岩石润湿性

润湿性是指当岩石表面存在两种不相混流体时，其中某种流体有沿固体表面延展或附着到固体表面的倾向，此时我们称岩石能被该种流体所润湿。例如，水能沿岩石延展（相对于油），则说岩石具有亲水性（亲水岩心）或者说能被水润湿（水湿岩心）。岩石的润湿性取决于岩石的矿物组成，且更重要的是原油中所含极性物质的成分及多少。岩石的润湿性实际是岩石与流体相互作用的结果，是岩石－流体综合特性，而不像孔隙度、渗透率、孔隙大小分布和比面等只是代表岩石骨架本身的性质。

润湿性对多相流的影响是多方面的，润湿性决定了油水在岩石孔道中的微观分布以及残余油在孔隙中的存在方式，决定了孔道中毛管力的大小和方向，影响着微粒的运移方式。

2．4．9．1　润湿性与油水微观分布

岩石颗粒表面润湿性的差异，会使得油水在岩石孔隙中的分布不相同，岩石表面亲水的部分，其表面为水膜所包围，亲油部分则为油膜所覆盖。油水在岩石孔隙中的分布如图2－54所示。

在孔道中各相界面张力的作用下，润湿相总是力图附着于颗粒表面，并尽力占据较窄小的孔隙角落，而把非润湿性相推向更畅通的孔隙中间部位去。

图2－54　油水在岩石孔隙中的分布示意图

油层润湿性被定义为固体骨架对水相或油相的优先亲和性是不严密的。润湿性是沉积层中的一个重要特性，影响到油层中流体的分布、毛细管压力、相对渗透率和流体性质。润湿性是不混溶流体优先在固体表面上扩散趋势的一个量度。因此，当水趋于扩散覆盖到固体表面时，这种固体称为水湿物质，反之称为油湿物质。接触角是衡量流体在单一连续表面上扩散能力和润湿特性的一个好的指标。当接触角度较小时（θ＜90°），表明润湿性越强；当接触角度较大时（θ＞90°），表明润湿性弱；θ≈90°表示为中性润湿性，流体接触角恰好是90°的概率是非常小的。

孔隙物质中的润湿性可分为均匀或均质的润湿性以及不均匀或不均质的润湿性。均匀润湿的孔隙物质的整个孔隙表面要么是完全水湿，要么是完全油湿。然而，大多数沉积层是非均匀的，因为它们一般包含分离的水湿区和油湿区。

沉积岩中的润湿性可以划分为混合润湿性和部分润湿性两类不均质润湿性。混合润湿性描述的岩石仅仅有较大的油湿孔隙和较小的水湿孔隙。造成这种混合润湿性的条件是油优先运移到大孔隙中，接着发生有机沉淀，例如沥青质、蜡、树脂，从而将水湿变为油湿。而部分润湿性描述的是由于表面矿物类型的不同使岩石在许多部位具有不同的表面特性。因此，在部分水湿地层中，水湿和油湿孔隙可以遍及所有的大小孔隙。

2．4．9．2　润湿性与毛管力大小和方向

岩石润湿性不同，可考虑在地层中有亲水孔道（即毛管）和亲油孔道之分。由于润湿性不同，润湿性接触角θ大小也不同，弯液面的凹凸形状和方向也不同，其结果所产生的毛管力方向也不同。如图2－55所示，在亲水毛管中，毛管力pc的方向与注水驱替压差Δp方向一致，pc为动力；相反在亲油毛管中，毛管力pc与注水驱油方向Δp相反，pc为阻力。流动阻力的大小直接影响着油、水的流动。

图2－55　不同润湿性孔道的毛管力方向

孔道中毛管力pc、两相流体界面张力σ和孔道半径及润湿接触角θ间的关系是：

式中：θ——流体对岩石的润湿接触角；

　　　r——毛管半径；

　　　σ——两相界面张力。

在实际生产中，当生产或注水压差很小时，毛管力对驱油有着重要的作用。

2．4．9．3　润湿性与地层中微粒运移

当水驱油时，地层原油采收率的高低、驱油效果的好坏在很大程度上与水对地层岩石的润湿性有关。在能够被水很好润湿的地层中，水所波及的孔道范围更大，水的润湿作用若能充分发挥，则油层颗粒表面上的石油就能采出更多。

此外，润湿性还对各相流体的相渗透率及其对渗透率曲线形状产生明显的影响，岩石的润湿性不同，对外来液体（如聚合物）的吸附也不同。正因为如此，润湿性是研究外来工作液向油层渗入或注入所必需的基础知识，是岩石－流体相互作用的重要特性之一。

2．4．9．4　润湿反转

当地层由水湿转变为油湿时，一般可使油相渗透率下降40%，可见油层润湿性的转变对油层渗透率有着严重的影响。图2－56说明了水湿与油湿的相互转变。

吸附通常遵循极性相似法则。因为灰岩、砂岩和水都是极性的，而油是非极性的，当加入具有两亲结构的活性剂后，它们首先会在岩石孔隙表面上产生定向吸附，使油与岩石间界面张力降低，从而改变岩石润湿性，使岩石亲油［图2－56（a）］。同样，对原始润湿性就是亲油的岩石，外来液体中加有活性剂时，活性剂吸附也可将亲油变为亲水［图2－56（b）］。

