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。后會將三種方法進行比較。
潤濕性簡介
潤濕性描述了固體在接觸液體過程中更容易與哪一種液體接觸。界面間的相互作用可以確定一種被另一種液體包圍的液體是否會在固體表面鋪展或凝聚。在提高采收率（EOR）中潤濕性的表征尤為重要，因為潤濕性決定了固體（巖石）和儲層（原油、鹽水）間的相互作用。潤濕性一直是*的控制剩余油量開采的關鍵參數。
儲層的潤濕性
巖石可分為水濕、中濕或油濕。當巖石為水濕時，當油為周圍相時，水優先與礦物接觸。當接觸的液體為油時，巖石被稱為油濕。介于兩者之間的狀態稱為中濕狀態。接觸角是用來衡量潤濕性的。油/水/固三相的力平衡將形成接觸角。因此，不同潤濕狀態的接觸角范圍可以如圖1所示定義。
也有其他術語用來描述儲層的潤濕性，即中性濕、分餾濕和混合濕。
圖1 不同接觸角范圍表征儲層的潤濕狀態
“中濕型”一詞有時可用來表征接觸角接近90°的狀態。有時也會將中濕型和混合濕型混合使用，指的是部分儲層親油，其他儲層親水，因此“混合型”的叫法更為常見。
從油濕型到水濕型的轉變
潤濕性的改變是提高采收率的有效途徑。油濕型儲層的問題與早期水的進入有關，導致低鋪展效率，終導致采油率降低。改變潤濕性的目的是要改變巖石的潤濕狀態，使其更加親水。原油、鹽水和巖石的成分以及溫度和壓力都會對巖石的潤濕性產生影響。
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、表面活性劑
表面活性劑的主要功能是降低界面張力和改變潤濕性。提出表面活性劑對潤濕性改變有兩種不同的機制：涂覆機制和清潔機制。在涂覆機制中，表面活性劑會吸附在親油層的表面；清潔機制是指表面活性劑分子與原油中吸附的污染物分子復合，將其從巖石表面剝離的過程。
針對特定的儲層條件，需要篩選表面活性劑，不僅僅局限于儲層的溫度、鹽度，也包括壓力。有些表面活性劑在常溫下表現良好，而在高溫下則效果下降。
2、納米顆粒
在過去的幾年中，不同的納米材料尤其是納米顆粒廣泛應用到提高采油率的應用當中。納米顆?？梢愿淖儩櫇裥酝瑫r減少油水界面張力。提高采油率應用中納米顆粒有如下幾個優勢：（1）穩定性好；（2）針對不同需求可使用不同大小和形狀的納米顆粒；（3）環境友好，大部分納米顆粒的基體是二氧化硅。
3、二氧化碳
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同時捕獲和儲存使用過的CO2。
4、低鹽和水驅
水驅長期以來在碳酸鹽巖和砂巖儲層中被用作一種二次采油的方法。然而在90年代中期，Yildiz和Morrow研究中揭示了改變鹵水成分可以改變采油效率。從那時起，注入所謂的智能水使鹽濃度適當成為了人們廣泛應用的手段。幾個研究小組著重研究了上述方法提高采油效率的機理。起初，研究主要集中在砂巖儲層上，低鹽驅采出的剩余油在原油的5-30%范圍內變化，然而，一些實驗室研究和現場試驗也證實了其在碳酸鹽巖儲層提高采收率方面的潛力。該方法有兩個明顯的優勢：成本低和環境影響小。
圖2 從親油型到親水型
潤濕性表征方法
由于潤濕性被認為是影響采收率的重要因素之一，人們提出了幾種研究儲層潤濕性的方法。人們普遍認為，更多的水濕儲層可以產出更多的石油。典型的問題是應用的提高采收率方法改變儲層潤濕性的程度和方向。
1、接觸角法
接觸角在幾何上定義為液體在液體、氣體（或其他液體）和固體相交的三相邊界處形成的角。固體、液體和液體之間的三相接觸點上有不同的作用力，如圖3所示。
圖3 三相接觸點處力的平衡
實際上，滴一滴液滴放到被另一種液體或氣體包圍的固體表面上，水滴的圖像用軟件呈現，并在軟件中直接測得接觸角的數值，從而表征潤濕性。在提高采收率研究中，固體樣品通常是儲層巖石，周圍的流體是鹽水、表面活性劑溶液或二氧化碳，液滴代表儲層中的油。
雖然接觸角測量已被廣泛應用于各種工業領域的潤濕性研究，但近十幾年來，接觸角測量在巖石潤濕性研究中的應用才開始增加。從圖4可以看出，自2010年以來，搜索詞“接觸角”+“巖石潤濕性”的出版物數量開始急劇增加。
圖4 搜索詞為“接觸角”和“巖石潤濕性”出版物數量和年限
2、Amott-Harvey法
Aomtt-Harvey法使用對初始飽和油巖心進行兩次自發和強制吸滲測試。測試了水驅油和油驅水的效果。所得數據用來計算驅油指數，即自吸驅替水體積與自吸驅替量和強迫驅替量之和的比值。
圖5 Amott-Harvey 測量水和油自發和強制自吸的過程
