提高原油采收率原理(EOR)第二章

1、第二章第二章 油层中的界面现象油层中的界面现象Interfacial Phenomena in Formation预备知识预备知识1、界面、界面l曲界面两侧压力差曲界面两侧压力差(Pressure difference between two sides of curved interface)l毛细管现象毛细管现象(Capillary phenomena)l润湿现象润湿现象(Wetting phenomena)l吸附现象吸附现象(Adsorption phenomena)l岩石表面的带电现象岩石表面的带电现象(Electrification phenomena on rock surface

2、)l水驱油时的分散现象水驱油时的分散现象(Dispersion phenomena of oil)2、 界面现象界面现象(Interfacial Phenomena) 3、表面张力、表面张力(Surface Tension)表面能自动趋于减少的规律表面能自动趋于减少的规律第一节第一节 曲界面两侧的压力差曲界面两侧的压力差 1、球形曲界面压差的实验证明、球形曲界面压差的实验证明p1p2p1p2一、球形曲界面压力差一、球形曲界面压力差2、球形曲界面两侧压差产生原因、球形曲界面两侧压差产生原因 表面能趋于减少，气泡表面倾向于收缩，必表面能趋于减少，气泡表面倾向于收缩，必然会产生一种作用，去阻碍气泡表

3、面增大，然会产生一种作用，去阻碍气泡表面增大，即表面能趋于减少的倾向会对鼓泡的方向施即表面能趋于减少的倾向会对鼓泡的方向施加压力，阻碍表面增大，称为加压力，阻碍表面增大，称为表面收缩压表面收缩压。 表面收缩压与鼓泡的压力平衡表面收缩压与鼓泡的压力平衡 p = p1 p2 对于液体下的一个气泡，半径为对于液体下的一个气泡，半径为r，在，在 p作用下作用下试试图增加其体积，图增加其体积，半径增加半径增加dr，体积增加，体积增加dV=4 r2dr，表面积增加，表面积增加dA= 8 rdr按照按照热力学热力学，此过程作功，此过程作功W= pdV= p 4 r2dr3、球形曲界面两侧压差公式推导、球形曲

4、界面两侧压差公式推导按照按照表面能表面能的概念，表面能增加的概念，表面能增加 dA= 8 rdr容积功容积功=表面能增加表面能增加 p 4 r2dr= 8 rdrrp2说明：说明： 球形曲界面，内部的压球形曲界面，内部的压力总是大于外部的压力；力总是大于外部的压力； r为曲率半径为曲率半径； p 1/r； 只适用于球形界面只适用于球形界面；二、任意曲界面压力差二、任意曲界面压力差式中，式中，R1、R2是任意曲面的两个主曲率半径是任意曲面的两个主曲率半径AOB与与A，O，B 1222RydzdyRxdzdxRxdzRdxx)R1R1(p)RxydzRxydz()ydxxdy(xydzp2121L

5、aplace公式公式1 1、球面、球面2 2、柱面、柱面L L3 3、马鞍形面、马鞍形面L L当曲界面为球面时当曲界面为球面时:R=R1=R2当曲界面为柱面时当曲界面为柱面时:R2=当曲界面为马鞍形面时当曲界面为马鞍形面时:R1与与R2一正一负一正一负R2)R1R1(p21121R)R1R1(p)R1R1(p21柱面柱面马鞍形面马鞍形面第二节第二节 毛细管现象毛细管现象一、毛细管上升一、毛细管上升(Capillary elevation)或下降或下降(Capillary depression)现象现象毛细管上升高度的计算毛细管上升高度的计算rpp216243ppp65pp ghppghppgh

6、ppowow)(155412rghppppow2)(1615cosrr 对公式的理解对公式的理解rg)(cos2how油藏中存在油油藏中存在油- -水、油水、油- -气过渡带的原因气过渡带的原因goow油水过渡带比油气过渡带厚度更大。油水过渡带比油气过渡带厚度更大。（1）亲水地层，毛细管力是水驱油动力）亲水地层，毛细管力是水驱油动力 亲油地层，毛细管力是水驱油阻力亲油地层，毛细管力是水驱油阻力l如将饱和油的亲水岩心浸泡在水中，如将饱和油的亲水岩心浸泡在水中，可发现水在毛细管压力作用下自动进可发现水在毛细管压力作用下自动进入岩心，驱出岩心中的非湿相油，这入岩心，驱出岩心中的非湿相油，这一过程被称

