油层物理3-3第三节润湿.ppt

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1、1,第三节 储层岩石的润湿性,主要包括以下方面：1岩石润湿性概念 2润湿滞后现象 3储层岩石的润湿性及其影响因素 4油水在岩石孔隙中的分布 5油藏岩石润湿性的测定,2,1、润湿现象,润湿现象是自然界中的一类自发现象。当不相混的两相流体(如油、水)与岩石固相接触时，其中的一相流体沿着岩石表面铺开，其结果也使体系的表面自由能降低，我们称这种现象为润湿现象。润湿是指液体在界面张力的作用下沿岩石表面流散的现象。,3,1、润湿现象,将一滴液体滴在玻璃板上，如果液滴（例如水滴）在玻璃板上迅速铺开，说明液体润湿固体表面；而如果液滴不散开（例如水银），则说明液体不湿润固体表面（如图）。,4,1、润湿现象,讨论

2、润湿现象时，总是指三相体系：一相为固体，另一相为液体，第三相为气体或另一种液体。某种液体润湿固体与否，总是相对于另一相气体（或液体）而言的。如果某一相液体能润湿固相，则另一相是不润湿固相的。,5,1、润湿现象,岩石润湿性是岩石矿物与油藏流体相互作用的结果，是一种综合特性。当不相混的两相流体(如油、水)与岩石固相接触时，其中的一相流体沿着岩石表面铺开，其结果也使体系的表面自由能降低，我们称这种现象为润湿现象。能沿岩石表面铺开的那一相称为润湿相。,6,2、润湿程度的衡量接触角,表示润湿程度的参数接触角或附着功接触角(也称润湿角)通过液-液-固（或气-液-固）三相交点做液-液（或液气）界面的切线，切

3、线与固-液界面之间的夹角称为接触角，用表示，并规定从极性大的液体一面算起。,油、水、储层岩石体系,空气、水、玻璃,空气、水银、玻璃,7,2、润湿程度的衡量接触角,油-水-岩石系统的润湿性：(1)当90时，水可以润湿岩石，岩石亲水或称水湿(2)当=90时，油、水润湿岩石的能力相当，岩石既不亲水也不亲油，即为中性润湿；(3)当90时，油可以润湿岩石，岩石亲油或称油湿,8,2、润湿程度的衡量接触角,通过分析我们不难得出几个结论：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。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（

4、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。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，或者说哪 一相液体容易沿固体表面流散。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

5、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。,9,接触角与界面张力的关系,润湿的实质某一流体润湿固体表面是各相界面张力相互作用的结果。是固体和液体两相界面张力的降低。,10,接触角与界面张力的关系,在三相周界点（O点）处产生了三种界面张力，即：气-液界面张力gL，气-固界面张力gs，液-固界面张力Ls。当三种表面张力之间达到平衡时，有：该式即著名的杨氏(Young-Kugpt)方程。,11,3、润湿程度的衡量附着功,衡量岩石润湿性大小的另一个指标是附着功或粘附功。附着功是指在非湿相流体(如气相)中,将单位面积的湿相从固体界面拉(离)开所作的功。使液滴脱离固体表面

6、所作的功转化为表(界)面能的增加量。,12,3、润湿程度的衡量附着功,在这一过程中，做功的能量转化为固体表面能的增加，设表面能的增加值为Us，则根据表面张力的概念，(gL+gs)Ls，故Us0，即体系的表面能增加，这个表面能的增量就等于附着功(或粘附功)，用符号W表示，有：由杨氏方程：,13,3、润湿程度的衡量附着功,由上式看出，角越小，附着功W越大，也即湿相流体对固体的润湿程度越好；因此，可以用附着功判断岩石润湿性的好坏对于油、水、岩石三相体系，当附着功大于油水界面张力时，岩石亲水；当附着功小于油水界面张力时，岩石亲油；当附着功等于油水界面张力时，岩石为中性润湿。,14,4、润湿反转现象,液

7、体对固体的润湿能力可因加入其它物质而改变。表面活性物质自发地吸附在两相界面上则使界面张力减小，因此，表面活性物质吸附于固体表面将使亲水性的固体表面向亲油性表面转化（如图上）。或者由亲油性的表面变成亲水性的表面（图下）。,15,4、润湿反转现象,砂岩颗粒(主要是硅酸盐)的原始性质是亲水性的，但砂岩表面常常由于表面活性物质的吸附而发生了润湿反转，变成亲油性。我们也可以根据润湿反转的原理采取措施来提高采收率，例如向油层注入活性水，使其中的表面活性剂按极性相近规则吸附第二层，抵消了原有活性物质的作用，以使亲油表面反转为亲水表面，使油容易被驱走，从而提高采收率。,16,4、润湿反转现象,转化的程度既与固