測量前，準備巖心樣品使其處于被束縛的飽和水中。首先將巖心放到充水管中，使其與水的自吸至少作用10天，再測量。其次，將巖心置于流動水中強迫流動水通過樣品，記錄下額外的采油率數值。
現在樣品處于油飽和點處，水可以盡可能多的回收石油。接下來重復這個過程，以便在強制流動之后測量油的自發吸滲。
結果是Amott-Harvey指數，它是水油比之間的一個差異，從+1（強水濕）到-1（強油濕）不等。
3、USBM法
USBM試驗是由Donaldson在1969年開發的。與Amott-Harvey測試類似，測量的是巖心的平均潤濕性。而USBM測試則是比較了換一種液體代替現有液體所需要的液體量。該方法是基于離心旋轉分步提速實現的流體在巖心中的強制吸滲。
與Amott-Harvey方法類似，USBM從被束縛的飽和水開始，將巖心放到充水管中。經過幾個周期的旋轉，樣品達到殘余油飽和，且其置于充滿油的管路中供進行其他測量。所得到的曲線與Amott-Harvey相似，但現在計算的是每條毛細管壓力曲線與零毛細管壓力曲線之間的面積。增水面積與增油面積之比的對數為USBM潤濕性指數。實際測量結果+1（強水濕）到-1（強油濕）。USBM方法比Amott-Harvey方法要快速，因為它不進行自吸，但必須進行校正，因為離心機在離心過程中會產生非線性的毛細管壓力梯度。
圖6 USBM潤濕指數
潤濕性表征方法對比
接觸角測量表面的潤濕性，而Amott-Harvey和USBM方法測量巖心的平均潤濕性。Anderson提出了Amott-Harvey，USBM和接觸角數據之間的關系，如表1所示[14]。
表1 三種方法潤濕性數據表
表2 三種方法潤對比
Amott-Harvey測試中的主要問題為在中度潤濕區域不敏感。當巖心與流體之間的接觸角為60°-120°時，兩種液體都不會自發地吸收和取代。此外，巖心的初始飽和度對結果起著重要影響。接觸角和USBM更適用于中度潤濕狀態下潤濕性的確定。
Amott-Harvey和USBM兩種方法的一個局限性是它們相對較慢、昂貴和/或勞動密集型。接觸角法在高溫和高壓條件下能很快給出潤濕性數據。Amott-Harvey和USBM方法也改變了樣品中的流體飽和度，因此不適合作為時間或其他實驗參數的函數來監測潤濕性的變化。
接觸角的明顯優勢是控制儲層溫度和壓力的方法相對簡單。商用的接觸角測定儀器隨處可見。文獻中指出Amott-Harvey和USBM在高溫和高壓環境下測量具有局限性。
目前對于接觸角方面的爭議主要集中在結果穩定性差。針對上述爭議，目前的理解是樣品類型，制備方法，液體純度，飽和度等均與接觸角的結果密切相關。很明顯，傳統的空氣中測定接觸角的方法不適用于儲層潤濕性的研究。
接觸角測量的另一個優點是同樣的儀器也可以用來測量界面張力值。在評價提高采收率方法的有效性時，儲層中不同流體間的界面張力和儲層潤濕性是一個關鍵參數。
儲層類型不同
接觸角法在純液體和礦藏領域中應用廣泛。在研究提高采收率機理或者事前評估新方法是否可行等方面經常使用純碳氫化合物和拋光表面進行接觸角測量。用云母和二氧化硅代表砂巖，用大理石和方解石代替碳酸鹽。
接觸角的測量也使用于頁巖和其他致密儲層，而對于Amott-Harvey方法，由于頁巖的自吸速度很慢，因而難以實現。USBM方法中的離心力不足以替代頁巖中流體緊密的巖心。
應用中如何選擇適宜方法
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，無法進行測量。
納米顆粒加入對巖石潤濕性的影響建議使用接觸角法。接觸角法在油飽和情況下測量巖石樣本，在鹽水浸漬樣品上測量油的接觸角時會表現出親油性。當鹽水變成納米流體時，樣品則變得更加親水。
水/鹽水-二氧化碳接觸角是在礦物表面進行測定，研究溫度和壓力對數值的影響，并且也對碳化鹽水對接觸角的影響作出了評價。
由降低鹽水濃度引起潤濕性變化的研究也是通過接觸角來進行表征的。在研究中測量不同濃度鹽水在巖石表面的接觸角，模擬巖石表面礦物油老化過程中油藏的親油狀態。老化后的水接觸角為121°-130°。為了在不同的鹽水溶液中進行測量，將巖石浸入礦物油中，通過油相測量鹽水接觸角。
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方法似乎優于Amott-Harvey方法，因為后者對中濕范圍內的樣品不敏感。建議根據應用領域和儲層油藏的類型選擇適宜的測試方法進行潤濕性的表征。
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