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油层物理学课件. 成都理工大学 能源学院. 第三章 饱和多相流体时岩石的物理性质. 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。
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油层物理学课件 成都理工大学 能源学院
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界面关系，它直接影响流体在孔隙中的分布和渗流。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。 • 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 表面张力和表面能 • 度量分子－表面现象的物理性质是表面张力和表面能，并由表面张力过渡到润湿性。 一 表面张力和表面能的基本概念
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“相”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。其界面分子的受力状况如图3-1-1所示。 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“相”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。其界面分子的受力状况如图3-1-1所示。 图3-1-1 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。作用于表面层分子上的力都指向水的内部和沿着分界面的方向。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。 • 在构成1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〔达因／平方厘米〕或〔公斤／平方厘米〕量度。分子压力的大小取决于它的物理化学性质。 • 厚度等于分子间相互作用力的作用半径的分子层，称为表面层。
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，把分子从液体内部移入表面层。这些功就转化成表面层的能量－表面能。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，把分子从液体内部移入表面层。这些功就转化成表面层的能量－表面能。 • 刚刚形成的1平方厘米表面所带有的功，称为比自由表面能或表面张力( ): • 或
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（ ）、油－气（ ）、气－水（ ）、油－岩石（ ）、水－岩石（ ）和气－岩石（ ）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3-1-1、表3-1-2)。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，不同物质之间具有不同的表面张力（表3-1-1、表3-1-2)。 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
表3-1-2 水及水银与不同物质接触时的表面张力值
二 流体的极性 • 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体上的分子间力的强度单位，称为液体的极性。 • 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，液体分子的结合强度及介电常数就增大，而压缩性则变小。 • 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。
结 论： • 各种石油与水接触时的表面张力值不同，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，流体的极性是决定它们之间表面张力的内在因素。
三 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。 • 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。
在表3－3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。 在表3－3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。 表3-1-3 在各种温度及压力下，水与气体分界面上的表面张力值
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，致使油和水的极性差变大，油－水的表面张力也随之增大。 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，致使油和水的极性差变大，油－水的表面张力也随之增大。
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间力增大，油－水界面上的表面张力也将随之降低。 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间力增大，油－水界面上的表面张力也将随之降低。
在有溶解气存在的情况下，油水表面张力与压力的实验关系如图3-1-2所示。在有溶解气存在的情况下，油水表面张力与压力的实验关系如图3-1-2所示。 图3-1-2 在有溶解气的条件下油水表面张力与压力的关系
四 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，而过少时则称为负吸附。
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：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： • 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。 • 2.表面物质成份也不均一，固体的吸附具有选择性。固体表面的不同部位其吸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； • 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。 • 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溶物质。
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0.001微米－0.21微米。不同固体表面和液体（气体）的吸附层厚度如表3-1-4所示。研究指出，这种吸附层．是十分牢固的，在一般压力差下是不能除去的，水被吸附在岩石颗粒表面常形成不可流动的束缚水。 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0.001微米－0.21微米。不同固体表面和液体（气体）的吸附层厚度如表3-1-4所示。研究指出，这种吸附层．是十分牢固的，在一般压力差下是不能除去的，水被吸附在岩石颗粒表面常形成不可流动的束缚水。
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。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时，如NaCl、MgCl2、CaCl2等则可提高其表面张力。 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。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时，如NaCl、MgCl2、CaCl2等则可提高其表面张力。
五 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、液滴重量法、悬挂液滴（气泡）法、液滴（气泡）最大压力法、吊板及吊环法等等。 • 液滴重量法，在重力作用下，一个液滴要脱离毛细管末端，必须克服表面张力。即液滴重量G应和表面张力σ成正比，即
测定仪器如图3-1-4所示：。 图3－3
