油气藏中岩石与流体之间的物理、化学作用，关系着流体运动、分布与采掘，增添了流体运动的复杂性和神秘性。

岩石也有“爱和恨”“亲与疏”—— 岩石的润湿性

为什么使用餐具洗洁精能够很方便地洗净碗、锅中的油？衣服弄脏后为什么要用洗衣粉浸泡清洗？将一滴水滴在干净的玻璃上，为什么水会在玻璃表面展开，而把一滴油或一滴汞滴在玻璃上反而成为球状？要回答清楚这些问题，首先必须明白一个很关键的概念——润湿性。

▲水和水银在玻璃表面的形状

▲固体表面润湿示意图

当多种互相不相溶的流体（如油、水）与固体接触时，其中的某一相流体表现出更容易在固体表面铺展开并黏附在固体表面，这种现象就是我们所说的润湿性。例如，在玻璃板表面上滴一滴液体，如果液体在玻璃板表面铺开，说明液体润湿玻璃表面，能与玻璃表面黏附在一起；如果液体在玻璃板上不散开，说明液体不润湿玻璃表面。又如，水和空气与玻璃表面接触，水能够自发展开并吸附在玻璃表面上，说明玻璃能够自发地被水润湿，水与玻璃能黏附在一起。在油气领域，水与岩石颗粒表面接触，水能够自发进入岩石孔隙中而将孔隙中的油挤出来，说明水能够润湿岩石，通常我们称这种情况为水湿，我们可以理解为岩石是“亲水疏油”或“爱水恨油”的。反之，当油与岩石颗粒接触， 油自发进入岩石孔隙而将水挤出，说明油能够润湿岩石，通常称之为油湿，我们可以理解为岩石是“亲油疏水”或“爱油恨水”的。水湿说明岩石具有亲水性，即水更容易黏附在上面；油湿则说明岩石具有亲油性，即油更容易附着在上面。我们把占据孔隙表面并与岩石表面接触的液体或者说沿岩石表面铺开的那一相流体就称之为润湿相。水比油更能黏附在岩石表面，则水是润湿相，或者说岩石是水湿的。油藏通常被描述为油湿（也称之为亲油）或水湿（也称之为亲水）。人们不禁要问，讨论润湿性对油气的采掘有什么作用呢？其实作用可大了。因为，它对油田通过注水或注气采掘油气会产生很大影响， 它决定了油、气、水在岩石孔道中的分布以及油气田开发到了中后期残余油或剩余气在孔道中存在的方式。

▲油藏岩石油湿和水湿示意图

因此，润湿性决定着油、气、水在地下岩石孔隙中的分布情况——地下岩石表面的润湿性不同，油、气、水在岩石孔隙中的分布就不同。如果岩石是亲水的，它的表面就会被一层“水膜”覆盖；如果是亲油的，则表面会被一层“油膜”所覆盖。以亲水岩石为例，水总是倾向于“束缚”在岩石颗粒的表面类似一层“膜”，并且通常占据岩石内较窄、较小的孔隙角隅、盲端，像一把无形的推手把油推向岩石内更畅通的孔隙 通道的中间部位。润湿性还有一个作用，就是影响油藏的油（气）采掘量大小，专业上称之为油（或气）的采收率（与“采收率”相关的术语介绍详见 第四章“知识小讲堂”）。一般情况下，在亲水疏油的油藏中采用人工注水来“置换”原油的效率或效果比在亲油疏水的油藏中采用人工注水的“置换”效果好。

▲油、水在岩石中的分布示意图

▲亲油岩石的水驱油过程示意图

▲亲水岩石的水驱油过程

润湿性对水驱油的影响示意图

独“行”易，同“行”难——相对渗透率

如前所述，绝对渗透率是岩石的固有属性，它描述的是地下岩石孔隙空间只有一种（相）流体（如地层水）充满时，该种流体在岩石中的流动能力——前提条件是“只有一种（相）流体充满孔隙”。那么，随之而来的问题是，如果是两相或者三相流体一起充满岩石孔隙空间，每一相流体的流动能力怎么表示？例如，如果是油和水两相一起完全充满岩石空间并在其中流动，油、水各自的流动能力和单独充满油或单独充满水时的流动能力是否相同呢？科学家们发现，岩石孔隙空间被多种流体一起充满时，每一种流体的流动能力比岩石孔隙空间仅仅被一种流体单独充满时的流动能力小得多，而且几种流体的流动能力之和也远远小于仅一种流体充满时的流动能力，这是为什么呢？因为各种流体流动时彼此间相互干扰相互影响。因此，为了与岩石的绝对渗透率相区别，科学家们把多种流体充满孔隙并在其中流动，各自的流动能力称为“有效 渗透率”或“相渗透率”。与此同时，科学家们把每一种流体的“有效渗透率” 与岩石的“绝对渗透率”的比值，称之为是该种流体的“相对渗透率”。显然，相对渗透率是多种流体同时在孔隙中流动时各自相对流动能力的一种度量，表示的是岩石中多相参与流动时的特征。不难理解，多种流体充满孔隙并在其中流动时，他们的相对渗透率之和小于 1。举一个简单的例子，共用同一管道的多相流体一起流动时相互干扰、互为流动阻力——在管道中的任何一相流体相对于另一相流体都是流动的阻力——就好比学生进教室，一个人很容易进入，当多个学生同时进入教室时，就不那么容易，甚至是拥挤了。

