气湿性评价方法研究

王彦玲，马莉，蒋官澄，金家锋，徐超

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266555；2.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京 102249）

气湿性评价方法研究

王彦玲1，马莉1，蒋官澄2，金家锋1，徐超1

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266555；2.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京 102249）

通过室内模拟实验，对毛细管力上升法、接触角法和Washburn法等3种气湿性评价方法进行了研究，并讨论了这些方法的特点。结果表明：毛细管力法是一种简单、准确的方法，但气湿性较强时，无法定量地评价气湿性的程度；接触角法可以简单、直观地判断固体表面的气湿性，并且能根据液相接触角的大小，定量地评价表面气湿性；Washburn法能够很简便地评价粉体表面是否存在气湿性，但气湿性较强时，则不能进行定量评价。

气湿性；接触角；毛细管力法；接触角法；Washburn法

1 概述

油气层岩石表面的润湿性不仅是控制油气层流体在孔隙介质中流动和分布的关键因素，而且对油、气、水的相对渗透率及采收率也有很大影响［1-2］。在石油生产的钻井、完井、采油等各个环节，所使用的钻井液、采油化学液等若设计不当，都会使油气层岩石表面润湿性发生不利变化，使油气层受到损害，产量降低［2-3］。因此，对油气层岩石表面润湿性应用基础的研究，已成为国内外石油工程和界面化学界的一项旨在提高油气采收率和保护油气资源的重要课题。近年来，随着我国天然气、凝析油气藏勘探在四川盆地、塔里木盆地及长庆油田取得重大突破，气润湿性的研究显得更为重要，需要创建气润湿性的基础理论体系，为提高油气采收率奠定理论基础。

2000年，Li和Firoozabadi等［4］首次提出了油气藏岩石表面“气润湿”概念，并提出通过将凝析气藏润湿性从强液湿转变为优先气湿来提高气井生产能力的新思路，开创了润湿性研究的新领域。Li和Tang等［5-6］在Berea砂岩上建立了优先气湿表面，Liu等［7］实现了油气层岩石表面气湿反转，增加了气、水两相的相对渗透率，研究表明生产能力增加了2～3倍。姚同玉等［8］评价了几种化学剂使人造砂岩岩心的润湿性向气湿转变的能力及特点。后来，国际上又有少数学者继续采用“液湿性”研究方法进行过研究，取得了一些初步认识［5-17］。

然而“气湿性”不同于“液湿性”，适应于“液湿性”研究的理论、方法不一定能用于“气湿性”研究，而前人按照液湿性的研究方法进行了气湿性定性评价，但并没有说明其优缺点和适用性。笔者采取常用的毛细管力上升法、接触角法及Washburn法进行气湿性评价，并对其结果进行了验证和对比，总结出了适用性及特点。

2 实验

2.1 仪器与试剂

采用的仪器为：上海市实验仪器总厂101A-1E型红外干燥烘箱；山东龙口市先科仪器厂电热恒温水浴锅；淄博科森仪器公司 ZL-2型自动界面张力仪；IKAKS4000i恒温摇床；上海中晨数字技术装备有限公司JY-82接触角测定仪；玻璃毛细管，直径1 mm；自制Washburn管，内径0.8 cm，长度15 cm。

采用的试剂为：CTAB（分析纯），国药集团化学试剂有限公司生产；FC911和FG40表面活性剂，由中科院上海有机所提供；正癸烷（n-C10）分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司生产；OP-10化学纯，国药集团化学试剂有限公司生产；十二烷基硫酸钠化学纯，国药集团化学试剂有限公司生产。

油相为正癸烷（n-C10），相对密度 0.73，黏度 0.92 mPa·s，空气/正癸烷表面张力23.4 mN/m；水相为0.2%的NaCl，相对密度1.012，黏度1 mPa·s；空气/盐水表面张力72.8 mN/m；温度为室温，25℃。

2.2 毛细管力法评价气湿性

将毛细管浸泡在铬酸洗液中24 h，再用水冲洗干净，分别配制500，1 000，2 000，3 000，4 000及5 000 mg/L的CTAB，FC911，FG40溶液。化学剂溶液吸入毛细管中，老化2 h后烘干。分别将毛细管垂直插入0.2%的NaCl溶液和正癸烷中，稳定后观测NaCl溶液和正癸烷的上升高度。接触角大小的计算公式为

式中：θ为接触角，°；ρ为液体密度，kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2；h为液体在毛细管中的上升高度，cm；r为毛细管半径，m；σ为液体表面张力，N/m。

2.3 接触角法评价气湿性

1）先用0.20%的十二烷基硫酸钠处理岩心片4 h，烘干后再用不同质量浓度的CTAB溶液处理10 h后，取出测得水相和油相在岩心表面的接触角；2）先用0.20%的十二烷基硫酸钠处理岩心片4 h，然后再用不同质量浓度的FC911处理10 h，烘干取出，测得水相和油相在岩心表面的接触角；3）先用0.20%的OP-10处理岩心片48 h，再用不同质量浓度的FG40处理10 h，后烘干取出测得水相和油相在岩心表面的接触角。

