油层物理-杨胜来-第8章

第三篇储层中多相流体的渗流机理储层流体物性储层岩石物性储层中多相流体的渗流机理一般说来油藏中单相流体的情况极少，大多存在不互溶的油、水两相流体或是油、气、水三相流体。第三篇储层中多相流体的渗流机理

1、流体与岩石、流体与流体的接触面积相当大

油藏岩石是比面极大的多孔介质，即使孔道中只含有一相流体时，它与岩石孔隙的接触面积已经相当大。而当油藏流体以油、气、水两相或三相同时存在于岩石孔隙中时，在各相流体之间、流体与岩石颗粒固相间就存在着多种界面——水和岩石、油和岩石、油和水、油和气、气和水等多种接触面，这些界面总面积极大。第三篇储层中多相流体的渗流机理

储层中多相流体的特点

2、与两相界面有关的问题各相流体之间、流体与岩石表面之间——两相界面分子的相互作用造成了有关界面性质的很多问题：水驱油问题、油水界面时的毛细管附加阻力问题、互溶混相驱油时的油水界面消失的问题。3、与表面或界面性质有关界面张力、吸附作用、油水对岩石孔隙表面的有选择性地润湿等现象。加上油藏岩石的孔隙孔道很小，结构复杂，又会引起毛细管现象、各种附加阻力效应等等，从而对油藏流体的分布和流动有重大的影响。第三篇储层中多相流体的渗流机理

储层中多相流体的特点

由于界面现象与两相内部及界面的分子力有关，我们必须从微观角度入手，研究是多相流体在储层中：1、岩石的润湿性2、毛管力及各种毛管阻力，探讨消除和降低附加阻力的规律，3、微观渗流机理，掌握油、水在岩石孔隙中的分布特点，掌握剩余油分布规律及其影响因素，4、多相渗流特征（相对渗透率）为宏观上掌握油井生产规律，合理开发油田，改善开发效果以及提高采收率等工作打下基础。第三篇储层中多相流体的渗流机理

研究的目的和意义一、储层流体的相间界面张力二、界面吸附现象三、储层岩石润湿性主要包括以下三个方面内容：第一节储层流体的相间界面张力主要包括以下五方面内容：1.两相界面的自由表面能2.比表面能和表面张力3.界面张力的影响因素4.油藏流体间的界面张力5.界面张力的测定一、两相界面的自由界面能物质界面层的分子与其内部分子所处的状态不同。在水相的内部，由于同时受到周围同类分子力的作用，所以其分子力场处于相对平衡状态。

把由相内分子力引起的一些性质称“体积性质”把由两相界面分子引起的性质称“界面性质”任何两相分界面称“界面”例子：当两相中其中一相为气体时，则把界面称“表面”把固和液、液和液相接触的界面称“界面”把固体和气体接触界面称“固体表面”把液体和气体接触界面称“液体表面”第三篇储层中多相流体的渗流机理

基本概念

一、两相界面的自由界面能在各个方向上并不是相等的表面层分子a所受的合力的方向指向水相内部并与表面垂直。分子a有向水相内部运动的趋势，即水相表面有自动缩小的趋势。表面层分子力场的不平衡使得表面层分子储存了多余的能量，我们把这种能量称为‘自由能’——即两相界面层的自由表面能。如果要想把水的内部分子举升到水面，就必须做功。只有对其作功才能使液相内的水分子上升到水表面，这种能量（功）就转化为自由表面能。

一、两相界面的自由界面能（1）只有存在不互溶的两相时自由界面能才存在。以上是水－空气界面。同理对于任意两相，不论是气和液、液和液，还是气和固、液和固的界面，都存在有上述的自由界面能。而完全互溶的两相（例如酒精和水、煤油和原油），由于它们之间不存在界面，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据热力学第二定律知，任何自由能都有趋于最小的趋势。由于等体积物体以球体表面积最小，表面能也最小，所以水银滴掉在桌面上变成球形，而不是其它形状，以使自由表面能居于最小。自由界面能的性质一、两相界面的自由界面能（3）界面是具有一定厚度的界面层界面层的结构和性质与每一相的性质都不同，是一个逐渐过渡的分子层。在该过渡层中的分子，都具有自由表面能，只是大小不同而已。在过渡层中，分子的热力学性质也是逐渐过渡并且是连续变化的，最终分子力场达到平衡的某一单相。例如，水与空气接触的表面层厚度至少有几个分子层厚。一、两相界面的自由界面能（4）自由界面能的大小与两相分子性质有关系。两相分子的极性差越大，界面能越大。水是液体中极性最大的，而干净的空气极性很小，因此水-空气界面的表面能最大。原油和四氯化碳的极性差很小，乃至界面消失而互溶，正因为如此，油层物理实验中用四氯化碳来提取岩心中的石油。（5）自由界面能还与两相的相态有关。液相和气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。

