2021-02-08
岩石的润湿性是影响原油采收率的关键因素之一。为了研究岩心的润湿性以及提高采收率（EOR）方法引起的润湿性变化，采用了不同的润湿性测量技术。本文第一部分会讨论润湿性及其与提高采收率技术的关系。重点介绍了常用的润湿性测量方法：接触角法，Amott-Harvey法和USBM法。后会将三种方法进行比较。
润湿性简介
润湿性描述了固体在接触液体过程中更容易与哪一种液体接触。界面间的相互作用可以确定一种被另一种液体包围的液体是否会在固体表面铺展或凝聚。在提高采收率（EOR）中润湿性的表征尤为重要，因为润湿性决定了固体（岩石）和储层（原油、盐水）间的相互作用。润湿性一直是*的控制剩余油量开采的关键参数。
储层的润湿性
岩石可分为水湿、中湿或油湿。当岩石为水湿时，当油为周围相时，水优先与矿物接触。当接触的液体为油时，岩石被称为油湿。介于两者之间的状态称为中湿状态。接触角是用来衡量润湿性的。油/水/固三相的力平衡将形成接触角。因此，不同润湿状态的接触角范围可以如图1所示定义。
也有其他术语用来描述储层的润湿性，即中性湿、分馏湿和混合湿。
图1 不同接触角范围表征储层的润湿状态
“中湿型”一词有时可用来表征接触角接近90°的状态。有时也会将中湿型和混合湿型混合使用，指的是部分储层亲油，其他储层亲水，因此“混合型”的叫法更为常见。
从油湿型到水湿型的转变
润湿性的改变是提高采收率的有效途径。油湿型储层的问题与早期水的进入有关，导致低铺展效率，终导致采油率降低。改变润湿性的目的是要改变岩石的润湿状态，使其更加亲水。原油、盐水和岩石的成分以及温度和压力都会对岩石的润湿性产生影响。
已经采用了几种化学方法和热方法来改变储层的润湿性，增加储层的亲水型。目前润湿性的改变方法已受到广泛的关注，包括碳酸盐和砂岩储层，纳米流体和纳米流体低盐度或智能水驱等。下面列举常见的四种改变润湿的方法。
1、表面活性剂
表面活性剂的主要功能是降低界面张力和改变润湿性。提出表面活性剂对润湿性改变有两种不同的机制：涂覆机制和清洁机制。在涂覆机制中，表面活性剂会吸附在亲油层的表面；清洁机制是指表面活性剂分子与原油中吸附的污染物分子复合，将其从岩石表面剥离的过程。
针对特定的储层条件，需要筛选表面活性剂，不仅仅局限于储层的温度、盐度，也包括压力。有些表面活性剂在常温下表现良好，而在高温下则效果下降。
2、纳米颗粒
在过去的几年中，不同的纳米材料尤其是纳米颗粒广泛应用到提高采油率的应用当中。纳米颗粒可以改变润湿性同时减少油水界面张力。提高采油率应用中纳米颗粒有如下几个优势：（1）稳定性好；（2）针对不同需求可使用不同大小和形状的纳米颗粒；（3）环境友好，大部分纳米颗粒的基体是二氧化硅。
3、二氧化碳
注气是碳酸盐岩油藏中应用广泛的提高采收率方法。无论是在成熟碳酸盐岩还是在水驱碳酸盐岩中，都成功地实施了CO2-EOR。如果二氧化碳可用，除非开发出更可行的提高采收率方法，否则它将是碳酸盐岩合理的采收率选择。使用CO2-EOR的另一个好处是可以同时捕获和储存使用过的CO2。
4、低盐和水驱
水驱长期以来在碳酸盐岩和砂岩储层中被用作一种二次采油的方法。然而在90年代中期，Yildiz和Morrow研究中揭示了改变卤水成分可以改变采油效率。从那时起，注入所谓的智能水使盐浓度适当成为了人们广泛应用的手段。几个研究小组着重研究了上述方法提高采油效率的机理。起初，研究主要集中在砂岩储层上，低盐驱采出的剩余油在原油的5-30%范围内变化，然而，一些实验室研究和现场试验也证实了其在碳酸盐岩储层提高采收率方面的潜力。该方法有两个明显的优势：成本低和环境影响小。
图2 从亲油型到亲水型
润湿性表征方法
由于润湿性被认为是影响采收率的重要因素之一，人们提出了几种研究储层润湿性的方法。人们普遍认为，更多的水湿储层可以产出更多的石油。典型的问题是应用的提高采收率方法改变储层润湿性的程度和方向。
1、接触角法
接触角在几何上定义为液体在液体、气体（或其他液体）和固体相交的三相边界处形成的角。固体、液体和液体之间的三相接触点上有不同的作用力，如图3所示。
图3 三相接触点处力的平衡
实际上，滴一滴液滴放到被另一种液体或气体包围的固体表面上，水滴的图像用软件呈现，并在软件中直接测得接触角的数值，从而表征润湿性。在提高采收率研究中，固体样品通常是储层岩石，周围的流体是盐水、表面活性剂溶液或二氧化碳，液滴代表储层中的油。
虽然接触角测量已被广泛应用于各种工业领域的润湿性研究，但近十几年来，接触角测量在岩石润湿性研究中的应用才开始增加。从图4可以看出，自2010年以来，搜索词“接触角”+“岩石润湿性”的出版物数量开始急剧增加。
图4 搜索词为“接触角”和“岩石润湿性”出版物数量和年限
2、Amott-Harvey法
Aomtt-Harvey法使用对初始饱和油岩心进行两次自发和强制吸渗测试。测试了水驱油和油驱水的效果。所得数据用来计算驱油指数，即自吸驱替水体积与自吸驱替量和强迫驱替量之和的比值。
