油層物理-楊勝來-第8章

1、第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 第三篇第三篇 儲(chǔ)層中多相流體的滲流機(jī)理儲(chǔ)層中多相流體的滲流機(jī)理 儲(chǔ)層流體物性儲(chǔ)層流體物性 儲(chǔ)層巖石物性儲(chǔ)層巖石物性 儲(chǔ)層中多相流體的滲流機(jī)理儲(chǔ)層中多相流體的滲流機(jī)理 一般說來油藏中單相流體的情況極少，大多存在不互溶的油、水兩相流體或是油、氣、水三相流體。第三篇 儲(chǔ)層中多相流體的滲流機(jī)理 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 1、流體與巖石、流體與流體的接觸面積相當(dāng)大 油藏巖石是比面極大的多孔介質(zhì)，即使孔道中只含有一相流體時(shí)，它與巖石孔隙的

2、接觸面積已經(jīng)相當(dāng)大。 而當(dāng)油藏流體以油、氣、水兩相或三相同時(shí)存在于巖石孔隙中時(shí)，在各相流體之間、流體與巖石顆粒固相間就存在著多種界面水和巖石、油和巖石、油和水、油和氣、氣和水等多種接觸面，這些界面總面積極大。第三篇 儲(chǔ)層中多相流體的滲流機(jī)理 儲(chǔ)層中多相流體的特點(diǎn)儲(chǔ)層中多相流體的特點(diǎn)第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 2、與兩相界面有關(guān)的問題 各相流體之間、流體與巖石表面之間兩相界面分子的相互作用造成了有關(guān)界面性質(zhì)的很多問題： 水驅(qū)油問題、 油水界面時(shí)的毛細(xì)管附加阻力問題、 互溶混相驅(qū)油時(shí)的油水界面消失的問題。3、與表面或界面性質(zhì)有關(guān)

3、 界面張力、吸附作用、油水對(duì)巖石孔隙表面的有選擇性地潤濕等現(xiàn)象。加上油藏巖石的孔隙孔道很小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又會(huì)引起毛細(xì)管現(xiàn)象、各種附加阻力效應(yīng)等等，從而對(duì)油藏流體的分布和流動(dòng)有重大的影響。第三篇 儲(chǔ)層中多相流體的滲流機(jī)理 儲(chǔ)層中多相流體的特點(diǎn)儲(chǔ)層中多相流體的特點(diǎn)第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 由于界面現(xiàn)象與兩相內(nèi)部及界面的分子力有關(guān)，我們必須從微觀角度入手， 研究是多相流體在儲(chǔ)層中： 1、巖石的潤濕性 2、毛管力及各種毛管阻力，探討消除和降低附加阻力的規(guī)律， 3、微觀滲流機(jī)理，掌握油、水在巖石孔隙中的分布特點(diǎn)，掌握剩余油分布規(guī)律及其

4、影響因素， 4、多相滲流特征（相對(duì)滲透率）為宏觀上掌握油井生產(chǎn)規(guī)律，合理開發(fā)油田，改善開發(fā)效果以及提高采收率等工作打下基礎(chǔ)。第三篇 儲(chǔ)層中多相流體的滲流機(jī)理 研究的目的和意義第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 一、儲(chǔ)層流體的相間界面張力 二、界面吸附現(xiàn)象 三、儲(chǔ)層巖石潤濕性主要包括以下三個(gè)方面內(nèi)容：第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京）第一節(jié)第一節(jié) 儲(chǔ)層流體的相間界面張力儲(chǔ)層流體的相間界面張力主要包括以下五方面內(nèi)容： 1.兩相界面的自由表面能 2.比表面能和表面張力 3.界面

5、張力的影響因素 4.油藏流體間的界面張力 5.界面張力的測定第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京）一、一、 兩相界面的自由界面能兩相界面的自由界面能 物質(zhì)界面層的分子與其內(nèi)部分子所處的狀態(tài)不同。 在水相的內(nèi)部，由于同時(shí)受到周圍同類分子力的作用，所以其分子力場處于相對(duì)平衡狀態(tài)。 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 把由相內(nèi)分子力引起的一些性質(zhì)稱“體積性質(zhì)”把由兩相界面分子引起的性質(zhì)稱“界面性質(zhì)”任何兩相分界面稱“界面”例子：當(dāng)兩相中其中一相為氣體時(shí)，則把界面稱“表面”把固和液、