图2－56　润湿反转现象

岩石表面亲油亲水性的转化取决于很多因素，如活性剂物质存在于哪一相，它究竟优先吸附在哪一个两相界面上，以及吸附层的分子结构和排列方式等。例如，砂岩中常含有黏土，其表面常带负电，于是阳离子表面活性剂能牢固地吸附在砂岩表面，使表面变为油湿。正好相反的是，石灰岩在pH值为0～8的环境下，大多数表面带正电，阴离子表面活性剂常会吸附于表面上使其变为油湿，阳离子表面活性剂才会使其表面为水湿。通常，进入油气层的表面活性剂来源于外来液体，如钻井液、完井液、射孔液、酸液、注入水等，因而在控制钻井液等外来液体时，应根据油气层的情况正确选用。同时，为筛选钻井液，在进行污染试验时，对于所加的活性剂性质、数量，以及对岩石润湿性的影响，都应该做到心中有数。

量化润湿性的一个实用方法是流体驱替过程的简化研究。驱替过程是将润湿相饱和度增加时成为吸收，而润湿相饱和度减小时成为排出。每单位总体积的驱替作用等于毛细管压力曲线所指示的面积。

可以将毛细管压力零线上下的毛细管压力曲线面积A＋和A－之比的对数定义为润湿性指数，使确定孔隙介质润湿性的难度得以减轻［USBM法］。

孔隙物质可以划分为：

（1）WI＞0，水湿；

（2）WI≈0，中性润湿；

（3）WI＜0，油湿。

很多研究已经指出，在地层伤害过程中润湿性变化是由于岩石、流体和颗粒的相互作用造成的孔隙表面特征改变所致。图2－57表示砂岩的毛细管压力曲线和由黏土细粒堵塞造成的润湿性变化。同样地，用Amott对水和油的润湿性指数也能表示，一种相的Amott指数定义为自吸量与吸入和外替入量的和之比，即：

图2－57　黏土颗粒引起的孔隙堵塞对毛细管压力的影响

Amott－Harvey润湿性指数则定义为：

Amott－Harvey润湿性指数与Prudhoe初始饱和度呈线性关系，随该初始饱和度增加而增加。

润湿性指数与平均孔喉长度呈负相关，随长度而下降，图2－58描述了有机质（如沥青质）的吸附，导致向油湿的反转。图2－59显示出随着沥青质的逐渐吸附润湿性指数减小。

一些学者用低温扫描电子显微镜研究确定了含黏土地层总体或视润湿性受黏土矿物的类型、形态、数量、位置，以及捕获对孔隙空间中的流体影响（图2－60）。认为当水湿高岭石和片状伊利石在原油中老化时，这些矿物吸收某些原油成分而变成油湿。而纤维状伊利石没有显示出对油的任何亲和性，仍然保持水湿状态。因此，即使含少量片状伊利石的高岭石在用油老化后也能使含黏土的砂岩成为油湿。一旦转变成油湿系统，黏土砂岩滞留原油就排斥水。而含油地层中的纤维状伊利石在被水老化时将变成水湿。因此，吸附作用和毛细管力共同作用可以将一个含黏土地层从水湿转变成油湿，反之亦然，这取决于油亲和水亲及存在于地层中黏土矿物的种类及数量，以及伊利石的形态，因为纤维状伊利石亲水，片状的憎水。

图2－58　沥青质的吸附造成润湿性反转机理

图2－59　Berea砂岩中沥青质吸附造成润湿性指数的变化

2．4．9．5　润湿滞后

润湿滞后是三相润湿周界沿着固体表面移动的延缓。为了便于理解润湿滞后的概念，先结合油层的情况进行分析。

图2－60　不同尺度上描述润湿性影响的示意图
（a）黏土颗粒之间；（b）砂岩颗粒间的微观尺度；（c）总孔隙地层尺度

图2－61（a）、（b）分别为水驱油和油驱水的情况。图中毛管为亲水岩石毛管。油水在毛管中静止时的弯液面情况如虚线所示。以图2－61（a）为例，当在压差作用下刚开始驱油时，三相周界（图中A、B）并不立即运动，仅是弯液面发生变形，从而使得原始接触角θ发生改变。这种发生在油藏岩石孔道中的周界不动而只有界面变形的现象，就是润湿滞后现象。在图2－61中，静止时所形成的角θ为平衡角或稳定角，水驱油所形成的角θ1为前进角或增大角，油驱水所形成的角θ2为后退角或减小角。其规律是θ1＞θ＞θ2

影响滞后现象的因素很多，如润湿次序、三相周界移动速度、活性物在固体表面上的吸附、岩石颗粒表面的粗糙度等。如图2－62所示，随着注入速度的增大，前进角θ1越来越大，滞后也越来越大，速度过大甚至会出现润湿反转。如图中v4到v5的情况，本来是亲水的（θ＜90°），由于水驱油速度过大而使前进角θ1＞90°，由亲水变成了亲油，并对驱油不利。因此，在进行流动实验时，对于注入速度应适当考虑。

图2－61　孔道中的动润湿滞后

图2－62　运动润湿滞后现象