第三章(3-1)表面张力

第三章储层中多相流体的渗流特性由第一章和第二章所学内容可以知道，油藏岩石和油藏流体具有如下主要特性：1、油藏岩石具有比面大、孔隙结构复杂、高度分散等特性；2、油藏中的油、气组分和相态复杂，且随着温度和压力的变化，油气的物理性质及相态发生复杂的变化；油藏开采中，大多是油、水两相流体或是油、气、水三相流体在岩石孔隙中流动。岩石中多相流体存在时，流体的渗流特性将变得更加复杂：1、由于分子力作用等因素的变化，使油-水-岩石系统或油-气-岩石系统界面性质的复杂性；2、由于岩石表面的润湿性等因素的变化，使油、气、水在岩石孔隙中分布的复杂性；3、由于岩石的润湿性的不同以及严重的毛管现象等，使油、气、水多相流体在岩石孔隙中流动的复杂性；•本章教学主要内容：1、油藏流体的界面张力界面自由能、界面张力、吸附现象及其对界面张力的影响2、油藏岩石的润湿性岩石的润湿性及其影响因素、岩石润湿性与水驱油的相互关系。3、油藏岩石的毛管压力曲线毛细现象和毛管力、任意曲面的附加压力、毛管中液体的上升（或下降）岩石毛管压力曲线的测定及换算、岩石毛管压力曲线的基本特征、毛管压力曲线的应用。4、油藏岩石的相对渗透率曲线有效渗透率和相对渗透率、相对渗透率曲线特征及影响因素、相对渗透率曲线的应用。•本章教学重点、难点：1、岩石润湿性及润湿性与水驱油的相互关系2、岩石毛管压力曲线特征及其应用第一节油藏流体的表面张力一、两相界面层的自由表面能界面：任何两相分界面通称为界面，如岩石－油（水）界面、油－水界面。表面：当接触的两相中有一相是气相时,则把界面习惯称为表面，如空气—水的分界面称为“水的表面”；岩石—气体的分界面称为“岩石的表面”。内聚力：同一相的内部分子之间的作用力。吸附力（附着力）：界面两种不同相的分子间的作用力。净吸力：净吸力=内聚力-吸附力1、自由表面能的基本概念2、自由表面能性质由上面分析结果知道：表明水分子a比水相内部水分子b具有更多的“自由能”。因此有：A、假若把水分开使其产生新界面（界面积增大），就必须做功，做功的能量就转化为新生界面（界面积增大）的自由表面能。B、假若把水的内部分子举升到水面，就必须做功。做功的能量就转化为自由表面能。自由表面能性质：（1）只有存在不互溶的两相时自由表面能才存在。以上是分析水－空气表面。对于任意两相，不论是气和液、液和液，还是气和固、液和固的界面，都存在有上述的自由界（表）面能。而完全互溶的两相（例如酒精和水、煤油和原油），由于它们之间不存在界面，所以也就不存在自由界面能。（2）表（界）面越大，自由表（界）面能也越大由热力学第二定律知，任何自由能都有趋于最小的趋势。由于等体积物体以球体表面积最小，表面能也最小，所以水银滴掉在桌面上变成球形，而不是其它形状，以使自由表面能居于最小。（3）自由表（界）面能不仅存在界面层分子，而是存在具有一定厚度的界面层表（界）层的结构和性质与每一相的性质都不同，是一个逐渐过渡的分子层。在该过渡层中的分子，都具有自由表面能，只是大小不同而已。（4）自由表（界）面能的大小与两相分子性质有关系。两相分子的极性差越大，表（界）面能越大。水是液体中极性最大的，而干净的空气极性很小，因此水—空气界面的表面能最大。原油和四氯化碳的极性差很小，乃至界面消失而互溶，正因为如此，油层物理实验中用四氯化碳来提取岩心中的石油。（5）自由表（界）面能还与两相的相态有关。液—气相界面的自由表面能液—液相界面的自由界面能。液—固之间的自由界面能液—气之间的自由表面能。二、比表面能和表面张力1、比表面能或表面张力（σ）的基本概念2、比表面能和表面张力的分析（1）比表面能和表面张力都是用来衡量两相界面层表面自由能的大小，它们具有相同的本质。（2）在两相系统的界面，表面张力只是自由表面能的一种表示方法，两相系统的界面不存在真实的“张力”。（3）在三相系统的周界上，有界面的张力存在，它是各自两相界面层自由表面能在三相周界的接触点相互“争夺”的结果。