6、液和液相接觸的界面稱“界面”把固體和氣體接觸界面稱“固體表面”把液體和氣體接觸界面稱“液體表面”第三篇 儲(chǔ)層中多相流體的滲流機(jī)理 基本概念第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 一、一、 兩相界面的自由界面能兩相界面的自由界面能在各個(gè)方向上并不是相等的第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 表面層分子a所受的合力的方向指向水相內(nèi)部并與表面垂直。 分子a有向水相內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的趨勢，即水相表面有自動(dòng)縮小的趨勢。 表面層分子力場的不平衡使得表面層分子儲(chǔ)存了多余的能量，我們把這種能量稱為自由

7、能即兩相界面層的自由表面能。 如果要想把水的內(nèi)部分子舉升到水面，就必須做功。只有對(duì)其作功才能使液相內(nèi)的水分子上升到水表面，這種能量（功）就轉(zhuǎn)化為自由表面能。 一、一、 兩相界面的自由界面能兩相界面的自由界面能第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京）（1）只有存在不互溶的兩相時(shí)自由界面能才存在。 以上是水空氣界面。 同理對(duì)于任意兩相，不論是氣和液、液和液，還是氣和固、液和固的界面，都存在有上述的自由界面能。 而完全互溶的兩相（例如酒精和水、煤油和原油），由于它們之間不存在界面，所以也就不存在自由界面能。 （2）界面越大，自由界面能也越大 根

8、據(jù)熱力學(xué)第二定律知，任何自由能都有趨于最小的趨勢。 由于等體積物體以球體表面積最小，表面能也最小，所以水銀滴掉在桌面上變成球形，而不是其它形狀，以使自由表面能居于最小。自由界面能的性質(zhì)一、一、 兩相界面的自由界面能兩相界面的自由界面能第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） （3）界面是具有一定厚度的界面層 界面層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與每一相的性質(zhì)都不同，是一個(gè)逐漸過渡的分子層。在該過渡層中的分子，都具有自由表面能，只是大小不同而已。 在過渡層中，分子的熱力學(xué)性質(zhì)也是逐漸過渡并且是連續(xù)變化的，最終分子力場達(dá)到平衡的某一單相。例如，水與空氣接觸的表

9、面層厚度至少有幾個(gè)分子層厚。一、一、 兩相界面的自由界面能兩相界面的自由界面能第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） （4）自由界面能的大小與兩相分子性質(zhì)有關(guān)系。 兩相分子的極性差越大，界面能越大。 水是液體中極性最大的，而干凈的空氣極性很小，因此水-空氣界面的表面能最大。 原油和四氯化碳的極性差很小，乃至界面消失而互溶，正因?yàn)槿绱?，油層物理?shí)驗(yàn)中用四氯化碳來提取巖心中的石油。 （5）自由界面能還與兩相的相態(tài)有關(guān)。 液相和氣相界面的自由表面能一般比液相和液相界面的自由界面能要大。 液和固之間的自由界面能大于液和氣之間的自由表面能。 液固

10、氣液 1一、一、 兩相界面的自由界面能兩相界面的自由界面能第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京）二、比界面能和界面張力（ 比表面能和表面張力 ） 表面能和表面張力是兩個(gè)不同的概念。它們的意義不同（僅僅是數(shù)值相等），在熱力學(xué)上多用表面能的概念，而表面張力則多用在力學(xué)和實(shí)際應(yīng)用中。 比表面能是單位表面積具有的自由表面能， 比表面能的單位：SI單位制：焦耳/米2（J/m2），1焦耳/米2（J/m2）=1牛頓米（N/m），工程上常用毫牛頓米（mN/m）。 CGS單位制：爾格/厘米2。1爾格/厘米2=1達(dá)因厘米（dyn/cm）。 1毫牛頓米（mN

11、/m）=1達(dá)因厘米（dyn/cm） 從因次上看，比表面能等于單位長度上的力，所以習(xí)慣上把比表面能稱為表面張力，用符號(hào)表示。第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） l xF圖8-3做功與氣液表面形成示意圖 由于體系表面層上的分子力的不對(duì)稱作用，使得其能量比相內(nèi)分子能量高，故增加體系的新表面積，相當(dāng)于把更多的分子從相內(nèi)移到表層來，就必須克服相內(nèi)分子的吸引力而做功，這種作功的能量就轉(zhuǎn)化為新生界面的表面能。 二、比界面能和界面張力（ 比表面能和表面張力 ）第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(

