全油气系统中储层润湿性与界面张力等关键参数变化特征及其分子动力学模拟

doi:10.11743/ogg20250406

石油与天然气地质 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (4): 1107-1122.doi: 10.11743/ogg20250406

全油气系统中储层润湿性与界面张力等关键参数变化特征及其分子动力学模拟

施砍园¹^,²^,³(), 庞雄奇²^,³(), 陈君青²^,⁴, 陈掌星⁵, 王雷²^,³, 蒲庭玉²^,³, 鲍李银²^,³, 惠沙沙⁶, 肖惠译²^,³, 崔新璇²^,³

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收稿日期:2025-05-08 修回日期:2025-07-08 出版日期:2025-08-30 发布日期:2025-09-06
通讯作者: 庞雄奇 E-mail:shikycup@163.com;pangxq@cup.edu.cn
第一作者简介:施砍园（1996—），男，博士，油气藏形成机理与分布规律。E-mail： shikycup@163.com。
基金项目:
中国石油科学研究与技术开发项目(2021DJ0101)

Variation characteristics and molecular dynamics simulation of key parameters including reservoir wettability and interfacial tension in the whole petroleum system

Kanyuan SHI¹^,²^,³(), Xiongqi PANG²^,³(), Junqing CHEN²^,⁴, Zhangxing CHEN⁵, Lei WANG²^,³, Tingyu PU²^,³, Liyin BAO²^,³, Shasha HUI⁶, Huiyi XIAO²^,³, Xinxuan CUI²^,³

^1.State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Efficient Development，SINOPEC，Beijing 102206，China
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^6.Research Institute of Petroleum Exploration & Development，PetroChina，Beijing 100083，China

Received:2025-05-08 Revised:2025-07-08 Online:2025-08-30 Published:2025-09-06
Contact: Xiongqi PANG E-mail:shikycup@163.com;pangxq@cup.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

由于受实验室条件和仪器性能制约，难以在高温、高压或超致密环境下准确测定储层岩石的润湿角、界面张力及孔喉半径，从而难以确定油气运聚过程中所遇到的毛细管力。为解决这一难题，采用分子动力学模拟方法，计算了较低温-压条件下方解石、蒙脱石、石英和长石矿物表面的润湿角，以及油-水和气-水界面张力。在模拟结果与实验数据高度吻合的基础上，将该方法拓展至高温、高压条件，模拟相应参数的变化。结合多元线性回归方法计算了储层孔喉半径，依据准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地、松辽盆地的区域背景开展系统模拟研究，获得了中国高、中、低地温场条件下砂岩、火山岩和碳酸盐岩储层润湿角、界面张力以及孔喉半径随埋深的变化数据，建立了它们与含油气盆地温度和压力之间的定量关系。研究表明：① 随着温度的升高，方解石、蒙脱石、石英和长石的水润湿角逐渐减小，亲水性增强，压力的增加则使矿物的水润湿角增大，导致其亲水性减弱。整体而言，油藏中的方解石表现出油湿型，蒙脱石介于中性至水湿性之间，而石英和长石则主要呈水湿性。② 油-水界面张力随着温度的升高逐渐降低，但随着压力的增加逐渐上升；气-水界面张力随温度升高而降低，但随着压力的增加进一步减小。岩石孔喉半径与孔隙度和渗透率存在一定的关联性，表明储层的物性特征在流体运移过程中起到了重要作用。③ 不同矿物在不同地温场中的润湿性、界面张力及孔喉结构存在显著差异。随着地温梯度的增加，湿润角呈减小趋势。界面张力随地温梯度升高逐渐降低，削弱了油-水或气-水界面的分子作用力，提高了流体的流动性。

关键词: 储层孔喉半径, 毛细管力, 储层润湿角, 储层界面张力, 分子动力学模拟, 全油气系统定量评价, 油气运移

Abstract:

