润湿性

3.2 聚表剂改变岩石润湿性能力评价
储层岩石润湿性是一种综合特性，决定着油藏流体在岩石孔道内的微观分布和原
始分布状态，润湿性的变化将影响毛管压力、相对渗透率、束缚水饱和度、残余油饱
和度。

在注水的情况下，岩石孔隙内有油水两相共存，究竟是水附着到岩石表面把油
驱出，还是水只能把孔隙中部的油挤出，这主要是由岩石的润湿性决定的。

3.2.1 润湿性的基本概念
润湿性的定义为：一种流体在其它非混相流体存在条件下，在固体表面展开或粘
附的趋势。

在岩石-油-水体系中，其中一种流体在其分子力的作用下，沿固体表面驱走
另一种流体的现象，它反映了固体表面对液体的亲合或憎离特性。

将一滴液体滴在物
体表面上，如果液体能在表面迅速铺开，说明液体润湿固体表面，如果液滴不散开，
则说明液体不能润湿固体表面。

在讨论润湿现象时，通常总是指三相体系：一相为固体，另一相为液体，第三相
为气体或另一种液体。

说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，则另一相就不润湿固相。

润湿具有选择性和相
对性
[76]。

3.2.1.1 润湿程度的表征
润湿性是岩石的基本特性之一，对油气水在孔隙中的分布、驱油效率、最终采收
率都有明显的影响。

因此，需要定性或定量的描述岩石润湿程度，一般用润湿角或附
着功来表示。

（1）润湿角
通过液-液-固或气-液-固三相交点作液-液或液气界面的切线，切线与固-液界面之
间的夹角成为润湿接触角，用θ表示，并规定θ从极性大的液体一面算起，它的大小表征岩石表面为液体选择润湿的程度。

按照润湿角的不同将岩石润湿性分为以下几种情况：
①当θ<90°时，水可以润湿岩石，岩石亲水性好或称水湿；
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，为中性润
湿；
③当θ>90°时，油可以润湿岩石，岩石亲油性好或称油湿。

（2）附着功
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附着功是指将单位面积的固-液界面在非湿相流体中拉开所作的功。

可以用附着功
判断岩石润湿性的好坏。

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。

附着功
可用下式表示：
( ) ( )
glgslsgslsgl
W = σ +σ−σ=σ−σ+σ （3-2）
式中:W —附着功；
gl
σ—气液界面张力；
gs
σ—气固界面张力；
ls
σ—液固界面张力。

由杨氏方程σσσcosθ
gslsgl
= +可得：
=σ (1 +cosθ)
gl
W （3-3）
从上式可以看出，θ越小，附着功越大，也就是液体对固体的润湿程度越强；反
之亦然。

因此，可以用附着功来判断润湿性的好坏。

对于油、水、岩石三相体系，当
附着功大于油水界面张力时，可以判断岩石亲水；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。

尽管油-固或水-固界面的表面张力无法直接测量，但是根据上式可以看出，附着功
可以通过测定油-水界面张力和接触角来计算。

3.2.1.2 润湿反转现象
润湿反转（润湿性的转化）是指岩石表面在一定的条件下亲水性和亲油性的互相
转化现象。

油层岩石长期被注入水冲刷后，其亲油性可以变为亲水性。

大庆油田就是
一个例证。

润湿反转现象也可以这样描述：表面活性物质自发地吸附在两相界面上会
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，或者由亲油性的表面向亲水性的表面转化。

可以根据润湿反转的原理采取
措施来提高原油采收率
[76]。

3.2.2 影响油层初始润湿性的因素
大多数油藏矿物的强亲水性可以被极性化合物的吸附和原油中有机物质的沉积而
改变。

一般认为原油中的表面活性剂是包含氧、氮和硫的极性化合物。

这些化合物包
含一个极性基和一个烃基，极性基吸附在岩石表面上，烃基暴露在外面，从而使表面
亲油性增强。

实验已证明一些天然表面活性剂足以溶于水中，穿过表面一薄层水后吸
附在岩石表面上。

除了原油组成以外，润湿性被表面活性剂改变的程度也取决于压力、温度、矿物
28
表面以及水的化学性质，包括离子组成和PH 值。

具体有以下几方面因素：
（1）岩石的矿物组成
油藏岩石主要为砂岩和碳酸岩两类。

后者的矿物组成比较简单，主要为方解石和
白云岩；而砂岩则是由不同性质和晶体构成的硅酸盐矿物组成，如长石、石英、云母
及粘土矿物等。

因为构成砂岩矿物组成的多样性，使得砂岩的表面性质、润湿性要比
碳酸盐复杂得多。

根据润湿性的定义，可将岩石矿物分为两类：一类是亲水的矿物，如石英、长
石、云母、玻璃、碳酸盐等，水滴在这些矿物质表面上的润湿接触角θ<90°；另一类是亲油的矿物，主要有滑石、石墨、烃类有机固体和矿物中的金属硫化物等。

