我们都知道船可以浮在水面上,即使用钢铁制造的船也同样可以浮在水面上。但是,你是否知道缝衣的钢针也能浮在水面上呢?如果不服气,可以用大口径的水杯装上一杯水,用缝衣针试验一下,一定会收获不小的惊讶。
缝衣针能浮在水面上与水的表面张力和水对针的润湿性都有一定关系。所谓润湿性是指一种液体与固体表面接触并覆盖其表面的能力。如果一种液体与其可润湿固体的表面相接触,液体就会在固体表面产生扩散或附着的趋势,典型的例子是将水滴在毛巾或人行步道砖上面,水滴会迅速铺展开来并被吸收。反之,液体与其不能润湿的固体接触时液体在固体表面呈现收缩或剥离的趋势,典型的例子是将水滴在荷叶表面,水滴会缩成像珍珠一样的圆球在荷叶上滚来滚去,荷叶上被水滴滚过的地方既不会变湿,也不会留下水迹。人们常用接触角来表示液体对固体的润湿能力,接触角越小润湿性越好,接触角为0°称为完全润湿,接触角(通常用接触角来表示液体对固体润湿能力,当液体对固体润湿时,在液固表面的共垂剖面上过三相(气体、液体、固体)周界点(剖面上液固轮廓线交点)做液体轮廓线的切线,切线与液固接触面的夹角称为接触角,也叫润湿角。如果三相为液液固,以极性大的液体来计接触角)超过90°润湿性就比较差了,如果接触角达到180°,就称为完全不润湿。
托住缝衣针的力量是水的表面张力。液体表面的分子受到液体内部分子对它的吸引力,远大于外部对它的吸引力,这种不均衡的作用力的整体效果是沿着液体表面形成一种紧缩力,人们把液体表面这种垂直作用于单位长度上的紧缩力,称为表面张力。表面张力总是力图缩小表面积,使表面如同一层富有弹性的橡皮膜,这层膜就是托起缝衣针的关键。
液固之间的润湿性和液体的表面张力本质上都是分子间作用力的体现。
如果固体表面分子对液体表面分子的吸引力可以抵消液体内部分子对液体表面分子的吸引力,液体分子就可以较好地铺展在固体表面,表现为较好的润湿性。反之,固体表面分子对液体表面分子吸引力很小,不足以与液体内部分子的引力抗衡,液体就只能在内部作用力下缩成一团,表现为不润湿。
在石油开发领域,润湿性对油田的合理开发具有非常大的影响。石油在地下流动的空间实际上是一些弯弯曲曲、大小不等、彼此相互连通的复杂微孔道。这些微孔道可看作一段段变直径且表面粗糙的毛细管组成的多维互通管网。当地下流体在毛细管通道中流动时,流体与岩石表面的润湿性就决定了毛细管压力,从而影响流体在岩石孔隙中的分布和移动。如果岩石表面具有亲水性,则水更容易进入孔隙并与岩石表面接触,使得原本吸附在岩石孔隙表面的油被逐渐替换出来,从而实现水驱油效果。相反,如果岩石表面具有疏水性,则水难以进入孔隙,不易与岩石表面接触,从而无法有效地驱赶孔隙中的油。
浸润液体在毛细管里液面升高,不浸润液体在毛细管里液面降低的现象称为毛细现象。毛细现象中引起液面高度变化的力称为毛细管力。毛细管力是评价储层性能、判断岩石润湿性、研究储层流体饱和度分布及残余油饱和度的重要资料,也是判断注入工作剂对储层伤害程度、评价增产措施实施效果的基本依据。
可见,油、气、水这几位“住户”与储层岩石的亲疏关系大有文章。石油开发工作者就是要学会辨别储层“住户”的亲疏关系并加以合理利用,才能顺利地把石油从储层中调动出来。由于润湿性、毛细管力都是通过表面接触才起作用,人们想到了改变物质表面组成方法来使这些界面现象能够有利于石油开发。比如可以用表面活性剂来降低流体的表面张力,从而改善流体在毛细管中的润湿性,进而使毛细管力的方向转向有利于流体采出的方向。在油田开发中,所有提高石油采收率的方法(如注入表面活性剂、混相开采等方法)都是力图降低油、水、气的表面张力或降低液相与岩石表面相接触形成的界面张力。