Accurately measuring the wetting angles， interfacial tension， and pore-throat radii of reservoir rocks under high temperature and pressure conditions or in ultra-tight reservoir environments remains challenging due to laboratory limitations and instrument constraints. These challenges complicate the determination of capillary pressure during hydrocarbon migration and accumulation. Given this， we calculate the wetting angles of the calcite， montmorillonite， quartz， and feldspar surfaces， as well as oil-water and gas-water interfacial tension， under relatively low temperature and pressure conditions using molecular dynamics simulation. After validating the high consistency between the simulation results and experimental data， we expand this method to high temperature and pressure conditions to simulate the corresponding variations in the above parameters. Furthermore， we calculate the pore-throat radii of reservoirs using the multiple linear regression method. Through systematic simulations based on the regional settings of the Junggar， Ordos， and Songliao basins， we obtain data on burial depth-varying wetting angles， interfacial tension， and pore-throat radii of sandstone， volcanic， and carbonate reservoirs under high-， medium-， and low-temperature geothermal fields in China. Accordingly， the quantitative relationships are established between these parameters and the temperature-pressure conditions of petroliferous basins. The simulation results indicate that the water wetting angles of calcite， montmorillonite， quartz， and feldspar decrease gradually with increasing temperature， suggesting enhanced hydrophilicity. In contrast， the water wetting angles of these minerals increase with pressure， leading to reduced hydrophilicity. Generally， in oil reservoirs， calcite tends to exhibit oil-wet behavior， montmorillonite shows neutrality to water-wet characteristics， while quartz and feldspar primarily display water-wet properties. The oil-water interfacial tension decreases gradually with rising temperature but increases progressively with pressure. In contrast， the gas-water interfacial tension decreases with rising temperature and declines further with increasing pressure. The pore throat radii of rocks show certain correlations with porosity and permeability， suggesting that reservoir physical properties play a significant role in fluid migration. The minerals exhibit significantly different wettability， interfacial tension， and pore-throat structures across varying geothermal fields. Their wetting angles trend downward with increasing geothermal gradient. Meanwhile， their interfacial tension also decreases gradually with increasing geothermal gradient， which reduces molecular interactions at oil-water or gas-water interfaces， thereby enhancing fluid mobility.

Key words: pore throat radius of the reservoir, capillary pressure, wetting angle of the reservoir, interfacial tension of the reservoir, molecular dynamic simulation, quantitative evaluation of the whole petroleum system, hydrocarbon migration

中图分类号:

TE122.1

施砍园,庞雄奇,陈君青,等. 全油气系统中储层润湿性与界面张力等关键参数变化特征及其分子动力学模拟[J]. 石油与天然气地质, 2025, 46(4): 1107-1122. doi: 10.11743/ogg20250406 Kanyuan SHI,Xiongqi PANG,Junqing CHEN,et al. Variation characteristics and molecular dynamics simulation of key parameters including reservoir wettability and interfacial tension in the whole petroleum system[J]. Oil & Gas Geology, 2025, 46(4): 1107-1122. doi: 10.11743/ogg20250406

图/表 18

图1

表1

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表3

分子动力学模拟中不同温-压条件下润湿角、界面张力和孔喉半径模拟结果"

