CN109991130B - 一种岩石-水溶液-原油体系中岩石表面润湿性的评价方法 - Google Patents

一种岩石-水溶液-原油体系中岩石表面润湿性的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岩石‑水溶液‑原油体系中岩石表面润湿性的评价方法。本发明通过测定岩石表面zeta电位、油水界面zeta电位和油水界面张力计算接触角来评价岩石‑水溶液‑油体系中岩石表面润湿性，评价方法方便可靠、灵敏度高。对岩石样品表面光滑度、致密性不做要求，能评价不同形状岩石表面润湿性，能评价微缝隙或孔喉中岩石表面润湿性。

Description

一种岩石-水溶液-原油体系中岩石表面润湿性的评价方法
技术领域
本发明涉及一种岩石-水溶液-原油体系中岩石表面润湿性的评价方法，属于界面化学、油气田开发技术领域。
背景技术
润湿性是油藏岩石的一个重要特性，它是影响油、水在岩石孔隙中分布、流动一个主要因素，同时直接制约着油、水两相相对渗透率、毛管力以及石油采收率。通过增强油藏岩石表面的亲水性，能够提高基质区域对注入水的渗吸作用，有效控制注入水沿裂缝方向发生窜流的程度；还有利于吸附在岩石表面上的原油发生脱附，从而起到洗油作用；同时能有效增加油相相对渗透率，从而有效挖潜剩余油及改善油藏的开采效果。因此正确认识油藏润湿性，对于油藏开发具有十分重要的意义。
目前岩石表面润湿性评价方法主要有液滴法、自吸速率法和相对渗透率曲线法。液滴法对岩石表面要求苛刻，要求岩石表面光滑致密，不确定度较高；自吸速率法测试过程复杂且只能定性评价岩石表面润湿性，对岩石颗粒大小及堆积方式存在依赖性；相对渗透率曲线法测试复杂，实验重复性差。
因此目前需要一种方便可靠、灵敏度高、不依赖岩石形状的润湿性评价方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种岩石-水溶液-原油体系中岩石表面润湿性的评价方法，本发明方便可靠、灵敏度高、不依赖测试样品形状的润湿性评价方法。
本发明提供的一种岩石-水溶液-原油体系中岩石表面润湿性的评价方法，包括如下步骤：1)将待测岩石研磨成颗粒与水溶液混合，制成悬浮液，测定所述悬浮液上层中岩石颗粒表面Zeta电位，记为ξ1；
2)将原油与所述水溶液混合，制成O/W乳状液，测定所述O/W乳状液下层乳状液中油滴表面Zeta电位，记为ξ2；并测定油水界面张力，记为σ；
3)根据下式Ⅰ，计算待测岩石-水溶液-油体系中所述待测岩石颗粒与所述原油油滴间分离压；
Figure BDA0002030370440000011
式Ⅰ中，Π是指岩石与油滴间分离压，Pa；ΠVDW、ΠE、ΠS分别为岩石与油滴间的范德华力、静电力和结构力，Pa；c是指水溶液离子浓度，mol·L-1；T为体系温度，K；ξ1，ξ2为zeta电位，V；h是指岩石表面与油滴间的水膜厚度，m；
4)当油滴与岩石表面间水膜厚度达到平衡值时，式Ⅰ中Π等于Pc，将c、T、ξ1、ξ2的数值代入方程Π＝Pc，求解得到h，记方程的解为水膜平衡厚度heq；
其中，Pc是指拉普拉斯压力或毛管力，Pa；
5)根据下式Ⅲ，计算得到所述待测岩石-水溶液-油体系中水溶液在岩石表面上接触角，记为θ，通过θ以评价所述岩石-水溶液-原油体系中岩石表面润湿性；
Figure BDA0002030370440000021
式Ⅲ中，θ表示岩石-水溶液-油体系中水溶液在岩石表面上接触角，°。
本发明中，所述岩石-水溶液-油体系为待测的天然体系，具体如在油藏形成之前，砂岩储层岩石表面为水润湿，原油运移进入到储层后，在原油与岩石之间会形成一层水膜，水膜两侧分别是石英-盐水界面和油水界面。油滴与岩石表面间的水膜厚度在油滴曲面处是不断变化的，只有当水膜厚度(即指油滴下表面和岩石表面间水膜厚度)等于平衡值(heq)时，才有Π＝Pc。
