2021-02-08
巖石的潤濕性是影響原油采收率的關鍵因素之一。為了研究巖心的潤濕性以及提高采收率（EOR）方法引起的潤濕性變化，采用了不同的潤濕性測量技術。本文第(di)一部分會討論潤濕性及其與提高采收率技術的關系。重點介紹了常用的潤濕性測量方法：接觸角法，Amott-Harvey法和USBM法。后會將三種方法進(jin)行比較。
潤濕性(xing)簡介
潤濕性描述了固體(ti)在接觸(chu)(chu)液(ye)(ye)體(ti)過(guo)程中更容(rong)易與哪一種液(ye)(ye)體(ti)接觸(chu)(chu)。界面間的相互作用可(ke)以確定一種被另一種液(ye)(ye)體(ti)包圍的液(ye)(ye)體(ti)是(shi)否會在固體(ti)表面鋪展或(huo)凝聚。在提(ti)高采(cai)收率（EOR）中潤(run)濕性(xing)的(de)表征尤為重要，因為潤(run)濕性(xing)決(jue)定(ding)了固體(ti)（巖石）和儲層（原油(you)、鹽水）間的(de)相互(hu)作用。潤(run)濕性(xing)一直是*的(de)控制剩余(yu)油(you)量開采的(de)關鍵參數。
儲層的(de)潤濕性
巖石可分為(wei)(wei)(wei)水(shui)(shui)(shui)濕(shi)(shi)、中濕(shi)(shi)或油濕(shi)(shi)。當(dang)巖石為(wei)(wei)(wei)水(shui)(shui)(shui)濕(shi)(shi)時(shi)，當(dang)油為(wei)(wei)(wei)周圍(wei)相時(shi)，水(shui)(shui)(shui)優先與礦物接觸。當(dang)接觸的(de)液(ye)體為(wei)(wei)(wei)油時(shi)，巖石被稱為(wei)(wei)(wei)油濕(shi)(shi)。介(jie)于(yu)兩者之(zhi)間的(de)狀態(tai)稱為(wei)(wei)(wei)中濕(shi)(shi)狀態(tai)。接觸角是用來(lai)衡量潤濕(shi)(shi)性(xing)的(de)。油/水/固三相的力平衡將形(xing)成接(jie)觸角。因此，不同潤(run)濕(shi)狀態(tai)的接(jie)觸角范圍可以如圖1所示定義。
也(ye)有其他術語用來描述儲層的(de)潤濕性，即(ji)中性濕、分餾(liu)濕和混合(he)濕。
圖(tu)1 不(bu)同接觸角范圍(wei)表征儲層的潤濕狀(zhuang)態
“中濕(shi)型”一詞有(you)時可用來表(biao)征(zheng)接觸角接近(jin)90°的(de)狀(zhuang)態。有時也會將中濕型(xing)(xing)和混(hun)合濕型(xing)(xing)混(hun)合使用，指的(de)是部(bu)分儲(chu)層親油(you)，其他(ta)儲(chu)層親水，因(yin)此“混(hun)合型(xing)(xing)”的(de)叫法更為常見。
從(cong)油濕型(xing)到水濕型(xing)的轉變
潤(run)濕性(xing)的(de)(de)改變是(shi)提(ti)高采收率(lv)的(de)(de)有(you)效途徑。油(you)(you)濕型(xing)儲層的(de)(de)問題與早(zao)期(qi)水(shui)的(de)(de)進入(ru)有(you)關，導(dao)致(zhi)(zhi)低(di)鋪(pu)展效率(lv)，終導(dao)致(zhi)(zhi)采油(you)(you)率(lv)降低(di)。改變潤(run)濕性(xing)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)是(shi)要改變巖石的(de)(de)潤(run)濕狀態，使其更(geng)加親水(shui)。原(yuan)油(you)(you)、鹽(yan)水(shui)和(he)巖石的(de)(de)成分以(yi)及溫度和(he)壓力都會對巖石的(de)(de)潤(run)濕性(xing)產生影響。
已經采用了幾種化學方法和熱方法來改變儲層的潤濕性，增加儲層的親水型。目前潤濕性的改變方法已受到廣泛的關注，包括碳酸鹽和砂巖儲層，納米流體和納米流體低鹽度或智能水驅等。下面列舉常見的四種改變潤濕的方法。
1、表面活(huo)性(xing)劑