液和固之间的自由界面能大于液和气之间的自由表面能。

液固>气液1一、两相界面的自由界面能二、比界面能和界面张力（比表面能和表面张力）

表面能和表面张力是两个不同的概念。它们的意义不同（仅仅是数值相等），在热力学上多用表面能的概念，而表面张力则多用在力学和实际应用中。比表面能是单位表面积具有的自由表面能，比表面能的单位：SI单位制：焦耳/米2（J/m2），1焦耳/米2（J/m2）=1牛顿／米（N/m），工程上常用毫牛顿／米（mN/m）。CGS单位制：尔格/厘米2。1尔格/厘米2=1达因／厘米（dyn/cm）。1毫牛顿／米（mN/m）=1达因／厘米（dyn/cm）

从因次上看，比表面能等于单位长度上的力，所以习惯上把比表面能称为表面张力，用符号σ表示。

图8-3做功与气液表面形成示意图

由于体系表面层上的分子力的不对称作用，使得其能量比相内分子能量高，故增加体系的新表面积，相当于把更多的分子从相内移到表层来，就必须克服相内分子的吸引力而做功，这种作功的能量就转化为新生界面的表面能。

二、比界面能和界面张力（比表面能和表面张力）

严格地说，在两相系统的表面层上只存在比表面能而不存在表面张力，表面张力只是自由表面能的一种表示方法，并非存在什么真实的‘张力’。只有在三相系统的周界上，这种表面能才有界面的张力存在，它是各自两相界面层自由表面能在三相周界的接触点相互“争夺”的结果。如图8—4所示，一滴油滴在水面上则有三种界面，即油-气（2-3）、油-水（2-1）和水-气（1-3）界面，各自界面层的表面能在三相周界的争夺则呈现三种表面张力σ2-3、σ1-2

和σ1-3，当三者达到平衡时则：二、比界面能和界面张力（比表面能和表面张力）

图8-4三相周界界面张力示意图

也只有在争夺的过程中最后达到平衡的情况下才有张力的表现。界面张力的大小等于各自的比表面能；界面张力的方向，界面为平面则在平面上，界面为曲线，则在切线上；力的作用点则为三相周界的接触点。二、比界面能和界面张力（比表面能和表面张力）

表8—1某些物质与空气、水的界面张力值物质与空气接触时的表面张力mN／m(20℃时)与水接触时的界面张力mN／m(20℃时)水银水苯变压器油杜依玛兹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484.072.828.939.127.218.421.828.417.026.933.528.532.522.3375——35.045.130.351.150.8/10.745.0////二、比界面能和界面张力（比表面能和表面张力）1、物质的组成可以看出，水银与空气接触时的表面张力要大于与水接触的界面张力，这是因为两相间分子的极性差越大，表面能也就越大的特点。在液体中水的极性最大，而空气的极性很小，所以水与空气的界面张力最大。作为有机溶剂的原油与甲苯，由于它们都是有机物，因而之间的极性差很小，界面张力也就很小，甚至可以达到互溶以至界面消失。2、相态自由界面能的另一个特点是它的大小与两相的相态有关，如液、液之间的自由界面能一般大于液气之间的自由界面能。3、温度和压力温度和压力直接影响到分子间的距离，因而分子间的作用力也随之变化，使得界面层上分子的力场受到影响，界面张力变化。三、界面张力的影响因素

对于任何液、气两相来说，都会有随着温度和压力的增加，表面张力的减小的现象。因为当温度升高时，一方面增大了液体分子间的距离，分子间的引力减小，另一方面液体的蒸发，使液体与蒸汽间分子的力场差异变小，从而降低了表面张力。而升高压力将增加气体在液体中的溶解度，液体的密度因而减少，而气体受压密度增加，两相的密度差减少，从而导致了两相分子间的差异变小，分子力场不平衡减弱，最终表现为表面张力降低。

