第一节 储层岩石的润湿性

第三章储层岩石中多相流体的渗流特征（23学时）第一节储层岩石的润湿性（6学时）

一、教学目的

了解流体润湿性的概念，润湿滞后现象以及其影响因素。掌握判断岩石润湿性的方法。了解岩石润湿性与水驱油的相互关系。

二、教学重点、难点

教学重点：

1、岩石润湿性的判断及测定；

2、润湿滞后现象；

3、润湿性对油水的分布和驱油效率的影响。

教学难点

1、岩石润湿性的测定；

2、润湿滞后现象分析。

三、教法说明

课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的数据和图表

四、教学内容

本节主要介绍八个方面的问题：

一、润湿现象（润湿性）的含义

二、结合功和附着功

三、润湿接触角

四、影响润湿性的因素

五、润湿滞后现象

六、油藏岩石的润湿性

七、润湿性的测定方法

八、润湿性对油水分布和驱油效率的影响

（一）、润湿现象（润湿性）的含义

润湿性：非混相流体在固体表面上的流散现象。

通过分析我们不难得出几个结论：

①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。

②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（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。

③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。

④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。

（二）、结合功和附着功

结合功——将面积为1cm 2的纯液体拉开所需做的功

如图所示，设有面积为的两块同种液体，在未接触之前它们都与其蒸汽相接触，在这两个面积上的（阴影部分）总表面做为2σLg ，接触之后，由于同种液体结合在一起不构成界面，所以当两者结合之后，整修体系的自由能减少了。

附着功——将截面积为的固液界面拉开所需作的功

如图所示，设接触面积为1cm 2，那么在液体和固体未分开之前，系统在接触面（液固）上的自由能为σSL ，当液体和固体分开之后，

其自由能变为σlg +σsg 这就是说，要想把液体从固体表面上剥走，就

必须做功，所做的功为：

即为附着功或粘附功

液 液 液

需做功

释放能量

Lg

LL 2W σ==结W Ls

Sg Lg W σσσ-+=附

不难看出，附着功W 附越大，表示要把液体从固体表面上剥下来所需做功越多，这就是说液体越不容易从固体表面上剥下来，却固体表面越亲该液体，或者说该液体在固体表面上的润湿性越强，所以说，附着W 附可以表示该液体在固体表面的润湿能力。

（三）、润湿接触角

如图所示，当液滴在固体表面呈平衡状态时，A 分子在固体表面处于平衡状态之时，A 分子受三个界面张力作用而平衡，三个界面张力分别垂直于三相周界的接解线，并分别处于三个界面的平面中。过A 点作两液体界面的切线，比切线同固体表面形成两个夹角θ和θ’，他们的和为1800，我们把自固液界面经过液体内部到汽液界面的夹角叫做接触角，而把自固液界面经过汽相到汽液界面的夹角不叫接触角，如图中所示，θ为接触角，θ’不为接触角。但是，如果处于固体表面的不是液体同它自身的蒸汽，而是两种互不相溶的液体，那么接触角θ应该是从极性大的一相量起，或者是从密度大的那一相量起。

根据力的平衡条件有：

lg lg cos cos σσσθσθσσls sg ls

sg -=+=

这就是有名的杨——裘皮公式

固 需做功 气 固

双：

sl sg W σσσ-+=lg 附

()θσθσσcos 1cos lg lg lg +=+=∴附W

其中：

θσcos lg ——称为附着张力或润湿张力它是指液体对固体表面的选择性润湿所导致的汽固界面比表面能的减小，这一点恰与任何自由能都趋于最小的热力学性质是一致的。所以，润湿的实质就是固体表面能的减小。固液相界面的极性差越小，其自由表面能也越小，固体则越为液体所润湿。

从()θσcos 1lg +=附W 可以看出，某一种液体在固体表面是否润湿，完全可以用润湿接触角来判断即

①θ=0时，cos θ=1

结附W W ==lg 2σ

液体在固体表面的附着功等于液体本身的结合功，也就是说液体与固体表面的吸引力等于液体本身的吸引力。这时，液体在固体表面上就象在液体本身表面上一样，此时液体在固体表面上完全铺展，称完全不润湿。

②θ=1800时，W 附=0

即从固体表面把液体剥下来，不需要做功。即固体对液体分子没有吸引力。因而液体在固体表面上完全不粘附，即完全不铺展，称完全不润湿。

对于实际情况来说，液体同固体分子多少总有一点吸引力，所以一般来说，00<θ<1800，且θ越小，则粘附功越大，即润湿性越好。

（四）、影响润湿性的因素

润湿现象是三相接触周界上自由表面能的一种表现形式，是指当有两种流体和固体表面三相同时存在时才会发生的一种表面现象。因此，影响润湿性的因素都与这三相的特性变化有关。

