复杂孔隙结构与混合润湿性下油—水自润湿机理的多尺度研究：近十年综述

为什么微小岩石孔隙关系到未来能源

世界上剩余的大量石油被困在如此致密的岩石中，流体几乎无法在其中流动。然而，在这些岩石内部，水有时可以凭借毛细力自发渗入微观孔隙并将石油驱出，类似于水被纸巾吸收的现象。本文回顾了过去十年的研究，旨在理解这些微小孔隙的形状以及孔隙表面对油或水的偏好如何共同控制这种“自驱动”采油过程，并探讨新的成像手段、理论和计算模型如何帮助在减少环境影响的同时从现有油田中提高采收率。

水如何悄然进入致密岩石

在低渗透油藏中，岩石基体类似于由不规则通道和空腔构成的迷宫。当水被注入到周围的裂缝时，它可以被拉入基体，将油驱赶向裂缝并最终至产井——这一过程称为吸入。作者指出，有两要素主导这一行为：孔隙结构和润湿性。孔隙结构描述孔隙的大小、连通性以及流动路径的曲折程度。润湿性描述岩石表面是“偏好”水还是偏好油。亲水的（水湿）壁面会增强驱动吸入的毛细拉力，而亲油的（油湿）壁面则可能几乎阻断该过程。由于实际岩石常同时存在偏好不同流体的区域，理解这种微妙的平衡对预测还能回收多少石油至关重要。

跨越多重尺度窥视岩心

过去十年，研究者们使用了一系列实验工具，从孔隙尺度到油藏尺度观察吸入过程。X 射线微型 CT 扫描可以重建孔隙网络的三维图像，并在不破坏样品的情况下追踪吸入过程中油水的重排。这些研究表明，吸入主要在某些尺寸范围内的连通孔网络中发生，而微小的喉道和死端孔往往会滞留残余油。在厘米尺度的岩心试验中，实验展示了整体岩石渗透率、裂缝、外部压力和流体化学性质如何影响水吸入的速度与深度。在米到千米尺度上，大型物理模型和现场试点表明裂缝网络可显著提高采收率——但如果裂缝过于通畅，也会形成水绕过大部分岩体的通道。

从简单公式到复杂计算模型

该综述追溯了理论如何从理想化玻璃毛细管类比发展为对真实岩石的复杂数学描述。早期模型把单根光滑毛细管作为关系孔径、表面偏好和毛细压力的简化工具。新的表述则纳入了曲折路径、不规则截面、粗糙壁面以及对孔隙网络的统计“分形”视角以更好地捕捉复杂性。在中间尺度上，模型将阈值压力和流动阻力与孔隙不规则性的量度联系起来，而在油藏尺度方程中，吸入过程与井封井时间、注入体积和裂缝几何耦合以进行产量预测。与这些理论并行，数值工具如孔隙网络模型、格子玻尔兹曼模拟和相场方法模拟了油水如何在复杂几何中穿行，以及润湿性变化（通常由表面活性剂或低盐水引起）如何改变采收率。

调控岩石表面以诱导更多石油产出

一个重要主题是有意操控润湿性以增强吸入。实验室和现场研究表明，表面活性剂和特制的低盐卤水等化学添加剂可以将岩石表面从亲油转向亲水，使毛细力将水拉入更深的基体并挤出更多的油。然而，相同的处理往往会降低油—水界面张力，这可能削弱驱动吸入的毛细力。数值和理论研究表明，优化采收需要精心平衡：将表面调整得足够亲水以触发流动，同时又不能降低界面张力到使毛细拉力消失的程度。混合润湿性——即同一孔隙内存在亲油和亲水斑块——被认为是一个尤其重要且具有挑战性的状态，难以表征与建模。

将微小孔隙与重大战略决策连接起来

文章结论指出，提高致密油藏采收率取决于掌握孔隙网络的几何形态以及跨尺度的表面偏好拼图。未来的优先方向包括构建具有复杂混合润湿性的真实三维数字岩体，利用实时四维 CT 成像追踪流体运动，以及将人工智能与微流体芯片结合以推断和控制润湿性模式。通过将孔隙尺度物理与油藏尺度性能相连接，这种多尺度方法可引导更安全、更高效且更低碳地利用现有油田，在全球能源系统转型期间推迟对新钻探的需求。

引用: Liu, Q., Wang, Q., Liang, B. et al. Multi-scale studies of oil–water imbibition mechanism on complex pore structures and mixed-wettability: a recent 10-year review. Sci Rep 16, 11979 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42527-7

关键词: 自发吸入, 低渗透油藏, 孔隙结构, 润湿性改变, 裂缝油藏