多孔介质内油-水-岩石多界面体系微观作用机理及应用研究

In the present work, Zeta-potential measurements, Atomic Force Microscopy (AFM) force-distance measurement and direct numerical simulation of interfacial force are used to analyze the influence factors of disjoining pressure as well as Zeta-potential at the oil/brine/rock interfaces. It was found that not only the van der Waals and electrostatic forces had a great effect on this process due to the interactions between the charged interfaces of oil/water and water/solid, but also some important additional interactions appeared at short range under a variety of salinity concentrations or compositions. Being taken into account the participation of structural forces which had an impact on the disjoining pressure under small distance, the force profiles were fitted well with the theory of extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) through a double-exponential or Gaussian model.

多孔介质内水-原油-岩石多界面体系微观作用机理是提高原油采收率以及非常规油气开发中的共性基础科学问题，在分子层面上从微观作用力的角度进行研究有助于更深入地揭示其微观机理。本项目从Zeta电位测试和原子力显微分析等实验出发，获得油-水和水-岩石界面的Zeta电位及分离压等结构参数和作用势能参数，实现对复杂分子间范德华力、静电力、氢键力等微观作用力的准确描述，研究复杂流体与岩石表面间的作用机制。使用微观可视化实验平台，对原油在油/水和油/岩石界面处的传质过程进行实验研究，获得驱油效率、波及系数等重要参数的定量描述，实现不同驱油体系的运动方式和界面形态的定量可视化测量。研究成果将极大的丰富复杂固-液-液多相体系的相互作用、岩石表面润湿性、多孔介质中原油排驱等的理论认识，可为发展新型、高效的提高石油采收率技术提供理论支持，具有重要的学术意义和应用价值。

大量实践和理论研究表明，由于储层结构复杂且具有非均质性，油、水、气多相流体在储层多孔介质中的渗流过程十分复杂。在水驱过程中流动介质与储层之间的相互作用机理正是提高原油采收率的关键所在。在分子层面上从微观作用力的角度对油/水岩石三相界面处的相互作用进行研究有助于更深入地揭示其微观机理。因此，本项目借助Zeta电位测试和原子力显微镜技术等实验手段。通过分析油-水和水-岩石界面处的Zeta电位及分离压等结构和作用势能参数，以实现对分子间各种复杂相互作用的准确描述。利用化学力显微镜技术，研究了不同离子类型和强度的注入溶液对油/水/岩石三相界面间相互作用力的影响，并通过DLVO理论计算出了范德华力和静电力，进而将传统的DLVO理论进行扩展，通过拟合计算求解出了对油/水/岩石三相界面间相互作用力起到关键作用的“结构力”。从而进一步研究了复杂流体与岩石表面间的相互作用的微观机理。此外，通过对原有实验设备的改进和升级，设计开发出一套微观可视化实验平台，在对油/水/岩石三相界面处的传质过程进行定量测量的同时实现了驱油过程的可视化研究。为驱油效率、波及系数等重要参数的定量测量提供了更加准确的测定方法，使观测不同驱油体系中原油在岩石表面及液相环境中的运动方式和形态成为可能。本项目的研究成果进一步揭示了复杂固-液-液多相体系间的相互作用、岩石表面润湿性、多孔介质中原油排驱等现象背后的微观机理，并为发展新型、高效的提高石油采收率技术提供了理论支持，具有重要的学术意义和应用价值。