崔传智等：低矿化度水驱中的微粒运移机理及其开发效果 ·723· 表1列出了Busireddy与Rao0利用式(13)计 所中和，以致粒子间不会发生静电排斥作用.当粒 算的各介质间的哈梅克常数. 子间的扩散层发生重叠时，不仅破坏了扩散层中的 表1哈梅克常数计算值间 电荷分布，而且也影响到双电层的静电平衡，从而使 Table 1 Calculated Hamaker constants 胶体粒子间产生静电斥力作用，如式(14)所示： 相互反应的介质 哈梅克常数小 VDLR 玻璃/水/空气 -1.595×10-20 ）-(p+p)ln(1-e2)l 玻璃/水/原油 1.080×10-20 石英/水/原油 8.316×10-21 (14) 石英/水/空气 -9.860×10-21 式中：e=6oe,e0为真空绝对介电常数，其值为 石英/水/石英 1.210×10-20 8.854×10-2F·m1;e.为相对介电常数，即电容 率；p1为岩石骨架表面电势，mV;p2为黏土微粒表 其中，负哈梅克常数表示排斥场，而正哈梅克常 面电势，mV. 数表示引力场.由表1可以看出，石英/水/石英系 岩石骨架表面Zeta电势p,与黏土微粒表面 统的哈梅克常数约为1.21×10-0J,在本文中哈梅 Zeta电势p2对于估算双电层斥力势能至关重要. 克常数A12取1.3×10-0J0 诸多实验研究对Bera砂岩岩心表面及黏土微粒电 2)粒子间的双电层斥力势能 势进行了测量8,2.其中Kia等2-综合考虑了 双电层斥力是由于溶胶粒子扩散双电层重叠所 pH值、水驱矿化度及离子组成与黏土成分对岩石 引起的.溶胶粒子具有双电层结构，粒子与其扩散 和颗粒表面电势的影响，绘制了如图4的关系 层是电中性的，粒子所带电荷被扩散层中的反离子 图版 -60 -60 a NaCI溶液pH值 一钙离子 50 —4.5 ●一钠离子 0-6.5 ◆—8.6 40 9.5 -30 -20 2000 4000 6000 2000 4000 6000 矿化度mgL 矿化度mg·L) 图4不同矿化度、离子组成、pH值及黏土成分下Zta电势.(a)岩石骨架表面：(b)黏土颗粒表面 Fig.4 Zeta potentials at pore surface (a)and fines surface (b)with different salinity,ion composition,pH values,and clay 由图4可以看出，在不同注入水条件下，岩石骨 取矿化度为590mgL的氯化钠溶液，根据图4得 架表面与黏土微粒表面皆带负电.注入水矿化度、 岩石骨架表面Zeta电势p,为-30mV,黏土微粒表 离子组成、pH值对岩石骨架与黏土微粒表面Zeta 面Zeta电势p2为-40mV. 电势影响较大.从图4(a)中可以看出，当pH值与 3)波恩斥力势能. 离子组成相同时，随着矿化度的降低，岩石骨架表面 波恩斥力势能是指当粒子靠近接触点时，电子 Zeta电势的负电性增强；当矿化度与离子组成相同 云重叠所引起的短程斥力势能.此势能对接触表面 时，随着pH值的升高，岩石骨架表面Zta电势的负 及中间介质的结构性质十分敏感.在本文所涉及的 电性增强.从图4(b)中可以看出，对于同一种阳离 固一液一固系统中，波恩斥力势能取决于表面粗糙度 子，随着矿化度的降低，黏土颗粒表面Zeta电势的 与液晶结构，采用这种方法难以实现对波恩斥力势 负电性增强：当矿化度相同时，黏土颗粒表面钠离子 能的估算.Feke等采用将Lennard-Jones势能 溶液中比钙离子溶液中呈现更强的负电性，这充分 的斥力项与Hamaker过程中成对相加、积分项结合 说明了二价阳离子对扩散双电层的压缩性和降低表 的方法，提出了以两个相同球体中心间距离为函数 面Zeta电势的作用. 的波恩斥力势能公式.在这里，采用由Ruckensrein 在这里不考虑水驱pH值的变化(pH值为7)， 和Prieve2按类似方法推导的球体-平面间的波恩崔传智等: 低矿化度水驱中的微粒运移机理及其开发效果 表 1 列出了 Busireddy 与 Ｒao ［20］利用式( 13) 计 算的各介质间的哈梅克常数． 