表(biao)面(mian)(mian)(mian)活(huo)性劑的(de)主要功能是(shi)降(jiang)低(di)界面(mian)(mian)(mian)張力和改變(bian)潤(run)濕性。提出表(biao)面(mian)(mian)(mian)活(huo)性劑對(dui)潤(run)濕性改變(bian)有兩種(zhong)不同的(de)機制(zhi)(zhi)：涂覆(fu)機制(zhi)(zhi)和清潔機制(zhi)(zhi)。在(zai)涂覆(fu)機制(zhi)(zhi)中，表(biao)面(mian)(mian)(mian)活(huo)性劑會吸附(fu)在(zai)親油層(ceng)的(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)；清潔機制(zhi)(zhi)是(shi)指表(biao)面(mian)(mian)(mian)活(huo)性劑分子(zi)與原油中吸附(fu)的(de)污染(ran)物分子(zi)復合，將其從(cong)巖石表(biao)面(mian)(mian)(mian)剝(bo)離(li)的(de)過程(cheng)。
針(zhen)對特定的儲(chu)層條件，需要篩選表面(mian)活(huo)性劑(ji)，不僅(jin)僅(jin)局限(xian)于儲(chu)層的溫(wen)(wen)度、鹽度，也包括壓力。有些表面(mian)活(huo)性劑(ji)在(zai)常溫(wen)(wen)下表現良(liang)好(hao)，而(er)在(zai)高溫(wen)(wen)下則效果下降。
2、納米顆粒
在過去的幾年(nian)中，不同(tong)的納(na)米材料尤(you)其是納(na)米顆(ke)粒(li)(li)廣(guang)泛應用到(dao)提(ti)高采油(you)(you)率(lv)的應用當中。納(na)米顆(ke)粒(li)(li)可以改變潤濕性(xing)同(tong)時減少油(you)(you)水界面張力(li)。提(ti)高采油(you)(you)率(lv)應用中納(na)米顆(ke)粒(li)(li)有如(ru)下幾個優勢(shi)：（1）穩定性好；（2）針(zhen)對(dui)不同需(xu)求可(ke)使用不同大(da)小和形狀的納米顆粒；（3）環境友好(hao)，大部(bu)分納米顆粒的基體(ti)是(shi)二氧(yang)化硅。
3、二(er)氧(yang)化(hua)碳
注氣是碳酸鹽巖油藏中應用廣泛的提高采收率方法。無論是在成熟碳酸鹽巖還是在水驅碳酸鹽巖中，都成功地實施了CO2-EOR。如果二氧化碳可用，除非開發出更可行的提高采收率方法，否則它將是碳酸鹽巖合理的采收率選擇。使用CO2-EOR的另一個好處是可以(yi)同時捕獲(huo)和(he)儲(chu)存使用過的CO2。
4、低鹽和水驅
水驅長期(qi)以來在碳酸鹽巖和砂巖儲(chu)層中(zhong)被用(yong)作一種二次采油的方法。然而在90年(nian)代中期(qi)，Yildiz和(he)Morrow研(yan)究(jiu)(jiu)中(zhong)(zhong)揭示了改變鹵水成分可以改變采油(you)效(xiao)率。從(cong)那時(shi)起(qi)，注入所謂的智能水使鹽(yan)濃(nong)度適當成為了人們(men)廣泛應用的手段。幾個研(yan)究(jiu)(jiu)小組著重研(yan)究(jiu)(jiu)了上(shang)述方法提高采油(you)效(xiao)率的機理。起(qi)初，研(yan)究(jiu)(jiu)主要集中(zhong)(zhong)在(zai)砂巖儲層上(shang)，低鹽(yan)驅(qu)采出的剩余油(you)在(zai)原(yuan)油(you)的5-30%范(fan)圍(wei)內變化，然而，一(yi)些(xie)實驗(yan)(yan)室(shi)研(yan)究和現場試驗(yan)(yan)也證實了其(qi)在(zai)碳(tan)酸鹽巖儲層(ceng)提高采收率方面的潛力。該方法有兩個明顯的優勢：成本低(di)和環(huan)境影響小。
圖2 從親油型到親水型
潤濕性表征方法
由于潤(run)濕(shi)(shi)性被認為(wei)是影響采(cai)收率的(de)重要因素之(zhi)一，人(ren)們提出了幾種研究(jiu)儲層潤(run)濕(shi)(shi)性的(de)方法。人(ren)們普遍認為(wei)，更多的(de)水濕(shi)(shi)儲層可以產出更多的(de)石油。典型的(de)問(wen)題是應(ying)用的(de)提高采(cai)收率方法改(gai)變儲層潤(run)濕(shi)(shi)性的(de)程(cheng)度和方向。