三、界面张力的影响因素

在油气储层中，存在多种界面，但固体表面张力很难确定，为此，通常只限于讨论流体间的界面张力。油藏流体组成复杂而且油藏中各处的温度、压力大小也不同，温度、压力条件又改变着流体的组成，这些因素决定了油层中流体间的界面张力变化的复杂性，即使在同一个油气层，界面张力不是定值，不同油气层则差别会更大。下面根据上述界面张力的概念及其特点，解释油藏流体界面张力的大小及变化规律。

四、油藏流体间的界面张力

1、油-气界面

油气界面张力随气相在液相中溶解度的增大而降低。天然气中含重烃气体愈多，原油中的溶解气量就愈大，那么，当压力增加时，表面张力减小幅度也越大。

油藏原油处于高温、高压的条件下，并且溶有大量的天然气，油藏中油气系统的界面张力就要比地面脱气原油和空气系统的界面张力小得多。同理，油藏内部不同地点的原油界面张力也有变化，例如气顶附近原油的界面张力要小于远离气顶的原油的界面张力。1、油-气界面

（1）对于无溶解气的油-水体系，俄国学者认为，温度和压力的改变对油水间的界面张力基本上无影响。这是因为温度增加，使油、水同时膨胀；而增大压力，又使油、水同时受压缩，油、水各自的分子热力学性质变化基本一致，使得油、水间的分子力场仍可能保持不变，从而表面张力仍保持不变。也有些研究者认为，随着温度的升高，油-水界面张力会有明显的降低，而压力对界面张力的影响较小。

2、油-水界面

（2）对有溶解气的油-水体系：溶解气量的多少，对油-水两相间的界面张力起着决定性的作用。2、油-水界面

表8—2国内外部分油田的油水界面张力值油田名称油水界面张力，mN／m测定条件杜依玛兹石油罗马什金石油老格罗兹内Ⅱ／HⅡ得克萨斯34个油田胜利油田辽河油田大庆油田长庆油田任丘油田30.225.626.013.6~34.323~319~2430~3628.640地面地面地面地面70℃45℃~85℃地下51℃地面2、油-水界面

图8—8是有溶解气的条件下，油-水界面张力随压力变化的关系示意图。曲线①、②、③分别代表原油相对密度和溶解气量不同的三种情况。由图可见,当压力小于饱和压力Pb时，压力升高，界面张力增大，这是由于当压力小于饱和压力前，气体在油中的溶解度大于在水中的溶解度，使油-水间极性差更大而引起的；当压力大于Pb时，随着压力增加，界面张力变化不大，因为在高于饱和压力后，增加压力不会增加气体的溶解度，而仅仅是对流体增加了压缩作用。油水体系的界面张力还会随着原油组成的不同而不同，当原油中轻烃的含量高时，原油的密度低、粘度小，导致油、水间的分子力场变化，油-水界面张力就小。无论油-水系统中有无溶解气，体系的界面张力都会随着温度升高而降低，因为温度增加，分子运动加剧，油-水表面上分子极性差（即分子力场）减小，从而界面张力降低。

2、油-水界面五、界面张力的测定方法适用范围界面张力，mN／m备注吊片法较高的界面张力1~102

悬滴法中等的界面张力10—1~102

旋转液滴法低界面张力或超低界面张力10—1~10—3如微乳液和油(或水)1、旋滴法2、悬滴法

悬滴法界面张力仪由注射器、针头和光学摄像装置等组成。根据液体的粘度选择针头的粗细，若测定液为普通液体，选0.7mm针头；若为粘稠液，视其粘度大小，可选1.5~2.0mm的针头。

五、界面张力的测定3、吊片法表面张力测定仪的测定基本原理如图8—10所示：调节升降装置，使试样皿内的油-水界面刚好与玻璃吊片底端接触，这时由于固相玻璃吊片和两液相（油和水）相接触，出现了固-液、液-液界面张力，其作用结果是向下拉动玻璃片。这样，由一套记录显示装置将拉力R和砝码的大小直接记录下来，按下面公式来计算出界面张力。

五、界面张力的测定

通常采用查图表(诺模图)的方法(图8—11)，若已知地面(21℃)时所测得的油-水界面张力σo及地层温度T，可由图8—11直接查出地层温度下油-水的界面张力σt。