12、北京） 嚴(yán)格地說，在兩相系統(tǒng)的表面層上只存在比表面能而不存在表面張力，表面張力只是自由表面能的一種表示方法，并非存在什么真實(shí)的張力。 只有在三相系統(tǒng)的周界上，這種表面能才有界面的張力存在，它是各自兩相界面層自由表面能在三相周界的接觸點(diǎn)相互“爭奪”的結(jié)果。 如圖84所示，一滴油滴在水面上則有三種界面，即油-氣（2-3）、油-水（2-1）和水-氣（1-3）界面，各自界面層的表面能在三相周界的爭奪則呈現(xiàn)三種表面張力2-3、1-2 和1-3，當(dāng)三者達(dá)到平衡時(shí)則：322131二、比界面能和界面張力（ 比表面能和表面張力 ）第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石

13、油大學(xué)(北京） 圖8-4三相周界界面張力示意圖 也只有在爭奪的過程中最后達(dá)到平衡的情況下才有張力的表現(xiàn)。 界面張力的大小等于各自的比表面能； 界面張力的方向，界面為平面則在平面上，界面為曲線，則在切線上； 力的作用點(diǎn)則為三相周界的接觸點(diǎn)。二、比界面能和界面張力（ 比表面能和表面張力 ）第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 表81 某些物質(zhì)與空氣、水的界面張力值物 質(zhì)與空氣接觸時(shí)的表面張力mNm (20時(shí))與水接觸時(shí)的界面張力mNm(20時(shí))水銀水苯變壓器油杜依瑪茲石油正己烷正辛烷甲苯乙醚四氯化碳二硫化碳二氯甲烷二氯乙烷乙醇484.07

14、2.828.939.127.218.421.828.417.026.933.528.532.522.337535.045.130.351.150.8/10.745.0/二、比界面能和界面張力（ 比表面能和表面張力 ）第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 1、物質(zhì)的組成 可以看出，水銀與空氣接觸時(shí)的表面張力要大于與水接觸的界面張力，這是因?yàn)閮上嚅g分子的極性差越大，表面能也就越大的特點(diǎn)。在液體中水的極性最大，而空氣的極性很小，所以水與空氣的界面張力最大。作為有機(jī)溶劑的原油與甲苯，由于它們都是有機(jī)物，因而之間的極性差很小，界面張力也就很小，

15、甚至可以達(dá)到互溶以至界面消失。 2、相態(tài) 自由界面能的另一個(gè)特點(diǎn)是它的大小與兩相的相態(tài)有關(guān)，如液、液之間的自由界面能一般大于液氣之間的自由界面能。 3、溫度和壓力 溫度和壓力直接影響到分子間的距離，因而分子間的作用力也隨之變化，使得界面層上分子的力場受到影響，界面張力變化。三、三、 界面張力的影響因素界面張力的影響因素第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 對(duì)于任何液、氣兩相來說，都會(huì)有隨著溫度和壓力的增加，表面張力的減小的現(xiàn)象。因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，一方面增大了液體分子間的距離，分子間的引力減小，另一方面液體的蒸發(fā)，使液體與蒸汽間分子的力

16、場差異變小，從而降低了表面張力。 而升高壓力將增加氣體在液體中的溶解度，液體的密度因而減少，而氣體受壓密度增加，兩相的密度差減少，從而導(dǎo)致了兩相分子間的差異變小，分子力場不平衡減弱，最終表現(xiàn)為表面張力降低。 三、三、 界面張力的影響因素界面張力的影響因素第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 在油氣儲(chǔ)層中，存在多種界面，但固體表面張力很難確定，為此，通常只限于討論流體間的界面張力。 油藏流體組成復(fù)雜而且油藏中各處的溫度、壓力大小也不同，溫度、壓力條件又改變著流體的組成，這些因素決定了油層中流體間的界面張力變化的復(fù)雜性，即使在同一個(gè)油氣層

17、，界面張力不是定值，不同油氣層則差別會(huì)更大。下面根據(jù)上述界面張力的概念及其特點(diǎn)，解釋油藏流體界面張力的大小及變化規(guī)律。 四、四、 油藏流體間的界面張力油藏流體間的界面張力第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 1、油-氣界面 油氣界面張力隨氣相在液相中溶解度的增大而降低。 天然氣中含重?zé)N氣體愈多，原油中的溶解氣量就愈大，那么，當(dāng)壓力增加時(shí)，表面張力減小幅度也越大。第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 油藏原油處于高溫、高壓的條件下，并且溶有大量的天然氣，油藏中油氣系統(tǒng)的界面張力