7、之为自吸过程。岩心的亲一过程被称之为自吸过程。岩心的亲水性越强，自吸性越强。水性越强，自吸性越强。l反之，岩心亲水时，表现出岩心不能反之，岩心亲水时，表现出岩心不能自动吸水。如果使水进入岩心，则必自动吸水。如果使水进入岩心，则必须施加一个外力克服毛管压力，才能须施加一个外力克服毛管压力，才能使水驱油，这种过程即为驱替过程。使水驱油，这种过程即为驱替过程。（2 2）孔喉结构使毛细管力得不到充分发挥）孔喉结构使毛细管力得不到充分发挥（3）毛细管缝上升高度计算公式）毛细管缝上升高度计算公式r 1/2缝宽缝宽2 Jamin效应效应(Jamin effect)（1 1）计算公式）计算公式Jamin效应是

8、指效应是指液珠或气泡液珠或气泡通过喉孔时由通过喉孔时由于于界面变形界面变形而对液流产生的阻力效应。而对液流产生的阻力效应。p2-p1液珠或气泡前后的压力差；液珠或气泡前后的压力差；界面张力；界面张力；R1、R2液珠或气泡通过喉孔时液珠或气泡通过喉孔时的曲率半径。的曲率半径。p2p3p1R21131R2ppp2232R2ppp221121cos2)R1R1(2ppRr（2）贾敏效应始终为阻力效应）贾敏效应始终为阻力效应亲油亲油亲水亲水亲水地层亲水地层Jamin效应发生在油珠或气泡通过喉孔之前；效应发生在油珠或气泡通过喉孔之前；亲油地层亲油地层Jamin效应发生在油珠或气泡通过喉孔之后。效应发生在

9、油珠或气泡通过喉孔之后。贾敏效应越小，残余油滴越容易被驱动，驱油效率越高。贾敏效应越小，残余油滴越容易被驱动，驱油效率越高。影响贾敏效应的因素有：影响贾敏效应的因素有：l油水界面张力。油水界面张力越小，驱动孔喉油滴的油水界面张力。油水界面张力越小，驱动孔喉油滴的阻力越小。阻力越小。l油层岩石的润湿性。亲水油藏的润湿角越大，对残余油层岩石的润湿性。亲水油藏的润湿角越大，对残余油的驱动阻力越小，驱油效率越高。因此，对于亲水油的驱动阻力越小，驱油效率越高。因此，对于亲水油藏，减弱其水湿性（增大润湿角），可以提高对孔油藏，减弱其水湿性（增大润湿角），可以提高对孔喉处残余油的驱替效率；同理，亲油油藏中，

10、减弱其喉处残余油的驱替效率；同理，亲油油藏中，减弱其亲油性，可以提高对孔喉处残余油的驱替效率；中性亲油性，可以提高对孔喉处残余油的驱替效率；中性润湿，贾敏效应为零。润湿，贾敏效应为零。l油藏的孔隙结构。孔喉比越大，驱动孔喉油滴的阻力油藏的孔隙结构。孔喉比越大，驱动孔喉油滴的阻力越大。越大。 慢慢快快Hanes 由于由于Jamin效应的存在，使一个液珠或气泡通过喉效应的存在，使一个液珠或气泡通过喉孔的全过程分成两个阶段：一个是有孔的全过程分成两个阶段：一个是有Jamin效应阶段；效应阶段；另一个是没有另一个是没有Jamin效应阶段。在前一个阶段，液珠或效应阶段。在前一个阶段，液珠或气泡通过的速度

