渝東南地區(qū)頁巖潤濕性的定量表征研究

曾 雋，易明華，聶 軍，張婷婷，楊媛媛，李小越

（中國石油化工股份有限公司 華東油氣分公司，江蘇 揚(yáng)州 225008）

潤濕性是指巖石表面對特定流體的親和力。由于頁巖孔隙系統(tǒng)的低滲透性和復(fù)雜性，強(qiáng)制驅(qū)替技術(shù)很難用于測定其潤濕性，目前儲層巖石的潤濕性通常用Amott 潤濕性指數(shù)、美國礦務(wù)局(USBM)潤濕性指數(shù)、流體/巖石接觸角測量法以及巖石樣品中流體自吸實驗定量確定，或使用核磁共振和Zeta 電位測量定性確定。在國內(nèi)，接觸角的測量及自吸實驗被廣泛應(yīng)用于頁巖潤濕性的特征表征。潤濕程度的表征參數(shù)主要有附著功和界面張力，其中界面張力在致密巖石開發(fā)中有著重要意義。但目前尚沒有文獻(xiàn)將接觸角與界面張力建立直接聯(lián)系，這些方法僅能單純宏觀測量評價。

為了進(jìn)一步深化實驗意義，準(zhǔn)確評價頁巖潤濕性，該研究采用德國KRUSS 公司生產(chǎn)的視頻光學(xué)接觸角測量儀， 基于接觸角法評價巖石潤濕性，以水、白油為實驗流體，得出不同流體條件下頁巖接觸角，隨后根據(jù)楊氏方程，計算液體和固體表面分子的極性力及色散力，得出巖石表面能，基于界面張力計算模型得出固液界面張力，可定量表征頁巖潤濕性特性。

1 實驗設(shè)備與材料

實驗采用德國KRUSS 公司生產(chǎn)的視頻光學(xué)接觸角測量儀DSA100。

DSA100 視頻光學(xué)接觸角測量儀通過光學(xué)視頻的原理，采用懸滴法來測量液體的靜態(tài)接觸角及液體的表面、界面張力，以及計算固體的表面自由能及分布等參數(shù)，最大樣品體積（300×∞×150）mm；樣品尺寸（105×105）mm ；接觸角測量范圍0°～180°，分辨率±0.1°；表面張力測量范圍1×10-2～100 mN/m，分辨率0.1 mN/m ;光學(xué)系統(tǒng)7-fold Zoom；視野范圍FOV3.2～22.5 mm，光漂離補(bǔ)償；聚焦模塊；攝像系統(tǒng)用高性能的取景器，最大1 000 楨/秒。

2 實驗步驟及結(jié)果

打開 ADVANCE 軟件，點擊進(jìn)入樣品測試界面，輸入測試名稱、溫度及測試液體信息。調(diào)節(jié)樣品臺高度，使基線（樣品表面）處于合適位置；調(diào)整 DSA100 儀器上的 Focus 和Zoom 旋鈕，得到清晰圖像。

選擇合適的擬合方法，控制滴定系統(tǒng)，產(chǎn)生適當(dāng)體積液滴，通過調(diào)節(jié)針頭升降，將液滴輕輕放置在樣品表面。提升針頭使其脫離液體，讀取測試結(jié)果。

表1 不同井水/巖石及白油/巖石間的接觸角對比Table 1 Comparison of contact angles between different well water/rock and oil/rock

根據(jù)實驗結(jié)果可以看出，JY194-3 井、SY1 井、NY1 井、LY2 井和PY1 井既親油又親水，其中NY1井第三小層水/巖石的接觸角為43.28°，相較于其他井的每個層位，水的接觸角最低，白油的接觸角最高，意味著其更具有親水性；LY2 井第一小層白油/巖石的接觸角為31.67°，相較于其他井的每個小層，白油的接觸角最低，意味著其更具有親油性。

