伍家忠 韓海水 王秉合 陳興隆

摘要：低滲透儲(chǔ)層常規(guī)水驅(qū)后殘余油以分散狀態(tài)附著在儲(chǔ)層巖石表面，提高驅(qū)油效率的難點(diǎn)是破除或減弱吸附力剝離殘余油膜。通過(guò)光電子能譜分析（XPS）試驗(yàn)方法定量評(píng)價(jià)離子交換/吸附及差異，通過(guò)石英晶體微天平（QCM-D）方法精確測(cè)定原油中特征極性組分在巖石表面吸/脫附量，通過(guò)原子力顯微鏡方法定量測(cè)量油膜在巖石表面的黏附力和油膜厚度，提出通過(guò)離子匹配和離子交換提高水驅(qū)油效率的新方法，并以吉林Q60儲(chǔ)層為例進(jìn)行驅(qū)油試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)。結(jié)果表明：巖石表面的Ca²⁺與水溶液中的Na⁺可發(fā)生大幅度離子交換，高嶺石、綠泥石、石英3種礦物表面離子交換作用更加明顯；通過(guò)離子交換作用后，帶有—COOH、—C₆H₅和—CH₃極性官能團(tuán)的瀝青質(zhì)分子（C5Pe、BisA、PAP）在親水、疏水巖石表面的脫附量均有增加；相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況下溶液、原油與巖石表面的界面張力從小到大的順序是NaCl溶液、Na₂SO₄溶液、CaCl₂溶液；Na⁺等一價(jià)離子和Ca²⁺等二價(jià)離子交換作用后，巖石表面水膜厚度增加，油膜厚度減小，可以實(shí)現(xiàn)油膜的有效剝離。通過(guò)調(diào)整Q60儲(chǔ)層注入水離子組成，室內(nèi)驅(qū)油試驗(yàn)表明，驅(qū)油效率可提高10%以上，現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)取得初步效果，驗(yàn)證離子匹配水驅(qū)提高采收率機(jī)制，有望為低滲透油藏的增產(chǎn)提供新的途徑。

關(guān)鍵詞：油/水/巖； 相互作用； 離子匹配； 離子交換； 提高采收率

中圖分類號(hào)：TE 348 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：伍家忠，韓海水，王秉合，等.低滲透儲(chǔ)層油/水/巖相互作用機(jī)制及離子匹配提高采收率方法［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，47（1）：116-124.

WU Jiazhong， HAN Haishui， WANG Binghe， et al. Interaction of reservoir oil/water/rock and EOR method of ion matching in low permeability reservoir［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2023，47（1）：116-124.

Interaction of reservoir oil/water/rock and EOR method of

ion matching in low permeability reservoir

WU Jiazhong^1，2， HAN Haishui^1，2， WANG Binghe³， CHEN Xinglong^1，2

（1.State Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery， Beijing 100083， China;

2.Research Institute of Petroleum Exploration & Development， PetroChina， Beijing 100083， China;

3.Research Institute of Petroleum Exploration & Development， Yumen Oilfield， PetroChina， Jiuquan 735019， China）

Abstract： After conventional water flooding in low-permeability reservoirs， a large number of residual oil films are attached to the rock surface of the reservoir， which restricts the final recovery of water flooding. In this paper， ion exchange/adsorption and differential quantitative evaluation are evaluated by means of photoelectron spectroscopy （XPS）. Then adsorption/desorption amount of characteristic polar components in crude oil on rock surface is accurately measured by quartz crystal microbalance （QCM-D）. Additionally， the adhesion force and thickness of oil film on rock surface are quantitatively measured by atomic force microscope. The principle of improving water flooding efficiency through ion matching and ion exchange is put forward. Taking Jilin Q60 reservoir as an example， the ion matching oil displacement experiment is carried out to verify the mechanism of ion matching EOR. The research shows that Na⁺is more easily absorbed on the surface of various minerals than Ca²⁺， and Ca²⁺on the rock surface can have a large range of ion exchange with Na⁺in aqueous solution， especially on the surface of kaolinite， chlorite and quartz. After ion exchange， the desorption amount of asphaltene molecules （C5Pe， BisA， PAP） with —COOH， —C₆H₅and —CH₃polar functional groups on hydrophilic and hydrophobic rock surfaces increase. On the hydrophilic rock surface， the desorption amount of asphaltene molecule with carboxyl group （C5Pe） increases the most after ion exchange with low salinity water. On the hydrophobic rock surface， the desorption amount of asphaltene molecule （BisA） with symmetrical alkyl chain increases the most after ion exchange. At the same concentration， the order of interfacial tension between solution， crude oil and rock surface from small to large is NaCl solution， Na₂SO₄solution and CaCl₂solution， respectively. After the exchange of monovalent ions such as Na⁺and divalent ions such as Ca²⁺， the thickness of water film on the rock surface increases and the thickness of oil film decreases， which result in effective stripping of oil film. By adjusting the composition of injected water ions in Q60 reservoir， the oil displacement experiment shows that the oil displacement efficiency can be improved by more than 10 percentage points. The pilot test has achieved preliminary results and verified the mechanism of enhanced oil recovery.