18、就要比地面脫氣原油和空氣系統(tǒng)的界面張力小得多。同理，油藏內(nèi)部不同地點(diǎn)的原油界面張力也有變化，例如氣頂附近原油的界面張力要小于遠(yuǎn)離氣頂?shù)脑偷慕缑鎻埩Α?、油-氣界面第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） （1）對(duì)于無溶解氣的油-水體系，俄國學(xué)者認(rèn)為，溫度和壓力的改變對(duì)油水間的界面張力基本上無影響。這是因?yàn)闇囟仍黾樱褂?、水同時(shí)膨脹；而增大壓力，又使油、水同時(shí)受壓縮，油、水各自的分子熱力學(xué)性質(zhì)變化基本一致，使得油、水間的分子力場仍可能保持不變，從而表面張力仍保持不變。 也有些研究者認(rèn)為，隨著溫度的升高，油-水界面張力會(huì)有明顯的降低，而壓力

19、對(duì)界面張力的影響較小。 2、油-水界面第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） （2）對(duì)有溶解氣的油-水體系： 溶解氣量的多少，對(duì)油-水兩相間的界面張力起著決定性的作用。2、油-水界面第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 表82 國內(nèi)外部分油田的油水界面張力值油 田 名 稱油水界面張力，mNm測定條件杜依瑪茲石油羅馬什金石油老格羅茲內(nèi)H得克薩斯34個(gè)油田勝利油田遼河油田大慶油田長慶油田任丘油田30.225.626.013.634.32331924303628.640地 面地 面地

20、 面地 面704585地 下51地 面2、油-水界面第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 圖88是有溶解氣的條件下，油-水界面張力隨壓力變化的關(guān)系示意圖。曲線、分別代表原油相對(duì)密度和溶解氣量不同的三種情況。由圖可見, 當(dāng)壓力小于飽和壓力Pb時(shí)，壓力升高，界面張力增大，這是由于當(dāng)壓力小于飽和壓力前，氣體在油中的溶解度大于在水中的溶解度，使油-水間極性差更大而引起的；當(dāng)壓力大于Pb時(shí)，隨著壓力增加，界面張力變化不大，因?yàn)樵诟哂陲柡蛪毫?，增加壓力不?huì)增加氣體的溶解度，而僅僅是對(duì)流體增加了壓縮作用。 油水體系的界面張力還會(huì)隨著原油組成的不同

21、而不同，當(dāng)原油中輕烴的含量高時(shí)，原油的密度低、粘度小，導(dǎo)致油、水間的分子力場變化，油-水界面張力就小。無論油-水系統(tǒng)中有無溶解氣，體系的界面張力都會(huì)隨著溫度升高而降低，因?yàn)闇囟仍黾?，分子運(yùn)動(dòng)加劇，油-水表面上分子極性差（即分子力場）減小，從而界面張力降低。 2、油-水界面第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京）五、界面張力的測定方法適用范圍界面張力，mNm備注吊片法較高的界面張力1102 懸滴法中等的界面張力101102 旋轉(zhuǎn)液滴法低界面張力或超低界面張力101103如微乳液和油(或水) 1、旋滴法 2、懸滴法 懸滴法界面張力儀由注射器、

22、針頭和光學(xué)攝像裝置等組成。根據(jù)液體的粘度選擇針頭的粗細(xì)，若測定液為普通液體，選0.7mm針頭；若為粘稠液，視其粘度大小，可選1.52.0mm的針頭。第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） Hgd2五、界面張力的測定 3、吊片法 表面張力測定儀的測定基本原理如圖810所示：調(diào)節(jié)升降裝置，使試樣皿內(nèi)的油-水界面剛好與玻璃吊片底端接觸，這時(shí)由于固相玻璃吊片和兩液相（油和水）相接觸，出現(xiàn)了固-液、液-液界面張力，其作用結(jié)果是向下拉動(dòng)玻璃片。這樣，由一套記錄顯示裝置將拉力R和砝碼的大小直接記錄下來，按下面公式來計(jì)算出界面張力。 第八章 儲(chǔ)層巖石中

