海相页岩水自吸与润湿性特征研究：一种基于微观水分布的宏观润湿性评价新方法

《Energies》：Study on Water Imbibition and Wettability Characteristics of Marine Shale: A Novel Method for Macro-Scale Wettability Evaluation Based on Micro-Scale Water Distribution

　　

准确评估页岩润湿性对于优化压裂设计和提高页岩气采收率至关重要。然而，由于页岩复杂的矿物组成和非均质孔隙结构，传统评估方法往往不可靠。本研究通过建立一个集成宏观自发自吸演化、微观动态视频观测和界面性质表征的多尺度研究框架，对四川盆地海相页岩进行了研究。利用X射线衍射（XRD）、核磁共振（NMR）和深场显微镜等技术，研究人员研究了水分布模式和自吸机制。结果表明，页岩的混合润湿性特征受矿物组成和孔隙结构的协同作用控制。具体而言，亲水表面通过氢键和范德华力促进稳定吸附水膜的形成，而疏水表面则抑制水的铺展。在宏观尺度上，浸入瞬间观测到独特的“水环”。该现象揭示了水环单位长度质量与气-固-液界面接触角之间的物理关联。基于此关联，开发了一种创新的标准曲线法来评价岩石润湿性。该方法仅通过测量水环单位长度质量即可反演表观接触角，从而克服了传统光学方法受表面粗糙度和孔隙结构限制的局限性。因此，建立了“润湿性→赋存特征→自吸模式”的逻辑链。该工作为理解非常规储层中的流体动力学和优化压裂液提供了新的见解和理论支持。

**论文解读：海相页岩水自吸与润湿性特征研究——基于微观水分布的宏观润湿性评价新方法**

**1. 研究背景与问题**

页岩油气作为非常规能源的重要组成部分，其高效开发对保障国家能源安全至关重要。然而，页岩储层具有复杂的孔隙结构和多尺度输运特性，给开采带来巨大挑战。在影响页岩烃类运移和采收率的众多物化性质中，润湿性起着核心作用，它直接决定了纳米孔隙内流体的分布及其相对渗透率特征。然而，由于页岩矿物组成复杂、非均质性强，准确表征其润湿性仍十分困难。现有技术难以有效指导复杂压裂作业和提高采收率的评估。传统润湿性评价方法存在明显局限：接触角法受表面粗糙度影响大，局部代表性差；Amott-Harvey法和USBM法在超低渗透页岩中实验周期长、平衡判定困难；自发自吸与核磁共振（NMR）联用技术虽能动态表征流体迁移，但其计算模型往往对孔隙几何形状进行过度简化，限制了评价精度。因此，亟需建立一套多尺度、物理耦合的润湿性评价框架，以深入理解页岩中润湿性对流体赋存和运移的控制机理。本研究旨在通过建立“宏观自发自吸演化-微观动态视频观测-界面性质表征”三位一体的研究框架，揭示页岩水相自吸机制，并开发一种基于水环质量的新型宏观润湿性定量评价方法。论文发表在《Energies》。

**2. 主要技术方法**

研究人员主要采用了以下关键技术方法：
（1）**X射线衍射（XRD）** 定量分析页岩矿物组成（石英、黏土、碳酸盐等）。
（2）**核磁共振（NMR）** 测定孔隙度及孔径分布（基于T₂弛豫时间转换）。
（3）**深场显微镜** 动态观测页岩表面微观水分布及自吸过程（包括无裂缝和含裂缝薄片）。
（4）**宏观自发自吸实验**：将页岩薄片部分浸入水中，通过电子天平连续记录质量变化，并结合浮力校正分离出水环质量。
（5）**标准曲线法**：利用四块光滑无孔材料（玻璃片、铁片、铜片）的光学接触角与水环单位长度质量建立线性标定曲线，进而反演页岩的表观接触角。样本来源为四川盆地龙马溪组露头黑页岩，总有机碳（TOC）含量2.5%~4.5%，平均渗透率0.007 mD。

**3. 研究结果**

**3.1 岩石物理性质对润湿性的影响**
通过XRD分析（图4a），页岩主要矿物为石英和黏土（37%）及碳酸盐（27.3%），脆性矿物含量高（63%），有利于压裂。黏土和碳酸盐的亲水性弱于石英，导致混合润湿性。NMR测得的孔隙度约6.97%（图4b），不同饱和介质差异小，表明黏土水化膨胀有限。孔径分布（图4c）显示95%的孔隙半径小于100 nm，主峰在10~25 nm（占53%~61%），这类有机孔呈油湿性，而无机粒间孔呈水湿性。因此，低孔隙度强化了小孔主导，整体表现为水湿趋势，但大量油湿纳米孔导致混合润湿性（小孔油湿、大孔水湿）。