所述岩石-水溶液-油体系在实验条件下模拟体系具体为：(1)在洗净的石英比色池中配制不同浓度的NaCl溶液和不同pH值的NaCl溶液；(2)将预处理的石英片浸泡在步骤(1)中配制好的溶液中1h；(3)用带U型针头的微型注射器取3μL的原油滴加在石英片表面上。
表面电位只与盐水浓度和pH值相关，跟各组分(岩石、水、油)浓度无关。比如岩石颗粒与同一种水溶液按不比例混合，制成不同浓度悬浮液，测定岩石表面Zeta电位是一致的。
上述的方法中，所述水溶液为不含多价离子的盐溶液和/或碱溶液。
上述的方法中，所述盐溶液选自NaCl、KCl和NaBr溶液中的至少一种；
所述碱溶液选自NaOH和/或KOH溶液。
上述的方法中，所述原油与所述水溶液的体积比可为1：50～200；
制成所述O/W乳状液采用高速搅拌；所述高速搅拌速率为5000转/min～10000转/min，时间为2～10min。
上述的方法中，当所述岩石表面为平面时，Pc＝0；
当岩石表面为储层孔道壁面时，按照如下式Ⅱ计算得到Pc；
Figure BDA0002030370440000022
式Ⅱ中，Pc是指拉普拉斯压力或毛管力，Pa；σ为油水界面张力，N/m，r为孔道半径，m。
上述的方法中，当方程Π＝Pc存在多个解时，取最小解为水膜平衡厚度heq。
上述的方法中，所述岩石颗粒尺寸可为200目～300目；所述悬浮液中岩石颗粒的质量百分数可为0.1～1％。
本发明具有以下优点：
本发明通过测定岩石表面zeta电位、油水界面zeta电位和油水界面张力计算接触角来评价岩石-水溶液-油体系中岩石表面润湿性，评价方法方便可靠、灵敏度高。对岩石样品表面光滑度、致密性不做要求，能评价不同形状岩石表面润湿性，能评价微缝隙或孔喉中岩石表面润湿性。
附图说明
图1是岩石-水溶液-油体系三相接触角示意图。
图2为石英-NaCl溶液-原油体系中分离压与水膜厚度间的关系曲线。
图3石英-NaCl溶液-原油体系接触角图像(c(NaCl)＝0.01mol/L，T＝45℃)。
图4不同pH值条件下，石英-NaCl溶液-原油体系接触角图像(c(NaCl)＝0.05mol/L，T＝45℃)。
附图各个标记如下：
1水溶液；2油；3岩石；4油水界面；5水膜；6岩石表面。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本发明提供一种评价岩石-水溶液-油体系中岩石表面润湿性的方法，该评价方法能评价不同形状岩石表面润湿性，包括如下步骤：(1)将岩石研磨成颗粒，将岩石颗粒与水溶液混合，搅拌配制成悬浮液，测定上层悬浮液中岩石颗粒表面Zeta电位ξ1；(2)将油与水溶液混合，高速搅拌配制成O/W乳状液，测定下层乳状液中油滴表面Zeta电位ξ2；(3)测定油水界面张力σ，N/m；(4)计算岩石与油滴间分离压
Figure BDA0002030370440000031
式中，Π是指岩石与油滴间分离压，Pa；c是指水溶液离子浓度，mol·L-1；T为体系温度，K；ξ1，ξ2为zeta电位，V；h是指岩石表面与油滴间的水膜厚度，m；(5)向方程Π＝Pc代入参数值(c，T，ξ1，ξ2)求解h，记方程的解为水膜平衡厚度heq：(6)从而推导出岩石-水溶液-油体系中水溶液在岩石表面上接触角θ
Figure BDA0002030370440000041
根据本发明的岩石表面润湿性评价方法，其中，所述岩石为下述任一种：石英片、云母片、钾长石、钠长石、白云石、方解石、伊利石、绿泥石和高岭石等；
岩石表面zeta电位测试实验中，岩石颗粒尺寸大小为200目～300目；悬浮液中岩石颗粒的质量百分数为0.1～1％；
根据本发明的岩石表面润湿性评价方法，其中，所述水溶液不含高分子化合物，为下述任一种：二次蒸馏水、盐溶液、碱溶液，小分子表面活性剂溶液；