23、的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 五、界面張力的測定YRLYR49. 0980103第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 通常采用查圖表(諾模圖)的方法(圖811)，若已知地面(21)時(shí)所測得的油-水界面張力o及地層溫度T，可由圖811直接查出地層溫度下油-水的界面張力t。 五、界面張力的測定第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 圖812為地層條件下甲烷-水界面張力圖，由已知的地層溫度及壓力，從圖812直接查出甲烷-水的界面張力。

24、若氣藏中天然氣主要成分是甲烷，則可確定氣藏的界面張力。 五、界面張力的測定第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 主要包括以下六方面內(nèi)容： 一、吸附的概念 二、氣液界面（表面）的吸附 三、氣固界面上的吸附 四、液固界面上的吸附 五、潤濕現(xiàn)象和毛管力 六、界面粘度第二節(jié) 界面吸附現(xiàn)象第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 溶解于某相中的物質(zhì)，自發(fā)地聚集到兩相界溶解于某相中的物質(zhì)，自發(fā)地聚集到兩相界面層的現(xiàn)象稱之為面層的現(xiàn)象稱之為“吸附吸附”例如：特征： 1. 溶解多種分子 2. 發(fā)

25、生在兩相界面 3. 濃度分布不均勻 4. 降低界面張力吸附是某些分子在固體表面或液體表面的聚集吸附是某些分子在固體表面或液體表面的聚集一、吸附的概念一、吸附的概念第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 液體表面的吸附問題是怎樣一個(gè)過程，又是如何降低自由界面能的？ 純水中加入少許活性劑(肥皂)，則肥皂水溶液的表面張力要比純水的表面張力減小很多。 兩相界面的表面張力對(duì)外來物（如活性劑肥皂）的存在極其敏感，盡管外來物質(zhì)很少，它卻使表面張力急劇減小。 這種現(xiàn)象：一方面表面張力的性質(zhì);另一方面 外來物的性質(zhì)二、氣二、氣- -液界面（表面）的吸附液

26、界面（表面）的吸附第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 圖813鈉肥皂分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Na=OOCHHHHCCHHHHHHHHHHHHCCCCCCHHHHHHHHCCCCHHHHCCHHCHHHC 從外來物的性質(zhì)（肥皂的性質(zhì)）來看，從化學(xué)結(jié)構(gòu)上講，它是高級(jí)脂肪酸的一些鹽類，例如鈉肥皂分子化學(xué)結(jié)構(gòu)式為CnH2n+lCOONa比如C16H33COONa。 它的一端是由碳?xì)浣M成的基團(tuán)，具有對(duì)稱的非極性結(jié)構(gòu)，稱之為碳?xì)滏?如C16H33-)；另一端則是非對(duì)稱的極性基團(tuán)(如-COONa)。這種具有兩性的分子通常以 “O”表示。直線段代表非極性的

27、碳?xì)滏?，圓環(huán)的一端代表極性基團(tuán)。二、氣二、氣- -液界面（表面）的吸附液界面（表面）的吸附第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 代表濃度增加 將少許肥皂活性劑放入純水中，肥皂活性劑分子便自發(fā)地集聚在兩相界面層上(水面)，水為極性的，所以，活性劑分子的極性端朝向水里，而非極性端則力圖與非極性的空氣相作用，從而使得水表面層的極性差減小，水表面層的自由表面能也隨之減小，表面張力減小。二、氣二、氣- -液界面（表面）的吸附液界面（表面）的吸附第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 從圖

28、上可以看出，當(dāng)表面活性物質(zhì)的濃度較小時(shí)，隨濃度的增加，比吸附的增大和表面張力的減小都比較快。但是，當(dāng)濃度增加到定值后，比吸附則不再增加，而趨于比吸附最大值。這是因?yàn)槲节咃柡?圖814)。此時(shí)的表面張力值，也就不再隨濃度的增加而減小了。圖814中最右邊的情況，就是水中的活性劑分子聚集在一起，憎水的非極性端向內(nèi)互相靠攏，親水基向外，形成所謂膠束。 從上述肥皂水溶液的吸附過程的例子可以看出，若C為吸附在A、B兩相界面的物質(zhì)，則物質(zhì)A的極性C的極性B的極性，這就是所謂的“極性均衡”原則。凡是吸附作用的發(fā)生，都將滿足這一個(gè)原則。 二、氣二、氣- -液界面（表面）的吸附液界面（表面）的吸附第八章 儲(chǔ)層巖