Keywords： oil/water/rock; interaction; ion matching; ion exchange; enhanced oil recovery

水驅(qū)是油田開(kāi)發(fā)的主要手段，儲(chǔ)層中油/水/巖間復(fù)雜的相互作用致使常規(guī)水驅(qū)后殘余油以分散狀態(tài)附著在巖石表面，破除或減弱原油與巖石間吸附力可以剝離殘余油膜從而提高水的驅(qū)油效率^［1-3］。BP公司和Wyoming大學(xué)于1996年開(kāi)始聯(lián)合探索低礦化度水驅(qū)技術(shù)原理^［4-5］。目前國(guó)外學(xué)術(shù)界對(duì)低礦化度水驅(qū)技術(shù)提高采收率機(jī)制形成2種主流學(xué)術(shù)觀點(diǎn)^［6-9］：一是通過(guò)多組分離子交換和雙電層Zeta電位變化使原油脫附^［10-11］；另一種是多離子組分交換理論^［12-15］。上述觀點(diǎn)局限于對(duì)宏觀現(xiàn)象的微觀機(jī)制推測(cè)，低礦化度水驅(qū)只是將注入水的礦化度整體降低，并未根據(jù)油藏實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)離子種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的精確匹配，更沒(méi)有通過(guò)設(shè)計(jì)礦化度的變化過(guò)程去能動(dòng)地改變界面性質(zhì)而提高采收率。因此筆者針對(duì)中國(guó)低滲油田平均水驅(qū)采收率低至約20%^［16-20］的現(xiàn)實(shí)難題，從油/水/巖相互作用角度出發(fā)，克服此前研究未能定量化的不足，深入研究離子精確匹配和離子交換提高水驅(qū)驅(qū)油效率原理，并在吉林Q60低滲透油藏開(kāi)展先導(dǎo)試驗(yàn)，驗(yàn)證離子匹配提高采收率技術(shù)機(jī)制。離子精確匹配和離子交換提高采收率方法有望為中國(guó)鄂爾多斯、渤海灣、準(zhǔn)噶爾和松遼等盆地的低滲透油藏油氣開(kāi)發(fā)提供新的增產(chǎn)途徑。

中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2023年2月

第47卷 第1期 伍家忠，等：低滲透儲(chǔ)層油/水/巖相互作用機(jī)制及離子匹配提高采收率方法

1 試驗(yàn)方法及原理

1.1 離子交換/吸附及差異定量評(píng)價(jià)試驗(yàn)

為了研究不同流體的原油/水/巖石（C/B/R）間離子交換機(jī)制，首先要突破不同價(jià)態(tài)離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及吸附前后差異的分析瓶頸，建立離子交換/吸附及能力差異定量評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)原油/水/巖石之間各類離子交換/吸附的定量評(píng)價(jià)與表征，從而得到離子交換的直接證據(jù)，揭示離子交換的本質(zhì)。

研究過(guò)程中引入光電子能譜分析法（XPS）^［21］，其原理是采用X射線輻射樣品表面，激發(fā)原子或分子的內(nèi)層電子或價(jià)電子的光電子能量；通過(guò)對(duì)已知元素電子能量相對(duì)比，實(shí)現(xiàn)未知樣品表面元素成分、化學(xué)態(tài)和分子結(jié)構(gòu)的分析。

XPS方法可定量評(píng)價(jià)巖石中主要成分如石英、伊利石、蒙脫石、高嶺石、綠泥石等表面的Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺等油藏中常見(jiàn)離子的吸/脫附及交換情況，進(jìn)而評(píng)價(jià)離子交換/吸附前后對(duì)巖石表面油膜剝離的影響。相比于傳統(tǒng)的抗溶脹率方法，XPS方法實(shí)現(xiàn)除氫以外的各元素全價(jià)態(tài)定量分析，單次分析樣品量由200 mg減小到50 mg，測(cè)量誤差由1%降低到0.01%，測(cè)量精度得到大幅度提高。