11、较慢；在后一个阶段，液珠或气泡通气泡通过的速度较慢；在后一个阶段，液珠或气泡通过的速度较快，因此产生一个跃动。这个跃动称为过的速度较快，因此产生一个跃动。这个跃动称为Haines跃动，它是液珠或气泡通过喉孔时由于跃动，它是液珠或气泡通过喉孔时由于Jamin效效应的产生和消失引起的。液珠和气泡通过孔隙介质各应的产生和消失引起的。液珠和气泡通过孔隙介质各个喉孔时就是这样一个跃动一个跃动的前进。个喉孔时就是这样一个跃动一个跃动的前进。i13Jamin)PP(Pi=1，2，3当泡沫通过不均质地层时，它将首先进入高渗透层。由于当泡沫通过不均质地层时，它将首先进入高渗透层。由于JaminJamin效效应的

12、叠加，所以它的流动阻力逐渐在提高，随着注入压力的增加，应的叠加，所以它的流动阻力逐渐在提高，随着注入压力的增加，泡沫可以依次进入渗透性较小，流动阻力较大而原先不能进入的中泡沫可以依次进入渗透性较小，流动阻力较大而原先不能进入的中低渗透层，向地层注泡沫或乳状液，就是通过叠加的低渗透层，向地层注泡沫或乳状液，就是通过叠加的JaminJamin效应使效应使驱油剂的流度得到控制。驱油剂的流度得到控制。第三节第三节 润湿现象润湿现象 一、润湿概念一、润湿概念二、分类二、分类三、润湿程度的衡量标准三、润湿程度的衡量标准四、润湿滞后四、润湿滞后一、润湿概念一、润湿概念润湿定义润湿定义 固体表面上一种流体被另

13、一种流体取代引起表面能下固体表面上一种流体被另一种流体取代引起表面能下降的过程。降的过程。 U= ( 固液固液- 固气固气)A可理解为：可理解为： 固体表面的固体表面的A流体能自发取代流体能自发取代B流体，认为流体，认为A在固体表面在固体表面是润湿的。是润湿的。 三三种种润润湿湿类类型型图图2-7 液珠重新沾回岩石表面的过程液珠重新沾回岩石表面的过程三、润湿程度的衡量标准三、润湿程度的衡量标准 1、接触角、接触角 2、粘附功、粘附功1、接触角、接触角(Contact angle)接触角画法接触角画法玻璃表面石蜡表面空气空气练习练习 找出油滴在砂粒表面的润湿角找出油滴在砂粒表面的润湿角油滴水 找

14、出油滴在砂粒表面的润湿角找出油滴在砂粒表面的润湿角砂粒油滴水砂粒图图2-8 固体表面液滴的三相交点（固体表面液滴的三相交点（O）的受力）的受力-1GLSLSG1-GLSLSGGLSLSG-coscoscosYoung 方程方程2、粘附功、粘附功(Adhesion energy)2、粘附功、粘附功将单位面积（如将单位面积（如1m2）固液界面在第三相中拉开所）固液界面在第三相中拉开所作之功。作之功。 Us= 气液气液 1m2 + 气固气固1m2- 液固液固 1m2 =（ 气液气液+ 气固气固- 液固液固） 1m2 W粘粘= 气液气液（1+cos ）对驱油而言对驱油而言 W粘粘= 油水油水（1+co

15、s ）等温、等压条件下，将具有单等温、等压条件下，将具有单位表面积的固体可逆地浸入液位表面积的固体可逆地浸入液体中所作的最大功称为浸湿功体中所作的最大功称为浸湿功。在浸湿过程中，消失了单位面在浸湿过程中，消失了单位面积的气、固表面，产生了单位积的气、固表面，产生了单位面积的液、固界面。面积的液、固界面。液固气固气固固液浸）（2m1UW浸湿功浸湿功等温、等压条件下，当液体滴等温、等压条件下，当液体滴到固体表面后，新生的液固界到固体表面后，新生的液固界面取代气固界面的同时，气液面取代气固界面的同时，气液界面也扩大了同样的面积，这界面也扩大了同样的面积，这一过程叫做铺展。这过程中所一过程叫做铺展。这