五、界面张力的测定

图8—12为地层条件下甲烷-水界面张力图，由已知的地层温度及压力，从图8—12直接查出甲烷-水的界面张力。若气藏中天然气主要成分是甲烷，则可确定气藏的界面张力。

五、界面张力的测定

主要包括以下六方面内容：一、吸附的概念

二、气－液界面（表面）的吸附三、气－固界面上的吸附四、液－固界面上的吸附五、润湿现象和毛管力六、界面粘度第二节界面吸附现象

溶解于某相中的物质，自发地聚集到两相界面层的现象称之为“吸附”例如：特征：1.溶解——多种分子2.发生在两相界面3.浓度分布不均匀4.降低界面张力吸附是某些分子在固体表面或液体表面的聚集一、吸附的概念

液体表面的吸附问题是怎样一个过程，又是如何降低自由界面能的？纯水中加入少许活性剂(肥皂)，则肥皂水溶液的表面张力要比纯水的表面张力减小很多。两相界面的表面张力对外来物（如活性剂肥皂）的存在极其敏感，尽管外来物质很少，它却使表面张力急剧减小。这种现象：一方面表面张力的性质;另一方面外来物的性质

二、气-液界面（表面）的吸附

图8—13钠肥皂分子的化学结构式从外来物的性质（肥皂的性质）来看，从化学结构上讲，它是高级脂肪酸的一些盐类，例如钠肥皂分子化学结构式为CnH2n+lCOONa比如C16H33COONa。

它的一端是由碳氢组成的基团，具有对称的非极性结构，称之为碳氢链(如C16H33-)；另一端则是非对称的极性基团(如-COONa)。这种具有两性的分子通常以“—O”表示。直线段代表非极性的碳氢链，圆环的一端代表极性基团。二、气-液界面（表面）的吸附

将少许肥皂活性剂放入纯水中，肥皂活性剂分子便自发地集聚在两相界面层上(水面)，水为极性的，所以，活性剂分子的极性端朝向水里，而非极性端则力图与非极性的空气相作用，从而使得水表面层的极性差减小，水表面层的自由表面能也随之减小，表面张力减小。二、气-液界面（表面）的吸附从图上可以看出，当表面活性物质的浓度较小时，随浓度的增加，比吸附的增大和表面张力的减小都比较快。但是，当浓度增加到—定值后，比吸附则不再增加，而趋于比吸附最大值。这是因为吸附趋饱和(图8—14)。此时的表面张力值，也就不再随浓度的增加而减小了。图8—14中最右边的情况，就是水中的活性剂分子聚集在一起，憎水的非极性端向内互相靠拢，亲水基向外，形成所谓‘胶束’。从上述肥皂水溶液的吸附过程的例子可以看出，若C为吸附在A、B两相界面的物质，则物质A的极性＞C的极性＞B的极性，这就是所谓的“极性均衡”原则。凡是吸附作用的发生，都将满足这一个原则。二、气-液界面（表面）的吸附

可见，活性剂集中到界面上去，就会使极性差减小，也就是使自由表面能（即表面张力）减小，而这一过程恰与自由能趋于最小的趋势是一致的，所以，肥皂活性剂分子向水界面层集中是自发的过程。纯水的表面张力很大(72.8mN／m)，而加肥皂后表面张力会大大降低。具有上述结构的分子所组成的物质——表面活性剂，在液体中都能降低界面张力。从上述肥皂水溶液的吸附过程的例子可以看出：若C为吸附在A、B两相界面的物质，则物质A的极性＞C的极性＞B的极性这就是所谓的“极性均衡”原则。凡是吸附作用的发生，都将满足这一个原则。

二、气-液界面（表面）的吸附原油是含多种分子的混合物，就其极性组成而言，可以分为非极性物质和含有极性的活性物质两类。前者如烷烃、环烷烃和芳香烃，后者一般是烃与氧、硫、氮的化合物，如环烷酸、胶质、沥青质等。实际上，可以认为原油是表面活性物质在非极性烃类中的一种溶液。被吸附在两相界面层上、能大大减低表面张力的物质叫做表面活性物质或表面活性剂。界面层单位面积上比相内多余的吸附量叫比吸附，用G表示。二、气-液界面（表面）的吸附在气-液界面上，比吸附与溶质浓度、表面活度之间的关系由吉布斯(Gibbs)等温吸附关系式表示：式中：G——吉布斯比吸附量；

