氣濕性評價方法研究

王彥玲，馬莉，蔣官澄，金家鋒，徐超

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266555；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

氣濕性評價方法研究

王彥玲1，馬莉1，蔣官澄2，金家鋒1，徐超1

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266555；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

通過室內(nèi)模擬實驗，對毛細(xì)管力上升法、接觸角法和Washburn法等3種氣濕性評價方法進行了研究，并討論了這些方法的特點。結(jié)果表明：毛細(xì)管力法是一種簡單、準(zhǔn)確的方法，但氣濕性較強時，無法定量地評價氣濕性的程度；接觸角法可以簡單、直觀地判斷固體表面的氣濕性，并且能根據(jù)液相接觸角的大小，定量地評價表面氣濕性；Washburn法能夠很簡便地評價粉體表面是否存在氣濕性，但氣濕性較強時，則不能進行定量評價。

氣濕性；接觸角；毛細(xì)管力法；接觸角法；Washburn法

1 概述

油氣層巖石表面的潤濕性不僅是控制油氣層流體在孔隙介質(zhì)中流動和分布的關(guān)鍵因素，而且對油、氣、水的相對滲透率及采收率也有很大影響［1-2］。在石油生產(chǎn)的鉆井、完井、采油等各個環(huán)節(jié)，所使用的鉆井液、采油化學(xué)液等若設(shè)計不當(dāng)，都會使油氣層巖石表面潤濕性發(fā)生不利變化，使油氣層受到損害，產(chǎn)量降低［2-3］。因此，對油氣層巖石表面潤濕性應(yīng)用基礎(chǔ)的研究，已成為國內(nèi)外石油工程和界面化學(xué)界的一項旨在提高油氣采收率和保護油氣資源的重要課題。近年來，隨著我國天然氣、凝析油氣藏勘探在四川盆地、塔里木盆地及長慶油田取得重大突破，氣潤濕性的研究顯得更為重要，需要創(chuàng)建氣潤濕性的基礎(chǔ)理論體系，為提高油氣采收率奠定理論基礎(chǔ)。

2000年，Li和Firoozabadi等［4］首次提出了油氣藏巖石表面“氣潤濕”概念，并提出通過將凝析氣藏潤濕性從強液濕轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)先氣濕來提高氣井生產(chǎn)能力的新思路，開創(chuàng)了潤濕性研究的新領(lǐng)域。Li和Tang等［5-6］在Berea砂巖上建立了優(yōu)先氣濕表面，Liu等［7］實現(xiàn)了油氣層巖石表面氣濕反轉(zhuǎn)，增加了氣、水兩相的相對滲透率，研究表明生產(chǎn)能力增加了2～3倍。姚同玉等［8］評價了幾種化學(xué)劑使人造砂巖巖心的潤濕性向氣濕轉(zhuǎn)變的能力及特點。后來，國際上又有少數(shù)學(xué)者繼續(xù)采用“液濕性”研究方法進行過研究，取得了一些初步認(rèn)識［5-17］。

然而“氣濕性”不同于“液濕性”，適應(yīng)于“液濕性”研究的理論、方法不一定能用于“氣濕性”研究，而前人按照液濕性的研究方法進行了氣濕性定性評價，但并沒有說明其優(yōu)缺點和適用性。筆者采取常用的毛細(xì)管力上升法、接觸角法及Washburn法進行氣濕性評價，并對其結(jié)果進行了驗證和對比，總結(jié)出了適用性及特點。

2 實驗

2.1 儀器與試劑

采用的儀器為：上海市實驗儀器總廠101A-1E型紅外干燥烘箱；山東龍口市先科儀器廠電熱恒溫水浴鍋；淄博科森儀器公司 ZL-2型自動界面張力儀；IKAKS4000i恒溫?fù)u床；上海中晨數(shù)字技術(shù)裝備有限公司JY-82接觸角測定儀；玻璃毛細(xì)管，直徑1 mm；自制Washburn管，內(nèi)徑0.8 cm，長度15 cm。

采用的試劑為：CTAB（分析純），國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；FC911和FG40表面活性劑，由中科院上海有機所提供；正癸烷（n-C10）分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；OP-10化學(xué)純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；十二烷基硫酸鈉化學(xué)純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

油相為正癸烷（n-C10），相對密度 0.73，黏度 0.92 mPa·s，空氣/正癸烷表面張力23.4 mN/m；水相為0.2%的NaCl，相對密度1.012，黏度1 mPa·s；空氣/鹽水表面張力72.8 mN/m；溫度為室溫，25℃。