•如图所示，一滴油滴在水面上则有三种界面，即油-气（2-3）、油-水（2-1）和水-气（1-3）界面，各自界面层的表面能在三相周界的争夺则呈现三种表面张力σ2-3、σ1-2和σ1-3，当三者达到平衡时有：a、三相周界上有界面的张力存在；b、各该两相界面张力的大小等于各自的比表面能；c、界面张力的方向确定：界面为平面时，则在界面上；界面为曲面时，则在界面的切平面上；d、张力的作用点为三相周界的作用点。322131温度、压力对地层原油—气体间界面张力影响溶解气对地层原油—气体间界面张力影响曲线1：地面（脱气）原油与水的系统，曲线2：地层（有溶解气）原油与水的系统，四、吸附作用及其与表面张力的关系1、表面活性剂及其分子结构特性表面活性剂：溶入少量就能显著降低溶液表面张力的物质。表面活性剂分子特性：具有两性基团；亲水基团和亲油基团；通常用“——O”代表。“——”代表亲油基团，“O”代表亲油基团。例如钠肥皂分子：化学分子式为：C16H33COONa。结构式为：“——O”Na=OOCHHHHCCHHHHHHHHHHHHCCCCCCHHHHHHHHCCCCHHHHCCHHCHHHC2、吸附基本概念1）吸附：溶解于两相界面系统中的物质，自发地浓集于两相界面上并显著减小该界面层的表面张力的过程称之为“吸附”。被吸附的物质是表面活性物质。如肥皂溶于水的过程——吸附过程2）吸附原则极性A＞极性C＞极性B其中C为吸附在A、B两相界面层的物质。3）吸附特征：发生在两相界面、溶液中浓度分布不均匀、降低界面张力代表浓度增加3、比吸附比吸附（G）：界面层单位面积上的多余吸附量（与相内相比）。气—液表面的比吸附（G）通常用Gibbs比吸附公式来描述：式中：G——吉布斯比吸附量；C——溶质浓度；()T——表面活度，即在某一温度下，表面张力随溶液浓度的变化率；T，R——绝对温度和通用气体常数。TCCRTG)(1C3、比吸附1）当0时，比吸附G为正值，称为正吸附，表明表面张力随溶质浓度的增加而减少，溶质C为表面活性物质；2）当＞0时，比吸附G为负值，称负吸附，表明表面张力随溶质浓度的增加而增加，溶质C为表面非活性物质。3）当=0时，比吸附G为0，表明没有吸附发生。CCC4、比吸附与表面张力的关系比吸附等温线：比吸附G与溶液中表面活性物质浓度之间的关系曲线。表面张力等温线：表面张力σ与溶液中表面活性物质浓度之间的关系曲线.1）C较小时，CG迅速，迅速。2）C增大到一定程度时（吸附饱和），CG和不变这时表面活性剂在水相内形成胶束。代表浓度增加第二节储层岩石的润湿性及其对水驱油的影响本节内容主要包括以下方面：1、润湿性概念２、岩石润湿性３、润湿滞后现象及其影响因素４、油藏岩石润湿性的测定５、岩石润湿性与水驱油的相互关系一、储层岩石润湿性１、润湿的基本概念：（1）润湿：自然界现象：将水滴在玻璃板上，水在玻璃板上迅速铺开，而如果是水银滴在玻璃板上，水银液滴在玻璃板上呈现球滴。润湿：是指液体在分子力的作用下沿固体表面流散的现象。空气空气水水银玻璃玻璃润湿研究对象：不混容的两相液体－固体三相体系，或液体－气体－固体三相体系。（2）润湿相流体与非润湿相流体：能沿固体表面铺开的那一相称为润湿相流体，另一相称为非润湿相流体。（气相在大多数情况下是非润湿相）（水－空气－玻璃体系中，水为润湿相流体，空气为非润湿相流体）（水银－空气－玻璃体系中，水银为非润湿相流体，空气为润湿相流体）（3）选择性润湿：固体表面优先于哪一种流体润湿。（水－空气－玻璃体系中，玻璃表面对水选择性润湿）（水银－空气－玻璃体系中，玻璃表面对空气选择性润湿）２、储层岩石润湿程度的确定——接触角（θ）（润湿角）研究对象：水－油－岩石三相体系。（气－油－岩石和气－水－岩石三相体系中，气体为非润湿相流体）分别以１代表水、２代表油、３代表岩石。表示岩石润湿性程度的参数——接触角θ(也称润湿角)接触角θ的确定：通过水-油-岩石三相交点做水-油界面的切线，切线与水-岩石界面之间的夹角（经过水相）称为接触角（θ）。