C——溶质浓度；

()T——表面活度，即在某一温度下，表面张力随溶液浓度的变化率，代表溶质表面活性的大小；

T，R——绝对温度和通用气体常数。

二、气-液界面（表面）的吸附

当<0时，比吸附G为正值，称为正吸附，它表明表面张力随溶质浓度的增加而减少，溶质为表面活性物质；如果＞0时，比吸附G为负值，称负吸附，它表明表面张力随溶质浓度的增加而增加，溶质为表面非活性物质，如多数的无机盐如NaCl、MgCl2、CaCl2等都会使表面张力增高。它们溶于水中，会增加了水相分子的内聚力，从而就增加了油-水、气-水的界面张力。

二、气-液界面（表面）的吸附比吸附G与溶液中表面活性物质浓度之间的关系曲线，称为比吸附等温线表面张力σ与溶液中表面活性物质浓度之间的关系曲线，称为表面张力等温线吸附饱和二、气-液界面（表面）的吸附

最右边的情况：水中的活性剂分子聚集在一起，憎水的非极性端向内互相靠拢，亲水基向外，形成‘胶束’——Micelle

由于非极性的憎水端被极性端完全包围在内部，不与水接触，它们就会稳定地溶于水中，对水的表面张力也就没有太大影响。临界胶束浓度CMC——CriticalMicelleConcentration一般表面活性剂的CMC为10－2～10－15mol/L一个胶束中包含的分子个数：几十～几百～几千个二、气-液界面（表面）的吸附

图8—16给出了在油水两相为乙、丙烷混合气体所饱和的情况下，油-水表面张力随压力的变化。当压力开始增加时表面张力有所增加，当压力继续增加时表面张力随即减小，紧接着则趋于不变。这一过程既和乙、丙烷气体在两相中溶解有关系，又和油中的极性组分在两相界面层的浓度变化有关系。

二、气-液界面（表面）的吸附在油水两相体系中，当表面活性剂处于界面上时，亲油基处于油中，亲水基留在水中。表面活性剂在界面上的浓度高于其在油相或水相中的浓度。在互不混溶的液体体系中加入表面活性剂物质，会使它们的界面张力降低。例如正辛烷－水体系，界面张力～50mN/m。加入十二烷基硫酸钠，可以使界面张力降低至几mN/m的水平。三、液-液界面上的吸附

和液体一样，固体表面上分子所受的力也是不对称的，因此固体表面也存在界面能。固体可以吸附碰撞到其表面上的气体分子或从溶液中吸附其他物质，以降低其表面能。历史上，对吸附作用的研究和工业应用是从固体开始的。四、气-固界面上的吸附

兰格缪尔（1916年）提出的单分子层吸附理论，认为固体表面的分子力场不饱和，产生剩余力并使碰撞到固体表面的气体分子被吸附。吸附作用是气体分子在固体表面凝聚和逃逸两种相反运动的动态平衡的结果。兰格缪尔提出了吸附量与气体压力的关系，即等温吸附关系式：

式中：V——某一定量吸附剂上气体吸附质的摩尔数

P——气体压力

V∞——该一定量吸附剂所能吸附最大摩尔数

b——吸附系数或特性常数。

四、气-固界面上的吸附当P值很低时，bP值远小于1，V≈V∞bP，因此V压力p成正比。在P值很高时，bP值远大于1，则有V＝V∞，这表明高压力下，吸附剂的表面已被单分子层的吸附物质覆盖，增加压力，吸附量不再增加。四、气-固界面上的吸附

固体表面的吸附具有以下规律：（1）单位质量的固体的吸附量，随着吸附界面面积的增大而增大。（2）固体表面是凹凸不平的，表面物质的成分也不均一，不同的成分具有不同的吸附性能，所以固体的吸附具有选择性。固体表面不同的部位的吸附效果常有较大差异。（3）吸附是放热的，所以升高温度吸附量降低（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。气体具有较大的压缩性，固体表面对气体的吸附随压力的升高而增大。