2.2 毛細(xì)管力法評價氣濕性

將毛細(xì)管浸泡在鉻酸洗液中24 h，再用水沖洗干凈，分別配制500，1 000，2 000，3 000，4 000及5 000 mg/L的CTAB，F(xiàn)C911，F(xiàn)G40溶液。化學(xué)劑溶液吸入毛細(xì)管中，老化2 h后烘干。分別將毛細(xì)管垂直插入0.2%的NaCl溶液和正癸烷中，穩(wěn)定后觀測NaCl溶液和正癸烷的上升高度。接觸角大小的計算公式為

式中：θ為接觸角，°；ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為液體在毛細(xì)管中的上升高度，cm；r為毛細(xì)管半徑，m；σ為液體表面張力，N/m。

2.3 接觸角法評價氣濕性

1）先用0.20%的十二烷基硫酸鈉處理巖心片4 h，烘干后再用不同質(zhì)量濃度的CTAB溶液處理10 h后，取出測得水相和油相在巖心表面的接觸角；2）先用0.20%的十二烷基硫酸鈉處理巖心片4 h，然后再用不同質(zhì)量濃度的FC911處理10 h，烘干取出，測得水相和油相在巖心表面的接觸角；3）先用0.20%的OP-10處理巖心片48 h，再用不同質(zhì)量濃度的FG40處理10 h，后烘干取出測得水相和油相在巖心表面的接觸角。

2.4 Washburn法評價氣濕性

將多孔介質(zhì)理想化為一束毛細(xì)管，當(dāng)毛細(xì)管豎直時，理想情況下潤濕相爬升高度的平方與時間成正比［18］。

式中：γ為液體表面張力，mN/m；t為時間，s；η為液體黏度，mPa·s。

分別稱取洗凈烘干后的石英砂20 g，放入盛有表面活性劑溶液的錐形瓶中，然后，放入25℃恒溫?fù)u床中處理24 h，再取出石英砂放入干燥器內(nèi)烘干，將石英砂盡量均勻地填入自制的Washburn管中，測得水相和油相的上升高度，根據(jù)式（2）進行線性擬合，得出接觸角。

3 實驗結(jié)果

3.1 毛細(xì)管力法實驗結(jié)果

毛細(xì)管力法是一種簡單評價潤濕性的方法，測得的結(jié)果是油和水對玻璃毛細(xì)管壁面的潤濕性，因此，一般用于評價處理劑的效果及篩選處理劑。采用毛細(xì)管力法，評價了用不同質(zhì)量濃度的CTAB和FC911表面活性劑處理后毛細(xì)管壁面的潤濕情況（見圖1—4）。

圖1 CTAB處理后毛細(xì)管中液體上升高度

圖2 接觸角隨CTAB質(zhì)量濃度的變化

圖3 FC911處理后毛細(xì)管中液體上升高度

圖4 接觸角隨FC911質(zhì)量濃度的變化

從圖1和圖2可以看出，用CTAB處理后，水在毛細(xì)管中上升高度明顯下降，水相接觸角明顯增大，毛細(xì)管從強水濕變?yōu)槌闪巳跛疂瘛６拖嘟佑|角沒有明顯變化，直到CTAB質(zhì)量濃度達到5 000 mg/L時，油濕性明顯變差。可見，CTAB處理后減弱了水和油在毛細(xì)管中的潤濕性。

從圖3和圖4可以看出，F(xiàn)C911處理毛細(xì)管后，有效地降低了水和油的上升高度，很大程度地減弱了水和油的潤濕性。當(dāng)處理劑FC911的質(zhì)量濃度達到500 mg/L時，毛細(xì)管壁對水和油的接觸角都能達到80°左右，基本達到了中間氣濕。隨著FC911質(zhì)量濃度的升高，水相和油相的接觸角有所下降，但都達到了75°左右，氣濕性呈現(xiàn)緩慢減弱的趨勢。可見，此時毛細(xì)管力法可以評價氣濕性。

用FG40處理后，在玻璃毛細(xì)管中水相和油相的液面都是下降的，液面高度是負(fù)值，因此，毛細(xì)管壁面對水相和油相的接觸角均大于90°，為氣體潤濕。在用質(zhì)量濃度為2 000 mg/L的FG40處理后的毛細(xì)管中，油相液面高度都是0，接觸角都為90°，水相接觸角為115°，達到了中間氣濕。 而用質(zhì)量濃度為1 000 mg/L和3 000 mg/L的FG40處理毛細(xì)管后，水相和油相液面下降幅度最大，氣濕性最強，但此時無法計算出具體接觸角數(shù)值。因此，毛細(xì)管力法在氣濕性很強的情況下，不能進行定量評價。