（0°＜θ＜１８0°）（１）当θ＜90°时，水对岩石表面选择性润湿；水为润湿相流体；岩石亲水或称水湿岩石；θ越小，岩石的亲水性越强；（２）当θ＞90°时，油对岩石表面选择性润湿；油为润湿相流体；岩石亲油或称油湿岩石；θ越大，岩石的亲油性越强；（３）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，即岩石为中性润湿；３、润湿的实质油水对岩石表面选择性润湿是作用于三相周界的两相界面张力相互作用的结果，当其达到平衡时，有：σ2,3=σ1,3+σ1,2cosθσ2,3-σ1,3=σ1,2cosθ=A（润湿张力）A的物理意义：水对岩石表面选择性润湿导致油—岩石界面比表面能的减小。润湿的实质：固体表面自由能的减小。4、附着功W(也称粘附功)附着功W：指将单位面积的湿相流体(如水)从固体表面(亲水岩石表面)驱开所作的功。（是润湿的反过程。）由上图知，拉开前的比表面能为σ1,3，拉开后的比表面能为σ2,3+σ1,2因此：W=（σ2,3+σ1,2）-σ1,3因为：σ2,3-σ1,3=σ1,2cosθ所以：W=σ1,2（1+cosθ）由上式看出，θ角越小，附着功W越大，即湿相流体（水）对岩石的润湿程度越强；因此，研究附着功的意义是：用附着功判断岩石润湿性。5、润湿反转现象润湿反转：在一定条件下，加入表面活性剂（或其它的特殊处理方法），使岩石表面的亲水性和亲油性相互转化的现象。表面活性物质自发地吸附在两相界面上并使界面张力减小，因此，表面活性物质吸附于岩石表面，将可能导致：（1）亲水性的岩石表面的亲水性变弱甚至变成亲油性表面；（2）亲油性的岩石表面的亲油性变弱甚至变成亲水性表面。研究岩石润湿反转的意义：岩石润湿反转的特性，已被油田得到了广泛的合理应用。表面活性剂驱油是合理应用润湿反转特性的一个实例。从地面向油层注入一定量的表面活性剂溶液，通过表面活性剂在油层岩石颗粒表面的吸附，使亲油岩石颗粒表面向亲水转换，有利于“剥落”岩石颗粒表面的“油膜”，从而达到提高原油采收率的目的。二、润湿滞后现象及其影响因素润湿滞后是在流体流动过程中出现的一种润湿现象。如图下所示，将原来水平放置的亲水固体（岩石）表面倾斜一个角度α，可以发现，油-水-固（岩石）三相周界不能立即向前移动，而是油-水两相界面发生变形，使得原始的接触角发生改变，然后，三相周界才向前移动。润湿滞后：指三相润湿周界沿固体表面移动的迟缓而产生润湿接触角改变的现象。润湿滞后的影响因素包括：倾斜一个角度α1、润湿次序（三相周界的移动方向）的影响润湿次序的含义：固体（岩石）表面一开始是和油接触，后来水把油驱赶走代之以水和固体（岩石）表面接触，或者是反之的情况。三相周界的移动方向的含义：A点移动方向是水驱油的方向，即水将占据油原来的部分空间；B点移动方向是油驱水的方向，即油将占据水原来的部分空间；前进角（θ1）：水驱油（润湿相流体驱赶非润湿相流体）时的接触角；后退角（θ2）：油驱水（非润湿相流体驱赶润湿相流体）时的接触角；由于润湿次序的不同产生了两个不等的接触角，且在一般情况下有：θ1＞θ＞θ2（θ为原始接触角）静润湿滞后：由润湿次序不同而引起的接触角的变化。2、三相周界移动速度的影响如下图所示，油水在岩石孔隙中静止时，接触角为30°，岩石表面具有较强的水润湿；当水驱油在岩石孔隙中流动时，接触角发生了改变，接触角随水驱油速度的增大而变大，即滞后现象越严重，当水驱油速度的增大到某一值时，岩石表面变为亲油性，发生了润湿反转现象。动润湿滞后：由三相周界移动速度而引起的接触角的变化。静止时，θ=30°，岩石亲水12水驱油速度为V1时，θ=60°，岩石亲水性减弱水驱油速度为V2＞V1时，θ=75°，岩石亲水性再减弱水驱油速度为V3＞V2时，θ=115°，岩石类似亲油性，发生润湿反转3、固体表面粗糙度的影响岩石颗粒表面粗糙程度增加，三相周界移动更加迟缓，润湿滞后现象更为显著。固