四、气-固界面上的吸附

液体在固体表面上的吸附一方面是因为固体表面力场的诱导，另一方面是由于吸附层分子如活性剂的影响。固体表面物质的成分很不均一，表面凹凸不平，导致了固体吸附的不同部位具有不同的吸附性能，表现出选择性吸附，即固体的极性部分易吸附极性物，而非极性部位易吸附非极性物等。液体在固体表面上的吸附常形成边界层。五、液-固界面上的吸附

油藏流体中的油和水，其中水具有很强的极性，原油中各种非烃类化合物，如环烷酸、沥青质等也具有极性结构，因此它们容易被由极性矿物颗粒组成的岩石表面所吸附。可以认为：石油在岩石中的吸附程度主要取决于石油中所含极性物质的多少。

Б.B.泽烈金指出，玻璃面上油水膜厚度约为0.075μm。

岩石固体表面的吸附层十分牢固，由于它具有反常的力学性质及很高的抗剪切的能力，因此很难除去。五、液-固界面上的吸附

A.Φ.列别捷夫曾进行气驱水试验，证明在700N离心力作用下气驱水后，多孔介质中颗粒表面上仍留有约几个水分子层的薄膜。在岩石孔隙中，水被吸附于孔隙内壁表面上形成牢固的吸附层，孔隙半径等于和小于吸附层厚度的孔隙，就不会再有储油价值。因此，从吸附角度而言，有效孔隙应是半径大于吸附水膜厚度的孔隙。因为吸附层的厚度受岩石表面性质、孔隙结构、表面粗糙度、液体性质、温度及压力等多种因素的影响，造成了储层岩石表面具有选择性吸附的特点。五、液-固界面上的吸附

液体在固体表面的吸附要比气体复杂的多。计算溶质在固液界面的吸附量与液相中溶质浓度的经验公式目前也有几种，如兰格缪尔（Langmuir）的吸附等温式表示为：

Г——吸附量，mol/g；Г∞——饱和吸附量（即1g吸附剂当表面盖满一层时所能吸附的溶质的量），mol/g；c——溶质的浓度，mol/L；b——吸附系数，其数值与温度、溶质和溶剂的性质有关，L/mol。

五、液-固界面上的吸附吸附现象是由于物质表面的未饱和力场自发地吸附周围介质以降低其表面自由能的自发现象。润湿现象是自然界中的另一类自发现象。当不相混的两相流体(如油、水)与岩石固相接触时，其中的一相流体沿着岩石表面铺开，其结果也使体系的表面自由能降低，我们称这种现象为润湿现象。能沿岩石表面铺开的那一相称为润湿相。由于润湿作用支配着油、气、水在地层岩石孔隙中的微观分布。六、润湿现象和毛管力在液-固体系中，由于上述吸附现象、润湿现象的作用，当流体在岩石表面上流动时所表现的粘度（称为界面粘度）将不同于流体粘度(BlukViscosity)。七、界面粘度

主要包括以下方面：1岩石润湿性概念2润湿滞后现象3储层岩石的润湿性及其影响因素4油水在岩石孔隙中的分布5油藏岩石润湿性的测定第三节储层岩石的润湿性润湿现象是自然界中的另一类自发现象。当不相混的两相流体(如油、水)与岩石固相接触时，其中的一相流体沿着岩石表面铺开，其结果也使体系的表面自由能降低，我们称这种现象为润湿现象。1、润湿现象一、岩石润湿性的概念

润湿是指液体在界面张力的作用下沿岩石表面流散的现象。将一滴液体滴在玻璃板上，如果液滴（例如水滴）在玻璃板上迅速铺开，说明液体润湿固体表面；而如果液滴不散开（例如水银），则说明液体不湿润固体表面（如图）。1、润湿现象

讨论润湿现象时，总是指三相体系：一相为固体，另一相为液体，第三相为气体或另一种液体。某种液体润湿固体与否，总是相对于另一相气体（或液体）而言的。如果某一相液体能润湿固相，则另一相是不润湿固相的。1、润湿现象

岩石润湿性是岩石矿物与油藏流体相互作用的结果，是一种综合特性。当不相混的两相流体(如油、水)与岩石固相接触时，其中的一相流体沿着岩石表面铺开，其结果也使体系的表面自由能降低，我们称这种现象为润湿现象。能沿岩石表面铺开的那一相称为润湿相。2、岩石润湿性