1.2 原油特征組分在巖石表面的吸/脫附定量化測(cè)定

為了研究原油組分對(duì)巖石潤(rùn)濕性的影響及脫附機(jī)制，研究過(guò)程中建立石英晶體微天平（QCM-D）動(dòng)吸/脫附定量化測(cè)定方法^［22］，實(shí)現(xiàn)對(duì)原油中特征極性組分在巖石表面吸/脫附量進(jìn)行精確測(cè)定，進(jìn)一步揭示分子、離子在界面上的聚集和吸附行為，從而得到界面性質(zhì)和界面形態(tài)變化對(duì)原油剝離容易程度的影響。

QCM-D方法原理是外來(lái)物質(zhì)吸附在石英晶體表面上時(shí)振動(dòng)頻率便會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)石英晶體電極振動(dòng)頻率的變化推導(dǎo)出待測(cè)物質(zhì)的吸附質(zhì)量、吸附層的黏彈性以及吸附構(gòu)象等隨時(shí)間變化等信息。

原油中極性官能團(tuán)是影響原油在黏土表面吸附量和黏附力的主要因素。通過(guò)QCM-D方法可以對(duì)原油中—NH₂、—COOH、—CH₃、—C₆H₅、純萘、菲、噻吩同系物等主要極性官能團(tuán)在巖石表面的吸/脫附進(jìn)行定量測(cè)定。相比于傳統(tǒng)的靜態(tài)吸附方法，QCM-D方法實(shí)現(xiàn)從單純靜態(tài)吸/脫附量到動(dòng)態(tài)吸/脫附量、界面膜結(jié)構(gòu)及黏彈性等全面測(cè)試，測(cè)量精度從1 mg/cm²提高到1 ng/cm²。

1.3 油/水/巖石微觀作用力原位模擬及測(cè)定方法

為了研究水離子類型和原油特征官能團(tuán)對(duì)原油與巖石間黏附力的影響規(guī)律，建立以原子力顯微鏡（AFM）為核心手段的油/水/巖石微觀作用力原位模擬及測(cè)定方法^［23］，實(shí)現(xiàn)油/水/巖石相互作用的原位模擬和界面黏附力精確測(cè)定，直接獲取油膜剝離的難易程度和過(guò)程。

原子力顯微鏡（AFM）的主要工作原理是首先保證壓電陶瓷對(duì)探針與表面間位置精準(zhǔn)定位，當(dāng)表面起伏度變化時(shí)，探針與表面間相互作用也會(huì)隨之變化，從而引起探針形變，激光點(diǎn)也因探針形狀變化而變化，檢測(cè)結(jié)果形成反饋信號(hào)，并反饋給探針，使其保持某一特性（力或者高度）恒定。通過(guò)針尖修飾和建立自組裝單層膜，膠體探針實(shí)現(xiàn)原油附著，對(duì)微米尺度表面真實(shí)巖心薄片（巖石）/油/水三相界面的靜電力、范德華力和結(jié)構(gòu)力進(jìn)行測(cè)量，從而測(cè)定原油在巖石表面的黏附力。

傳統(tǒng)的Zeta電位方法主要測(cè)量油/水、水/黏土兩相的表面電勢(shì)，相比之下，AFM方法可以測(cè)量油/水/巖石三相界面的靜電力、范德華力和結(jié)構(gòu)力，從而表征黏附力，并且測(cè)量精度達(dá)到1 nN。

1.4 室內(nèi)驅(qū)油效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置為自主研發(fā)的注入介質(zhì)與儲(chǔ)層相互作用及注水評(píng)價(jià)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)最高承壓為100 MPa、最高耐溫為180 ℃、可夾持巖心直徑為2.5、3.8 cm。該系統(tǒng)由注入水精細(xì)化預(yù)處理裝置、巖心夾持主體裝置、高精度高溫高壓驅(qū)替泵、回壓控制和精確計(jì)量裝置、離子水驅(qū)微觀可視化動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)裝置等4部分構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。該試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)多點(diǎn)控溫、測(cè)溫、加熱實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定、均衡，溫度誤差小于±0.1 ℃。高精度的回壓控制系統(tǒng)和驅(qū)替泵組合可控制壓力誤差小于±0.1 MPa，體積誤差小于±0.01 mL。驅(qū)替泵可實(shí)現(xiàn)恒壓、恒速、定體積等多種工作模式。

驅(qū)替試驗(yàn)具體步驟為：①先后使用甲醇和石油醚清洗巖心中的水和油，直至產(chǎn)出液再次清澈透明，最后用氮?dú)獯蹈桑檎婵眨虎谠诘貙訙囟?、地層壓力下，先進(jìn)行飽和水再進(jìn)行飽和油，飽和結(jié)束后靜置老化1個(gè)月；③按照方案設(shè)計(jì)采用不同注入水驅(qū)替巖心中的原油；④計(jì)量出口端產(chǎn)出的油、水樣品。

