，水相选择润湿固体表面。对于油气储层岩石来说，水相选择性润湿

27、固体表面时，称为亲水性；而油相选择性润性润湿固体表面时，称为亲水性；而油相选择性润湿固体表面时，则称为憎水相。湿固体表面时，则称为憎水相。图图3-2-1 液体对固体表面的润湿作用液体对固体表面的润湿作用图图3-2-2 油水固体接触的情况油水固体接触的情况二二 附着张力和润湿接触角附着张力和润湿接触角 液体对固体的润湿程度可用润湿接触角来度量，液体对固体的润湿程度可用润湿接触角来度量，图图3-2-1和和图图3-2-2中的角即为润湿接触角。润湿角的测量是中的角即为润湿接触角。润湿角的测量是从具有比较大的密度的液相算起，角可以从从具有比较大的密度的液相算起，角可以从0变化到变化到180。 固体表面的

28、润湿性也可以用附着张力来度量。所谓附固体表面的润湿性也可以用附着张力来度量。所谓附着张力就是油固体界面和水固体界面的界面张力之差。着张力就是油固体界面和水固体界面的界面张力之差。它表示水或油对固体表面的附着能力，可以表示为：它表示水或油对固体表面的附着能力，可以表示为： 为固体表面上油、水、固三相交点切于液体界面之间的为固体表面上油、水、固三相交点切于液体界面之间的夹角，亦即润湿接触角。夹角，亦即润湿接触角。owowwoAcosow 当附着张力当附着张力A是正值时，此时是正值时，此时90，表示油是有，表示油是有选择地润湿固体表面。如果附着张力选择地润湿固体表面。如果附着张力A0，则两相具有相同

29、润湿固体的能力（或称中则两相具有相同润湿固体的能力（或称中性）。性）。owow 实际含油气层是十分复杂的，它存在实际含油气层是十分复杂的，它存在有多种矿物成分组成的固体表面，以及多有多种矿物成分组成的固体表面，以及多种多样的两相流体组合，它们都会影响岩种多样的两相流体组合，它们都会影响岩石的润湿性。石的润湿性。 图图3-2-3表示不同固体表面对不同油表示不同固体表面对不同油和水两相系统的润湿情况。和水两相系统的润湿情况。三三 不同固体表面对不同油和水两相不同固体表面对不同油和水两相系统的润湿性系统的润湿性这个例子指出了岩石矿物成分的改变以及液这个例子指出了岩石矿物成分的改变以及液相本身的属性，

30、均可影响润湿接触角及它们的界相本身的属性，均可影响润湿接触角及它们的界面张力。面张力。图图3-2-3 水和不同油类在石英和方解石面上的润湿接触角水和不同油类在石英和方解石面上的润湿接触角 对油水岩石系统来说，根据不同对油水岩石系统来说，根据不同的油、水化学成分以及岩石的矿物成分，的油、水化学成分以及岩石的矿物成分，可以把岩石表面划分为亲水表面，或称水可以把岩石表面划分为亲水表面，或称水湿表面以及憎水表面，或称油湿表面，对湿表面以及憎水表面，或称油湿表面，对于两种流体相，可以分别称为润湿相和非于两种流体相，可以分别称为润湿相和非润湿相。润湿相。四四 润湿滞后润湿滞后 将固体表面倾斜一个角度，则发

31、现三相周界不能立刻向前移动，它有一迟缓时间，从而使得原始的接触角发生改变，如图3-2-4所示，水驱油的1，油驱水的22是润湿滞后的结果。润湿滞后，即三相润湿周界沿固体表面移动的迟缓。 图3-2-4 润湿滞后的前进角1和后退角2影响润湿滞后的因素影响润湿滞后的因素（1）与三相周界的移动方向有关；（2）与三相周界的移运速度有关 ；（3）与固体表面的粗糙度和表面活性物质的吸附有关 。 固体的棱角和尖锐凸起对润湿滞后有很大影响。试验表明，尖棱对三相周界的移动阻力很大，三相周界到达尖棱处则遇阻，如图3-2-7所示，此时的接触角看来还应加上“棱角”才能反映滞后情况，棱角越大滞后也越大。 图图3-2-7 固