綜上所述，毛細(xì)管力法是一種簡單、直觀的方法，也是一種很準(zhǔn)確的方法；缺點是不易選擇半徑均勻的毛細(xì)管，且毛細(xì)管半徑不易準(zhǔn)確獲得。在用于氣濕性評價方面，雖然簡單準(zhǔn)確，但在氣濕性很強時，無法定量評價氣濕性的程度。

3.2 接觸角法實驗結(jié)果

接觸角法主要用于純凈流體和人造巖心系統(tǒng)潤濕性的測定。通常根據(jù)水在固體表面的角度θ來定義系統(tǒng)的潤濕性，一般定義為：θ<75°時為水潤濕；75°≤θ＜105°時為中性潤濕；當(dāng)θ≥105°時為油潤濕［19］。

采用接觸角法，評價了用3種不同表面活性劑處理后3種巖樣表面的潤濕性，結(jié)果見表1—3。

表1 CTAB處理后水和油在巖心表面的潤濕角

表2 FC911處理后水和油在巖心表面的潤濕角

表3 FG40處理后水和油在巖心表面的潤濕角

CTAB是一種陽離子碳?xì)浔砻婊钚詣瑸榘咨w狀，HLB值在15.8，可溶于熱水。可以看出，CTAB處理后的巖心表面對水相和油相都是潤濕的，可以在表面鋪展，因而，巖心表面就屬于非氣濕性表面。

FC911是一種陽離子氟碳表面活性劑，為黃色蠟狀固體，在水中形成凝膠。從表2可以看出，隨著FC911質(zhì)量濃度的升高，水和油的接觸角都是先增大后減小，當(dāng)FC911質(zhì)量濃度達到3 000 mg/L時，水和油的接觸角都大于75°，可以認(rèn)為巖心表面為中間氣濕。圖5為FC911處理前后巖心表面的液滴形狀，可以直觀地看出巖心表面變成了中間氣濕表面。

圖5 FC911處理前后巖心表面液滴形狀

FG40是一種非離子型表面活性劑，呈乳白色液體狀，可溶于水。實驗結(jié)果表明，用它處理巖心時，水滴和油滴在其表面都呈現(xiàn)出明顯的球狀，屬于中間氣濕。FG40可在很低的質(zhì)量濃度（500 mg/L）下，就能將巖心表面變?yōu)橹虚g氣濕，繼續(xù)增大質(zhì)量濃度，氣濕性會增強，當(dāng)質(zhì)量濃度為3 000 mg/L時，巖樣表面為強氣濕性。圖6為FG40處理后巖心表面的液滴形狀，很明顯，巖心表面為優(yōu)先氣體潤濕。

圖6 FG40處理后巖心表面液滴形狀

從以上分析結(jié)果可以看出，接觸角法可以簡單、直觀地判斷出固體表面是否為氣體潤濕，并根據(jù)液相接觸角的大小，可以評價表面氣濕性程度，但在測量中會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。其原因一是表面粗糙度、表面非均質(zhì)性及分子級別的表面滲吸［20-21］；二是接觸角法未能考慮巖石表面的非均質(zhì)性，顯然，巖石含有許多不同的組分，且原油中重質(zhì)表面活性劑對砂巖和黏土潤濕性的影響不同，從而可以造成潤濕性的局部不均勻；三是無法直接取得數(shù)據(jù)來說明油藏中巖石上是否存在永久性黏附的有機物質(zhì)膜，而這些有機物質(zhì)膜只有在進行其他潤濕性測量時才能測得。

3.3 Washburn法實驗結(jié)果

為了檢驗所用的裝置，實驗首先采用Washburn法測定了不同質(zhì)量濃度CTAB處理后石英砂對水的潤濕性，高度的平方h2與時間t呈直線關(guān)系，R2均大于0.98（見圖7）。將圖7中的數(shù)據(jù)進行線性擬合，并根據(jù)式（2）得到各個質(zhì)量濃度CTAB處理后的水在石英砂表面的潤濕角（見表4）。

圖7 CTAB處理后石英砂表面水自吸高度與時間的關(guān)系

表4 CTAB處理后石英砂表面對水的潤濕角

從表4可以看出，當(dāng)CTAB質(zhì)量濃度較低（20～100 mg/L）時，CTAB是單層吸附，可將石英砂表面變?yōu)樗疂癖砻妫译S著質(zhì)量濃度的升高，潤濕角增大，水濕性變差，在處理劑CTAB質(zhì)量濃度達到100 mg/L時，潤濕角達到89°，為中性潤濕；CTAB質(zhì)量濃度繼續(xù)增大，當(dāng)質(zhì)量濃度增大到臨界膠束質(zhì)量濃度、接近300 mg/L時，其在固體表面的吸附由單層變?yōu)殡p層。這時，隨著CTAB質(zhì)量濃度的增大，潤濕角又開始減小，親水性逐漸增強，從中性潤濕變?yōu)樗疂瘛?/p>