不难理解，当岩石孔隙中多种流体参与流动时，无论哪一种流体， 它在孔隙中的含量增加，该相流体的有效渗透率也相应增加，若其含量达到 100%，变成了单相流动，此时可以获得该相的单相最大渗透率。反之，若在孔隙中的含量降低，该相流体的有效渗透率也相应降低，当降低到某一极限值时（这是后面要介绍的束缚或残余饱和度），该相流体就停止流动。因此，多种流体参与流动时，各自的流动能力表现为“你强我弱”“此消彼长”的关系。不过，地下油气藏中流体在岩石中的实际流动要远比这里介绍的复杂得多，因为渗滤过程还涉及流体与岩石之间的一系列复杂的物理化学变化，还涉及复杂的孔喉结构、润湿性等。

“有效渗透率”和“相对渗透率”是油气田开发过程中十分重要的基本参数。它们反映了储层岩石的亲水、亲油能力，孔隙结构， 矿物组成，油、气、水性质，特别是油、气、水在岩石孔隙中的分布关系，将影响油、气的采掘量的大小。

大孔小孔如血管，“管管”压力各不同 —— 毛细管压力

在日常生活中，当我们将一根细小的玻璃管插入盛水的容器中时，会发现玻璃管内液气界面不是平面，而是凹形，并且玻璃管中的水的高度会高于容器中水的高度。如果我们再将玻璃管插入盛有水银的容器中，会发现玻璃管内液气界面是凸形，玻璃管中水银的高度会低于容器内水银的高度。但如果我们将细小的玻璃管更换为管径较大的玻璃管，就会发现这种现象不存在了，容器内无论是水还是水银，玻璃管内液气界面与容器气液界面高度一样，也是平直的。这种现象通常只发生在内径很细的管内，这种细如毛发的管子称之为毛细管，这种现象就被称之为毛细管现象。

▲水、水银在毛细管中的现象

从前面的介绍大家已经了解，岩石孔隙是由一些弯弯曲曲、大小不等、彼此曲折相连的非常复杂的孔隙空间组成。从微观上看，这些微细空间可以看作是弯弯曲曲、表面粗糙的毛细管，就像人体组织内的大大小小的血管一样。从宏观上看，这些微细的毛细管构成了多孔岩石的毛细管网络，成为油、气、水在岩石孔隙中的流动通道（专业上称之为渗流通道），因此，地下油、气、水在这些毛细管中流动时也会发生毛细管现象。

▲多孔介质中的毛细管网络示意图

科学家们发现，毛细管现象的发生，“毛细管压力”是“幕后”推手。那么，什么是毛细管压力呢？其实就是弯弯曲曲、大小不等的单根毛细管中，油水或气水的界面张力。这个张力导致了毛细管中的流体出现液面上凸或下凹现象出现。

毛细管压力和我们生活中遇到的摩擦力一样， 不仅有大小，也有方向。它的方向和什么有关呢？就是前面我们介绍过的润湿性这个既抽象又不太容 易理解的家伙，它决定了孔道中毛细管压力的方向。在亲水憎油的毛细管中，毛细管压力的方向与水推动油的压差方向是一致的，对注水置换原油来讲是动力，正是这种动力推动水去驱赶原油，好比我们平常走下坡路，人自身的重力是动力，这很好地解释了毛细管自吸现象。相反，在亲油憎水的毛细管中， 毛细管压力的方向与水推动油的压差方向相反，是流动的阻力，或者说毛细管压力阻止注入水“驱赶”油，不让油流动，好比我们走上坡路，人的重力是阻力（所以上坡、爬山吃力）。因此，前者毛细管压力是液面上升的动力，后者是液面上升的阻力。这就是为什么盛水的容器中水会到容器中气—液界面高度以上，盛有水银的容器中液气界面会下降至容器内气液界面高度以下。