將不同壓力體系、不同解析速率下的井進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)不管是常壓還是超壓，頁巖的水/巖石的接觸角均高于白油/巖石的接觸角，說明實驗樣品更具有親油性，其中常壓井的白油/巖石的接觸角相對較低，即更具有親油性；超壓井的水/巖石的接觸角較低，即更具有親水性。在解析速率方面，發(fā)現(xiàn)高解析速率的頁巖氣井其親水、親油的程度均高于低解析速率的頁巖氣井，如圖1 所示。

圖1 接觸角與壓力系數(shù)及解析速率之間的相關(guān)性對比Fig.1 Correlation between contact angle and pressure coefficient and analytic rate

3 討論與分析

3.1 潤濕性與黏土含量的關(guān)系

巖石的潤濕性受不同礦物相對含量的影響，石英、綠泥石和伊利石親水，方解石和長石為中間潤濕型，白云石、伊蒙混層和高嶺石屬于親油型。圖2所示為接觸角與黏土含量之間的相關(guān)性對比情況。

圖2 接觸角與黏土含量之間的相關(guān)性對比Fig.2 Correlation between contact angle and clay content

通過對每口井目標(biāo)層位全巖黏土含量分析，發(fā)現(xiàn)黏土含量最高的為NY1 井第三小層，其水/巖石的接觸角為43.28°，白油/巖石的接觸角為59.07°。黏土含量最低的為LY2 井第一小層，其水/巖石的接觸角為45.08°，白油/巖石的接觸角為31.67°，圖2 分析結(jié)果與前述內(nèi)容中NY1 井第三小層更具有親水性，LY2 井第一小層更具有親油性的實驗結(jié)果一致，也就意味著巖石的潤濕性與黏土礦物含量有關(guān)。但是，圖中LY2 井第二小層與第三小層幾乎含有相同的礦物含量，卻呈現(xiàn)不同的潤濕性特點?？梢园l(fā)現(xiàn)頁巖的潤濕性特性具有復(fù)雜性和唯一性，無法單一從礦物成分來界定。

3.2 潤濕性與TOC 的關(guān)系

頁巖有機(jī)碳含量（TOC）是衡量頁巖氣產(chǎn)量的重要參數(shù)，一般認(rèn)為TOC大于2%才具有商業(yè)開采價值[7]。通過對比不同井、不同層位的接觸角與TOC含量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)TOC相對較高的是JY194-3 井與LY2 井，其水/巖石的平均接觸角分別為49.2°，51.24°；白油/巖石的平均接觸角分別為44.13°，38.89°，均小于其余3 口井，由此可以發(fā)現(xiàn)，頁巖TOC越高，其白油/巖石的接觸角越低，即親油的程度越高；但水/巖石的接觸角變化不大，即對親水性影響不大，如圖3 所示。

圖3 接觸角與TOC 之間的相關(guān)性對比Fig.3 Correlation between contact angle and TOC

3.3 界面張力定量表征

水-油-固體系統(tǒng)中的三相交界處，其表面能的平衡關(guān)系符合楊-裘比原理，見式（1）。

式中：δos為油與固體間的界面張力， mN/m；δws為水與固體間的界面張力， mN/m；δow為油與水間的界面張力， mN/m；θ為接觸角，（°）。

為了進(jìn)一步利用實驗資料，引入界面張力計算模型，對巖石的潤濕性進(jìn)行定量表征。1968 年Fowkes 提出不同介質(zhì)之間存在表面張力，介質(zhì)的性質(zhì)決定了表面張力的大小。Owens 和Wendt 等在此基礎(chǔ)上提出液體與固體的表面存在表面自由能，是極性力和色散力的總和，兩相介質(zhì)之間存在界面張力。并且提出了計算方程，即