**3.2 水的微观赋存与动态自吸特征**
深场显微镜观察（图5）显示，静态吸附水以连续水膜和吸附水膜形式存在，亲水表面易于形成连续水膜，疏水表面则形成孤立岛状或液滴。在无裂缝页岩中（图6），墨水先扩散至大孔，再逐渐进入小孔；含裂缝页岩中（图7），墨水沿主裂缝快速传播，裂缝作为优势通道控制流体运动。混合润湿性条件下，亲水孔喉促进协同填孔，疏水孔喉导致突发式填孔，两种机制共存产生复杂时空分布。

**3.3 宏观自吸动力学**
约15天的宏观自吸实验（图8a）显示三个典型阶段：突发自吸阶段（瞬间填充表面裂缝和大孔）、减速自吸阶段（1min后进入纳米孔）、准平衡阶段（~5天后接近平衡）。对比实验（图8b）发现，地层水（3% KCl）的长期累积吸水量高于超纯水，归因于K⁺离子进入黏土层间产生渗透吸水。通过浮力校正和孔隙吸水计算，分离出“水环”质量（0.3147 g），远大于理论孔隙吸水（0.0633 g）。不同浸没深度实验（图9a）和非孔材料实验（图9b）均证实水环是表观吸水偏大的核心原因。幂律模型拟合给出初始自吸指数平均0.7675（高于理想毛细管0.5），指数衰减模型给出平衡吸水量0.3297 g。

**3.4 新型润湿性评价模型**
根据Young方程和Wilhelmy板原理，水环单位长度质量ω与接触角θ满足ω = σcosθ/g，即ω与cosθ成正比，与θ负相关。利用四种光滑材料建立标准曲线（图10a），ω与θ呈强线性负相关，留一交叉验证最大预测偏差仅3.2°。进一步用不同油藏岩石验证（图10b），传统光学法与水环法测得的接触角相对误差在±2%以内，证实了新方法的可靠性。该方法通过测量水环单位长度质量即可反演表观接触角，克服了表面粗糙度和矿物非均质性对传统光学法的限制。

**4. 总结与讨论**

**讨论部分总结：** 研究虽然取得显著进展，但仍存在两个局限：（1）所用样品为四川盆地龙马溪组露头黑页岩，露头样品可能经历后期成岩蚀变、有机质氧化及部分烃类损失，导致矿物组成、孔隙结构和润湿性与地下原位页岩存在差异。未来将采用井下岩心进行对比验证。（2）需模拟深层页岩的原位温压条件，系统研究高温高压下地层水/压裂液的流动行为，并开展多相流实验探究润湿性对气水驱替效率的调控机制。同时应扩充样本数据库，建立适用于工程现场操作的快速润湿性测量与标准化评价体系。

**研究结论翻译：**
本研究通过建立“宏观自发自吸演化、微观动态视频观测和界面性质表征”三位一体的研究框架，在理解页岩水相自吸机制和定量润湿性评价方面取得了显著突破。主要结论如下：(1)阐明了岩石基本性质对表面润湿性的影响。页岩润湿性受矿物组成、孔隙度和孔径分布共同控制。黏土和碳酸盐矿物由于其相对较弱的亲水性和较高的烃类亲和力（遵循铁质矿物>碳酸盐>黏土>硅质矿物的趋势）导致混合润湿性。低孔隙度强化了小孔主导地位，反映了整体水湿趋势。然而，直径小于100 nm的大量油湿孔导致岩石整体呈现混合润湿性特征（小孔油湿、大孔水湿）。(2)阐明了润湿性与自吸之间的相互关系。润湿性决定了水在矿物表面的铺展能力和吸附强度。亲水表面易于形成连续水膜，而疏水表面导致水以孤立岛状或液滴形式分布。在混合润湿条件下，孔隙尺度对流体分布的控制作用导致页岩内水自吸过程呈现出明显的层次特征。压裂液完全饱和亲水孔，并在界面张力和润湿性的耦合作用下吸附于孔内，难以被驱替。(3)建立了一种基于水环质量的岩石润湿性评价新方法。实验揭示了不同材料的接触角与其对应的水环质量之间存在显著的负相关关系。通过建立浸没条件下水环质量变化与润湿性之间的定量数学模型，建立了岩石润湿性评价的新标准曲线法。该方法通过测量水环质量反演接触角，实现了润湿性的快速评估，为页岩储层润湿性的快速准确表征提供了新工具。