1、接(jie)觸角法
接(jie)觸(chu)角(jiao)在(zai)(zai)幾(ji)何上定義為(wei)液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)在(zai)(zai)液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)、氣體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)（或(huo)其他液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)）和固體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)相交的(de)三相邊界處形成的(de)角(jiao)。固體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)、液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)和液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)之間的(de)三相接(jie)觸(chu)點上有(you)不(bu)同的(de)作用力，如(ru)圖3所示。
圖3 三相接觸點處力的平衡
實際上，滴(di)(di)一滴(di)(di)液(ye)(ye)滴(di)(di)放到(dao)被另一種液(ye)(ye)體(ti)(ti)或(huo)氣(qi)體(ti)(ti)包(bao)圍(wei)的(de)固體(ti)(ti)表(biao)面(mian)(mian)上，水(shui)滴(di)(di)的(de)圖(tu)像(xiang)用軟件呈現，并在軟件中直接測得接觸角的(de)數值，從而表(biao)征(zheng)潤(run)濕性(xing)(xing)。在提高采收率研(yan)究中，固體(ti)(ti)樣品通常是儲層巖石，周圍(wei)的(de)流體(ti)(ti)是鹽(yan)水(shui)、表(biao)面(mian)(mian)活(huo)性(xing)(xing)劑溶(rong)液(ye)(ye)或(huo)二氧化碳，液(ye)(ye)滴(di)(di)代表(biao)儲層中的(de)油。
雖然接(jie)(jie)觸角測量(liang)已被廣泛(fan)應用于各種工業領域的(de)(de)潤(run)濕性研究，但近(jin)十幾(ji)年來，接(jie)(jie)觸角測量(liang)在巖石潤(run)濕性研究中的(de)(de)應用才(cai)開(kai)始增加。從圖4可以看(kan)出，自(zi)2010年(nian)以來，搜索詞“接觸角”+“巖石潤濕(shi)性(xing)”的出版物(wu)數量(liang)開(kai)始急劇增(zeng)加(jia)。
圖4 搜索詞為“接觸角”和“巖石(shi)潤濕(shi)性(xing)”出版物(wu)數量(liang)和年限
2、Amott-Harvey法
Aomtt-Harvey法使用對初始飽和(he)油巖心進行兩次自發和(he)強制吸(xi)滲測(ce)試。測(ce)試了水(shui)驅油和(he)油驅水(shui)的效(xiao)果。所得(de)數據用來計算驅油指數，即(ji)自吸(xi)驅替(ti)水(shui)體(ti)積與(yu)自吸(xi)驅替(ti)量和(he)強迫驅替(ti)量之和(he)的比值。
圖5 Amott-Harvey 測量水和油(you)自發和強制自吸(xi)的過(guo)程(cheng)
測(ce)量前，準備(bei)巖心樣品使其處于被束(shu)縛的(de)飽和水中。首先將巖心放到充水管(guan)中，使其與水的(de)自吸至少作用10天，再測量。其次，將巖(yan)心置于流動(dong)(dong)水(shui)中強迫流動(dong)(dong)水(shui)通過樣品，記錄下額外的采油率數值。
