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第三章 饱和多相流体时岩石的物理性质 储油气层岩石内饱和着油、气、水多相流体，因而存在着错综复杂的流体之间以及流体和孔隙壁面之间的界面关系，它直接影响流体在孔隙中的分布和渗流[1][2][3]。 在研究饱和多相流体的岩石物理性质时，通常是以研究油层中与界面现象有关的表面性质为基础。与界面现象有关的表面张力、吸附作用、润湿作用以及毛细管现象将对流体渗流产生重大影响。此外，多相流体在岩石孔隙中的渗流性质－相渗透率也取决于上述表面性质。 本章内容与物理化学，特别是表面物理化学有十分密切的关系。表面物理化学的理论已在很多学科技术领域中获得了日益广泛的应用。运用表面物理化学的研究成果，研究油层中的各种界面现象，对于认识油层，寻找油气运移富集的规律以及提高油层石油采收率均具有重要的理论和实际意义。 第一节 表面张力和表面能 一、表面张力和表面能的基本概念 由于储油气岩石的孔隙系统具有很大的比表面，因此，当储层流体与很大比表面的矿物颗粒表面相接触时，就会产生分子—表面现象。岩石的比表面越大，在表面层上所产生的分子—表面现象的反应也就越强烈。 正是由于分子表面现象对含有流体的岩石性质起着决定性的作用，因此，在研究含有流体的储集岩性质时，必须首先弄清分子表面现象的基本理论。 度量分子－表面现象的物理性质是表面张力和表面能，并由表面张力过渡到润湿性。 对含有多相流体的孔隙介质的特性来说，必须考虑到两个互不相溶的“相”的分界面上力的影响。如果一相是液体而另一相是气体时，它们的分界面实际上就是液体表面。其界面分子的受力状况如图3-1-1所示。在分界面上的分子M2，它同时受内部同类分子和相邻气体分子两方面的引力，由于气体对液体的分子引力远小于液体自身的分子引力，使分子M2经受一指向液体内部的拉力。除了在界面上的分子以外 ，其它分子（如M1）都被相同的分子所包围，这些分子同包围它的分子之间的相互作用力相互抵销而等于零。与气液表面不同的是，在两种液相（如油和水）分界表面上的水分子，则受到两方面的影响。一方面，是分布在分界面上的石油分子；另一方面，则是处在这个分界面以下的水分子。作用于这些分子上的力都指向水的内部和沿着分界面的方向。所以它们的总的相互作用力不等于零，而是垂直于分界面并指向液体的内部。 要构成1平方厘米液面的全部分子上所受到的这一个力，称为分子压力或内压力。用[达因/平方厘米]或[公斤/平方厘米]量度。分子压力的大小取决于它的物理化学性质。 厚度等于分子间相互作用力的作用半径的分子层，称为表面层。 因为在表面层上存在着分子压力，所以为了形成新的表面，就需要消耗一定的功，才能把分子从液体内部移入表面层。这些功就转化成表面层的能量—表面能。位于表面层上的分子，被极力拉向液体内部，因而它的表面也就尽力收缩。 刚刚形成的1平方厘米表面所带有的功，称为比自由表面能或表面张力（σ）： 或 R = σS 式中，R——刚形成的总表面所带有的功。亦即自由表面能，尔格；S——刚形成的表面积，平方厘米；σ = 比自由表面能，以尔格/平方厘米来度量；或称为表面张力，以达因/厘米来度量。 对于储油（气）层来说，表面张力可以存在于以下各个界面上。即油—水（σow）、油—气（σog）、气—水（σgw）、油—岩石（σo）、水—岩石（σw）和气—岩石（σg）的界面上。 表面张力产生的根本原因是分子间引力。由于相同分子或不同分子之间分子引力的差异，不同物质之间具有不同的表面张力（表3-1-1、表3-1-2）。 表3-1-1 不同液体在室温条件下与本身蒸气及空气接触时的表面张力值（据Kaelbe） 物 质 表面张力（20℃） 达因/厘米 物 质 表面张力（20℃） 达因/厘米 n—已烷 18.4 苯 29.0 乙醚 17.0 三氯甲烷 28.5 n—辛烷 21.8 二氯乙烷 32.2 四氯化碳 26.9 二硫化碳 32.3 m—二甲苯 28.9 水 72.8 甲苯 28.5 水银 484 表3-1-2 水及水银与不同物质接触时的表面张力值 第一相 第二相 表面张力 达因/厘米 水 银 本身蒸气 471.6 水 银 酒 精 364.3 水 银 苯 362.0 水 本身蒸气 73.8 水 苯 32.6 水 戊 醇 4.42 水 丁 醇 1.76 二、流体的极性 在油田的实际资料研究中，可以明显地看到不同的油类与同一成分的水，它们之间的表面张力彼此不同。这是因为在油—水两相之间相互作用的分子间力的强度是彼此不同的。 在物理化学中论述有关表面现象时，通常是把作用于该相流体上的分子间力的强度单位，称为液体的极性。 由此就很容易明白，液体的分子压力