2.4 Washburn法评价气湿性

将多孔介质理想化为一束毛细管，当毛细管竖直时，理想情况下润湿相爬升高度的平方与时间成正比［18］。

式中：γ为液体表面张力，mN/m；t为时间，s；η为液体黏度，mPa·s。

分别称取洗净烘干后的石英砂20 g，放入盛有表面活性剂溶液的锥形瓶中，然后，放入25℃恒温摇床中处理24 h，再取出石英砂放入干燥器内烘干，将石英砂尽量均匀地填入自制的Washburn管中，测得水相和油相的上升高度，根据式（2）进行线性拟合，得出接触角。

3 实验结果

3.1 毛细管力法实验结果

毛细管力法是一种简单评价润湿性的方法，测得的结果是油和水对玻璃毛细管壁面的润湿性，因此，一般用于评价处理剂的效果及筛选处理剂。采用毛细管力法，评价了用不同质量浓度的CTAB和FC911表面活性剂处理后毛细管壁面的润湿情况（见图1—4）。

图1 CTAB处理后毛细管中液体上升高度

图2 接触角随CTAB质量浓度的变化

图3 FC911处理后毛细管中液体上升高度

图4 接触角随FC911质量浓度的变化

从图1和图2可以看出，用CTAB处理后，水在毛细管中上升高度明显下降，水相接触角明显增大，毛细管从强水湿变为成了弱水湿。而油相接触角没有明显变化，直到CTAB质量浓度达到5 000 mg/L时，油湿性明显变差。可见，CTAB处理后减弱了水和油在毛细管中的润湿性。

从图3和图4可以看出，FC911处理毛细管后，有效地降低了水和油的上升高度，很大程度地减弱了水和油的润湿性。当处理剂FC911的质量浓度达到500 mg/L时，毛细管壁对水和油的接触角都能达到80°左右，基本达到了中间气湿。随着FC911质量浓度的升高，水相和油相的接触角有所下降，但都达到了75°左右，气湿性呈现缓慢减弱的趋势。可见，此时毛细管力法可以评价气湿性。

用FG40处理后，在玻璃毛细管中水相和油相的液面都是下降的，液面高度是负值，因此，毛细管壁面对水相和油相的接触角均大于90°，为气体润湿。在用质量浓度为2 000 mg/L的FG40处理后的毛细管中，油相液面高度都是0，接触角都为90°，水相接触角为115°，达到了中间气湿。 而用质量浓度为1 000 mg/L和3 000 mg/L的FG40处理毛细管后，水相和油相液面下降幅度最大，气湿性最强，但此时无法计算出具体接触角数值。因此，毛细管力法在气湿性很强的情况下，不能进行定量评价。

综上所述，毛细管力法是一种简单、直观的方法，也是一种很准确的方法；缺点是不易选择半径均匀的毛细管，且毛细管半径不易准确获得。在用于气湿性评价方面，虽然简单准确，但在气湿性很强时，无法定量评价气湿性的程度。

3.2 接触角法实验结果

接触角法主要用于纯净流体和人造岩心系统润湿性的测定。通常根据水在固体表面的角度θ来定义系统的润湿性，一般定义为：θ<75°时为水润湿；75°≤θ＜105°时为中性润湿；当θ≥105°时为油润湿［19］。

采用接触角法，评价了用3种不同表面活性剂处理后3种岩样表面的润湿性，结果见表1—3。

表1 CTAB处理后水和油在岩心表面的润湿角

表2 FC911处理后水和油在岩心表面的润湿角

表3 FG40处理后水和油在岩心表面的润湿角

CTAB是一种阳离子碳氢表面活性剂，为白色晶体状，HLB值在15.8，可溶于热水。可以看出，CTAB处理后的岩心表面对水相和油相都是润湿的，可以在表面铺展，因而，岩心表面就属于非气湿性表面。

FC911是一种阳离子氟碳表面活性剂，为黄色蜡状固体，在水中形成凝胶。从表2可以看出，随着FC911质量浓度的升高，水和油的接触角都是先增大后减小，当FC911质量浓度达到3 000 mg/L时，水和油的接触角都大于75°，可以认为岩心表面为中间气湿。图5为FC911处理前后岩心表面的液滴形状，可以直观地看出岩心表面变成了中间气湿表面。

图5 FC911处理前后岩心表面液滴形状

FG40是一种非离子型表面活性剂，呈乳白色液体状，可溶于水。实验结果表明，用它处理岩心时，水滴和油滴在其表面都呈现出明显的球状，属于中间气湿。FG40可在很低的质量浓度（500 mg/L）下，就能将岩心表面变为中间气湿，继续增大质量浓度，气湿性会增强，当质量浓度为3 000 mg/L时，岩样表面为强气湿性。图6为FG40处理后岩心表面的液滴形状，很明显，岩心表面为优先气体润湿。