粘土矿物对岩石的润湿性影响较大，例如蒙脱石是吸水的，故泥质胶结物的存在
会增加岩石的亲水性。

（2）油藏流体的组成
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：非极性的烃类（原
油的主要成分）；含有极性的氧、硫、氮的化合物；原油中的极性物质或称活性物质。

（3）表面活性物质的影响
表面活性物质吸附到岩石表面，可以使岩石的润湿性发生变化，甚至润湿反转，
因此它对岩石润湿性的影响比极性物质的影响还要大。

目前，在注入水中添加一定量的表面活性剂来降低油水的界面张力并改变岩石的润湿性，正是利用上述性质来提高洗油效率的方法。

地层水中的表面活性物质能吸附于岩石表面上，吸附量会随水中电解质的增加而减少。

另外，存在于水中的某些金属离子也会改变岩石的润湿性。

（4）岩石孔隙表面的非均质性及粗糙度的影响
实际岩石孔隙或岩石表面粗糙不平，导致了各处的表面能的不均匀，因此岩石的
润湿性在各处也有差异，出现斑状润湿和混合润湿。

总之，岩石润湿性是岩石与地层中流体相互作用的结果，是岩石—流体体系的综
合特性。

3.2.3 润湿性不同情况下的驱替过程
在多孔介质中，饱和润湿相液体时，在外界压力作用下，用非润湿相驱出湿相的
过程称之为“驱替过程”。

随着驱替过程的进行，湿相饱和度降低，非湿相饱和度逐渐增高。

例如亲油岩石注水驱油为驱替过程。

在多孔介质中，饱和非润湿相液体时，在与润湿相液体接触中，湿相自发地驱出
非湿相的过程称之为“吸吮过程”。

随着吸吮过程的进行，湿相饱和度增加。

例如亲水岩石水驱油为吸吮过程。

润湿性不同，非润湿相驱替湿相的过程也不同，表现在：
（1）水湿岩石
在水润湿的油藏岩石中，由于水是润湿相，在毛细管压力的作用下占据小孔道并
29
以水膜的形式牢固粘滞在颗粒表面上，形成一个连续的水膜；油为非润湿相，占据着孔道的中心部位。

对于这种润湿条件，在驱油过程中，如果粘度比适当，水在多孔介质中可形成完全的均一水驱前沿，注入的水靠自吸机制吸吮到小和中等级别的孔隙中，将其中的原油推向易流动的大孔隙而使油流更易被驱替
[77]。

（2）油湿岩石
在油湿岩石中，岩石是优先与油接触，油水的静态分布与水湿的情况相反，一般
认为，油存在于小孔道岩石的颗粒表面中心位置。

在这种润湿条件下，毛细管压力与水湿条件时反向，在水驱时，毛细管压力为阻力，会给水驱一个附加的压力。

在水驱开始时，水将通过孔隙中心构成连续相，水驱过后，大量的油在孔喉突变的地方被卡住。

随着注水倍数的增加，水逐渐向小孔隙中扩展，形成附加的连续流动通道。

当大量的水充满水流动的通道时，油就不流动了。

这种情况下的水驱压力就会急剧上升，而出现注入困难的现象。

（3）中性润湿岩石
从宏观上分析，对于这种润湿条件，岩石对油和水的自吸能力相等，毛细管压力
为零，驱替机制目前还不十分清楚，但是就水驱特征而言，与混合润湿条件相类似。