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d1，以及距离液滴顶端为d1处的直径d2，根据下面的公式计算表面张力 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d1，以及距离液滴顶端为d1处的直径d2，根据下面的公式计算表面张力
图3-1-6 施于一定压力使气泡脱离 • 悬挂液滴法即液滴（气泡）最大压力法。 • 当毛细管末端的液滴（或气泡）需要施加一定压力才能使液滴（或气泡）脱离时，则所施加的压力与表面张力成比例（图3-1-6）。测量液滴（或气泡）脱离时的最大压力，可以计算表面张力。
图3-1-7液滴气泡最大压力法测表面能力示意图 • 图3-1-7是用液滴（气泡）最大压力法测定表面张力装置的示意图 图3－6
六 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 • 斯坦丁(Standing, M.B.）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－水和油－水之间的界面张力，其测定结果如图3-1-8所示。根据实验确定的地层条件下的气－水表面张力一般在30～50达因／厘米，油－水界面张力则在30～35达因／厘米。当温度超过1500F，以及压力超过40MPa时，在实验室内没有得出分析结果。
图3-1-8 表面张力或界面张力 作为温度与压力的函数 图3-7
图3-1-9 不同温度和压力下甲烷－ 水界面张力的诺模图 2. 地层条件下气－水界面张力的确定 • 在大气温度和压力下，甲烷气－地层水的界面张力约为70达因／厘米。随着温度的变化，在压力增高每0.68MPa时，气－水界面张力降低5－10达因／厘米。随着压力的不同，在温度增加时气－水界面张力约降低0.1～1.0达因／（厘米·°F）。已作出温度和压力对甲烷－水系统影响的诺模图（图3-1-9)，可以估算一定的地下温度和压力下的甲烷－水的界面张力。 图3－8
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1ºF温度时减少0.1达因/厘米。例(1)：界面张力不知，温度17ºF，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（70ºF 时平均值），温度150ºF，地下界面张力20达因/厘米（Schowalter, 1979） 3．地层条件下油－水界面张力的确定 • 如果所研究的油－水系统只有在地表温度下测定的界面张力值，那么，根据估算油藏温度下的油水界面张力的诺模图（图3-1-10），可以查出在地层温度下的油－水界面张力。
下面列出一些数据，反映了国内外油气田的界面张力值（表3-1-5)。下面列出一些数据，反映了国内外油气田的界面张力值（表3-1-5)。 表3-1-5 国内外部分油田的油水界面张力值
第二节 润湿性 一 润湿作用 • 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，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，则称为该种液体不润湿固体表面。
在讨论润湿作用时，总是指“三相”体系，其中一相是固体，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，这一现象称为选择性润湿。图3-2-2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。 在讨论润湿作用时，总是指“三相”体系，其中一相是固体，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，这一现象称为选择性润湿。图3-2-2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。
图3-2-2油－水－固体接触的情况 图3-2-1液体对固体表面的润湿作用
二 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，图3-2-1和图3-2-2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0°变化到180°。 • 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。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夹角，亦即润湿接触角。
当附着张力A是正值时，此时 <90°，表示水有选择地润湿固体表面；而当附着张力A是负值时，此时 >90°，表示油是有选择地润湿固体表面。如果附着张力A＝0，则两相具有相同润湿固体的能力（或称中性）。 当附着张力A是正值时，此时 <90°，表示水有选择地润湿固体表面；而当附着张力A是负值时，此时 >90°，表示油是有选择地润湿固体表面。如果附着张力A＝0，则两相具有相同润湿固体的能力（或称中性）。
三 不同固体表面对不同油和水两相系统的润湿性 • 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，以及多种多样的两相流体组合，它们都会影响岩石的润湿性。 • 图3-2-3表示不同固体表面对不同油和水两相系统的润湿情况。
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 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，均可影响润湿接触角及它们的界面张力。
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，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，对于两种流体相，可以分别称为润湿相和非润湿相。 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，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，对于两种流体相，可以分别称为润湿相和非润湿相。
图3-2-4润湿滞后的前进角θ1 和后退角θ2 四 润湿滞后 将固体表面倾斜一个角度α，则发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θ1>θ，油驱水的θ2<θ。θ1称为前进角，θ2称为后退角。θ1>θ>θ2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。
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 。
图3-2-7固体尖棱的接触角θ和形角τ 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θ看来还应加上“棱角τ”才能反映滞后情况，棱角越大滞后也越大。
五 实际油层的润湿性 • 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 • 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小滴（图3-2-8)。
图3-2-8 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 θA：前进接触角θR：后退接触角 （Morrow, 1976） 对于大多数实际的油层情况，由于流体不可避免要被污染，或者是由于固体表面粗糙不平，这种润湿滞后现象不可避免地会产生，而且其前进接触角 总是 大于后退接触角 的。 图3－13
图3-2-9 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），θA>θR， b．两支可变断面的毛细管（管壁粗糙），φA>φR， （Morrow, 1976） 图3-14
孔隙－喉道通常是可变断面的。在光滑的可变断面孔隙中，流体在毛细管中的排驱和吸入同样会发生润湿滞后（图3-2-10)。如果定义光滑、清洁的固体表面的流体接触角为 ，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，校正后的数值等于（ － ）；而在吸入过程中，同样，校正后的数值等于（ ＋ ） 。其中是孔隙为圆锥形时的半锥角。
图3-2-10 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， b．光滑表面，孔隙为圆锥形时的毛细管滞后， （α是圆锥形孔隙的半锥角；θE是光滑表面的清洁流体的接触角）（Morrow, 1976） 图3－15
Treiber等（1972 )和Morrow（1976)按流体的前进接触角和后退接触角对55个储油层进行的定量分类（表3-2-1)。 表3-2-1 流体在光滑矿物表面的润湿角及其分类