29、石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 可見，活性劑集中到界面上去，就會(huì)使極性差減小，也就是使自由表面能（即表面張力）減小，而這一過程恰與自由能趨于最小的趨勢是一致的，所以，肥皂活性劑分子向水界面層集中是自發(fā)的過程。 純水的表面張力很大(72.8mNm)，而加肥皂后表面張力會(huì)大大降低。 具有上述結(jié)構(gòu)的分子所組成的物質(zhì)表面活性劑，在液體中都能降低界面張力。 從上述肥皂水溶液的吸附過程的例子可以看出： 若C為吸附在A、B兩相界面的物質(zhì)， 則物質(zhì)A的極性C的極性B的極性 這就是所謂的“極性均衡”原則。凡是吸附作用的發(fā)生，都將滿足這一個(gè)原則。 二、氣二、氣-

30、 -液界面（表面）的吸附液界面（表面）的吸附第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 原油是含多種分子的混合物，就其極性組成而言，可以分為非極性物質(zhì)和含有極性的活性物質(zhì)兩類。 前者如烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴， 后者一般是烴與氧、硫、氮的化合物，如環(huán)烷酸、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等。 實(shí)際上，可以認(rèn)為原油是表面活性物質(zhì)在非極性烴類中的一種溶液。 被吸附在兩相界面層上、能大大減低表面張力的物質(zhì)叫做表面活性物質(zhì)或表面活性劑。 界面層單位面積上比相內(nèi)多余的吸附量叫比吸附，用G表示。二、氣二、氣- -液界面（表面）的吸附液界面（表面）的吸附第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面

31、現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 在氣-液界面上，比吸附與溶質(zhì)濃度、表面活度之間的關(guān)系由吉布斯(Gibbs)等溫吸附關(guān)系式表示：式中：G吉布斯比吸附量； C溶質(zhì)濃度； ( )T表面活度，即在某一溫度下，表面張力隨溶液濃度的變化率，代表溶質(zhì)表面活性的大??； T，R絕對(duì)溫度和通用氣體常數(shù)。 TCCRTG)(1C二、氣二、氣- -液界面（表面）的吸附液界面（表面）的吸附第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 當(dāng) Ls，故Us0，即體系的表面能增加，這個(gè)表面能的增量就等于附著功(或粘附功)，用符號(hào)W表示，

32、有： 再由楊氏方程式得： 因此接觸角與附著功具有如下關(guān)系式： LsgsgLsUW)(gLLsgs)(cosgLLsgs)cos1 (gLW第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 由上式看出，角越小，附著功W越大，也即濕相流體對(duì)固體的潤濕程度越好； 因此，可以用附著功判斷巖石潤濕性的好壞 對(duì)于油、水、巖石三相體系，當(dāng)附著功大于油水界面張力時(shí)，巖石親水； 當(dāng)附著功小于油水界面張力時(shí)，巖石親油；當(dāng)附著功等于油水界面張力時(shí)，巖石為中性潤濕。)cos1(gLW第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)

33、(北京） 表面活性物質(zhì)自發(fā)地吸附在兩相界面上則使界面張力減小，因此，表面活性物質(zhì)吸附于固體表面將使親水性的固體表面向親油性表面轉(zhuǎn)化（如圖821上）?；蛘哂捎H油性的表面變成親水性的表面（圖821下）。3、表面活性物質(zhì)對(duì)潤濕性的影響潤濕反轉(zhuǎn)現(xiàn)象第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 轉(zhuǎn)化的程度既與固體表面性質(zhì)和活性物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，又和活性物質(zhì)的濃度有關(guān)3、表面活性物質(zhì)對(duì)潤濕性的影響潤濕反轉(zhuǎn)現(xiàn)象第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 我們把固體表面在活性物質(zhì)吸附的作用下潤濕性發(fā)生轉(zhuǎn)化的

34、現(xiàn)象稱為潤濕反轉(zhuǎn)。 砂巖顆粒(主要是硅酸鹽)的原始性質(zhì)是親水性的，但砂巖表面常常由于表面活性物質(zhì)的吸附而發(fā)生了潤濕反轉(zhuǎn)，變成親油性。 我們也可以根據(jù)潤濕反轉(zhuǎn)的原理采取措施來提高采收率，例如向油層注入活性水，使其中的表面活性劑按極性相近規(guī)則吸附第二層，抵消了原有活性物質(zhì)的作用，以使親油表面反轉(zhuǎn)為親水表面，使油容易被驅(qū)走，從而提高采收率。3、表面活性物質(zhì)對(duì)潤濕性的影響潤濕反轉(zhuǎn)現(xiàn)象第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 二、 潤濕滯后現(xiàn)象 潤濕滯后是在流體流動(dòng)過程中出現(xiàn)的一種潤濕現(xiàn)象，如圖823所示，將原來水平放置的固體表面傾斜一個(gè)角度，可以

