2021-02-08
巖石的潤(rùn)濕性是影響原油采收率的關(guān)鍵因素之一。為了研究巖心的潤(rùn)濕性以及提高采收率（EOR）方法引起的潤(rùn)濕性變化，采用了不同的潤(rùn)濕性測(cè)量技術(shù)。本文第一部分會(huì)討論潤(rùn)濕性及其與提高采收率技術(shù)的關(guān)系。重點(diǎn)介紹了常用的潤(rùn)濕性測(cè)量方法：接觸角法，Amott-Harvey法和USBM法。后會(huì)將三種方法進(jìn)行比較。
潤(rùn)濕性簡(jiǎn)介
潤(rùn)濕性描述了固體在接觸液體過(guò)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(huì)在固體表面鋪展或凝聚。在提高采收率（EOR）中潤(rùn)濕性的表征尤為重要，因?yàn)闈?rùn)濕性決定了固體（巖石）和儲(chǔ)層（原油、鹽水）間的相互作用。潤(rùn)濕性一直是*的控制剩余油量開采的關(guān)鍵參數(shù)。
儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性
巖石可分為水濕、中濕或油濕。當(dāng)巖石為水濕時(shí)，當(dāng)油為周圍相時(shí)，水優(yōu)先與礦物接觸。當(dāng)接觸的液體為油時(shí)，巖石被稱為油濕。介于兩者之間的狀態(tài)稱為中濕狀態(tài)。接觸角是用來(lái)衡量潤(rùn)濕性的。油/水/固三相的力平衡將形成接觸角。因此，不同潤(rùn)濕狀態(tài)的接觸角范圍可以如圖1所示定義。
也有其他術(shù)語(yǔ)用來(lái)描述儲(chǔ)層的潤(rùn)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(chǔ)層的潤(rùn)濕狀態(tài)
“中濕型”一詞有時(shí)可用來(lái)表征接觸角接近90°的狀態(tài)。有時(shí)也會(huì)將中濕型和混合濕型混合使用，指的是部分儲(chǔ)層親油，其他儲(chǔ)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(zhuǎn)變
潤(rùn)濕性的改變是提高采收率的有效途徑。油濕型儲(chǔ)層的問(wèn)題與早期水的進(jìn)入有關(guān)，導(dǎo)致低鋪展效率，終導(dǎo)致采油率降低。改變潤(rùn)濕性的目的是要改變巖石的潤(rùn)濕狀態(tài)，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(huì)對(duì)巖石的潤(rùn)濕性產(chǎn)生影響。
已經(jīng)采用了幾種化學(xué)方法和熱方法來(lái)改變儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性，增加儲(chǔ)層的親水型。目前潤(rùn)濕性的改變方法已受到廣泛的關(guān)注，包括碳酸鹽和砂巖儲(chǔ)層，納米流體和納米流體低鹽度或智能水驅(qū)等。下面列舉常見的四種改變潤(rùn)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(rùn)濕性。提出表面活性劑對(duì)潤(rùn)濕性改變有兩種不同的機(jī)制：涂覆機(jī)制和清潔機(jī)制。在涂覆機(jī)制中，表面活性劑會(huì)吸附在親油層的表面；清潔機(jī)制是指表面活性劑分子與原油中吸附的污染物分子復(fù)合，將其從巖石表面剝離的過(guò)程。
針對(duì)特定的儲(chǔ)層條件，需要篩選表面活性劑，不僅僅局限于儲(chǔ)層的溫度、鹽度，也包括壓力。有些表面活性劑在常溫下表現(xiàn)良好，而在高溫下則效果下降。
2、納米顆粒
在過(guò)去的幾年中，不同的納米材料尤其是納米顆粒廣泛應(yīng)用到提高采油率的應(yīng)用當(dāng)中。納米顆粒可以改變潤(rùn)濕性同時(shí)減少油水界面張力。提高采油率應(yīng)用中納米顆粒有如下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：（1）穩(wěn)定性好；（2）針對(duì)不同需求可使用不同大小和形狀的納米顆粒；（3）環(huán)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(yīng)用廣泛的提高采收率方法。無(wú)論是在成熟碳酸鹽巖還是在水驅(qū)碳酸鹽巖中，都成功地實(shí)施了CO2-EOR。如果二氧化碳可用，除非開發(fā)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(gè)好處是可以同時(shí)捕獲和儲(chǔ)存使用過(guò)的CO2。
4、低鹽和水驅(qū)
水驅(qū)長(zhǎng)期以來(lái)在碳酸鹽巖和砂巖儲(chǔ)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(shí)起，注入所謂的智能水使鹽濃度適當(dāng)成為了人們廣泛應(yīng)用的手段。幾個(gè)研究小組著重研究了上述方法提高采油效率的機(jī)理。起初，研究主要集中在砂巖儲(chǔ)層上，低鹽驅(qū)采出的剩余油在原油的5-30%范圍內(nèi)變化，然而，一些實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也證實(shí)了其在碳酸鹽巖儲(chǔ)層提高采收率方面的潛力。該方法有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：成本低和環(huán)境影響小。