油滴表面zeta电位测试实验中，油水混合体积比为1/200～1/50，高速搅拌速度5000转/min～10000转/min，搅拌时间为2～10min；
根据本发明的岩石表面润湿性评价方法，其中，岩石-水溶液-油体系中油与岩石表面之间会存在一层水膜，水膜两侧分别是石英-盐水界面和油水界面；
根据本发明的岩石表面润湿性评价方法，其中，分离压为三种作用力之和，这三种作用力分别为：范德华力(ΠVDW)、静电力(ΠE)和结构力(ΠS)；
根据本发明的岩石表面润湿性评价方法，其中，当方程Π＝Pc存在多个解时，取最小解为水膜平衡厚度heq：
根据本发明的岩石表面润湿性评价方法，其中，Pc是指拉普拉斯压力或毛管力，Pa：
当岩石表面为平面时，Pc＝0；
当岩石表面为储层孔道壁面时，
Figure BDA0002030370440000042
式中r为孔道半径，m。
实施例1、
用石英粉末和NaCl溶液(c(NaCl)＝0.01mol/L)配制悬浮液，测定了45℃条件下石英微粒表面zeta电位(ζ1)，结果见表1；用某油田原油样品和NaCl溶液(c(NaCl)＝0.01mol/L)配制乳状液，测定了45℃条件下油滴表面zeta电位(ζ2)，结果见表1；测定了45℃条件下原油与NaCl溶液(c(NaCl)＝0.01mol/L)间的界面张力(σ)，结果见表1。将参数值(c，T，ξ1，ξ2)代入岩石表面与油水界面间分离压(Π)计算公式，求得分离压与水膜厚度间的关系，如图2所示。假设油藏孔道半径为1.8μm，那么孔道中毛管力Pc＝50kPa，解Π＝Pc方程得到三个解，其中最小解为0.36nm，记为水膜平衡厚度heq，如图2及表1所示。通过公式计算，得到石英-NaCl溶液-原油体系中NaCl溶液在石英表面上的接触角(θ)，见表1。
该实施例中分离压(Π)计算公式如下：
Figure BDA0002030370440000051
该实施例中毛管力(Pc)计算公式如下：
Figure BDA0002030370440000052
该实施例中接触角(θ)计算公式如下：
Figure BDA0002030370440000053
由于石英表面光滑致密，可以选用液滴法直接测量接触角来验证该实施例中评价方法的可靠性。用液滴法测定了石英-NaCl溶液-原油体系中NaCl溶液(c(NaCl)＝0.01mol/L)在石英表面上的接触角(θexp)，NaCl溶液在石英表面上的接触角随接触时间延长几乎不变，6h后的石英-NaCl溶液-原油体系接触角图像如图3所示，读取结果见表1。
表1 6h后的石英-NaCl溶液-原油体系接触角
Figure BDA0002030370440000054
如表1所示，液滴法直接测量接触角的实验结果与该实施例中计算得到的接触角结果差别很小，说明本发明的评价方法方便可靠。
实施例2(两种浓度：灵敏度高)
用石英粉末和不同pH值0.05mol/L NaCl溶液配制悬浮液，测定了45℃条件下石英微粒表面zeta电位(ζ1)，结果见表2；用某油田原油样品和不同pH值0.05mol/L NaCl溶液配制乳状液，测定了45℃条件下油滴表面zeta电位(ζ2)，结果见表2；测定了45℃条件下原油与不同pH值0.05mol/L NaCl溶液间的界面张力(σ)，结果见表2。假设油藏孔道半径为1.8μm，那么孔道中毛管力Pc＝50kPa，解Π＝Pc方程得到三个解，取其中取最小解为水膜平衡厚度heq，通过公式计算，得到石英-NaCl溶液-原油体系中不同pH值NaCl溶液在石英表面上的接触角(θ)，见表2。
该实施例中分离压(Π)计算公式如下：
Figure BDA0002030370440000055
该实施例中毛管力(Pc)计算公式如下：
Figure BDA0002030370440000061
该实施例中接触角(θ)计算公式如下：
Figure BDA0002030370440000062
