页岩润湿性及影响因素研究

2020-01-12刘向君梁利喜

化工设计通讯 2020年1期

周雪，刘向君，梁利喜，熊健

（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500）

1 页岩润湿性的形成机制

润湿性描述了不同相之间的界面张力，在油藏工程中指示了油藏页岩表面优先被某种流体相铺展的趋势。页岩油藏的润湿性也具有较强的非均质性，但大体可按水在页岩表面接触角划分以下三种类型：水湿型油藏、中性润湿型油藏以及油湿型油藏，分别对应接触角：0°～75°、75°～105°、105°～180°这些区域。中性润湿油藏对油水的亲和力差别不大，一部分表面具有较强的亲水性，其余部分具有较强的亲油性，且这些区域通常随机分布。这与混合润湿概念有所区别，混合润湿是指油藏的具有油湿性质的岩石表面形成连续路径且占据大孔，小孔内仍然是水湿的。

油藏岩石的润湿性是不断变化的。围绕油藏润湿性的形成机制已经开展大量研究，但尚未形成统一的结论。油藏岩石在水环境中形成，组成岩石的各类矿物也是亲水的，因此认为在油藏形成的初始岩石表面具有亲水性质，且会形成一层水膜覆盖岩石表面，但随着油气的生成和运移，水膜被破坏，油藏也从亲水性转向亲油性。造成这一现象和结果的原因归纳出两种主要观点：①岩石表面的润湿性转变过程受酸的影响较大，水湿性随酸值的增大而减小，含有杂原子如S、N、O的极性有机化合物的化学活性较非极性的烃类强，具有优先吸附的能力；②原油中的石油沥青质、非烃化合物及蒸馏后的残渣等大分子量组分的富集沉积对润湿性产生巨大影响。沥青质可以在方解石、石英、白云石以及云母岩石表面形成纳米尺度单分子层，其中在云母岩石表面吸附量最大。

除了上述油藏自身随着漫长地质年代发生的润湿变化外，在油藏开发过程中，受到钻井液以及各种驱油剂（水驱、化学驱、CO2驱等）的影响，油藏润湿性也会发生变化，从而改变地层流体在孔隙网络中的分布以及赋存。

2 页岩润湿性的表征

页岩油藏的润湿性具有很强的复杂性，至今尚未有一种统一且准确的表征方法，通常借用常规油气藏润湿性的表征方法。目前常用的润湿测定方法主要包括定性测量方法、定量测定方法以及现场测定方法。定性测量方法包括自动吸入法、毛管压力法、相对渗透率法、漂浮法、Wihelmy动力板法、显微镜检验法、低温电子扫描法等，这些方法都能定性地判断岩石表面对水或油的亲和能力。定量测定方法包括针对非多孔性的固体的量角法或张力计法以及针对多孔介质的润湿指数法。量角法又可进一步细分为接触角测量法、双晶-双晶法；张力法如吊板法；润湿指数法包括Amott法、USBM法和自动渗析法。

3 页岩润湿性的影响因素

页岩油藏润湿性之所以复杂的原因在于除了它自身矿物组成和孔隙结构具有极强的非均质性外，还在于诸多影响因素从油藏形成初始到后期生产开发的整个过程都会影响页岩油藏润湿性。油藏润湿性的形成及演变是岩石、原油以及地层水之间的一个综合的相互作用的结果，且受到温度、压力等一系列外部因素的影响，是一个极其复杂的过程。

1）原油组分的影响。原油是一种非常复杂的混合物，包括烷烃、芳香烃、胶纸及沥青质以及O、N、S等杂原子的分子。原油中的极性组分和两亲物质通过氢键、范德华力、配位作用、酸碱相互作用等方式吸附或沉积在岩石表面，且促使烷烃等其他组分吸附，改变油藏初始润湿性的同时影响地层流体相的重新分布。

2）岩石矿物组成的影响。页岩具有复杂的矿物组成，包括脆性矿物（石英、长石和方解石等）、黏土矿物（伊利石、绿泥石、高岭石、伊/蒙混层、蒙脱石）以及有机质（OM）。通常认为纯的脆性矿物和黏土矿物提供亲水界面而OM提供亲油界面，且无机矿物和OM的长期相互作用甚至会改变界面性质，使得页岩润湿性更加复杂，如鲕状绿泥石（含铁可吸附原油中的极性物质）可以使岩石表面局部变成亲油。重点说明岩石表面的尖锐突出部分对润湿性有着特别的影响，当润湿周界到达棱角部分使三相周界移动阻力会变得很大，使得通过接触法测定的结果不能反映真实润湿性。此外，表面电荷的改变还会引起表面吸附有机分子和无机离子能力的差异，影响优先吸附的流体类型。

3）地层水的影响。地层水对页岩润湿的影响主要体现为影响原油中极性物质在岩石表面的吸附能力。岩石表面均带电荷，地层水中的无机盐离子会在岩石表面形成扩散双电层，离子价位的变化引起扩散双电层压缩或扩展，导致原油中极性物质的吸附量发生变化。pH值对润湿性的影响主要是它可改变岩石表面离子化程度和有机酸碱的解离程度，随着pH值升高岩石的水湿性程度增强。

4）孔隙结构的影响。与常规储层孔隙较大且无机孔占优势的储层岩石不同，页岩储层中纳米尺度的有机孔和无机孔均发育良好。页岩中油湿孔和水湿孔的共存使得其润湿复杂化。油湿孔和水湿孔网络的孔隙结构（包括孔隙形状、孔喉大小、孔隙体积和孔隙联通性）对页岩油气藏的润湿性影响是显著的。为了说明取自同一个盆地的页岩样品同时具有较高的水自吸率和较低的油/空气接触角的润湿矛盾现象，将页岩样品进行均匀破碎再进行测试，测试结果显示破碎页岩样品的自吸油率均高于自吸水率，这一结果的一个解释是完整样品与破碎样品之间的疏水孔或亲水孔之间的连通性差异有关，另一个解释是与页岩样品的层状特征相关。页岩润湿性在某种意义上具有定向依赖性，疏水的有机质或亲水的黏土层平行于层理面分布，限制了水或油垂直于层理面流动。

5）其他影响因素。温度是影响岩石表面润湿性的一个重要因素。温度升高导致岩石表面水膜变薄，原油中的极性分子更容易吸附；温度升高降低原油密度，胶质和沥青质分离促使沥青质在岩石表面沉积。总之，温度升高会促使页岩表面油湿性增强。此外油藏开发过程中使用的钻井液类型、驱油方式等也是影响页岩油气藏润湿性的关键因素。水基钻井液可以使亲油岩石变成弱亲油，油基泥浆钻井液使岩石表面润湿性由水湿转向油湿；注水开发过程中由于注入水的长期冲刷和储层含水饱和度的不断增加，使得岩石表面上的油膜变薄，更多亲水岩石表面裸露，使得整个储层岩石润湿性都逐步向亲水方向变化；采用表面活性剂驱时，表面活性剂溶液进入储层后通过在岩石表面吸附或是剥离岩石表面的附着的极性物质，使油藏向水湿或弱水湿方向转变。