▲不同润湿性孔道毛细管压力方向示意图

毛细管压力的大小和什么有关呢？就是与这些弯弯曲曲、大小不等的毛细管， 或者说大小不等、曲折相通的孔隙半径大小有关。毛细管压力大小与毛细管半径是成反比的，也就是说最大的毛细管压力出现在毛细管的最细端（或最窄处）。因此， 对于不同的流动通道，即不同管径的毛细管来说，意味着半径越小，毛细管压力就越大。不同管径的毛细管插入盛水的玻璃瓶中，显现出的是毛细管管径越小，液面上升会越高，因为管径越小，毛细管压力越大。

当我们进行“驱”油实验时，只要驱动压力大于毛细管细端（或最窄处）的最大毛细管压力，就可以把毛细管中其余部分的油驱赶出来。

▲不同大小毛细管中的液面示意图

怎样测毛细管压力大小呢？科学家们通常用毛细管压力曲线 或压汞曲线来表示毛细管压力与饱和度关系。目前测毛细管压力曲线的方法有压汞法、离心法和半渗透隔板法。这个关系曲线看似很普通、很简单，但是内涵很丰富，在油气藏勘探开发过程中的应用非常广泛，它可以用来分析和研究油气储集岩层品质的好坏，是目前定量研究岩石孔隙结构最主要的方法之一。

一般来说，石油科技工作者根据有效孔隙度和绝对渗透率（常称为常规物性参数）就可以对储集层的性能作出初步评价。但实践中也发现，在相当多的情况下，这种评价是不可靠的，甚至可能是错误的。大量研究和实践表明，决定储集层性能的根本因素是储集层的孔隙结构。流体沿着复杂的孔隙系统流动时要经历一系列交替着的孔隙和喉道，会受到流体通道中最小断面（即喉道直径）的控制。因此，喉道的形状、大小控制着孔隙的渗透能力，孔隙结构是影响储集岩渗透能力的主要因素，也是人们采用各种方法测试毛细管压力曲线的主要研究目的。

很多情况下，孔隙、喉道难以区分，就笼统地称为孔喉。

毛细管压力还有一个重要用处就是可以计算储层中油—水界面高度或气—水界面高度，对于油、气储集层来说，界面高度越低越好。根据测试的毛细管压力曲线的特征或者曲线的形状，可以得到储层岩石的最大连通孔隙半径、平均孔隙半径、孔喉大小分布均匀程度、岩石渗透性好坏等。

▲岩石的毛细管压力与润湿相饱和度关系曲线

压汞法获得的毛细管压力曲线，为实测的岩心样品注入水银的压力与对应水银饱和度的关系曲线。水银为非 润湿，即岩心样品是“亲”水“憎”水银的。通过大量的岩心样品实验，就可获得储层岩石的很多信息，如孔隙大小、分布情况、连通情况、渗透性好坏等

▲毛细管压力曲线的形状反映了孔喉的大小及均匀程度，间接反映了岩石颗粒大小、分选好坏等特征

大孔小孔“嵌”岩石，装的流体各不同——流体饱和度

迄今为止，地质学家们尚未发现没有地层水的油气藏。实际上，在地下油气藏中，油或气总是与地层水共同占据着孔隙空间。人们关心的是油、气、水在孔隙中各自占多大的空间以及是什么样的分布方式。因为这直接关系到油、气在地层中的储藏量和可采量的大小，也就是前面我们介绍的油气采收率。因此，为了更好地描述油、气、水所占据的比例，人们提出了“流体饱和度”的概念。

在油气工业中，所谓流体饱和度，是指储层岩石孔隙中某一种流体所占据的体积与岩石的总孔隙体积的比值。简单来说，某一种流体的饱和度就是岩石孔隙中存在多种流体时，该种流体的百分占比。因此，地层水饱和度就是指储层岩石孔隙中地层水所占据的孔隙体积与总孔隙体积的比值，即地层水的百分占比。以此类推，我们可以如法炮制得到油饱和度、气饱和度的概念。通常，地下油气藏中的饱和度分布是非均匀的，同一油气藏不同空间位置具有不同的油、气、水饱和度，饱和度一般用百分数表示。某一流体比值 越高，说明岩石中该种流体就越多。

当油、气、水共同占据孔隙空间时，它们在孔隙中呈现不同的状态。润湿相附着在固体岩石表面，充填细小的孔隙。非润湿相占据相对大的孔隙中。

地下油气藏一旦投入采掘，油、气、水饱和度是要发生变化的，因此就出现了各式各样的饱和度叫法，名称很多，例如原始含油、含气和含水饱和度；束缚水饱和度；残余油饱和度、剩余油饱和度及残余气饱和度；可动油、气、水饱和度等。

▲砂岩油藏孔隙中油水饱和度放大视图

（油水界面下孔隙中为 100% 含水）

编辑：梁萍