由于石英表面光滑致密，可以选用液滴法直接测量接触角来验证该实施例中评价方法的可靠性。用液滴法测定了石英-NaCl溶液-原油体系中不同pH值0.05mol/L NaCl溶液在石英表面上的接触角(θexp)，NaCl溶液在石英表面上的接触角随接触时间延长几乎不变，6h后的石英-NaCl溶液-原油体系接触角图像如图4所示，读取结果见表2。
表2 45℃条件下石英微粒表面和油滴表面的zeta电位(ζ1/ζ2)
Figure BDA0002030370440000063
如表2所示，液滴法直接测量接触角的实验结果与该实施例中计算得到的接触角结果差别很小，说明该实例中评价方法方便可靠；两种pH值(pH＝7、pH＝9)NaCl溶液在石英表面上的接触角相近，该方法能测试出不同pH值条件下接触角的微量改变，说明方法灵敏度高，有助于认识水溶液组成对岩石表面润湿性的影响规律。

Claims (6)

1.一种岩石-水溶液-原油体系中岩石表面润湿性的评价方法，包括如下步骤：1)将待测岩石研磨成颗粒与水溶液混合，制成悬浮液，测定所述悬浮液上层中岩石颗粒表面Zeta电位，记为ξ1；
2)将原油与所述水溶液混合，制成O/W乳状液，测定所述O/W乳状液下层乳状液中油滴表面Zeta电位，记为ξ2；并测定油水界面张力，记为σ；
3)根据下式Ⅰ，计算待测岩石-水溶液-油体系中所述待测岩石颗粒与所述原油油滴间分离压；
Figure FDA0003112014230000011
式Ⅰ中，Π是指岩石与油滴间分离压，Pa；ΠVDW、ΠE、ΠS分别为岩石与油滴间的范德华力、静电力和结构力，Pa；c是指水溶液离子浓度，mol·L-1；T为体系温度，K；ξ1，ξ2为zeta电位，V；h是指岩石表面与油滴间的水膜厚度，m；
4)当油滴与岩石表面间水膜厚度达到平衡值时，式Ⅰ中Π等于Pc，将c、T、ξ1、ξ2的数值代入方程Π＝Pc，求解得到h，记方程的解为水膜平衡厚度heq；
其中，Pc是指拉普拉斯压力或毛管力，Pa；
当方程Π＝Pc存在多个解时，取最小解为水膜平衡厚度heq；
5)根据下式Ⅲ，计算得到所述待测岩石-水溶液-油体系中水溶液在岩石表面上接触角，记为θ，通过θ以评价所述岩石-水溶液-原油体系中岩石表面润湿性；
Figure FDA0003112014230000012
式Ⅲ中，θ表示岩石-水溶液-油体系中水溶液在岩石表面上接触角，°。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述水溶液为不含多价离子的盐溶液和/或碱溶液。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述盐溶液选自NaCl、KCl和NaBr溶液中的至少一种；
所述碱溶液选自NaOH和/或KOH溶液。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述原油与所述水溶液的体积比为1：50～200；
制成所述O/W乳状液采用高速搅拌；所述高速搅拌速率为5000转/min～10000转/min，时间为2～10min。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：当所述岩石表面为平面时，Pc＝0；
当岩石表面为储层孔道壁面时，按照如下式Ⅱ计算得到Pc；
Figure FDA0003112014230000021
式Ⅱ中，Pc是指拉普拉斯压力或毛管力，Pa；σ为油水界面张力，N/m，r为孔道半径，m。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：所述岩石颗粒尺寸为200目～300目；所述悬浮液中岩石颗粒的质量百分数为0.1～1％。
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