圖2 從親油型到親水型
潤(rùn)濕性表征方法
由于潤(rùn)濕性被認(rèn)為是影響采收率的重要因素之一，人們提出了幾種研究?jī)?chǔ)層潤(rùn)濕性的方法。人們普遍認(rèn)為，更多的水濕儲(chǔ)層可以產(chǎn)出更多的石油。典型的問(wèn)題是應(yīng)用的提高采收率方法改變儲(chǔ)層潤(rùn)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(diǎn)上有不同的作用力，如圖3所示。
圖3 三相接觸點(diǎn)處力的平衡
實(shí)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(xiàn)，并在軟件中直接測(cè)得接觸角的數(shù)值，從而表征潤(rùn)濕性。在提高采收率研究中，固體樣品通常是儲(chǔ)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(chǔ)層中的油。
雖然接觸角測(cè)量已被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域的潤(rùn)濕性研究，但近十幾年來(lái)，接觸角測(cè)量在巖石潤(rùn)濕性研究中的應(yīng)用才開始增加。從圖4可以看出，自2010年以來(lái)，搜索詞“接觸角”+“巖石潤(rùn)濕性”的出版物數(shù)量開始急劇增加。
圖4 搜索詞為“接觸角”和“巖石潤(rùn)濕性”出版物數(shù)量和年限
2、Amott-Harvey法
Aomtt-Harvey法使用對(duì)初始飽和油巖心進(jìn)行兩次自發(fā)和強(qiáng)制吸滲測(cè)試。測(cè)試了水驅(qū)油和油驅(qū)水的效果。所得數(shù)據(jù)用來(lái)計(jì)算驅(qū)油指數(shù)，即自吸驅(qū)替水體積與自吸驅(qū)替量和強(qiáng)迫驅(qū)替量之和的比值。
圖5 Amott-Harvey 測(cè)量水和油自發(fā)和強(qiáng)制自吸的過(guò)程
測(cè)量前，準(zhǔn)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(cè)量。其次，將巖心置于流動(dòng)水中強(qiáng)迫流動(dòng)水通過(guò)樣品，記錄下額外的采油率數(shù)值。
現(xiàn)在樣品處于油飽和點(diǎn)處，水可以盡可能多的回收石油。接下來(lái)重復(fù)這個(gè)過(guò)程，以便在強(qiáng)制流動(dòng)之后測(cè)量油的自發(fā)吸滲。
結(jié)果是Amott-Harvey指數(shù)，它是水油比之間的一個(gè)差異，從+1（強(qiáng)水濕）到-1（強(qiáng)油濕）不等。
3、USBM法
USBM試驗(yàn)是由Donaldson在1969年開發(fā)的。與Amott-Harvey測(cè)試類似，測(cè)量的是巖心的平均潤(rùn)濕性。而USBM測(cè)試則是比較了換一種液體代替現(xiàn)有液體所需要的液體量。該方法是基于離心旋轉(zhuǎn)分步提速實(shí)現(xiàn)的流體在巖心中的強(qiáng)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(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的旋轉(zhuǎn)，樣品達(dá)到殘余油飽和，且其置于充滿油的管路中供進(jìn)行其他測(cè)量。所得到的曲線與Amott-Harvey相似，但現(xiàn)在計(jì)算的是每條毛細(xì)管壓力曲線與零毛細(xì)管壓力曲線之間的面積。增水面積與增油面積之比的對(duì)數(shù)為USBM潤(rùn)濕性指數(shù)。實(shí)際測(cè)量結(jié)果+1（強(qiáng)水濕）到-1（強(qiáng)油濕）。USBM方法比Amott-Harvey方法要快速，因?yàn)樗贿M(jìn)行自吸，但必須進(jìn)行校正，因?yàn)殡x心機(jī)在離心過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非線性的毛細(xì)管壓力梯度。
圖6 USBM潤(rùn)濕指數(shù)
潤(rùn)濕性表征方法對(duì)比
接觸角測(cè)量表面的潤(rùn)濕性，而Amott-Harvey和USBM方法測(cè)量巖心的平均潤(rùn)濕性。Anderson提出了Amott-Harvey，USBM和接觸角數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，如表1所示[14]。
表1 三種方法潤(rùn)濕性數(shù)據(jù)表
表2 三種方法潤(rùn)對(duì)比
Amott-Harvey測(cè)試中的主要問(wèn)題為在中度潤(rùn)濕區(qū)域不敏感。當(dāng)巖心與流體之間的接觸角為60°-120°時(shí)，兩種液體都不會(huì)自發(fā)地吸收和取代。此外，巖心的初始飽和度對(duì)結(jié)果起著重要影響。接觸角和USBM更適用于中度潤(rùn)濕狀態(tài)下潤(rùn)濕性的確定。