32、体尖棱的接触角固体尖棱的接触角和形角和形角五五 实际油层的润湿性实际油层的润湿性 实际储油（气）层的油水岩石系统中，有两实际储油（气）层的油水岩石系统中，有两个极为重要的因素需要考虑个极为重要的因素需要考虑 第一个因素是流体成分不纯，或者在驱替或迁移第一个因素是流体成分不纯，或者在驱替或迁移过程中被污染了。这些不纯物质即使很少，也能够过程中被污染了。这些不纯物质即使很少，也能够改变理想系统的润湿接触角；第二个因素是所谓的改变理想系统的润湿接触角；第二个因素是所谓的前进接触角和后退接触角。通常认为实际上流体在前进接触角和后退接触角。通常认为实际上流体在平的固体表面受到一种力的作用后就是不对称的，

33、平的固体表面受到一种力的作用后就是不对称的，它不是呈现一个对称的液滴，而是呈现一个偏心的它不是呈现一个对称的液滴，而是呈现一个偏心的小滴（图小滴（图3-2-8)。 对于大多数实际对于大多数实际的油层情况，由于流的油层情况，由于流体不可避免要被污染，体不可避免要被污染，或者是由于固体表面或者是由于固体表面粗糙不平，这种润湿粗糙不平，这种润湿滞后现象不可避免地滞后现象不可避免地会产生，而且其前进会产生，而且其前进接触角总是大接触角总是大于后退接触角的。于后退接触角的。图图313AR图图3-2-8 润湿流体的一滴在受力作用下，润湿流体的一滴在受力作用下，可以造成前进的和后退的接触角可以造成前进的和后

34、退的接触角A：前进接触角：前进接触角R：后退接触角：后退接触角（Morrow, 1976） 在储油（气）层中，所感兴趣的是在孔隙一喉道中的在储油（气）层中，所感兴趣的是在孔隙一喉道中的前进和后退接触角。这时，可以把由非润湿相排驱润前进和后退接触角。这时，可以把由非润湿相排驱润湿相（排驱过程）时所形成的界面接触角定义为后退湿相（排驱过程）时所形成的界面接触角定义为后退接触角；而把由润湿相排驱非润湿相（吸入过程）接触角；而把由润湿相排驱非润湿相（吸入过程）时所形成的界面接触角定义为前进接触角。图时所形成的界面接触角定义为前进接触角。图3-2-9a表示由于管壁粗糙引起在吸入和排驱时，表示由于管壁粗糙

35、引起在吸入和排驱时，。图图3-2-9b表示不仅由于管壁粗糙，而且孔隙毛细管表示不仅由于管壁粗糙，而且孔隙毛细管是可变断面的情况时，其视前进接触角大于视后退是可变断面的情况时，其视前进接触角大于视后退接触角。接触角。 RAARAR图图3-14图图3-2-9 由于孔隙喉道管壁粗糙引起的接触角滞后由于孔隙喉道管壁粗糙引起的接触角滞后a两根相同直径的毛细管（管壁粗糙），两根相同直径的毛细管（管壁粗糙），A AR，b两支可变断面的毛细管（管壁粗糙），两支可变断面的毛细管（管壁粗糙），A AR，（Morrow, 1976） 孔隙喉道通常是可变断面的。在光滑的可变断孔隙喉道通常是可变断面的。在光滑的可变断面

36、孔隙中，流体在毛细管中的排驱和吸入同样会发面孔隙中，流体在毛细管中的排驱和吸入同样会发生润湿滞后（图生润湿滞后（图3-2-10)。如果定义光滑、清洁的。如果定义光滑、清洁的固体表面的流体接触角为固体表面的流体接触角为 ，那么，在排驱过程中，那么，在排驱过程中，由于孔隙断面的变化，其接触角要进行校正，校正由于孔隙断面的变化，其接触角要进行校正，校正后的数值等于（后的数值等于（ ）；而在吸入过程中，同）；而在吸入过程中，同样，校正后的数值等于（样，校正后的数值等于（ ） 。其中是孔隙。其中是孔隙为圆锥形时的半锥角。为圆锥形时的半锥角。EEE图图315图图3-2-10 由于孔隙喉道断面形态不同引起的