表示润湿程度的参数——接触角或附着功1、接触角(也称润湿角)通过液-液-固（或气-液-固）三相交点做液-液（或液气）界面的切线，切线与固-液界面之间的夹角称为接触角，用θ表示，并规定θ从极性大的液体一面算起。油-水-岩石系统的润湿性：

(1)当θ＜90°时，水可以润湿岩石，岩石亲水或称水湿；(2)当θ=90°时，油、水润湿岩石的能力相当，岩石既不亲水也不亲油，即为中性润湿；

(3)当θ＞90°时，油可以润湿岩石，岩石亲油或称油湿；2、岩石润湿性

某一流体润湿固体表面是各相界面张力相互作用的结果。2、岩石润湿性

在三相周界点（O点）处产生了三种界面张力，即：气-液界面张力σgL，气-固界面张力σgs，液-固界面张力σLs。当三种表面张力之间达到平衡时，有：

该式即著名的杨氏(Young)方程。2、岩石润湿性

2、附着功(也称粘附功)衡量岩石润湿性大小的另一个指标是附着功或粘附功。它是指在非湿相流体(如气相)中,将单位面积的湿相从固体界面拉(离)开所作的功。

在这一过程中，做功的能量转化为固体表面能的增加，设表面能的增加值为△Us，则：

式中：U1和U2分别是湿相流体离开固体表面前后固体的比表面能

，，和则分别是气液、气固和液固的界面张力。根据表面张力的概念，(σgL+σgs)>σLs，故△Us>0，即体系的表面能增加，这个表面能的增量就等于附着功(或粘附功)，用符号W表示，有：

再由杨氏方程式得：

因此接触角与附着功具有如下关系式：

由上式看出，θ角越小，附着功W越大，也即湿相流体对固体的润湿程度越好；

因此，可以用附着功判断岩石润湿性的好坏对于油、水、岩石三相体系，当附着功大于油水界面张力时，岩石亲水；当附着功小于油水界面张力时，岩石亲油；当附着功等于油水界面张力时，岩石为中性润湿。表面活性物质自发地吸附在两相界面上则使界面张力减小，因此，表面活性物质吸附于固体表面将使亲水性的固体表面向亲油性表面转化（如图8—21上）。或者由亲油性的表面变成亲水性的表面（图8—21下）。3、表面活性物质对润湿性的影响——润湿反转现象

转化的程度既与固体表面性质和活性物质的性质有关，又和活性物质的浓度有关3、表面活性物质对润湿性的影响——润湿反转现象我们把固体表面在活性物质吸附的作用下润湿性发生转化的现象称为润湿反转。砂岩颗粒(主要是硅酸盐)的原始性质是亲水性的，但砂岩表面常常由于表面活性物质的吸附而发生了润湿反转，变成亲油性。我们也可以根据润湿反转的原理采取措施来提高采收率，例如向油层注入活性水，使其中的表面活性剂按极性相近规则吸附第二层，抵消了原有活性物质的作用，以使亲油表面反转为亲水表面，使油容易被驱走，从而提高采收率。3、表面活性物质对润湿性的影响——润湿反转现象

二、润湿滞后现象

润湿滞后是在流体流动过程中出现的一种润湿现象，如图8—23所示，将原来水平放置的固体表面倾斜一个角度α，可以发现，油-水-固三相周界不能立即向前移动，而是油-水两相界面发生变形，使得原始的接触角发生改变，然后，三相周界才向前移动。在A点，水驱油时由于水占据了油原来的部分空间而形成的接触角称为前进角θ1，θ1＞θ（θ为原始接触角）。在B点，油驱水时的接触角称为后退角θ2，有θ2＜θ。

所谓润湿滞后就是指在外力作用下开始运动时，三相周界沿固体表面移动迟缓而使润湿接触角改变的一种现象。润湿滞后现象与下列三种因素有关：1、与三相周界的移动方向有关——静润湿滞后2、与三相周界的移动速度有关——动润湿滞后3、与石油中的表面活性物质在岩石表面上的吸附有关4、与岩石颗粒表面粗糙程度有关二、润湿滞后现象

