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1、第一节 油藏流体的界面张力,一、两相界面的界面能,分子力场不平衡而使表面层分子储存有多余的能量，称为两相界面的界面能(或表面能)。,界面能的性质：,(1)界面能依存于两相界面；,(2)界面能分布于整个界面层；,(3)界面越大，界面能也就越大；,(4)两相界面层界面能的大小和两相分子的极性有关；,(5)两相界面的界面能和物质的相态有关系。,热力学第二定律：任何界面能都有趋于最小的趋势。,两相分子极性差越大，界面的界面能越大，反之越小。,液-气界面的界面能一般比液-液界面的界面能要大(有的比液-液界面的界面能小)，固相的表面能更大。,二、比界面能和界面张力,单位面积界面上具有的界面能数值表示两相界
2、面的界面能大小，称为比界面能。,Us 两相界面的界面能，J(焦耳)；A 界面面积，m2；比界面能，J/m2。,J/m2=Nm/m2=N/m,比界面能可看作是作用于单位界面长度上的力，称界面张力。,只有在三相周界上才有,1.概念,界面张力的方向，若界面为平面则在界面上，若界面为曲面，则在界面切线上，方向指向使界面收缩的方向。,两相界面张力的大小等于其比界面能。,界面张力的作用点为三相周界的接触点。,2.界面张力的影响因素,界面张力产生的根本原因是界面层中分子的净吸引力。,不同的物质，界面张力不同；,与物质的相态有关；,一般气液界面的界面张力比液液界面大。,与物质的极性有关；,与温度有关；,两相分
3、子的极性越相近，两相分子间的引力越大，界面张力越小，甚至发生互溶。,一方面：温度升高，增大了液体分子间的距离，使液相分子间的引力减少；另一方面：增加了液体的蒸发，加大了蒸气的密度，使气相与液相间的引力增加。两者都使界面层内分子所受到的指向相内部的净引力减小。,温度升高，界面张力降低。,与压力有关；,压力升高：气相分子间距离减小，增大了与液相分子间的引力；气体在液体中的溶解度增加，液体密度减小，分子间引力减少。两者都使界面层内分子所受的指向相内部的净引力减小。,压力升高，界面张力降低。,与溶解气有关；,随压力升高原油-CO2的表面张力比原油-天然气的表面张力的降低较大，比原油-空气的表面张力的降
4、低更大。这是因为CO2比天然气更易溶解于原油，天然气比空气易溶于原油的缘故。,气体溶解度增加，界面张力减小。,3.油藏流体间的界面张力,存在：,油-水、油-气、水-气油、气、水与岩石的界面,流体在岩石孔隙中的分布孔隙中毛管力的大小流体的渗流,（1）油气界面,随温度、压力及油中溶解气量的增加，油气界面张力降低,油气界面的界面张力很小（远小于地面脱气原油的表面张力）,原油中纯烃(包括饱和烷烃与不饱和烷烃)与气体的界面张力随温度的升高而降低，随分子量的增加而增加，这是因为分子量增加，分子间作用力增强的缘故。,（2）油水界面,影响因素：油、水性质及温度、压力和溶解气量,非极性物质：原油中的烷烃、环烷烃
5、和芳香烃等,无溶解气的纯油水系统的界面张力,卡佳霍夫(1956年)：没有影响,温度和压力,因为增加温度和提高压力将同时改变油水各自的分子间作用力，它们之间的差值仍可能保持不变，因此界面张力不变。,更多的研究认为：温度对油水界面张力的影响比较明显，温度升高，油水界面张力降低；压力对油水界面张力也有影响，但影响较小，随压力升高一般略有升高，但有时还可能略有降低，这主要取决于油水的组成及压缩性。,？,有溶解气的纯油水系统的界面张力,当压力低于泡点压力时，压力升高，界面张力增大；因为天然气在原油中的溶解量远大于在水中的溶解量，使油水极性差别增大造成的；当压力高于泡点压力时，增加压力油水界面张力减小，因
6、为天然气已全部溶于液体，压力上升使油的压缩，因此油相分子间作用力增加，油水分子间作用力增加，使油水界面张力降低。,温度对油水界面张力的影响一般是温度升高，界面张力减小，因为油中溶解的气量减小，油水极性差减小。,三、吸附作用,两相界面层的分子受力不平衡，因此存在界面能。物质总有使其界面能趋于最小的趋势。这种趋势表现为界面面积减小，也可通过吸附与其相邻的物质分子来实现，后者是吸附的原理。,1、液体界面的吸附,极性端朝向水而非极性端朝向空气，使空气对表面上分子的引力增加，空气与水之间的极性差减小，从而使界面张力减小。,若溶质在两相界面上的吸附符合“极性均衡”原则，即：极性A极性C极性B，则C为吸附在