現在樣品(pin)處于油飽和點(dian)處，水(shui)可(ke)以(yi)盡可(ke)能多的(de)回收石(shi)油。接下來重(zhong)復這個過程，以(yi)便(bian)在強制流動之后(hou)測量油的(de)自(zi)發吸滲。
結果(guo)是Amott-Harvey指數，它是水油(you)比之間的一個差異，從+1（強水濕(shi)）到-1（強油濕）不等。
3、USBM法
USBM試驗是由Donaldson在1969年開發的。與(yu)Amott-Harvey測試類(lei)似(si)，測量的是(shi)巖心的平(ping)均潤濕性。而USBM測試則是比較了(le)換(huan)一種液體(ti)(ti)代替(ti)現有液體(ti)(ti)所需(xu)要的(de)液體(ti)(ti)量。該(gai)方法是基于離心(xin)旋轉分(fen)步提速實現的(de)流體(ti)(ti)在巖心(xin)中(zhong)的(de)強制吸滲。
與Amott-Harvey方法(fa)類似，USBM從(cong)被束縛(fu)的飽和水開始，將巖心放到(dao)(dao)充水管中。經過幾個周期(qi)的旋轉，樣品達到(dao)(dao)殘余油(you)飽和，且其置于充滿油(you)的管路中供進行其他測量。所得到(dao)(dao)的曲(qu)線與Amott-Harvey相似，但現在(zai)計算的(de)是每條毛細管壓(ya)(ya)力曲(qu)線(xian)與零毛細管壓(ya)(ya)力曲(qu)線(xian)之間(jian)的(de)面積。增(zeng)水面積與增(zeng)油面積之比的(de)對數為(wei)USBM潤濕性(xing)指數。實(shi)際測量(liang)結果+1（強水濕）到-1（強油濕）。USBM方法比Amott-Harvey方法(fa)要快(kuai)速，因為它不進行自吸，但必須(xu)進行校正，因為離心機在離心過程中(zhong)會產生非線性(xing)的毛細管壓力(li)梯(ti)度(du)。
圖6 USBM潤(run)濕指數(shu)
潤濕性表(biao)征方法對比
接觸角測量表面的(de)潤濕性(xing)，而Amott-Harvey和USBM方法測量(liang)巖心的(de)平(ping)均潤濕性。Anderson提(ti)出了(le)Amott-Harvey，USBM和接觸角數據之間的關系，如表1所(suo)示[14]。
表(biao)1 三種(zhong)方法潤(run)濕(shi)性數據表
表2 三種(zhong)方法潤對(dui)比
Amott-Harvey測試中的(de)主要問題為(wei)在中度潤濕區域不敏感。當巖心與流(liu)體(ti)之間的(de)接觸(chu)角為(wei)60°-120°時(shi)，兩種液(ye)體都(dou)不會自發地吸收和取代(dai)。此外，巖(yan)心的初始飽和度對結果(guo)起著重要影(ying)響。接觸角和USBM更適用于中(zhong)度潤(run)濕(shi)狀態(tai)下潤(run)濕(shi)性的確定。
Amott-Harvey和USBM兩種方法的一個局限性是(shi)它們相對較慢(man)、昂貴和/或(huo)勞(lao)動(dong)密(mi)集型。接觸角法在高(gao)(gao)溫和高(gao)(gao)壓條件下能很快給(gei)出潤(run)濕性數(shu)據。Amott-Harvey和USBM方法也改變(bian)了樣品中的(de)(de)流體飽和度，因(yin)此不適合作為時間或(huo)其他實(shi)驗參數的(de)(de)函數來(lai)監(jian)測潤濕(shi)性的(de)(de)變(bian)化。
接觸角(jiao)的(de)明顯優(you)勢是(shi)控制儲層(ceng)溫(wen)度和壓力的(de)方(fang)法相(xiang)對簡單(dan)。商用的(de)接觸角(jiao)測定儀器(qi)隨處可見。文獻中指出Amott-Harvey和USBM在高溫和高壓(ya)環境(jing)下測量具有局限性(xing)。
目前(qian)對于接觸角方(fang)面的(de)爭(zheng)議主要集中(zhong)在結(jie)果穩定(ding)性差(cha)。針(zhen)對上述爭(zheng)議，目前(qian)的(de)理解是樣品類型，制(zhi)備方(fang)法，液(ye)體純度，飽和度等均與接觸角的(de)結(jie)果密切相關。很明顯，傳(chuan)統(tong)的(de)空氣中(zhong)測定(ding)接觸角的(de)方(fang)法不適用(yong)于儲層潤(run)濕(shi)性的(de)研(yan)究。