37、接触角滞后由于孔隙喉道断面形态不同引起的接触角滞后a光滑表面，不同半径的圆管的毛细管滞后，光滑表面，不同半径的圆管的毛细管滞后，b光滑表面，孔隙为圆锥形时的毛细管滞后，光滑表面，孔隙为圆锥形时的毛细管滞后，（是圆锥形孔隙的半锥角；是圆锥形孔隙的半锥角；E是光滑表面的清洁流体的接触是光滑表面的清洁流体的接触角）（角）（Morrow, 1976） Treiber等（等（1972 )和和Morrow（1976)按流按流体的前进接触角和后退接触角对体的前进接触角和后退接触角对55个储油层进行个储油层进行的定量分类（表的定量分类（表3-2-1)。表表3-2-1 流体在光滑矿物表面的润湿角及其分类流体在光

38、滑矿物表面的润湿角及其分类润湿性分类水 湿中 性油 湿Treiber等划分的接触角范围07575105105180（在光滑矿物表面上的A）砂岩储集层的数目13（43%）2（7%）15（50%）碳酸盐储集层的数目2（8%）2（8%）21（84%）总数15（27%）4（7%）36（66%）Morrow划分的接触角范围A62A133R133A = R砂岩储集层的数目12（40%）10（33%）8（27%）碳酸盐储集层的数目2（8%）16（64%）7（28%）总数14（26%）26（47%）15（27%） 实际储油层的孔隙内部的流体分布特征也就随实际储油层的孔隙内部的流体分布特征也就随润湿性的不同而有

39、很大的变化。例如；对于油湿岩润湿性的不同而有很大的变化。例如；对于油湿岩石，油分布在岩石颗粒表面以及微细的孔隙喉道之石，油分布在岩石颗粒表面以及微细的孔隙喉道之中；对于水湿岩石，水则分布在岩石颗粒表面和细中；对于水湿岩石，水则分布在岩石颗粒表面和细孔隙喉道之中。对于中间润湿性的岩石来说，流体孔隙喉道之中。对于中间润湿性的岩石来说，流体的分布还与流体的饱和顺序有关，如果原来是石油的分布还与流体的饱和顺序有关，如果原来是石油占据细小的孔隙，那么目前仍然是石油占据在岩石占据细小的孔隙，那么目前仍然是石油占据在岩石颗粒表面和细孔隙喉道中。如果原来是水占据细小颗粒表面和细孔隙喉道中。如果原来是水占据细小

40、的孔隙，那么目前仍然是水占据在岩石赖粒表面和的孔隙，那么目前仍然是水占据在岩石赖粒表面和孔隙喉道中。孔隙喉道中。 每一种润湿性都可能每一种润湿性都可能是不均一的，因为同一是不均一的，因为同一种流体对不同矿物表面种流体对不同矿物表面具有不同的润湿性，这具有不同的润湿性，这就形成了所谓的就形成了所谓的“斑状斑状”润湿（图润湿（图316)，对于，对于那些矿物成份复杂、来那些矿物成份复杂、来源广泛的沉积区来说，源广泛的沉积区来说，斑状润湿的现象就更为斑状润湿的现象就更为普遍。普遍。 在油田开采和开发中，润湿性是流体微观在油田开采和开发中，润湿性是流体微观分布的决定性因素，同时也是残余油微观分布分布的决