7、A、B两相界面层的物质，使界面张力减小。反之，C沉于A或者B相内部，界面张力增加。,水中溶有某些无机盐，如NaCl、MgCl2、CaCl2等(其极性大于水)，因为盐在水相内部的浓度大于在表面上的浓度，所以水的表面张力增加。,水中溶有醇、酸等有机物质(其极性界于水、空气之间)，因为溶质在水表面的浓度大于水相内部的浓度，所以水的表面张力降低；,溶解于两相界面系统中的物质，自发地浓集于两相界面上并极巨减小该界面层的表面张力的这种过程称之为“吸附”，被吸附的物质叫做“表面活性剂”。,吉布斯(Gibbs)吸附等温式：,G 吸附量，单位面积界面层中多余的溶质摩尔数，亦称为比吸附；C 溶质的浓度,mg/L；
8、界面张力,mN/m；T、R分别为绝对温度和通用气体常数；-界面张力随溶质浓度的变化率。,则表明没有吸附发生。,它表示界面张力随溶质浓度的增加而降低，溶质为表面活性物质。,它表明界面张力随溶质浓度的增加而增加，此时溶质为非表面活性剂。,若=0，,若 0，则比吸附G0，称为负吸附；,若 0，则比吸附G0，称为正吸附；,溶解于两相界面系统中的物质，自发地浓集于两相界面上并极巨减小该界面层的表面张力的这种过程称之为“吸附”。,2、固体界面的吸附,(4)吸附量与被吸附物质的浓度成正比，浓度越大，吸附量越大。气体具有较大的压缩性，固体表面对气体的吸附量随压力的升高而增大。,(1)固体表面对被吸附物质的吸附
9、量(一般用单位质量的固体的吸附量表示)随着吸附界面面积的增大而增加；,(2)固体表面是凹凸不平的，表面物质成分也不均一，不同的成分具有不同的吸附性能，所以固体的吸附具有选择性。,(3)吸附是放热的，所以升高温度，吸附量降低。,但有的体系，温度升高溶质的溶解度降低，使溶质在固体表面的吸附量增加，此时，若溶解度降低超过了温度对吸附量的影响时，吸附量将随温度的增加而增大；,通常情况下，液体成分比气体复杂。,固体表面吸附溶剂、溶质,极性吸附剂容易吸附极性物质非极性吸附剂容易吸附非极性物质,对不同物质的吸附能力是不同的,油藏岩石表面的吸附现象,组成岩石的矿物多是极性的,润湿现象:,一、岩石的润湿性,1、
10、润湿的定义,液体在表面分子力作用下在固体表面的流散现象。,过气液固或液液固三相交点对液滴表面所作的切线与液固表面所夹的角。,(从极性大的一端算起),定义,润湿是指三相体系：一相为固体,另一相为液体,第三相为气体或另一种液体。,液体是否润湿固体,总是相对于另一相气体(或液体)而言的。,3、润湿性的判断,润湿张力或附着张力,若2.31.3,则A0,90,水对固体表面选择性润湿。,凡是能使固体界面能减小的液体将润湿固体表面。,4、润湿性的实质,润湿的实质是固体界面能的减小。,润湿反转程度既与固体表面性质和活性剂的性质有关，又和活性剂的浓度有关。,二、储层岩石的润湿性及其影响因素,既有亲水油藏,也有亲
11、油油藏,还有各种不同程度的中性润湿油藏。,固体表面的润湿性主要取决于固体和液体的性质。,影响因素：,(1)岩石的矿物组成,(2)油藏流体组成,(3)石油中的极性物质,(4)矿物表面粗糙度,三、润湿滞后,润湿滞后：指由于三相周界沿固体表面移动的迟缓而产生润湿角改变的现象。,水驱油的润湿角1,油驱水的润湿角2,前进角,后退角,润湿角的改变与三种因素有关：,(1)与三相周界的移动方向有关,由于润湿次序不同而引起的润湿角改变的现象称为静润湿滞后。,(2)与三相周界的移动速度有关,由于三相周界移动速度变化引起的润湿角改变的现象称为动润湿滞后。,(3)固体表面的粗糙度和活性物质的吸附,粗糙的矿物表面和有活
12、性剂吸附的表面对三相周界的移动影响很大，使滞后现象加重。,四、界面张力及润湿角的测定,五、油水在岩石孔道中的微观分布,1、亲水岩石中的油水分布,(a)当含水饱和度很低时,水附着于颗粒表面，围绕颗粒接触处形成水环,称之为“环状分布”。,(b)当含水饱和度增加时,水环的大小也随之增加,直至增到水环彼此连通起来,成为“迂回状”分布，参于流动。,(c)随含水饱和度的进一步增加,最终油则失去连续性而破裂成油珠,称为“孤滴状”分布,油滴虽然靠水流能将其带走,但它很容易遇到狭窄的孔隙喉道而被卡住,形成对液流的阻力。,湿相驱替非湿相的过程称为“吸吮过程。”,2、亲油岩石中的油水分布,非湿相驱替湿相的过程称为“驱替过程。”,(a)含水饱和度较低时：油分布在岩石表面，水首先沿着大孔道形成曲折迂回的连续水流渠道,而油只是在水流的摩擦携带作用下沿孔隙壁面流动；,(b)当继续注水时,水逐渐进入较小的孔道,并使这些小孔道串联起来形成另外一些水流渠道；,(c)当形成的水流渠道多得几乎使水畅通地渗流时,油实际上已被憋死,残余的油停留在一些小孔道内及在水流通道的固体表面上以油膜形式存在。,注水开发油田,亲水岩石:,亲油岩石:,位于孔道中间的油很容易被驱替出，水驱结束后孔隙空间只剩下被分割的油滴。,位于岩石颗粒表面和微孔隙中的油很难驱替出来。,亲水岩石的水驱采收率大于亲油岩石的水驱采收率。,同样条件下,