16、过程中所做的功称为铺展系数，用做的功称为铺展系数，用S S表表示。示。气液固液气固固气气液固液21)(mUS铺展系数铺展系数粘附功粘附功(沾湿功）、浸湿功、铺展系数之间的关系沾湿功）、浸湿功、铺展系数之间的关系沾湿沾湿 180180浸湿浸湿 9090铺展铺展=0=0）（气液气液液固气固气液液固气固浸气液粘1coscos)cos1SWW 因为任何液体在固体上的接触角总不大于因为任何液体在固体上的接触角总不大于180，所以，所以沾湿过程是任何液体与固体之间都可进行的过程。铺展润沾湿过程是任何液体与固体之间都可进行的过程。铺展润湿的标准是润湿的最高标准湿的标准是润湿的最高标准前进角前进角(advan

17、cing agle)后退角后退角(receding agle)润湿滞后润湿滞后(wetting hysteresis)AR润湿滞后：润湿滞后：指三相润湿周界沿固体表面移动的迟缓指三相润湿周界沿固体表面移动的迟缓而产生润湿接触角改变的现象。而产生润湿接触角改变的现象。油油- -水水- -固（岩石）三相周界不能立即向前移动，而是油固（岩石）三相周界不能立即向前移动，而是油- -水水两相界面发生变形，使得原始的接触角发生改变，然后，三两相界面发生变形，使得原始的接触角发生改变，然后，三相周界才向前移动。相周界才向前移动。润湿滞后产生附加阻力推导润湿滞后产生附加阻力推导180-A界面粗糙度界面粗糙度:

18、 :岩石颗粒表面粗糙程度增加，三相周界移动更加迟岩石颗粒表面粗糙程度增加，三相周界移动更加迟缓，润湿滞后现象更为显著缓，润湿滞后现象更为显著. . 界面移动速度（速度越快，滞后越严重）界面移动速度（速度越快，滞后越严重）当运动速度超过某一临界值后，会发生润湿反转现象当运动速度超过某一临界值后，会发生润湿反转现象12静止时，静止时，= 30，岩石亲水，岩石亲水水驱油速度为水驱油速度为V1时，时，= 60，岩石亲水性减弱，岩石亲水性减弱水驱油速度为水驱油速度为V2 V1时，时，= 75，岩石亲水，岩石亲水性再减弱性再减弱水驱油速度为水驱油速度为V3 V2时，时，= 115，岩石类似，岩石类似亲油性

19、，发生润湿反转亲油性，发生润湿反转亲水油藏水驱油时，当水驱油的速度过大时，亲水油藏水驱油时，当水驱油的速度过大时，将导致油藏岩石具有将导致油藏岩石具有“亲油亲油”的性质。实践的性质。实践证明，亲油油藏水驱油的残余油饱和度比亲证明，亲油油藏水驱油的残余油饱和度比亲水油藏水驱油的残余油饱和度大；因此，从水油藏水驱油的残余油饱和度大；因此，从提高原油采收率的目的出发，提高原油采收率的目的出发，注水开发的油注水开发的油藏，并非注水速度越大就越好。藏，并非注水速度越大就越好。 定义定义：物质在相表面和相内部浓度不同的：物质在相表面和相内部浓度不同的现象，称为现象，称为吸附吸附。 分类分类：正吸附，负吸附

20、：正吸附，负吸附一、什么是表面活性剂一、什么是表面活性剂1. 1. 定义定义 少量存在就能少量存在就能大大降低表面张大大降低表面张力的物质。力的物质。 2.2.结构特点结构特点 两种基团：亲两种基团：亲水基团、疏水水基团、疏水（亲油）基团（亲油）基团二、表面活性剂的稀溶液和浓溶液二、表面活性剂的稀溶液和浓溶液Us扩散扩散2大。大。三、表面活性剂的稀溶液和浓溶液三、表面活性剂的稀溶液和浓溶液Us扩散扩散热运动热运动极性相近极性相近（1）分子分布有两个动平衡）分子分布有两个动平衡活性剂在溶液活性剂在溶液中的缔合分子中的缔合分子吸附层中活吸附层中活性剂分子性剂分子Us扩散扩散溶液中单个溶液中单个活性