35、發(fā)現(xiàn)，油-水-固三相周界不能立即向前移動(dòng)，而是油-水兩相界面發(fā)生變形，使得原始的接觸角發(fā)生改變，然后，三相周界才向前移動(dòng)。在A點(diǎn)，水驅(qū)油時(shí)由于水占據(jù)了油原來的部分空間而形成的接觸角稱為前進(jìn)角1，1（為原始接觸角）。在B點(diǎn)，油驅(qū)水時(shí)的接觸角稱為后退角2，有2。第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 所謂潤濕滯后就是指在外力作用下開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，三相周界沿固體表面移動(dòng)遲緩而使?jié)櫇窠佑|角改變的一種現(xiàn)象。潤濕滯后現(xiàn)象與下列三種因素有關(guān)： 1、與三相周界的移動(dòng)方向有關(guān)靜潤濕滯后 2、與三相周界的移動(dòng)速度有關(guān)動(dòng)潤濕滯后 3、與石油中的表面活性物質(zhì)在巖石

36、表面上的吸附有關(guān) 4、與巖石顆粒表面粗糙程度有關(guān) 二、 潤濕滯后現(xiàn)象第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 二、 潤濕滯后現(xiàn)象第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 3、與石油中的表面活性物質(zhì)在巖石表面上的吸附有關(guān)第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 4、與巖石顆粒表面粗糙程度有關(guān) 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 動(dòng)潤濕滯后是在水驅(qū)油或油驅(qū)水過程中，當(dāng)油、

37、水和巖石三相周界沿固體表面向前移動(dòng)時(shí)，由于油、水界面各處運(yùn)動(dòng)速度不同而使接觸角發(fā)生變化的現(xiàn)象。如圖824所示，在親水毛管孔道中，當(dāng)油水界面靜止平衡時(shí)，彎液面上的接觸角為（小于90o）；當(dāng)水驅(qū)油時(shí)，界面開始移動(dòng)，而三相周界不能立即移動(dòng)，油水界面首先變形，接觸角增大為l，此時(shí)為動(dòng)潤濕滯后；當(dāng)油驅(qū)水時(shí)，接觸角減小為2。同樣，水驅(qū)油時(shí)的接觸角稱為前進(jìn)角或稱增大角1；油驅(qū)水時(shí)的接觸角為后退角或減小角2；當(dāng)三相周界停止移動(dòng)處于穩(wěn)定時(shí)，測定的潤濕角為平衡角，則有l(wèi)2。 二、 潤濕滯后現(xiàn)象第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 但前進(jìn)角和后退角的數(shù)值與

38、潤濕周界的移動(dòng)速度的有關(guān)（圖825）。運(yùn)動(dòng)速度越大，則動(dòng)潤濕滯現(xiàn)象越嚴(yán)重，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度超過某一臨界值后，會(huì)發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖826)。這說明，在靜止或低速條件下，水可以很好地潤濕地層；但當(dāng)注水驅(qū)油速度過大時(shí)，彎液面的運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)超過水潤濕巖石表面的臨界速度，此時(shí)潤濕角變大，潤濕性就會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，也就不能很好利用水潤濕作用。水流過孔道后，巖石表面還會(huì)留下不利于驅(qū)油的油膜。 二、 潤濕滯后現(xiàn)象第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 1、巖石的礦物組成 2、油藏流體組成的影響 原油的組成非常復(fù)雜，按對(duì)潤濕性的影響其物質(zhì)可分為三類，（1）非極性的

39、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(zhì)或稱活性物質(zhì)。 圖829表示對(duì)同樣石英礦物表面，當(dāng)原油的組成不同時(shí)，潤濕接觸角也不同。當(dāng)油相為異辛烷時(shí)，水能潤濕石英表面；當(dāng)油相為異奎啉時(shí)，水卻不能潤濕石英表面；當(dāng)油相為環(huán)烷酸時(shí)，其接觸角為35，水能潤濕其表面。 3、表面活性物質(zhì)的影響 三、 儲(chǔ)層巖石的潤濕性及其影響因素 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 三、 儲(chǔ)層巖石的潤濕性及其影響因素 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京）1、潤濕性對(duì)油水微觀