Amott-Harvey和USBM兩種方法的一個(gè)局限性是它們相對(duì)較慢、昂貴和/或勞動(dòng)密集型。接觸角法在高溫和高壓條件下能很快給出潤(rùn)濕性數(shù)據(jù)。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(shí)間或其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)的函數(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)潤(rùn)濕性的變化。
接觸角的明顯優(yōu)勢(shì)是控制儲(chǔ)層溫度和壓力的方法相對(duì)簡(jiǎn)單。商用的接觸角測(cè)定儀器隨處可見。文獻(xiàn)中指出Amott-Harvey和USBM在高溫和高壓環(huán)境下測(cè)量具有局限性。
目前對(duì)于接觸角方面的爭(zhēng)議主要集中在結(jié)果穩(wěn)定性差。針對(duì)上述爭(zhēng)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(jié)果密切相關(guān)。很明顯，傳統(tǒng)的空氣中測(cè)定接觸角的方法不適用于儲(chǔ)層潤(rùn)濕性的研究。
接觸角測(cè)量的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是同樣的儀器也可以用來(lái)測(cè)量界面張力值。在評(píng)價(jià)提高采收率方法的有效性時(shí)，儲(chǔ)層中不同流體間的界面張力和儲(chǔ)層潤(rùn)濕性是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。
儲(chǔ)層類型不同
接觸角法在純液體和礦藏領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。在研究提高采收率機(jī)理或者事前評(píng)估新方法是否可行等方面經(jīng)常使用純碳?xì)浠衔锖蛼伖獗砻孢M(jìn)行接觸角測(cè)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(cè)量也使用于頁(yè)巖和其他致密儲(chǔ)層，而對(duì)于Amott-Harvey方法，由于頁(yè)巖的自吸速度很慢，因而難以實(shí)現(xiàn)。USBM方法中的離心力不足以替代頁(yè)巖中流體緊密的巖心。
應(yīng)用中如何選擇適宜方法
常用的表面活性劑篩分實(shí)驗(yàn)建議使用接觸角法。因?yàn)榻佑|角法能夠快速有效的篩選出表面活性劑的變化能力和潤(rùn)濕性的改變范圍。油藏環(huán)境需要高溫和高壓，如果在水環(huán)境中測(cè)試，溫度超過(guò)100°時(shí)水會(huì)沸騰，無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。
納米顆粒加入對(duì)巖石潤(rùn)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(cè)量巖石樣本，在鹽水浸漬樣品上測(cè)量油的接觸角時(shí)會(huì)表現(xiàn)出親油性。當(dāng)鹽水變成納米流體時(shí)，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(jìn)行測(cè)定，研究溫度和壓力對(duì)數(shù)值的影響，并且也對(duì)碳化鹽水對(duì)接觸角的影響作出了評(píng)價(jià)。
由降低鹽水濃度引起潤(rùn)濕性變化的研究也是通過(guò)接觸角來(lái)進(jìn)行表征的。在研究中測(cè)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(guò)程中油藏的親油狀態(tài)。老化后的水接觸角為121°-130°。為了在不同的鹽水溶液中進(jìn)行測(cè)量，將巖石浸入礦物油中，通過(guò)油相測(cè)量鹽水接觸角。
結(jié)論
本文對(duì)三種在石油工業(yè)中常用的潤(rùn)濕性表征方法進(jìn)行了討論。三種方法均能提供潤(rùn)濕性的定量信息。當(dāng)研究純液體和礦物時(shí)接觸角法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，為研究溫度、壓力、鹽水化學(xué)等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)潤(rùn)濕性的影響提供了方法。USBM方法似乎優(yōu)于Amott-Harvey方法，因?yàn)楹笳邔?duì)中濕范圍內(nèi)的樣品不敏感。建議根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和儲(chǔ)層油藏的類型選擇適宜的測(cè)試方法進(jìn)行潤(rùn)濕性的表征。
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