二、润湿滞后现象

3、与石油中的表面活性物质在岩石表面上的吸附有关4、与岩石颗粒表面粗糙程度有关

动润湿滞后是在水驱油或油驱水过程中，当油、水和岩石三相周界沿固体表面向前移动时，由于油、水界面各处运动速度不同而使接触角发生变化的现象。如图8—24所示，在亲水毛管孔道中，当油水界面静止平衡时，弯液面上的接触角为θ（θ小于90o）；当水驱油时，界面开始移动，而三相周界不能立即移动，油水界面首先变形，接触角增大为θl，此时为动润湿滞后；当油驱水时，接触角减小为θ2。同样，水驱油时的接触角称为前进角或称增大角θ1；油驱水时的接触角为后退角或减小角θ2；当三相周界停止移动处于稳定时，测定的润湿角为平衡角θ，则有θl＞θ＞θ2。

二、润湿滞后现象

但前进角和后退角的数值与润湿周界的移动速度的有关（图8—25）。运动速度越大，则动润湿滞现象越严重，当运动速度超过某一临界值后，会发生润湿反转现象(图8－26)。这说明，在静止或低速条件下，水可以很好地润湿地层；但当注水驱油速度过大时，弯液面的运动速度就会超过水润湿岩石表面的临界速度，此时润湿角变大，润湿性就会发生反转，也就不能很好利用水润湿作用。水流过孔道后，岩石表面还会留下不利于驱油的油膜。二、润湿滞后现象

1、岩石的矿物组成2、油藏流体组成的影响原油的组成非常复杂，按对润湿性的影响其物质可分为三类，（1）非极性的烃类（主要组成），（2）含有极性的氧、硫、氮的化合物，（3）原油中的极性物质或称活性物质。图8—29表示对同样石英矿物表面，当原油的组成不同时，润湿接触角也不同。当油相为异辛烷时，水能润湿石英表面；当油相为异奎啉时，水却不能润湿石英表面；当油相为环烷酸时，其接触角为35°，水能润湿其表面。3、表面活性物质的影响三、储层岩石的润湿性及其影响因素

三、储层岩石的润湿性及其影响因素表8—4不同烃类组分在聚四氟乙烯光面上的前进角烃

类

戊

烷(C5H12)己

烷(C6H14)辛

烷(C8H18)十二烷

(C12H26)前进角(度)082642原油中烃类所含碳原子数越多，接触角就越大。

1、润湿性对油水微观分布的影响

斑状润湿是指在同一岩样的表面上由于矿物组成不同表现出不同的润湿性，油湿或水湿表面无特定位置，就单个孔隙而言，一部分表面为强水湿，其余部分则可能为强油湿，而且油湿表面也并不一定连续（图8—27）。混合润湿是指在大小不同的孔道其润湿性不同，小孔隙保持水湿不含油，而在大孔隙的砂粒表面由于与原油接触常是亲油的，油可连续形成渠道流动，如图8—28所示。

4、矿物表面粗糙度的影响4、岩石孔隙表面的非均质及粗糙度的影响

1、润湿性对油水微观分布的影响四、油水在岩石孔隙中的分布(a)水：环状，油：迂回状

(d)水：迂回状，油：环状，(b)水、油：迂回状

(e)水：油：迂回状(c)水：迂回状，油：孤滴状

(f)水：孤滴状，油：迂回状

图8—31“渠道流态”示意图——湿相驱非湿相非润湿相驱出湿相的过程称之为驱替过程。湿相驱出非湿相的过程则称之为“吸吮过程”1、润湿性对油水微观分布的影响

图8—33亲水岩石水驱油是吸吮过程1、润湿性对油水微观分布的影响

图8—34亲油岩石注水过程中的油水分布

图8—35亲油岩石水驱油是驱替过程1、润湿性对油水微观分布的影响

1、润湿性对油水微观分布的影响

1、润湿性对油水微观分布的影响

2、润湿性决定着孔道中毛管压力的大小和方向上述油水分布和流动规律，一方面取决于岩石表面润湿性，另一方面也取决于岩石孔道中的毛管压力。而毛管压力的大小和方向又取决于毛细管孔隙是亲水毛管还是亲油毛管。亲水毛管的毛管压力的方向与注水的驱动压差方向一致，此时毛管压力为驱油的动力；相反，亲油毛管的毛管压力与注水驱油方向相反，毛管压力为阻力。因此毛管压力的大小和方向，直接影响着流体在岩石中的流动，对于驱油有着重要的作用，为此将在下一章专门研究毛管压力。