图5 Amott-Harvey 测量水和油自发和强制自吸的过程
测量前，准备岩心样品使其处于被束缚的饱和水中。首先将岩心放到充水管中，使其与水的自吸至少作用10天，再测量。其次，将岩心置于流动水中强迫流动水通过样品，记录下额外的采油率数值。
现在样品处于油饱和点处，水可以尽可能多的回收石油。接下来重复这个过程，以便在强制流动之后测量油的自发吸渗。
结果是Amott-Harvey指数，它是水油比之间的一个差异，从+1（强水湿）到-1（强油湿）不等。
3、USBM法
USBM试验是由Donaldson在1969年开发的。与Amott-Harvey测试类似，测量的是岩心的平均润湿性。而USBM测试则是比较了换一种液体代替现有液体所需要的液体量。该方法是基于离心旋转分步提速实现的流体在岩心中的强制吸渗。
与Amott-Harvey方法类似，USBM从被束缚的饱和水开始，将岩心放到充水管中。经过几个周期的旋转，样品达到残余油饱和，且其置于充满油的管路中供进行其他测量。所得到的曲线与Amott-Harvey相似，但现在计算的是每条毛细管压力曲线与零毛细管压力曲线之间的面积。增水面积与增油面积之比的对数为USBM润湿性指数。实际测量结果+1（强水湿）到-1（强油湿）。USBM方法比Amott-Harvey方法要快速，因为它不进行自吸，但必须进行校正，因为离心机在离心过程中会产生非线性的毛细管压力梯度。
图6 USBM润湿指数
润湿性表征方法对比
接触角测量表面的润湿性，而Amott-Harvey和USBM方法测量岩心的平均润湿性。Anderson提出了Amott-Harvey，USBM和接触角数据之间的关系，如表1所示[14]。
表1 三种方法润湿性数据表
表2 三种方法润对比
Amott-Harvey测试中的主要问题为在中度润湿区域不敏感。当岩心与流体之间的接触角为60°-120°时，两种液体都不会自发地吸收和取代。此外，岩心的初始饱和度对结果起着重要影响。接触角和USBM更适用于中度润湿状态下润湿性的确定。
Amott-Harvey和USBM两种方法的一个局限性是它们相对较慢、昂贵和/或劳动密集型。接触角法在高温和高压条件下能很快给出润湿性数据。Amott-Harvey和USBM方法也改变了样品中的流体饱和度，因此不适合作为时间或其他实验参数的函数来监测润湿性的变化。
接触角的明显优势是控制储层温度和压力的方法相对简单。商用的接触角测定仪器随处可见。文献中指出Amott-Harvey和USBM在高温和高压环境下测量具有局限性。
目前对于接触角方面的争议主要集中在结果稳定性差。针对上述争议，目前的理解是样品类型，制备方法，液体纯度，饱和度等均与接触角的结果密切相关。很明显，传统的空气中测定接触角的方法不适用于储层润湿性的研究。
接触角测量的另一个优点是同样的仪器也可以用来测量界面张力值。在评价提高采收率方法的有效性时，储层中不同流体间的界面张力和储层润湿性是一个关键参数。
储层类型不同
接触角法在纯液体和矿藏领域中应用广泛。在研究提高采收率机理或者事前评估新方法是否可行等方面经常使用纯碳氢化合物和抛光表面进行接触角测量。用云母和二氧化硅代表砂岩，用大理石和方解石代替碳酸盐。
接触角的测量也使用于页岩和其他致密储层，而对于Amott-Harvey方法，由于页岩的自吸速度很慢，因而难以实现。USBM方法中的离心力不足以替代页岩中流体紧密的岩心。
应用中如何选择适宜方法
常用的表面活性剂筛分实验建议使用接触角法。因为接触角法能够快速有效的筛选出表面活性剂的变化能力和润湿性的改变范围。油藏环境需要高温和高压，如果在水环境中测试，温度超过100°时水会沸腾，无法进行测量。
纳米颗粒加入对岩石润湿性的影响建议使用接触角法。接触角法在油饱和情况下测量岩石样本，在盐水浸渍样品上测量油的接触角时会表现出亲油性。当盐水变成纳米流体时，样品则变得更加亲水。
水/盐水-二氧化碳接触角是在矿物表面进行测定，研究温度和压力对数值的影响，并且也对碳化盐水对接触角的影响作出了评价。
由降低盐水浓度引起润湿性变化的研究也是通过接触角来进行表征的。在研究中测量不同浓度盐水在岩石表面的接触角，模拟岩石表面矿物油老化过程中油藏的亲油状态。老化后的水接触角为121°-130°。为了在不同的盐水溶液中进行测量，将岩石浸入矿物油中，通过油相测量盐水接触角。
结论
本文对三种在石油工业中常用的润湿性表征方法进行了讨论。三种方法均能提供润湿性的定量信息。当研究纯液体和矿物时接触角法具有明显的优势，为研究温度、压力、盐水化学等实验条件对润湿性的影响提供了方法。USBM方法似乎优于Amott-Harvey方法，因为后者对中湿范围内的样品不敏感。建议根据应用领域和储层油藏的类型选择适宜的测试方法进行润湿性的表征。
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