21、剂分子活性剂分子热运动热运动极性相近极性相近（2）活性剂分子在界面达到饱和吸附层，对表面张力无影响。活性剂分子在界面达到饱和吸附层，对表面张力无影响。二、表面活性剂的稀溶液和浓溶液二、表面活性剂的稀溶液和浓溶液胶胶束束表面活性剂的吸附表面活性剂的吸附(Surfactant adsorption)(Surfactant adsorption)表面活性表面活性剂吸附剂吸附气液气液界面界面液液液液界面界面固液固液界面界面表面张力表面张力界面张力界面张力润湿性润湿性表面活表面活性剂损耗性剂损耗粘附功粘附功曲界面曲界面压力差压力差毛细上升毛细上升下降下降贾敏效应贾敏效应表面活性剂的吸附表面活性剂的吸附-

22、 -经验公式经验公式表面活性表面活性剂吸附剂吸附气液气液界面界面液液液液界面界面固液固液界面界面Gibbs吸附吸附等温式等温式Langmuir吸附吸附等温式等温式cRTcdd222ccccsms单层、最单层、最简单情况简单情况表面活性剂的吸附表面活性剂的吸附 表面活性剂的吸附有静态吸附与动态吸附之分。静表面活性剂的吸附有静态吸附与动态吸附之分。静态吸附是指表面活性剂溶液与岩石颗粒经过长时间的充分态吸附是指表面活性剂溶液与岩石颗粒经过长时间的充分接触而形成的吸附；动态吸附是指表面活性剂溶液以一定接触而形成的吸附；动态吸附是指表面活性剂溶液以一定速度通过孔隙介质而形成的吸附。通常，静态吸附量大于速

23、度通过孔隙介质而形成的吸附。通常，静态吸附量大于动态吸附量。动态吸附量。 表面活性剂吸附量的测定方法较多，常用的定量测定表面活性剂吸附量的测定方法较多，常用的定量测定方法有比色法、分光光度法、两相滴定法、选择性电极法、方法有比色法、分光光度法、两相滴定法、选择性电极法、示波极谱和高效液相色谱法。示波极谱和高效液相色谱法。表面活性剂的吸附表面活性剂的吸附 静态吸附静态吸附静态吸附量可由一定量吸附剂在溶液中吸附前后被吸附静态吸附量可由一定量吸附剂在溶液中吸附前后被吸附物质的浓度变化来计算。按如下步骤进行物质的浓度变化来计算。按如下步骤进行：（1 1）配液）配液 分别用蒸馏水和模拟地层水配置一系列不

24、同浓分别用蒸馏水和模拟地层水配置一系列不同浓度的表面活性剂溶液。度的表面活性剂溶液。（2 2）均匀混合）均匀混合 将一定数量的石英砂粒与表面活性剂溶液将一定数量的石英砂粒与表面活性剂溶液按按110110的固液比加入西林瓶，摇匀后放入恒温箱中，定时的固液比加入西林瓶，摇匀后放入恒温箱中，定时振荡以使砂粒与溶液充分接触；振荡以使砂粒与溶液充分接触；（3 3）测定吸光度）测定吸光度 48h48h后将溶液从西林瓶中移入离心管，离后将溶液从西林瓶中移入离心管，离心分离心分离3030分钟，然后取离心管上部清液加入显色剂，待稳分钟，然后取离心管上部清液加入显色剂，待稳定后用紫外定后用紫外/ /可见分光光度计

25、测定吸光度，并根据工作曲线可见分光光度计测定吸光度，并根据工作曲线计算溶液浓度。计算溶液浓度。表面活性剂的吸附表面活性剂的吸附 动态吸附动态吸附动态吸附量是指在流动条件下测得的单位质量动态吸附量是指在流动条件下测得的单位质量 吸吸附剂吸附被吸附物质的质量，实验方法如下：附剂吸附被吸附物质的质量，实验方法如下：（1）将抽真空饱和好的岩心装入岩心夹持器，在）将抽真空饱和好的岩心装入岩心夹持器，在90下，将下，将0.2%的的NB95体系注入岩心体系注入岩心1PV，之后用模拟地，之后用模拟地层水进行后续水驱；层水进行后续水驱；（2）在夹持器出口端连续收集产出液，并用紫外）在夹持器出口端连续收集产出液，