接觸角測量的(de)另一(yi)個(ge)優(you)點(dian)是(shi)同(tong)(tong)樣(yang)的(de)儀器也(ye)可以(yi)用來測量界面張力值。在評價提高采收(shou)率方法的(de)有效性(xing)時，儲(chu)層(ceng)中不(bu)同(tong)(tong)流體間(jian)的(de)界面張力和儲(chu)層(ceng)潤濕性(xing)是(shi)一(yi)個(ge)關鍵參數。
儲層類型不同
接觸角(jiao)法在(zai)純液體(ti)和(he)(he)礦(kuang)藏領域(yu)中應用廣泛(fan)。在(zai)研究提(ti)高采(cai)收率機理或者事前評估新(xin)方(fang)法是否可行等方(fang)面(mian)經常使(shi)用純碳氫化(hua)合物和(he)(he)拋光(guang)表面(mian)進行接觸角(jiao)測量(liang)。用云母和(he)(he)二氧化(hua)硅(gui)代表砂巖(yan)，用大理石(shi)和(he)(he)方(fang)解石(shi)代替碳酸鹽。
接觸角的測量也使用于(yu)(yu)頁巖和其(qi)他致(zhi)密儲層(ceng)，而對于(yu)(yu)Amott-Harvey方法，由于頁巖(yan)的自吸速度很慢，因而(er)難以實(shi)現(xian)。USBM方法中的離心力不足(zu)以(yi)替(ti)代頁巖中流體(ti)緊密的巖心。
應(ying)用中如(ru)何選擇適(shi)宜方法
常用的表面活性劑篩分實驗建議使用接觸角法。因為接觸角法能夠快速有效的篩選出表面活性劑的變化能力和潤濕性的改變范圍。油藏環境需要高溫和高壓，如果在水環境中測試，溫度超過100°時水會沸騰(teng)，無法(fa)進(jin)行測量。
納米顆粒加入(ru)對巖石潤濕性的影(ying)響建議使用接觸(chu)(chu)角(jiao)法。接觸(chu)(chu)角(jiao)法在油飽和情況下測(ce)量(liang)巖石樣(yang)(yang)本，在鹽(yan)水浸漬樣(yang)(yang)品(pin)上測(ce)量(liang)油的接觸(chu)(chu)角(jiao)時會(hui)表現出(chu)親油性。當鹽(yan)水變(bian)成納米流(liu)體時，樣(yang)(yang)品(pin)則變(bian)得更加親水。
水/鹽水-二(er)氧化碳接觸角是在礦物表(biao)面(mian)進行(xing)測定，研究溫度和壓力(li)對數值(zhi)的(de)影響，并且也對碳化鹽水對接觸角的(de)影響作出了(le)評價。
由降低鹽水(shui)濃(nong)(nong)度引起潤濕性變化的(de)(de)研究也是通過(guo)接觸(chu)角(jiao)來進行表(biao)征的(de)(de)。在研究中測(ce)量不同濃(nong)(nong)度鹽水(shui)在巖石表(biao)面(mian)的(de)(de)接觸(chu)角(jiao)，模(mo)擬(ni)巖石表(biao)面(mian)礦物油老(lao)化過(guo)程中油藏(zang)的(de)(de)親油狀態。老(lao)化后(hou)的(de)(de)水(shui)接觸(chu)角(jiao)為121°-130°。為了(le)在不同的鹽水(shui)溶液中進行測(ce)量(liang)，將(jiang)巖(yan)石浸(jin)入礦物油中，通過油相測(ce)量(liang)鹽水(shui)接(jie)觸(chu)角。
結論
本文對三種在石油工業中常用的潤濕性表征方法進行了討論。三種方法均能提供潤濕性的定量信息。當研究純液體和礦物時接觸角法具有明顯的優勢，為研究溫度、壓力、鹽水化學等實驗條件對潤濕性的影響提供了方法。USBM方法似乎優(you)于Amott-Harvey方(fang)法(fa)，因為(wei)后(hou)者對中濕范(fan)圍內(nei)的樣(yang)品不(bu)敏感。建議(yi)根(gen)據應用領域和儲(chu)層油藏的類型選擇適宜的測試方(fang)法(fa)進行潤濕性的表征。
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