頁巖潤濕性及影響因素研究

周 雪，劉向君，梁利喜，熊 健

（西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都 610500）

1 頁巖潤濕性的形成機制

潤濕性描述了不同相之間的界面張力，在油藏工程中指示了油藏頁巖表面優先被某種流體相鋪展的趨勢。頁巖油藏的潤濕性也具有較強的非均質性，但大體可按水在頁巖表面接觸角劃分以下三種類型：水濕型油藏、中性潤濕型油藏以及油濕型油藏，分別對應接觸角：0°～75°、75°～105°、105°～180°這些區域。中性潤濕油藏對油水的親和力差別不大，一部分表面具有較強的親水性，其余部分具有較強的親油性，且這些區域通常隨機分布。這與混合潤濕概念有所區別，混合潤濕是指油藏的具有油濕性質的巖石表面形成連續路徑且占據大孔，小孔內仍然是水濕的。

油藏巖石的潤濕性是不斷變化的。圍繞油藏潤濕性的形成機制已經開展大量研究，但尚未形成統一的結論。油藏巖石在水環境中形成，組成巖石的各類礦物也是親水的，因此認為在油藏形成的初始巖石表面具有親水性質，且會形成一層水膜覆蓋巖石表面，但隨著油氣的生成和運移，水膜被破壞，油藏也從親水性轉向親油性。造成這一現象和結果的原因歸納出兩種主要觀點：①巖石表面的潤濕性轉變過程受酸的影響較大，水濕性隨酸值的增大而減小，含有雜原子如S、N、O的極性有機化合物的化學活性較非極性的烴類強，具有優先吸附的能力；②原油中的石油瀝青質、非烴化合物及蒸餾后的殘渣等大分子量組分的富集沉積對潤濕性產生巨大影響。瀝青質可以在方解石、石英、白云石以及云母巖石表面形成納米尺度單分子層，其中在云母巖石表面吸附量最大。

除了上述油藏自身隨著漫長地質年代發生的潤濕變化外，在油藏開發過程中，受到鉆井液以及各種驅油劑（水驅、化學驅、CO2驅等）的影響，油藏潤濕性也會發生變化，從而改變地層流體在孔隙網絡中的分布以及賦存。

2 頁巖潤濕性的表征

頁巖油藏的潤濕性具有很強的復雜性，至今尚未有一種統一且準確的表征方法，通常借用常規油氣藏潤濕性的表征方法。目前常用的潤濕測定方法主要包括定性測量方法、定量測定方法以及現場測定方法。定性測量方法包括自動吸入法、毛管壓力法、相對滲透率法、漂浮法、Wihelmy動力板法、顯微鏡檢驗法、低溫電子掃描法等，這些方法都能定性地判斷巖石表面對水或油的親和能力。定量測定方法包括針對非多孔性的固體的量角法或張力計法以及針對多孔介質的潤濕指數法。量角法又可進一步細分為接觸角測量法、雙晶-雙晶法；張力法如吊板法；潤濕指數法包括Amott法、USBM法和自動滲析法。

3 頁巖潤濕性的影響因素

頁巖油藏潤濕性之所以復雜的原因在于除了它自身礦物組成和孔隙結構具有極強的非均質性外，還在于諸多影響因素從油藏形成初始到后期生產開發的整個過程都會影響頁巖油藏潤濕性。油藏潤濕性的形成及演變是巖石、原油以及地層水之間的一個綜合的相互作用的結果，且受到溫度、壓力等一系列外部因素的影響，是一個極其復雜的過程。

1）原油組分的影響。原油是一種非常復雜的混合物，包括烷烴、芳香烴、膠紙及瀝青質以及O、N、S等雜原子的分子。原油中的極性組分和兩親物質通過氫鍵、范德華力、配位作用、酸堿相互作用等方式吸附或沉積在巖石表面，且促使烷烴等其他組分吸附，改變油藏初始潤濕性的同時影響地層流體相的重新分布。