表 1 哈梅克常数计算值［20］ Table 1 Calculated Hamaker constants［20］ 相互反应的介质 哈梅克常数/J 玻璃/水/空气 － 1. 595 × 10 － 20 玻璃/水/原油 1. 080 × 10 － 20 石英/水/原油 8. 316 × 10 － 21 石英/水/空气 － 9. 860 × 10 － 21 石英/水/石英 1. 210 × 10 － 20 其中，负哈梅克常数表示排斥场，而正哈梅克常 数表示引力场． 由表 1 可以看出，石英/水/石英系 统的哈梅克常数约为 1. 21 × 10 － 20 J，在本文中哈梅 克常数 A132取 1. 3 × 10 － 20 J ［21］． 2) 粒子间的双电层斥力势能． 双电层斥力是由于溶胶粒子扩散双电层重叠所 引起的． 溶胶粒子具有双电层结构，粒子与其扩散 层是电中性的，粒子所带电荷被扩散层中的反离子 所中和，以致粒子间不会发生静电排斥作用． 当粒 子间的扩散层发生重叠时，不仅破坏了扩散层中的 电荷分布，而且也影响到双电层的静电平衡，从而使 胶体粒子间产生静电斥力作用，如式( 14) 所示: VDLＲ = εrs [ 4 2φ1φ2 ln ( 1 + e － κh c 1 － e － κh ) c － ( φ2 1 + φ2 2 ) ln( 1 － e － 2κh c ) ] ( 14) 式中: ε = ε0εr，ε0 为真空绝对介电常数，其值 为 8. 854 × 10 － 12 F·m － 1 ; εr 为相对介电常数，即电容 率; φ1 为岩石骨架表面电势，mV; φ2 为黏土微粒表 面电势，mV． 岩石骨架表面 Zeta 电势 φ1 与黏土微粒表面 Zeta 电势 φ2 对于估算双电层斥力势能至关重要． 诸多实验研究对 Bera 砂岩岩心表面及黏土微粒电 势进行了测量［18，22］． 其中 Kia 等［22--23］综合考虑了 pH 值、水驱矿化度及离子组成与黏土成分对岩石 和颗粒 表 面 电 势 的 影 响，绘 制 了 如 图 4 的 关 系 图版． 图 4 不同矿化度、离子组成、pH 值及黏土成分下 Zeta 电势． ( a) 岩石骨架表面; ( b) 黏土颗粒表面 Fig． 4 Zeta potentials at pore surface ( a) and fines surface ( b) with different salinity，ion composition，pH values，and clay 由图 4 可以看出，在不同注入水条件下，岩石骨 架表面与黏土微粒表面皆带负电． 注入水矿化度、 离子组成、pH 值对岩石骨架与黏土微粒表面 Zeta 电势影响较大． 从图 4( a) 中可以看出，当 pH 值与 离子组成相同时，随着矿化度的降低，岩石骨架表面 Zeta 电势的负电性增强; 当矿化度与离子组成相同 时，随着 pH 值的升高，岩石骨架表面 Zeta 电势的负 电性增强． 从图 4( b) 中可以看出，对于同一种阳离 子，随着矿化度的降低，黏土颗粒表面 Zeta 电势的 负电性增强; 当矿化度相同时，黏土颗粒表面钠离子 溶液中比钙离子溶液中呈现更强的负电性，这充分 说明了二价阳离子对扩散双电层的压缩性和降低表 面 Zeta 电势的作用． 在这里不考虑水驱 pH 值的变化( pH 值为 7) ， 取矿化度为 590 mg·L － 1的氯化钠溶液，根据图 4 得 岩石骨架表面 Zeta 电势 φ1 为 － 30 mV，黏土微粒表 面 Zeta 电势 φ2 为 － 40 mV． 3) 波恩斥力势能． 波恩斥力势能是指当粒子靠近接触点时，电子 云重叠所引起的短程斥力势能． 此势能对接触表面 及中间介质的结构性质十分敏感． 在本文所涉及的 固--液--固系统中，波恩斥力势能取决于表面粗糙度 与液晶结构，采用这种方法难以实现对波恩斥力势 能的估算［24］． Feke 等［25］采用将 Lennard-Jones 势能 的斥力项与 Hamaker 过程中成对相加、积分项结合 的方法，提出了以两个相同球体中心间距离为函数 的波恩斥力势能公式． 在这里，采用由 Ｒuckensrein 和 Prieve［26］按类似方法推导的球体--平面间的波恩 · 327 ·