1、岩石矿物成份的影响

油芷中大多数造岩矿物都是亲水的固体，但它们的润湿程度并不相同。有机物质（如石蜡、硬脂酸）和金属硫化物（ZnS）等亲油固体，所以如果岩石中含有较多的物质将会使颗粒表面局部亲油。

粘土矿物，特别是蒙脱石；泡质胶结物的存在都会增加岩石的亲水性。

总而言之，矿物成分的复杂性和非均质性可能导致岩石各部分的润湿性不尽相同。

2、流体性质的影响

下图为水和四种不同的油分别在石英和方石表面上的润湿情况（实验所得）：

从上图不难看出：同样都是石英表面，当油相为异辛烷时，θ=300，属于亲水；但当油相为异硅标时，θ=1580，属憎水，原因是异奎标是含极性分子的化合物，所以可以明显地使石英表面亲水转变为亲油。

当油相均为环烷酸时，水只能润湿石英表面（θ=350），而不能润湿方解石先面（θ=1060），原因是方解石同环烷酸的亲和力特别好，所以说同一固体表面不同的液体组合接触角不同。同组流体在不同的

矿物表石接触角也不同。对于油芷来说，岩石的矿物多种多样，石油中所含组分又相当复杂，而且会变化不定，加上地层中矿化度的变化，所以就使得实际油芷的岩石——油——水系统中的选择性润湿具有多样性和复杂性。

3、饱和顺序对润湿性的影响

所谓饱和顺序实际就是指饱和油水的先后顺序，它对润湿性也有影响。我们所开发的油藏，绝大部分都是属于水相液积，这就是说，在先的岩石孔隙中，水首先占据了岩石的表面和小孔道，当后运移而来的油接触到岩石表面之后，很难克服岩石和水的结合力而将水排走，因此造成绝大多数的储油岩都是亲水的。

4、表面活性剂的影响

极性物质的存在会对石油在矿物上的润湿性生产复杂的影响。甚至还会使岩石表面的润湿性向着对立面方向转化，即亲油——亲水，亲水——亲油。

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使岩石表面亲油化

活性物质在固体表面上的吸附使润湿性发生转化的程度，往往与溶液中表面溶性物质的浓度有关，同时也与固体表面性质、活性剂性质有关。

随着表面活性物质浓度的增加，无论是亲油还是亲水，其润湿性都向立面发生变化。但是并不一定发生反转。同时，润湿性发生改变的幅度是浓度较低时大，浓度较高时变化小。

5、其它因素的影响

除了上面讨论的几种影响因素之外，岩石表面活性物质浓度的增加，无论是亲油还是亲水。其润湿性都向对立面发生变化。但是并不一定发生反转。同时，润湿性发生改变的幅度是浓度较低时大，浓度较高时变化小。

（五）、润湿滞后现象

润湿滞后实际上是指：当三相周界沿固体表面移动时，不能立刻达到平衡而发生的一种滞迟现象。

也可以说是三相接触周界的交点沿固体表面移动的迟缓现象。

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；

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。

润湿滞后的分类:

(1) 静润湿滞后

(2) 动润湿滞后

（六）、油藏岩石的润湿性

鉴于储油层岩石润湿性的复杂性，所以通常将油层的润湿性划分为三类，即：

亲水、亲油、中间润湿

分类标准有两种：

①根据实验润湿接触角的大小来进行分类：

（1）最初人们是根据静平衡接触角来分类的：

θ>900 亲油

θ>900 亲水

θ>900 中间润湿

近些年来，人们认识到油层的注水动态主要决定于动接触角，因此出现了不同的分类方法：

（2）Treiber 等人规定了用前进角来分类的范围：

?????---亲油

中性润湿性亲水000

00

118010510575750θ 根据这种分类方法，他将所研究的55个油田进行了分类，即： 66%亲油 7%中间润湿 27%亲水

（3）N.R.Morrow 提出了根据毛管自发吸入的行为进行分类的方法，他认为：

a ．当前进角θ1=0-620时，水能自发吸入，亲水

b ．当θ1>620，θ2<1330时，中间润湿，此时，无论是油还是水都

不能自发吸入。而最初饱和岩心的流体总是留在较小的孔隙里或呈悬环状存在于较大的孔隙的拐角、喉道处。

c ．当θ2>1330时，油能自发吸入，亲油

根据Morrow 的这种分类方法，将前面提到的55个油田重新进行分类得：

7%亲油 67%中间润湿 26%亲水

这种分类法比较受吹迎。

②根据储油岩石的吸油、吸亲量大小进行分类

由于前面的接触角法是建立在岩石具有均匀润湿的基础之上的，加上接触角的测量精定往往很难保证，并且考虑到实际油芷的润湿性往入都是非均质的，所以用吸入法分类标准比较能够反映油层的真实情况。此法的分类原则：

为偏亲油非均匀润湿性

为偏亲水非均匀润湿性

（七）、润湿性的测定方法

测定润湿性的方法:

用于测量润湿性的方法很多，根据测量原理的不同可以分为四大类：

①光学接触角法

②基于毛细管力作用的方法，如何莫特法，自动吸入法、离心

机法

③基于吸附原理的染料吸附法

④核松驰法

⑤其它方法

（八）、润湿性对油水分布和驱油效率的影响

（一）润湿性对油水分布的影响

油水在岩石孔隙内的静态分布完全是受润湿性的控制。在水驱油过程中，油水在岩石孔道中的动态分布在很大程度上也受润湿性的控

制和影响。润湿性直接影响着束缚水饱和度、残余油饱和度、水驱油效率、毛管压力、相对渗透率曲线、水驱动态和电阻率。

下面即表示油水分别在亲油和亲水的岩石表面的静态分布情况。

如果岩石表面是亲水的，水则附着于颗粒表面

a．当含水饱和度较低时，水便围绕颗粒接触点形成一个水环，称之为“环状分布”。

由于此时含水饱和度非常小，这些水环既不能相互接触，又不能连通起来，因此，是不能流动的，亦就是说它们是束缚水存在的一处形式；与此同时，油则处于“迂回状”分布连续存在于孔隙中间，在存在压差之下形成渠道参与流动，这里所说的迂回状是指液体连续地沿颗粒盘绕迂回。

b．当含水饱和度增加时，水环的大小也随之增加，直到增大到水环彼此连通起来成为“共存水”的一种形式，它能否流动还要看具体存在的压差大小。高于这一饱和度之后，水则成为“迂回状”分布能参与流动，很显然在b这种情况下，油水都是拟“迂回状”分布的，当有压差存在时，油水均能参与流动。

c．随着含水饱和度的进一步增加，最后油则失去连续性并破裂成油珠，称为“孤滴状”分布，此时流滴虽然悬于水中能靠水流将其带走，但它很容易遇到狭窄的喉道而受阻，对液流产生阻力，这一点我们还将在毛管现象这一切中作进一步说明。

当亲石表面亲油时，油水的分布状态正好与上述情况相反。

下面两组图分别给出了油芷岩石表面亲水和亲油的情况下注水

过程中的油水分布情况。

从图中我们可以看出：

在被小喉道包围的大孔隙和小大孔隙族是最容易形成残余油非润湿相的孔隙空间。

在亲水或亲油油芷中残余油的存在形式是不尽相同的，前者是以油珠形式存在于大孔隙的中央，而后者则是存在于小的油流渠道和大的水流渠道固相的表面上。

综上所述我们不难看到，油水在岩石孔隙空间的分布不仅与油水的饱和度大小有关，而且还与饱和度的变化方向有关系。

从图中我们可以看出，由于饱和顺序不同（左边的饱和顺序或饱和历史（Saturarion History）为先油后水，右边的饱和顺序为水——油——水），即使是饱和度相同，但油水在孔隙中的分布状态是不同的。

（二）润湿性对残余油饱和度的影响

通常，人们认为：亲水岩石的残余油饱和度低，亲油岩石的残余油饱和度高，原因是：

1）亲水岩石表面不附粘油膜，水洗油干净，而亲油岩石表面油不易被洗净，而是粘附于岩石颗粒表面。

2）从油水的分布来看，亲水岩石中存在于较大的孔隙内，而大孔隙往往是连通性好，处在其中的油往往容易被驱出来，亲油岩石则不然。

3）亲水岩石低渗透率部位和小孔隙族，都有较强的自发吸水能

力。处于这里面的油可以依靠毛管力的自吸作用采出一部分，弥补了粘滞力大，不容易驱到的地方。因而扩大了宏观和微观的波及体积，而亲油岩石则不存在这一问题。

4）亲水岩石，水驱油活塞性强，而亲油岩石水驱油非活塞性强，那么在相同采油量的条件下，亲油岩石比亲水岩石的耗水量大。

上面讨论了润湿性对油水分布和残余油饱和度的影响，除此之外，润湿性对毛管压力、相对渗透率、水驱特性、电特性等都有影响。

五、教学后记

通过本节课的学习，大多数同学了解了润湿性的概念，掌握了如何判断储层岩石润湿性的方法，及其影响因素；了解润湿滞后现象和他产生的原因。能够根据岩石的润湿性来判断油水在岩石空隙中的大概分布形态。极少数没懂的同学可以通过答疑解决。

六、教学参考书

1．何更生编．油层物理．石油工业出版社

2．洪世铎编．油藏物理基础．石油工业出版社

3．秦积瞬、李爱芬主编．油层物理学．石油大学出版社

4．罗挚谭编．油层物理．地质出版社

5．威廉.麦凯恩编．石油流体性质. 石油工业出版社

七、复习思考题

1、何谓润湿，润湿性？影响润湿性的因素有哪些，如何影响？

2、润湿接触角是怎样规定的？如何根据它来判定储层岩石的润

湿性（亲水，亲油，或中性）？

3、什么叫静润湿滞后，动润湿滞后？请各举一例加以说明。