2）巖石礦物組成的影響。頁巖具有復雜的礦物組成，包括脆性礦物（石英、長石和方解石等）、黏土礦物（伊利石、綠泥石、高嶺石、伊/蒙混層、蒙脫石）以及有機質（OM）。通常認為純的脆性礦物和黏土礦物提供親水界面而OM提供親油界面，且無機礦物和OM的長期相互作用甚至會改變界面性質，使得頁巖潤濕性更加復雜，如鮞狀綠泥石（含鐵可吸附原油中的極性物質）可以使巖石表面局部變成親油。重點說明巖石表面的尖銳突出部分對潤濕性有著特別的影響，當潤濕周界到達棱角部分使三相周界移動阻力會變得很大，使得通過接觸法測定的結果不能反映真實潤濕性。此外，表面電荷的改變還會引起表面吸附有機分子和無機離子能力的差異，影響優先吸附的流體類型。

3）地層水的影響。地層水對頁巖潤濕的影響主要體現為影響原油中極性物質在巖石表面的吸附能力。巖石表面均帶電荷，地層水中的無機鹽離子會在巖石表面形成擴散雙電層，離子價位的變化引起擴散雙電層壓縮或擴展，導致原油中極性物質的吸附量發生變化。pH值對潤濕性的影響主要是它可改變巖石表面離子化程度和有機酸堿的解離程度，隨著pH值升高巖石的水濕性程度增強。

4）孔隙結構的影響。與常規儲層孔隙較大且無機孔占優勢的儲層巖石不同，頁巖儲層中納米尺度的有機孔和無機孔均發育良好。頁巖中油濕孔和水濕孔的共存使得其潤濕復雜化。油濕孔和水濕孔網絡的孔隙結構（包括孔隙形狀、孔喉大小、孔隙體積和孔隙聯通性）對頁巖油氣藏的潤濕性影響是顯著的。為了說明取自同一個盆地的頁巖樣品同時具有較高的水自吸率和較低的油/空氣接觸角的潤濕矛盾現象，將頁巖樣品進行均勻破碎再進行測試，測試結果顯示破碎頁巖樣品的自吸油率均高于自吸水率，這一結果的一個解釋是完整樣品與破碎樣品之間的疏水孔或親水孔之間的連通性差異有關，另一個解釋是與頁巖樣品的層狀特征相關。頁巖潤濕性在某種意義上具有定向依賴性，疏水的有機質或親水的黏土層平行于層理面分布，限制了水或油垂直于層理面流動。

5）其他影響因素。溫度是影響巖石表面潤濕性的一個重要因素。溫度升高導致巖石表面水膜變薄，原油中的極性分子更容易吸附；溫度升高降低原油密度，膠質和瀝青質分離促使瀝青質在巖石表面沉積。總之，溫度升高會促使頁巖表面油濕性增強。此外油藏開發過程中使用的鉆井液類型、驅油方式等也是影響頁巖油氣藏潤濕性的關鍵因素。水基鉆井液可以使親油巖石變成弱親油，油基泥漿鉆井液使巖石表面潤濕性由水濕轉向油濕；注水開發過程中由于注入水的長期沖刷和儲層含水飽和度的不斷增加，使得巖石表面上的油膜變薄，更多親水巖石表面裸露，使得整個儲層巖石潤濕性都逐步向親水方向變化；采用表面活性劑驅時，表面活性劑溶液進入儲層后通過在巖石表面吸附或是剝離巖石表面的附著的極性物質，使油藏向水濕或弱水濕方向轉變。

4 結論

1）目前對于頁巖油藏潤濕性的形成機制已形成一定的認識，但尚未達成統一。僅通過實驗研究方法（接觸角法）無法對潤濕性形成過程進行有效觀測，需要尋求一種方法此對過程進行有效的刻畫，同時進一步挖掘頁巖油藏的潤濕形成機制。

2）目前對于頁巖潤濕性的表征手段常借用在常規油氣藏中取得了較好應用效果的一些方法，但頁巖地層極低的孔滲特性和復雜的礦物組成削弱了這些方法的適用性，對于頁巖潤濕性的定量表征還需要進一步探索。

3）頁巖潤濕性的影響因素作為頁巖潤濕性的研究熱點之一，亟需進行更定量更細致更全面的綜合研究。