26、并用紫外/可见可见分光光度计进行浓度测定。分光光度计进行浓度测定。表面活性剂的吸附表面活性剂的吸附- -运用运用(直线部分直线部分)(水平线部水平线部分分)图图2-13 NP-8.5在在CaCO3界面上的吸附等温线（界面上的吸附等温线（20）当当c2很小时，很小时，aCCCC22sms22sms2CaCC sms2CC 石油磺酸盐石油磺酸盐在高岭土界面上的吸附等温线在高岭土界面上的吸附等温线图图2-14 石油磺酸盐在高岭土界面上的吸附等温线（石油磺酸盐在高岭土界面上的吸附等温线（50）cmc双层吸附双层吸附单层吸附向双单层吸附向双层吸附过渡层吸附过渡单层吸附单层吸附表面活性剂的吸附表面活性剂的

27、吸附- -运用运用cmc图图2-16 石油羧酸盐在高岭土界面上的吸附等温线（石油羧酸盐在高岭土界面上的吸附等温线（45）2 聚合物吸附聚合物吸附(Polymer adsorption)(Polymer adsorption)聚合物主要通过色散力、氢键和（或）静电引力吸附聚合物主要通过色散力、氢键和（或）静电引力吸附在固液界面上。在固液界面上。l 由于聚合物的相对分子质量大，色散力强，所以色由于聚合物的相对分子质量大，色散力强，所以色散力是所有聚合物在固液界面上都存在的作用力。散力是所有聚合物在固液界面上都存在的作用力。l 对羟基化的砂岩表面，氢键对带对羟基化的砂岩表面，氢键对带OHOH、CON

28、HCONH2 2和和COOMCOOM的聚合物在固液界面上吸附可起重要作用。的聚合物在固液界面上吸附可起重要作用。l 对带负电的砂岩表面，静电引力对阳离子型聚合物对带负电的砂岩表面，静电引力对阳离子型聚合物在固液界面上吸附同样起重要作用。在固液界面上吸附同样起重要作用。聚合物吸附聚合物吸附- -特点特点l（1 1）吸附的构象多）吸附的构象多（2）达到平衡时间长）达到平衡时间长（3）解吸难）解吸难（4）多级吸附）多级吸附（5）随温度变化反常）随温度变化反常（温度升高时，聚合物可在（温度升高时，聚合物可在溶液中有足够的能量采取易溶液中有足够的能量采取易为界面吸附的构象）为界面吸附的构象）聚合物吸附聚

29、合物吸附- -特点特点聚合物吸附规律聚合物吸附规律accccsms222 ELECTRIFICATION PHENOMENA ON ROCK SURFACE组成砂粒和胶结物的矿物（除钙质胶结外）主要是硅铝酸盐组成砂粒和胶结物的矿物（除钙质胶结外）主要是硅铝酸盐砂岩表面带电的来源砂岩表面带电的来源表表2-3 一些硅铝酸盐矿物零电位下的一些硅铝酸盐矿物零电位下的pH值值图图2-21 高岭石在季铵盐型表面活性剂溶液中的高岭石在季铵盐型表面活性剂溶液中的zeta电位电位1十二烷基三甲基溴化铵；十二烷基三甲基溴化铵；2十四烷基三甲基溴化铵；十四烷基三甲基溴化铵；3十六烷基三甲基溴化铵十六烷基三甲基溴化铵利用利用：阳离子：阳离子型型HPAMHPAM堵水延堵水延长堵水有效期长堵水有效期第六节第六节 水驱油时油的分散现象水驱油时油的分散现象 1 1 亲水介质残余油分布亲水介质残余油分布 2 2 亲油介质残余油分布亲油介质残余油分布 3 3 并联毛细管残余油分布并联毛细管残