式中：δ1為固體表面能，分為極性力及色散力；δ2為液體表面能，分為極性力及色散力；為固液間的界面張力。

采用粗選II的泡沫作為給礦進(jìn)行二段精選試驗，主要考察了再磨細(xì)度對精礦指標(biāo)的影響。再磨細(xì)度試驗結(jié)果見圖11。從圖中可知，隨著再磨細(xì)度的增加，精礦產(chǎn)品中銅、鉬品位逐漸升高，但是作業(yè)回收率呈下降趨勢，可見再磨細(xì)度在-0.043mm占82%左右時選礦指標(biāo)較好。

極性力主要來自偶極作用、氫鍵作用及路易斯酸堿作用；色散力主要來自范德法力[8]。通過已知液體表面能以及液體和固體接觸角，可以計算出固體表面能，從而得出固液間的界面張力。兩相物質(zhì)間分離需要做功，其接觸類似于2 只手抓握——只有相似性質(zhì)的2 只手才能緊緊握住對方，其界面張力就小。

根據(jù)Owens 和Wendt 等的理論及計算模型，假設(shè)在兩相界面中，上部A 的表面能和下部B 的表面能均為50 mN/m，上部A 的極性力為40 mN/m，色散力為10 mN/m，下部B 的極性力為10 mN/m，色散力為40 mN/m。若接觸角為53°，通過OWRK 方程計算得出兩者界面張力為20 mN/m[4]。這里界面張力的計算采用幾何法——OWRK 法。

當(dāng)實驗結(jié)果出現(xiàn)2 個相似的角度，無法通過接觸角來判斷頁巖潤濕性特性的情況下，引入表面自由能計算模型，計算出界面張力，可以更加直觀地評價頁巖潤濕性特性。實驗中，NY1 井第一小層與NY1井第三小層，其水/巖石的接觸角分別為43.23°，43.28°，將其代入以上的計算公式進(jìn)行換算，得出界面張力分別為4.03 mN/m，4.95 mN/m，界面張力對比見表2，從而可以直觀地評價其潤濕性情況。

表2 界面張力對比Table 2 Interfacial tension contrast

4 結(jié)論

1）根據(jù)實驗結(jié)果得出結(jié)論：JY194-3 井、SY1井、NY1 井、LY2 井、PY1 井既親油又親水，但程度均有所不同，其中NY1 井第三小層其水/巖石的接觸角為43.28°，相較于其他井的每個層位，水的接觸角最低，白油的接觸角最高，意味著更具有親水性；LY2 井第一小層其白油/巖石的接觸角為31.67°，更具有親油性。結(jié)合解析速率發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，親油程度越高其含氣量越高；

2）通過對比不同井不同層位的接觸角與TOC數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)TOC相對較高的JY194-3 井與LY2 井，其水/巖石的平均接觸角分別為49.2°，51.24°；白油/巖石的平均接觸角分別為44.13°，38.89°，均小于其余3 口井，由此可知頁巖TOC越高，其親油的程度越高，但水的潤濕性無影響；

3）通過對每口井目標(biāo)層位全巖黏土含量分析，發(fā)現(xiàn)黏土含量最高的為NY1 井第三小層，其水/巖石的接觸角為43.28°，白油/巖石的接觸角為59.07°；黏土含量最低的為LY2 井第一小層，其水/巖石的接觸角為45.08°，白油/巖石的接觸角為31.67°。可見頁巖的潤濕性與黏土含量有關(guān)，但不能單獨用礦物含量參數(shù)來衡量頁巖潤濕性的大?。?/p>

4）文中NY1 井第一小層與NY1 井第三小層，其水/巖石的接觸角分別為43.23°，43.28°，差別較小，無法判別其潤濕性，將其代入以上的計算公式進(jìn)行換算，得出界面張力分別4.03 mN/m，4.95 mN/m。通過界面張力的計算模型，發(fā)現(xiàn)其潤濕程度存在明顯差異，相對于接觸角，界面張力可以更直觀地判斷頁巖的潤濕性特征。