儲層岩石潤濕性是指液體在分子作用下在儲層岩石表面的流散現象。它取決於岩石-流體及流體之間的界面張力和極性物質在岩石表面的吸附等。
基本介紹
- 中文名：儲層岩石潤濕性
- 外文名：reservoir rock wettability
- 釋文：液體在岩石表面自動流散的特性
- 學科：油層物理
- 分類：完全潤濕、中間潤濕等
- 影響因素：礦物組成、流體組成等
觀點,潤濕分類,影響因素,潤濕角的測定,
觀點
儲層岩石的潤濕性是石油工程師長期關心、爭論和研究的問題之一。最初的一種看法認為，所有油藏岩石都是親水的，因為油藏岩石大都是在有水的環境中沉積成岩的，而組成岩石的各種礦物新鮮表面也是親水的，持這種觀點的多是地質學家。
其後有一種觀點認為油藏岩石都是親油的，其依據是儘管組成岩石的各種礦物是親水的、儲油層岩石雖然也是在水的環境中形成，但在油藏形成後，岩石表面長時間與油接觸，原油中的活性物質會吸附在岩石表面上，從而使岩石表面已經轉化為親油。
隨著對油層潤濕性研究的不斷深入，研究成果越來越多，人們逐漸認識到：
（1）實際油藏形成和沉積條件不同，岩石和原油物性差異很大，所以不能一概而論。也就是說有的油藏岩石親水，有的油藏岩石親油。例如二十世紀70年代初的統計資料表明，全世界深度不同、地層油性質不同的50多個開發著的油藏：27%的油藏岩石是親水的（θ=0～75）,66%是親油的（θ=105～180），餘下的7%是中等潤濕性（θ=75～105）。
另一篇相同性質的報告表明，油藏岩石水濕占26%，油濕的占27%，中等潤濕的占47%。
從上述兩篇報告可以看出，油藏岩石親水的是少數，兩篇報告的百分比也是接近的；對於油藏岩石親油的，兩篇報告的百分比雖然差距較大，但是可以說不是少數。
（2）即使對一個油藏而言，儲層岩石還可能具有微觀非均質性。由於實際岩石表面粗糙不平，岩石孔隙內各處的礦物組成不同，加之原油組成的複雜性，因而岩石潤濕性在各處也在差異，出現了非均質潤濕性。表現為部分表面為水濕，其餘部分為油濕。
非均質潤濕性又分為二種情況：斑狀潤濕（又稱部分潤濕或斑塊潤濕）和混合潤濕。斑狀潤濕是指在同一岩樣的表面上由於礦物組成不同表現出不同的潤濕性，油濕或水濕表面無特定位置，就單個孔隙而言，一部分表面為強水濕，其餘部分則可能為強油濕，而且油濕表面也並不一定連續（圖1）。
混合潤濕是指在大小不同的孔道其潤濕性不同，小孔隙保持水濕不含油，而在大孔隙的砂粒表面由於與原油接觸常是親油的，油可連續形成渠道流動，如圖2所示。
潤濕分類
在固體表面上滴一滴液體，這液滴可能沿固體表面散開，如圖a所示也可能以液滴形狀存在於固體表面如圖b所示。前者稱為液體潤濕固體表面，後者稱為液體不潤濕固體表面。
液體對固體的潤濕程度通常用潤濕角(或接觸角)θ表示。
潤濕角是指過三相周界點，對液滴界面所做切線與液固界面所夾的角稱為潤濕角。θ角一般規定從極性大的液體一面算起。
θ=0°表示液體完全潤濕固體；
θ<90°表示液體潤濕固體；
θ=90°表示中間潤濕；
θ>90°表示液體不潤濕固體；
θ=180°表示液體完全不潤濕固體。
影響因素
油藏岩石的潤濕性是一個極複雜的問題，有的表現出親水性，有的又表現親油性，甚至混合潤濕性，究其原因主要取決於以下因素：
1、岩石的礦物組成
油藏岩石主要為砂岩和碳酸鹽岩兩類。後者的礦物組成比較簡單，主要為方解石和白雲岩；而砂岩則是由不同性質和晶體構成的矽酸鹽礦物，如長石、石英、雲母及粘土礦物和硫酸鹽（石膏）等組成。因為構成砂岩礦物組成的多樣性，使得砂岩的表面性質、潤濕性要比碳酸鹽複雜的多。
根據潤濕性的定義，可將岩石礦物分為兩類：一類是親水的礦物，如石英、長石、雲母、矽酸鹽、玻璃、碳酸鹽、矽鋁酸鹽等，水滴在這些礦物表面上的潤濕接觸角θ<90；另一類是親油的礦物，主要有滑石、石墨、烴類有機固體和礦物中的金屬硫化物等。
粘土礦物對岩石的潤濕性影響較大，例如蒙脫石是吸水的，故泥質膠結物的存在會增加岩石的親水性。而含有鐵的粘土礦物，如鮞狀綠泥石粘土(Fe3AL2S4Ol0·3H2O)中的鐵可以從原油中吸附表面活性物質，當其覆蓋在岩石顆粒表面時，可以使岩石局部表面向親油方向轉變。
2、油藏流體組成的影響
原油的組成非常複雜，按對潤濕性的影響其物質可分為三類
（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）原油中的極性物質或稱活性物質。