（4）混合润湿岩石
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，油可以形成渠道流动。

在混合润湿的岩
石中，在小孔隙中和颗粒间接触的部位是优先水湿，而大孔道的表面是强亲油的，并
能够形成连续的油流通道。

从宏观上看，在这种润湿条件下，毛细管压力趋于零。

当
水驱油时，水将从大孔隙中驱油，而在充满水的小孔隙中或者在颗粒间接触的地方，
由于毛细管压力很小，或者不存在，没有油被束缚住。

对于混合润湿样品，只要有注
入水，就可产油，油流通道比较顺畅，与同样条件下的油湿油藏相比驱替压力较低。

3.2.4 润湿性对采收率的影响
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。

润湿性影响了油水在岩石孔道中的分布，最终影响到水驱采收
率，在各种润湿类型的岩石中，弱亲水岩石的水驱采收率最高，强亲水岩石水驱采收
率最低。

对一般均质润湿系统，水湿储层的采收率要比油湿储层高。

由粘附功公式：
W =σ(1 +cosθ) （3-4）可以知道，对于原油的粘附功而言，在油水界面张力一定的情况下，θ越大，则油
对地层的润湿性越不好。

地层越水湿，而油的粘附功越小，所以在一个较小的水驱压
力下原油就可以被驱替下来。

Warren 和Calhoun 研究了不同润湿性人造岩心在注入一定体积后的最终采收率，
30
得出了不同的认识。

认为近中间润湿性的采收率最高，因为在这一条件下，导致油非
连续和捕集的界面张力最小。

在强水湿系统中，水趋向于通过较小孔隙，从而使较大
孔隙中的一些油被绕过。

另外，高的界面张力更容易掐断油流。

在强油湿系统中，水
有在较大孔隙发生指进的趋势，同时也绕过一些油。

而在中间润湿性情况下，很少有
水绕过和捕集油的可能。

在实际油藏的开采过程中，可以采取一系列措施来改变油藏润湿性，使其变为中
等润湿以提高水驱采收率
[78]。

3.2.5 润湿性的测量方法
测量润湿性的方法很多，按测量目的的不同可分为两大类，即定性方法和定量方
法。

其中定量方法主要有接触角法、渗吸与排驱法（Amott 方法）和USBM（美国矿
物局）方法。

定性测量方法种类很多，包括渗吸率、显微镜检测、浮选法、玻璃滑动法、相对渗透率曲线法、渗透率与饱和度关系曲线、毛管压力曲线、毛细测量法、排
驱毛管压力、油藏测井曲线、核磁共振法以及染色吸附法。

3.2.6 实验部分
本实验用接触角测量法测量聚表剂对固体表面润湿性的影响。

接触角法主要用于
纯净流体和人造岩心系统润湿性的测定。

接触角法测量的是一个特定表面的润湿性。

在油水系统中就是测量光滑矿物表面
上油和水的润湿性。

石油工业中一般用悬滴法测量接触角，第一步要全部彻底的清洗
仪器，因为即使微量的杂质也能改变润湿性。

当用纯净流体和人造岩心时，接触角法
是最好的测量方法。

此法也用来检验实验条件对润湿性的影响，如压力、温度和水的
化学性质。

接触角法的优点是简单、直观。

但在测量中也出现一些问题。

首先润湿角
测量的一个问题是滞后现象。

测量的接触角有前进角和后退角两种，前进角是向前推
液滴边缘测得的，而后退角是向后拉测得的，二者之差就是接触角滞后。

引起滞后的
原因有三种：表面粗糙度；表面非均质性；大分子水垢的表面固定性。

将接触角用于油藏岩石的第二个问题是它仅仅反映岩石局部的润湿性，不能考虑岩石表面的非均质性。

第三个限制是得不到有关岩石上是否存在永久连接有机覆盖物
的信息。

一般而言，表面粗糙将减小水湿岩石的视接触角，而增大油湿岩石的视接触角。

其次，接触角法没有考虑岩石表面的非均质性，而是在一个单一的矿物晶体上测量
的，显然岩石含有许多不同的组分，且原油中重质表面活性剂对砂岩和粘土润湿性的
影响不同，从而可造成局部润湿性不均匀。

3.2.6.1 实验原理
吊片法测量表面张力时，吊片刚与液体表面接触时，则液体作用与吊片的力
f = (σcosθ)P （3-5）
31
式中：P—吊片的周长；
σ—液体表面张力。

在已知液体表面张力及吊片周长的情况下，应用适当的测力装置测出吊片所受之
力f，即可算出接触角θ。

3.2.6.2 实验仪器及材料
实验仪器：驱油泵；真空泵；恒温箱；岩心夹持器；OCA20 视频光学接触角测量
仪（德国）。

实验试剂及材料：I 和III 型聚表剂溶液；岩心饱和地层水；柱状天然岩心；贝雷
岩心。

3.2.6.3 实验过程
（1）将柱状天然岩心和贝雷岩心制成长度为3cm 的切片，再将柱状天然岩心切片
和贝雷岩心切片抽空饱和水，然后饱和油；
（2）水驱油之后，将一组岩心在45℃下烘干，测定岩心的润湿性；
（3）将一组岩心使用I 型聚表剂溶液驱替10PV，进行水驱后在45℃下烘干，测
定岩心的润湿性；
（4）将一组岩心使用III 型聚表剂溶液驱替10PV，进行水驱后在45℃下烘干，测
定岩心的润湿性。

3.2.6.4 实验结果与分析
表3-3 使用I 型处理岩心前后润湿角变化
岩心编号处理前润湿角（度）处理后润湿角（度）
贝雷200-1 99 95
贝雷200-2 96 93
天然200-1 120 123
天然200-2 126 118
表3-4 使用III 型处理岩心前后润湿角变化
岩心编号处理前润湿角（度）处理后润湿角（度）
贝雷200-3 93 73
贝雷200-4 96 87
天然200-3 125 105
天然200-4 130 102
可以看出，经过III 型聚表剂溶液处理过的贝雷和天然岩心，接触角变化比较明
显，表现出向水湿转化的趋势。

经过I 型聚表剂溶液处理过的贝雷和天然岩心，接触32
角变化不明显，岩心润湿性基本不变。

总体来看，III 型聚表剂溶液具有一定的润湿性改变能力，这是因为聚表剂引入了季胺盐表面活性剂单元，所以容易吸附岩石表面，导致油湿性明显减弱。