41、定性因素，同时也是残余油微观分布的决定因素。的决定因素。图图3-2-11 斑状润湿示意图斑状润湿示意图油：油湿油：油湿 水：水湿水：水湿 1、2、3：表示油湿或水：表示油湿或水湿的程度差异湿的程度差异六六 油层润湿性的改变油层润湿性的改变 通常，我们把溶解于液体后发生正吸附的物质称为表面活性物通常，我们把溶解于液体后发生正吸附的物质称为表面活性物质，而发生负吸附的物质称为非表面活性物质。质，而发生负吸附的物质称为非表面活性物质。 所有的有机液体可以分为两类，即具有对称分子结构的液体所有的有机液体可以分为两类，即具有对称分子结构的液体和具有不对称分子结构的液体。某些液体的分子结构是对称的，和具有

42、不对称分子结构的液体。某些液体的分子结构是对称的，分子两端都是非极性的碳氢基团，这些有机物质不会富集在界面分子两端都是非极性的碳氢基团，这些有机物质不会富集在界面上，也因而不会降低两种液体间的界面张力，它们是非表面活性上，也因而不会降低两种液体间的界面张力，它们是非表面活性物质。另一些液体的分子结构是不对称的，分子的一端是非极性物质。另一些液体的分子结构是不对称的，分子的一端是非极性基团，另一端是极性基团。非极性基团可以与非极性的石油相吸基团，另一端是极性基团。非极性基团可以与非极性的石油相吸引，故称为亲油基；而极性基团则与水相吸引，则称为亲水基。引，故称为亲油基；而极性基团则与水相吸引，则称

43、为亲水基。 常见的表面活性剂如肥皂，其分子结构常见的表面活性剂如肥皂，其分子结构就是不对称的。钠肥皂的分子结构如下：就是不对称的。钠肥皂的分子结构如下： 碳氢链（非极性）碳氢链（非极性） 羟基（极性）羟基（极性） 当把肥皂溶于水中，肥皂分子可以通过两种形式达到当把肥皂溶于水中，肥皂分子可以通过两种形式达到稳定，一种形式是肥皂分子吸附于液体表面（假定水与空气稳定，一种形式是肥皂分子吸附于液体表面（假定水与空气接触），极性端向水，非极性端朝向非极性的空气（图接触），极性端向水，非极性端朝向非极性的空气（图3-2-12)，从而使水一空气界面上的极性差减小，其表面张力，从而使水一空气界面上的极性差减小

44、，其表面张力降低，另一种形式，肥皂留在水中并聚集在一起，憎水的非降低，另一种形式，肥皂留在水中并聚集在一起，憎水的非极性端向内互相靠拢，亲水基向外，形成所谓胶束，它可以极性端向内互相靠拢，亲水基向外，形成所谓胶束，它可以稳定地溶于水中。稳定地溶于水中。COONaCHCHCHCH2223. 图图3-2-12是表面活性物质随浓是表面活性物质随浓度变化在水中的分布情况度变化在水中的分布情况图图317图图3-2-12 表面活性物质在水中的分布与浓度表面活性物质在水中的分布与浓度的关系的关系 图图3-2-13是处在孔隙中的油滴被采出的示意图。是处在孔隙中的油滴被采出的示意图。 图图3-2-13（A）是在

45、注水开采后，在孔隙空间中的油滴状况，）是在注水开采后，在孔隙空间中的油滴状况，它的大部分表面和岩石表面相接触，处于油润湿状态，图它的大部分表面和岩石表面相接触，处于油润湿状态，图3-2-13（B）是在水中加入表面活性剂后，水可以优先润湿固体表面，亦）是在水中加入表面活性剂后，水可以优先润湿固体表面，亦即水中的表面活性物质的极性基团吸附在固体表面，致使油脱离固即水中的表面活性物质的极性基团吸附在固体表面，致使油脱离固体表面而被水所代替。图体表面而被水所代替。图3-2-13 (C）则表明油滴脱离固体表面、）则表明油滴脱离固体表面、且油水界面张力降低，而沿敞开的孔隙流出而被采到地表。且油水界面张力降