温度/℃	压力/MPa	界面张力/（mN/m）	方解石				石英				长石				蒙脱石
			润湿角/（°）	孔喉半径/μm			润湿角/（°）	孔喉半径/μm			润湿角/（°）	孔喉半径/μm			润湿角/（°）	孔喉半径/μm
			润湿角/（°）	准噶尔盆地	鄂尔多斯盆地	松辽盆地	润湿角/（°）	准噶尔盆地	鄂尔多斯盆地	松辽盆地	润湿角/（°）	准噶尔盆地	鄂尔多斯盆地	松辽盆地	润湿角/（°）	准噶尔盆地	鄂尔多斯盆地	松辽盆地
25	0.1	30.45	111	4.497	5.008	4.904	60	5.845	6.432	6.314	35	3.244	3.696	3.604	80	2.422	5.010	4.320
25	5.0	30.74	113	4.226	4.581	4.972	62	5.530	5.942	6.391	37	3.009	3.318	3.664	81	1.657	2.728	4.756
25	10.0	30.96	115	3.966	4.183	5.041	66	5.227	5.481	6.470	38	2.786	2.972	3.726	82	1.156	1.561	5.255
25	20.0	31.30	117	3.494	3.488	5.183	69	4.670	4.662	6.632	41	2.389	2.384	3.854	84	0.606	0.601	6.447
25	40.0	32.43	120	2.711	2.424	5.479	70	3.727	3.374	6.968	45	1.757	1.534	4.122	85	0.215	0.149	9.903
25	60.0	34.05	122	2.104	1.685	5.793	72	2.974	2.442	7.321	46	1.292	0.987	4.409	87	0.099	0.060	15.654
35	0.1	28.51	109	3.944	4.689	4.245	55	5.202	6.067	5.553	34	2.767	3.413	3.025	79	1.121	3.180	1.702
35	5.0	28.79	110	3.707	4.289	4.303	60	4.922	5.605	5.621	35	2.567	3.064	3.076	79	0.809	1.811	1.847
35	10.0	30.31	111	3.479	3.917	4.364	65	4.652	5.169	5.691	38	2.377	2.744	3.128	82	0.594	1.080	2.009
35	20.0	30.97	112	3.065	3.266	4.487	68	4.156	4.398	5.833	40	2.038	2.201	3.235	83	0.341	0.446	2.388
35	40.0	31.49	115	2.378	2.270	4.743	70	3.317	3.182	6.129	43	1.499	1.417	3.461	84	0.140	0.122	3.433
35	60.0	31.88	119	1.846	1.578	5.014	71	2.647	2.303	6.439	44	1.102	0.912	3.702	86	0.072	0.052	5.055
45	0.1	27.05	108	3.460	4.391	3.675	55	4.629	5.722	4.884	33	2.361	3.152	2.540	78	0.579	2.087	0.775
45	5.0	27.13	110	3.251	4.016	3.725	59	4.380	5.286	4.944	34	2.190	2.829	2.582	79	0.438	1.239	0.830
45	10.0	27.59	113	3.052	3.667	3.777	64	4.140	4.876	5.005	35	2.028	2.534	2.626	81	0.336	0.767	0.891
45	20.0	27.59	115	2.688	3.058	3.884	67	3.699	4.148	5.130	40	1.739	2.033	2.716	82	0.209	0.338	1.032
45	40.0	29.72	117	2.086	2.126	4.106	68	2.952	3.002	5.390	40	1.279	1.308	2.905	83	0.097	0.102	1.402
45	60.0	30.47	118	1.619	1.478	4.340	69	2.356	2.172	5.664	43	0.940	0.842	3.108	83	0.055	0.047	1.944
55	0.1	25.42	105	3.035	4.111	3.181	54	4.120	5.397	4.296	31	2.014	2.910	2.132	76	0.328	1.413	0.398
55	5.0	25.78	107	2.852	3.761	3.224	55	3.898	4.986	4.348	34	1.868	2.612	2.168	80	0.258	0.872	0.422
55	10.0	27.01	108	2.677	3.434	3.270	61	3.685	4.599	4.402	35	1.730	2.340	2.205	80	0.206	0.559	0.448
55	20.0	27.61	110	2.358	2.863	3.362	62	3.292	3.912	4.512	38	1.483	1.877	2.280	81	0.137	0.262	0.507
55	40.0	29.48	117	1.830	1.990	3.554	63	2.627	2.831	4.741	40	1.091	1.208	2.439	82	0.071	0.086	0.658
55	60.0	29.81	118	1.420	1.384	3.757	63	2.097	2.049	4.981	42	0.802	0.777	2.609	82	0.044	0.042	0.867
65	0.1	24.54	104	2.662	3.850	2.753	49	3.667	5.090	3.778	30	1.718	2.687	1.790	75	0.202	0.985	0.227
65	5.0	25.54	106	2.502	3.522	2.791	54	3.469	4.703	3.824	31	1.594	2.412	1.820	77	0.164	0.629	0.238
65	10.0	25.61	107	2.348	3.216	2.830	59	3.279	4.338	3.872	32	1.476	2.160	1.851	78	0.135	0.417	0.251
65	20.0	25.83	109	2.068	2.681	2.910	60	2.930	3.690	3.969	33	1.265	1.733	1.914	79	0.095	0.207	0.279
65	40.0	26.13	115	1.605	1.864	3.076	61	2.338	2.670	4.170	34	0.931	1.115	2.048	80	0.054	0.074	0.347
65	60.0	27.11	117	1.246	1.296	3.252	62	1.866	1.933	4.381	36	0.684	0.718	2.190	82	0.036	0.038	0.438
100	60.0	26.19	111	0.787	1.029	1.962	57	1.241	1.575	2.796	33	0.392	0.543	1.187	73	0.022	0.028	0.083
130	60.0	22.57	107	0.531	0.845	1.273	50	0.875	1.322	1.902	28	0.244	0.428	0.703	72	0.017	0.023	0.037
160	60.0	21.69	102	0.359	0.694	1.029	43	0.617	1.109	1.575	23	0.151	0.337	0.543	70	0.014	0.020	0.028
190	60.0	19.26	98	0.242	0.570	0.986	36	0.435	0.930	1.516	17	0.094	0.265	0.516	69	0.013	0.017	0.027
220	70.0	18.05	95	0.144	0.390	0.733	31	0.274	0.664	1.164	14	0.050	0.167	0.360	67	0.012	0.014	0.020
250	80.0	16.52	92	0.086	0.267	0.544	26	0.172	0.474	0.894	10	0.027	0.106	0.251	65	0.011	0.013	0.017
280	90.0	14.25	90	0.051	0.183	0.404	20	0.109	0.338	0.686	6	0.014	0.067	0.175	63	0.011	0.012	0.015