40、分布的影響 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 斑狀潤濕是指在同一巖樣的表面上由于礦物組成不同表現(xiàn)出不同的潤濕性，油濕或水濕表面無特定位置，就單個(gè)孔隙而言，一部分表面為強(qiáng)水濕，其余部分則可能為強(qiáng)油濕，而且油濕表面也并不一定連續(xù)（圖827）。 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于與原油接觸常是親油的，油可連續(xù)形成渠道流動(dòng)，如圖828所示。 4、礦物表面粗糙度的影響 4、巖石孔隙表面的非均質(zhì)及粗糙度的影響 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國

41、石油大學(xué)(北京） 1、潤濕性對(duì)油水微觀分布的影響 四、 油水在巖石孔隙中的分布第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京）注水初期注水后期砂粒濕相水非濕相油圖831 “渠道流態(tài)”示意圖濕相驅(qū)非濕相 非潤濕相驅(qū)出濕相的過程稱之為驅(qū)替過程。濕相驅(qū)出非濕相的過程則稱之為“吸吮過程” 1、潤濕性對(duì)油水微觀分布的影響 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 水 水 油砂 粒水 水 圖833親水巖石水驅(qū)油是吸吮過程1、潤濕性對(duì)油水微觀分布的影響 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) P

42、etro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 驅(qū)替初期驅(qū)替中期驅(qū)替結(jié)束后水砂粒油圖834親油巖石注水過程中的油水分布 水 油水 油水 油水 油砂 粒圖835親油巖石水驅(qū)油是驅(qū)替過程1、潤濕性對(duì)油水微觀分布的影響 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 1、潤濕性對(duì)油水微觀分布的影響 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 1、潤濕性對(duì)油水微觀分布的影響 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 2、潤濕性決定著孔道中毛管壓力

43、的大小和方向 上述油水分布和流動(dòng)規(guī)律，一方面取決于巖石表面潤濕性，另一方面也取決于巖石孔道中的毛管壓力。而毛管壓力的大小和方向又取決于毛細(xì)管孔隙是親水毛管還是親油毛管。親水毛管的毛管壓力的方向與注水的驅(qū)動(dòng)壓差方向一致，此時(shí)毛管壓力為驅(qū)油的動(dòng)力；相反，親油毛管的毛管壓力與注水驅(qū)油方向相反，毛管壓力為阻力。因此毛管壓力的大小和方向，直接影響著流體在巖石中的流動(dòng)，對(duì)于驅(qū)油有著重要的作用，為此將在下一章專門研究毛管壓力。 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 3、潤濕性對(duì)采收率的影響 對(duì)一般均質(zhì)潤濕系統(tǒng)，水濕儲(chǔ)層的采收率要比油濕儲(chǔ)層高。這是因

44、為，在水驅(qū)油過程中，親水巖石由于注入水的自動(dòng)吸入，可以減少粘滯引起的不同孔隙中液體流動(dòng)速度的差異，克服粘性指進(jìn)，使油水分布有利于水驅(qū)油，水所波及范圍較大，水的潤濕作用能充分發(fā)揮，因此采收率要高。 從圖836可以看出，油藏巖石潤濕性不同，注入同樣體積水時(shí)，原油的采收率不同。例如，當(dāng)注入水體積是孔隙體積0.7倍時(shí)，強(qiáng)親油巖石油藏采收率為37，而對(duì)于強(qiáng)親水巖石，其采收率為57。 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 3、潤濕性對(duì)采收率的影響 第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） 長期注水會(huì)導(dǎo)致巖石潤濕性發(fā)生變化，例如大慶油田通過水淹區(qū)密閉取心發(fā)現(xiàn)，當(dāng)油層含水飽和度超過40時(shí)，大部分巖石表面性質(zhì)由原來的弱親油轉(zhuǎn)變?yōu)槿跤H水；當(dāng)含水飽和度超過60時(shí)，則全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性。這是由于注入水沖洗巖石表面，使表面油膜脫落，長石、石英表面呈現(xiàn)出本來的親水性。這種潤濕性轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象有利于提高水驅(qū)油效率、以及改善三次采油效果。 4、注水對(duì)巖石潤濕性的影響第八章 儲(chǔ)層巖石中的界面現(xiàn)象與潤濕性 油層物理學(xué) Petro-Physics中國石油大學(xué)(北京） hD巖片