采取同樣方法，用不同質(zhì)量濃度的FC911處理石英砂，然后用Washburn法測定了水相和油相在處理后的石英砂表面的接觸角。水和油自吸高度平方h2與時間t呈直線關(guān)系，并根據(jù)式（2），得出FC911處理后石英砂對水相和油相的潤濕角（見表5）。

表5 FC911處理后石英砂表面潤濕角

從表5可以看出，質(zhì)量濃度為 10～100 mg/L的FC911處理石英砂時，石英砂表面為油潤濕，隨著質(zhì)量濃度的增大，潤濕性從強油濕變?yōu)槿跤蜐瘢拖酀櫇窠菑?5.3°變?yōu)?5.1°。在此質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，石英砂對水是排斥的，對水相的潤濕角均大于90.0°；當(dāng)FC911質(zhì)量濃度增大到200 mg/L時，石英砂表面對水和油都是排斥的，潤濕角也都大于90.0°，石英砂表面變成了相對氣濕；當(dāng)FC911的質(zhì)量濃度在300～1 000 mg/L時，石英砂表面對水的接觸角大約為90.0°，而對油是排斥的，接觸角大于90.0°，說明石英砂表面變成了中間氣濕。

實驗表明，Washburn法能簡便地測出粉體的接觸角。但液相接觸角大于90.0°時，液面不會自發(fā)地吸入填有石英砂的Washburn管，因此不能測出具體的接觸角值。當(dāng)水相和油相接觸角都大于90.0°時，可以認(rèn)為達到了相對氣濕。此外，Washburn法本身也存在一些難以彌補的缺點。粉末柱的等效毛細(xì)管半徑與粒子大小、形狀及填裝緊密度密切相關(guān)，要想用此方法得到相對準(zhǔn)確的結(jié)果，每次實驗都必須要求粉末樣品及裝柱方法、粉末柱的緊實度相同，顯然做到這一點很難。

4 結(jié)論

1）氣濕性評價結(jié)果表明，毛細(xì)管力法是一種簡單而又準(zhǔn)確的方法，但氣濕性較強時，卻無法定量地評價氣濕性的程度。

2）接觸角法可以簡單直觀地判斷固體表面是否為氣體潤濕，并且根據(jù)液相接觸角的大小，就可以確定表面氣濕性的程度，因此該方法可用來定量評價氣濕。但是，由于存在滯后現(xiàn)象和巖樣表面的非均質(zhì)性，測量結(jié)果也存在一定的誤差。

3）Washburn法能夠很簡便地測得粉體的接觸角，但只能定性地評價粉體表面是否是相對氣濕，不能具體評價氣濕性的程度。

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（編輯 姬美蘭）

Study on evaluation methods for gas-wetting

Wang Yanling1,Ma Li1,Jiang Guancheng2,Jin Jiafeng1,Xu Chao1
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266555,China;2.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

Three evaluation methods for gas-wetting including capillary tube method,contact angle method and Washburn method are studied in simulated experiment of laboratory,and their characteristics are presented and discussed.The results show that the capillary tube method is a simple and accurate method,but it can not quantitatively evaluate the strong gas-wetting.While the contact angle method can assess the gas-wetting on the surface of solid briefly and directly,and can quantitatively evaluate the surface gas-wetting according to the contact angle of liquid phase.Washburn method can easily evaluate whether it is gas-wetting on powder surface,while it can not quantitatively evaluate the strong gas-wetting.

gas-wetting;contact angle;capillary tube method;contact angle method;Washburn method

國家杰出青年科學(xué)基金“多孔介質(zhì)油氣藏氣濕性基礎(chǔ)理論研究”（50925414）

TE341

：A

1005-8907（2012）02-0203-05

2011-06-20；改回日期：2012-01-14。

王彥玲，女，1970年生，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事油田化學(xué)方面的教學(xué)和研究工作。電話：（0546）8398402，E-mail：wangyl_hdpu@hotmail.com。

王彥玲，馬莉，蔣官澄，等.氣濕性評價方法研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（2）：203-207，248. Wang Yanling，Ma Li，Jiang Guancheng，et al.Study on evaluation methods for gas-wetting［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（2）：203-207，248.