表3

参考文献 50

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盒子类型	组分尺寸/（nm × nm × nm）
盒子类型	方解石	蒙脱石	石英	长石
油盒子	8.00 × 3.49 × 8.25	8.00 × 3.59 × 8.03	8.00 × 3.24 × 8.90	8.00 × 3.89 × 7.40
油-水盒子	25.10 × 3.49 × 15.73	25.80 × 3.59 × 14.89	25.53 × 3.24 × 16.67	25.73 × 3.89 × 13.78
矿物	25.10 × 3.49 × 0.92	25.80 × 3.59 × 1.87	25.53 × 3.24 × 3.82	25.73 × 3.89 × 1.29
最终模型	25.10 × 3.49 × 18.06	25.80 × 3.59 × 17.37	25.53 × 3.24 × 30.22	25.73 × 3.89 × 21.55

原子类型	ε/（kcal/mol）	δ/Å	q/e	摩尔质量/（g/mol）
Ca（方解石）	0.439 0	0.275 7	2.000 0	40.078 0
C（方解石）	0.241 1	0.303 3	1.123 3	12.010 7
O（方解石）	0.879 0	0.289 5	-1.041 1	15.999 4
H（蒙脱石，—OH）	0	0	0.425 0	1.007 9
O（蒙脱石，—OH）	0.650 2	0.316 6	-0.950 0	15.999 4
Mg（蒙脱石）	3.778 1 × 10^-6	0.526 4	1.360 0	24.305 0
Al（蒙脱石）	5.563 9 × 10^-6	0.427 1	1.575 0	26.981 5
Si（蒙脱石）	7.700 7 × 10^-6	0.330 2	2.100 0	28.085 5
Na（蒙脱石）	0.544 3	0.004 2	1.000 0	22.989 8
Si（石英）	7.700 7 × 10^-6	0.330 2	2.100 0	28.085 5
O（石英，桥接氧）	0.650 2	0.316 6	-1.050 0	15.999 4
K（长石）	0.418 4	0.333 4	1.000 0	39.098 3
Al（长石）	5.563 9 × 10^-6	0.427 1	1.575 0	26.981 5
Si（长石）	7.700 7 × 10^-6	0.330 2	2.100 0	28.085 5
O（长石）	0.879 0	0.289 5	-1.041 1	15.999 4

全油气系统中储层润湿性与界面张力等关键参数变化特征及其分子动力学模拟

Variation characteristics and molecular dynamics simulation of key parameters including reservoir wettability and interfacial tension in the whole petroleum system

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