图6 FG40处理后岩心表面液滴形状

从以上分析结果可以看出，接触角法可以简单、直观地判断出固体表面是否为气体润湿，并根据液相接触角的大小，可以评价表面气湿性程度，但在测量中会出现滞后现象。其原因一是表面粗糙度、表面非均质性及分子级别的表面渗吸［20-21］；二是接触角法未能考虑岩石表面的非均质性，显然，岩石含有许多不同的组分，且原油中重质表面活性剂对砂岩和黏土润湿性的影响不同，从而可以造成润湿性的局部不均匀；三是无法直接取得数据来说明油藏中岩石上是否存在永久性黏附的有机物质膜，而这些有机物质膜只有在进行其他润湿性测量时才能测得。

3.3 Washburn法实验结果

为了检验所用的装置，实验首先采用Washburn法测定了不同质量浓度CTAB处理后石英砂对水的润湿性，高度的平方h2与时间t呈直线关系，R2均大于0.98（见图7）。将图7中的数据进行线性拟合，并根据式（2）得到各个质量浓度CTAB处理后的水在石英砂表面的润湿角（见表4）。

图7 CTAB处理后石英砂表面水自吸高度与时间的关系

表4 CTAB处理后石英砂表面对水的润湿角

从表4可以看出，当CTAB质量浓度较低（20～100 mg/L）时，CTAB是单层吸附，可将石英砂表面变为水湿表面，且随着质量浓度的升高，润湿角增大，水湿性变差，在处理剂CTAB质量浓度达到100 mg/L时，润湿角达到89°，为中性润湿；CTAB质量浓度继续增大，当质量浓度增大到临界胶束质量浓度、接近300 mg/L时，其在固体表面的吸附由单层变为双层。这时，随着CTAB质量浓度的增大，润湿角又开始减小，亲水性逐渐增强，从中性润湿变为水湿。

采取同样方法，用不同质量浓度的FC911处理石英砂，然后用Washburn法测定了水相和油相在处理后的石英砂表面的接触角。水和油自吸高度平方h2与时间t呈直线关系，并根据式（2），得出FC911处理后石英砂对水相和油相的润湿角（见表5）。

表5 FC911处理后石英砂表面润湿角

从表5可以看出，质量浓度为 10～100 mg/L的FC911处理石英砂时，石英砂表面为油润湿，随着质量浓度的增大，润湿性从强油湿变为弱油湿，油相润湿角从15.3°变为85.1°。在此质量浓度范围内，石英砂对水是排斥的，对水相的润湿角均大于90.0°；当FC911质量浓度增大到200 mg/L时，石英砂表面对水和油都是排斥的，润湿角也都大于90.0°，石英砂表面变成了相对气湿；当FC911的质量浓度在300～1 000 mg/L时，石英砂表面对水的接触角大约为90.0°，而对油是排斥的，接触角大于90.0°，说明石英砂表面变成了中间气湿。

实验表明，Washburn法能简便地测出粉体的接触角。但液相接触角大于90.0°时，液面不会自发地吸入填有石英砂的Washburn管，因此不能测出具体的接触角值。当水相和油相接触角都大于90.0°时，可以认为达到了相对气湿。此外，Washburn法本身也存在一些难以弥补的缺点。粉末柱的等效毛细管半径与粒子大小、形状及填装紧密度密切相关，要想用此方法得到相对准确的结果，每次实验都必须要求粉末样品及装柱方法、粉末柱的紧实度相同，显然做到这一点很难。

4 结论

1）气湿性评价结果表明，毛细管力法是一种简单而又准确的方法，但气湿性较强时，却无法定量地评价气湿性的程度。

2）接触角法可以简单直观地判断固体表面是否为气体润湿，并且根据液相接触角的大小，就可以确定表面气湿性的程度，因此该方法可用来定量评价气湿。但是，由于存在滞后现象和岩样表面的非均质性，测量结果也存在一定的误差。

3）Washburn法能够很简便地测得粉体的接触角，但只能定性地评价粉体表面是否是相对气湿，不能具体评价气湿性的程度。

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（编辑 姬美兰）

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

国家杰出青年科学基金“多孔介质油气藏气湿性基础理论研究”（50925414）

TE341

：A

1005-8907（2012）02-0203-05

2011-06-20；改回日期：2012-01-14。

王彦玲，女，1970年生，博士，教授，硕士生导师，主要从事油田化学方面的教学和研究工作。电话：（0546）8398402，E-mail：wangyl_hdpu@hotmail.com。

王彦玲，马莉，蒋官澄，等.气湿性评价方法研究［J］.断块油气田，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.