8、体表面性质和活性物质的性质有关，又和活性物质的浓度有关,17,二、润湿滞后现象,润湿滞后就是指在外力作用下开始运动时，三相周界沿固体表面移动迟缓而使润湿接触角改变的一种现象。如图所示，将原来水平放置的固体表面倾斜一个角度，可以发现，油-水-固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。在A点，水驱油时由于水占据了油原来的部分空间而形成的接触角称为前进角1在B点，油驱水时的接触角称为后退角2接触角间关系：1原始接触角 2。,18,二、润湿滞后现象,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；

9、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。根据不同情况所引起的润湿滞后现象不同，常将润湿滞后分为静滞后和动滞后两类。1.静润湿滞后：油、水与固体表面接触的先后次序不同而润湿角改变的现象，称为静润湿滞后或接触角滞后。实验发现：把水滴放到事先沉浸在石油中的矿物表面上所测得的润湿接触角w总是大于把油滴放到事先沉浸于水中的矿物表面上所测得的接触角。,19,1.静润湿滞后,原因：岩石表面非均质性、粗造度、表面活性物质在固体表面上的吸附层。结果：水驱油过程中，静润湿滞后水润湿岩石的能力洗油效率原油采收率静润湿滞后直接影响微观水驱油效率。研究表明，接触角滞后是引起毛管力滞后的主要原因之一。,20

10、,2.动润湿滞后：在水驱油或油驱水过程中，当三相周界沿固体表面移动时，因移动的延缓而使润湿角发生变化的现象叫动润湿滞后。原因：驱替压差（速度）特点：1、2随p 而变化：p 1,2滞后程度结果：当注水驱油速度过大时，弯液面运动速度就会超过该液体(水)润湿岩石表面的临界速度，水润湿岩石的能力()，水洗油效果此时润湿性发生反转，以致润湿作用不能很好发挥。水在孔道中流过之后，还会在岩石表面上留下一层油膜而不利于驱油。需设计合理生产压差,2.动润湿滞后,21,影响润湿滞后程度的因素,(1)润湿次序（静滞后）或三相周界的运动方向 湿相驱非湿相，1；非湿相驱湿相，22(2)三相周界移动速度（动滞后）v滞后程

11、度(3)固体表面吸附的活性剂量 活性剂吸附量滞后程度(4)岩石固体表面粗糙度 粗糙度三相周界移动的阻力滞后程度,22,三、储层岩石的润湿性及其影响因素,1、岩石的矿物组成 油藏岩石之间的润湿性存在着显著的差异.亲水岩石：90，烃类有机固体、金属硫化物等。粘土矿物对岩石的润湿性影响较大,如蒙脱石、泥质胶结物的存在回增加岩石的亲水性.而绿泥石粘土可局部改变岩石表面为亲油等等.主要矿物亲水性强弱次序：粘土石英石灰岩白云岩长石,23,2、油藏流体组成的影响,原油的组成非常复杂，按对润湿性的影响体现在三个方面:A、原油中主要成分即不同烃类(非极性)的影响随碳原子数的增加,接触角增大.B、原油中的极性物质

12、(各种含O、S、N的化合物)影响程度各不同,有的使润湿性发生转化,有的影响甚微 C、原油中活性物质的影响。石油中的胶质和沥青就是活性物质,它们很容易吸附在岩石的表面上使其表面成为油湿.且沥青的吸附十分强烈,常规的岩石清洗法都无法将其去掉.,24,2、油藏流体组成的影响,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。,25,3、表面活性物质的影响,随着浓度的增加，只发生润湿程度的改变，而不生润湿反转。,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

13、使岩石表面亲油化,润湿指数,润湿指数,1,-1,0,-1,1,0,油湿,水湿,浓度C,油湿,水湿,浓度C,随着活性剂浓度的增加，由亲油变为亲水，亲水变为亲油，发生了润湿反转,26,4、矿物表面粗糙度的影响,润湿滞后表面凹凸不平形角接触角改变影响流体润湿性。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。,27,5、岩石的非均质的影响,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

14、并不一定连续（图827）。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828所示。,28,界面张力及润湿角的测定,29,投影法,如图所示，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12mm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。,30,投影法,这种方法的特点：原理简单，测量过程和结果直观；测量条件要求严格。如矿物表面要十分光滑、洁净且没有污染；要求 恒温条件，因为温度变化会引起较大误差；测量时

15、间长，液滴稳定平衡时间需要几百到上千小时；该方法不能直接测量油层岩石的润湿接触角测量结果：接触角075为亲水，75105为中间润湿，105180为亲油,31,吊板法,32,自吸法（间接法）,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

16、能力。,（b）吸水排油（亲水岩石）,（a）吸油排水（亲油岩石）,33,自吸驱替法,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,34,实际测量时，将同一块岩样重复作吸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。它只能确定油层的相对润湿性。很多研