對於非極性的烴類而言，含碳原子數不同的烴類，它們的非極性程度也不同。戊烷、己烷、辛烷和十二烷分別與聚四氟乙烯光滑表面的接觸角見下表。可以看出：原油中烴類所含碳原子數越多，接觸角就越大。
烴 類 | 戊 烷(C5H12) | 己 烷(C6H14) | 辛 烷(C8H18) | 十二烷 (C12H 26) |
前進角(度) | 0 | 8 | 26 | 42 |
對原油中的極性物質而言，它們對各種礦物表面的潤濕性的影響主要取決於極性物質的多少和性質。有的能使潤濕性發生轉化，完全改變岩石的潤濕性，有的影響程度則相對較輕微。右圖表示對同樣石英礦物表面，當原油的組成不同時，潤濕接觸角也不同。當油相為異辛烷時，水能潤濕石英表面；當油相為異奎啉時，水卻不能潤濕石英表面；當油相為環烷酸時，其接觸角為35°，水能潤濕其表面。
因此，在同一表面上，油的性質不同，其潤濕性可能為親水性，也可能為親油性。另外，石油中的極性物質——瀝青質，它很容易吸附在岩石表面上使其表現出親油性，且瀝青質的吸附性很強，常規的岩心清洗方法都無法將它洗掉。
3、表面活性物質的影響
表面活性物質吸附到岩石表面，可以使岩石的潤濕性發生變化，甚至潤濕反轉，因此它對岩石潤濕性的影響比極性物質的影響還要大。目前，在注入水中添加一定量的表面活性劑來降低油水的界面張力和改變岩石的潤濕性，正是利用上述性質來提高洗油效率的方法。
地層水中的表面活性物質能吸附於岩石表面上，吸附量會隨水中電解質的增加而減少。另外，存在於水中的某些金屬離子也會改變岩石的潤濕性，如水中加入10mg/L銅離子，測定其潤濕接觸角，將會使某些岩石的潤濕性由親水轉向親油。
4、礦物表面粗糙度的影響
實際岩石孔隙或岩石表面粗糙不平，導致了各處的表面能的不均勻，因此岩石的潤濕性在各處也有差異，出現斑點狀潤濕和混合潤濕。實驗表明，當潤濕周界接觸到稜角時，就會在稜角處遇到很大阻力，此時在稜角與三相潤濕周界接觸處的接觸角還應加上形角τ的值，這樣才能合理地反應潤濕滯後現象。形角越大，潤濕滯後現象越嚴重。
此外，潤濕性和孔隙結構、溫度、壓力等也有一定關係，但有的研究表明，溫度和壓力對油層潤濕性影響不大。總之，岩石的潤濕性是岩石與地層中流體相的互作用的結果，是岩石-流體的綜合特性。
潤濕角的測定
由於油藏岩石潤濕的複雜性，至今尚無一種滿意的測定方法能夠比較準確地得到油藏岩石的潤濕性。目前，普遍使用的測定岩石潤濕性的方法主要有兩類:直接測定法和間接測定法。
1、直接法——測潤濕角法
測潤濕角的方法主要有光學投影法和吊板法。
（1）光學投影法
將被測礦物磨成光面，浸入油(或水)中，如圖所示，在礦物光面上滴一滴水(或油)，直徑約1mm，然後通過光學系統，將液滴放大、投影到螢幕上，拍照後便可在照片上直接測出潤濕角，如圖所示幾何關係，潤濕角為:
（2）吊板法
右圖是吊板法測岩石潤濕角的裝置圖。
測量前吊板在油中處於平衡狀態，調整旋鈕使其受力為零，調整試樣器高度微調旋鈕9，使油水界面剛好與吊板底部接觸，由於各界面張力在三相周界點爭奪的結果，使吊板受到向下的拉力F，待受力穩定後有:
式中L為吊板周長。
2、間接法——自吸吸入法
（1）自動吸入法
右圖是自動吸入儀簡圖。將已飽和油的岩樣放入吸水儀中，然後將儀器內充滿水。若岩石親水，在毛管力作用下，水將自動吸入岩心並將岩心中的油驅替出來。驅出的油浮於儀器的頂部，其體積由刻度尺讀出。岩心吸水，則表明有一定的親水能力。同理，如果將岩心飽和水放入吸油儀中，然後使儀器內充滿油，若發生自動吸油排水現象，則表明岩心也有親油能力，驅出的水沉於儀器底“部，由刻度尺讀出水量。
（2）自吸離心法
自吸離心法的測定程式是將飽和水的岩樣用油驅替到束縛水飽和度，再將岩樣浸入水中浸泡20h，測出岩心自動吸水排油量Vo1。然後再將浸泡在水中的岩樣用離心機吸水排油，並測出靠離心力排出的油量Vo2稱為離心吸水排油量。
自動吸水排油量Vo1與離心吸水排油量Vo2代表了總的水驅油毛管體積。潤濕程度則採用自動吸水量與總的可驅替的毛管體積之比值(水濕指數Ww）來判斷，即:
同理，將殘餘油狀態下的岩心放入油中20h,測自動吸油排水量Vw1再放入油中在離心條件下吸油排水，測離心吸油排水量Vw2，則油濕指數Wo為：
對比水濕指數和油濕指數就可確定岩石的潤濕性。