46、低，而沿敞开的孔隙流出而被采到地表。图图3-18图图3-2-13 润湿性改变的示意图润湿性改变的示意图A A残余状态，油滴粘附在颗粒表面；残余状态，油滴粘附在颗粒表面；B B加入表面活性剂加入表面活性剂后，油滴脱离颗粒表面；后，油滴脱离颗粒表面；C C油滴沿较大喉道被采出油滴沿较大喉道被采出 在水中加入表面活性物质使岩石表面由在水中加入表面活性物质使岩石表面由亲油转变为亲水的机理如图亲油转变为亲水的机理如图3-2-14所示。所示。图图3-2-14 润湿性改变的机理润湿性改变的机理 七七 油层润湿性的测定方法油层润湿性的测定方法 1测定润湿接触角的方法测定润湿接触角的方法 测定润湿接触角来确定润

47、湿性的方法是目前最简单、测定润湿接触角来确定润湿性的方法是目前最简单、应用最广泛的方法。将欲测矿物磨成光面，放在油或应用最广泛的方法。将欲测矿物磨成光面，放在油或水中，再在岩片光面上滴一滴直径为水中，再在岩片光面上滴一滴直径为12毫米的油或毫米的油或水，用某种光学系统或显微镜将液滴放大，拍照下液水，用某种光学系统或显微镜将液滴放大，拍照下液滴形状，便可直接在照片上量出接触角。如果将岩石滴形状，便可直接在照片上量出接触角。如果将岩石光片倾斜，再滴上液滴，就可以测出前进接触角和后光片倾斜，再滴上液滴，就可以测出前进接触角和后退接触角（见图退接触角（见图3-2-15）。）。 为了使测定的为了使测定的

48、接触角更接近油接触角更接近油层条件，可以将层条件，可以将矿物及液体置于矿物及液体置于承高压的透明小承高压的透明小室内，在不同的室内，在不同的地层温度、压力地层温度、压力条件下进行测量。条件下进行测量。图图320图图3-2-15 测定润湿接触角的方法测定润湿接触角的方法2自动吸入法自动吸入法 自动吸入法的原理如下自动吸入法的原理如下:将将饱和原油的岩样浸入水中（图饱和原油的岩样浸入水中（图3-2-16)，如果岩石亲水，则，如果岩石亲水，则水在毛管力的作用会自吸进入水在毛管力的作用会自吸进入岩石孔隙，而将孔隙中的原油岩石孔隙，而将孔隙中的原油驱替出来。驱出之油浮于仪器驱替出来。驱出之油浮于仪器顶部

49、，其体积可以直接在刻度顶部，其体积可以直接在刻度管上读出。管上读出。 图图3-2-16 吸入法测吸入法测岩石润湿性装置岩石润湿性装置 实验时，如果岩石吸水，表明岩石具有一定的亲实验时，如果岩石吸水，表明岩石具有一定的亲水能力。相反，如果把饱和水的岩样浸入油中，假若水能力。相反，如果把饱和水的岩样浸入油中，假若岩样亲油，就会发生油驱水的现象，此时将图岩样亲油，就会发生油驱水的现象，此时将图3-2-16的仪器倒置，驱出之水沉于底部，其量也可以直接在的仪器倒置，驱出之水沉于底部，其量也可以直接在刻度管中读出。实际测量时，将同一块岩样重复作吸刻度管中读出。实际测量时，将同一块岩样重复作吸水驱油和吸油驱

50、水实验，由于岩石润湿性的非均质性，水驱油和吸油驱水实验，由于岩石润湿性的非均质性，岩样往往既可以吸水，也可以吸油。若吸水量大于吸岩样往往既可以吸水，也可以吸油。若吸水量大于吸油量，则定岩石为亲水，反之，定为亲油。吸水量和油量，则定岩石为亲水，反之，定为亲油。吸水量和吸油量大致相等，则定为中性润湿。吸油量大致相等，则定为中性润湿。 它只能确定油层的相对润湿性。很多研它只能确定油层的相对润湿性。很多研究结果表明，在钻井、取心、岩石保存及实究结果表明，在钻井、取心、岩石保存及实验过程中，岩心的污染对润湿性影响很大，验过程中，岩心的污染对润湿性影响很大，往往可以完全改变原来的润湿性，从而大大往往可以完