17、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，往往可以完全改变原来的润湿性，从而大大降低了这种测定方法的可靠性。因此，如何保证岩样不受污染，在地层温度，压力条件进行测量，是提高吸入法测量精度的关键。,35,四、油水在岩石孔隙中的分布,油水在岩石孔隙中的分布与哪些因素有关？储层岩石润湿性；流体饱和度的大小；饱和度变化的方向。,36,1、储层岩石润湿性的影响,润湿相力图占据颗粒表面及较窄小的孔隙角隅，非润湿相处于孔道中心。中性润湿岩石：部分岩石表面亲油，被油膜覆盖；其余亲水，被水膜包围。水湿岩石：水分布于大孔表面(水膜)和小孔中，油成孤滴状。油湿岩石：水分布于在大孔道

18、中央，油以油膜的形式附着于颗粒表面。,37,2、流体饱和度大小的影响,油、水饱和度均较高时，油、水各自形成独立的渠道，以渠道流的方式流动；各相流动渠道随其饱和度而。,38,2、流体饱和度大小的影响,水湿岩石SW低，润湿相水粘附于颗粒表面,成环状分布,不流动；相应的SO很高，油成迂回状连续分布于孔隙中间,在外压作用下成渠道流动；SW中，油水为迂回状分布，在一定外压下，油水可以同时流动；SW高，油成孤滴状分布，水成迂回状连续分布。,39,2、流体饱和度大小的影响,油湿岩石油水分布随饱和度的变化与水湿岩石相反。SO低，油以油膜形式附于颗粒表面,油成环状分布；SW很高,水连续分布于孔隙中间,在外压作用

19、成渠道流动。SO中，油水为迂回状分布，在一定压差下，沿各自渠道同时流动。SO高，水成孤滴状，油为迂回状，连续分布。,40,3、饱和度变化方向的影响,亲油油层注水：非湿相驱替湿相的过程驱替过程随着驱替过程的进行，湿相饱和度逐渐降低，非湿相饱和度逐渐增加；亲水油层注水：湿相驱替非湿相的过程吸吮过程随着吸吮过程的进行，湿相饱和度逐渐增加，非湿相饱和度逐渐降低。,41,注水时油水的分布,饱和历史：水油水亲水岩石，随含水饱和度增加，水除了附着于颗粒表面的水膜和边角处之外，还取渠道流动驱油。残余油占据死胡同孔隙及很细的连通喉道，有少部分的油被水分割成孤立的油滴。,42,注水时油水的分布,饱和历史：油水亲油

20、岩石，水首先取道于较大的流通性好的孔隙。继续注水时，才进入较小的孔道并使这些水侵小孔道串联起来，形成新的水流渠道。残余油除了一些停留于小的油流渠道内，其余的则在大孔道表面形成油膜。,43,3、饱和度变化方向的影响,岩石中等润湿性时，经水驱替后的残余油除了占据在死胡同孔隙中外，还有许多小油液粘附在孔隙的岩石壁上。油水在岩石孔隙中的微观分布不仅与油水饱和度的大小有关，还与饱和度的变化方向有关。,44,水驱后残余油分布,水湿岩石：孤立的油滴、油珠等形式存在(位于孔道的中心)。油湿岩石：以油膜形式存在(覆盖在岩石固体表面)。油水在岩石孔隙中的分布与岩石表面润湿性、油水饱和度的大小、饱和度的变化方向(饱

21、和流体的先后次序)有关。,45,润湿性对采收率的影响对一般均质润湿系统，水湿储层的采收率要比油湿储层高。这是因为，在水驱油过程中，亲水岩石由于注入水的自动吸入，可以减少粘滞引起的不同孔隙中液体流动速度的差异，克服粘性指进，使油水分布有利于水驱油，水所波及范围较大，水的润湿作用能充分发挥，因此采收率要高。,46,注水对岩石润湿性的影响,长期注水会导致岩石润湿性发生变化，例如大庆油田通过水淹区密闭取心发现，当油层含水饱和度超过40时，大部分岩石表面性质由原来的弱亲油转变为弱亲水；当含水饱和度超过60时，则全部转变为亲水性。这是由于注入水冲洗岩石表面，使表面油膜脱落，长石、石英表面呈现出本来的亲水性。这种润湿性转变的现象有利于提高水驱油效率、以及改善三次采油效果。,47,上述油水分布和流动规律，一方面取决于岩石表面润湿性，另一方面也取决于岩石孔道中的毛管压力。而毛管压力的大小和方向又取决于毛细管孔隙是亲水毛管还是亲油毛管。亲水毛管的毛管压力的方向与注水的驱动压差方向一致，此时毛管压力为驱油的动力；相反，亲油毛管的毛管压力与注水驱油方向相反，毛管压力为阻力。因此毛管压力的大小和方向，直接影响着流体在岩石中的流动，对于驱油有着重要的作用，为此将在下一章专门研究毛管压力。,