2 離子交換過(guò)程中油/水/巖石相互作用機(jī)制

2.1 油/水/巖石微觀離子交換機(jī)制

分別研究常規(guī)砂巖儲(chǔ)層的黏土礦物（伊利石、蒙脫石、高嶺石、綠泥石）和骨架礦物（石英）表面與溶液間陽(yáng)離子交換機(jī)制，以Ca²⁺與Na⁺交換為例進(jìn)行規(guī)律總結(jié)。

在相同條件下分別將伊利石、蒙脫石、高嶺石、綠泥石、石英5種礦物侵泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的CaCl₂溶液中12 h以上，運(yùn)用光電子能譜分析法（XPS）測(cè)量5種礦物表面吸附Ca²⁺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；再將這些礦物侵泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaCl溶液中12 h，再次運(yùn)用光電子能譜分析法（XPS）測(cè)量5種礦物表面吸附Ca²⁺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，此時(shí)Na⁺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅升高。這說(shuō)明Na⁺比Ca²⁺更容易吸附在各種礦物表面，證實(shí)巖石表面的Ca²⁺與水溶液中的Na⁺發(fā)生大幅度離子交換，尤其是高嶺石、綠泥石、石英3種礦物表面的Ca²⁺完全被Na⁺交換下來(lái)。發(fā)生離子交換后溶液的pH值均增大1～2，向堿性方向移動(dòng)。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 原油極性物質(zhì)在巖石表面的脫附機(jī)制

原油中極性物質(zhì)是影響原油在黏土/巖石表面吸/脫附的主要因素，孔隙中與巖石表面的離子交換會(huì)影響原油極性物質(zhì)的吸/脫附。

以典型瀝青質(zhì)分子為例，通過(guò)石英晶體微天平（QCM-D）方法對(duì)其在巖石表面吸/脫附量的精確測(cè)定，研究帶有—COOH、—C₆H₅和—CH₃極性官能團(tuán)的瀝青質(zhì)分子（C5Pe、BisA、PAP）在親水、疏水巖石表面經(jīng)過(guò)不同礦化度水作用后的吸/脫附能力和機(jī)制。圖2為試驗(yàn)所用典型瀝青質(zhì)分子結(jié)構(gòu)。

極性基團(tuán)是造成瀝青質(zhì)在親水表面上發(fā)生黏附的主要原因。3種瀝青質(zhì)分子通過(guò)不同礦化度水離子交換作用后在親水巖石表面的脫附量均有增加。其中具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)烷基鏈的瀝青質(zhì)分子（BisA）更易在親水表面上吸附，并且受不同礦化度水影響較小；但帶有羧基的瀝青質(zhì)分子（C5Pe）通過(guò)低礦化度水離子交換作用后脫附量大幅增加，但帶有苯環(huán)的瀝青質(zhì)分子（PAP）通過(guò)低礦化度水離子交換作用后脫附量小幅度增加。這說(shuō)明離子交換作用可有效促進(jìn)瀝青質(zhì)分子在親水巖石表面的脫附，但對(duì)不同類型分子的作用大小不同。

3種瀝青質(zhì)分子通過(guò)不同礦化度水離子交換作用后在疏水巖石表面的脫附量也均有增加。其中具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)烷基鏈的瀝青質(zhì)分子（BisA）在巖石表面脫附量增加幅度最大，帶有羧基的瀝青質(zhì)分子（C5Pe）在巖石表面脫附量增加幅度最小，但帶有苯環(huán)的瀝青質(zhì)分子（PAP）通過(guò)低礦化度水離子交換作用后脫附量小幅度增加。這說(shuō)明離子交換作用也可有效促進(jìn)瀝青質(zhì)分子在疏水巖石表面的脫附，但對(duì)不同類型分子的作用大小不同。

表2為不同情形的脫附量統(tǒng)計(jì)表，從中可以看出經(jīng)過(guò)離子交換作用后，不同類型瀝青質(zhì)分子在巖石表面均有不同程度的脫附，脫附效率為41%～75%。

2.3 離子交換剝離巖石表面油膜機(jī)制

為研究巖石表面油膜的剝離與巖石礦物表面離子發(fā)生交換的關(guān)系，測(cè)試吉林油田原油與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl、Na₂SO₄、CaCl₂溶液間的界面張力，詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖3～5所示。研究發(fā)現(xiàn)，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況下溶液與原油的界面張力從小到大的順序是NaCl溶液、Na₂SO₄溶液、CaCl₂溶液，總體上Na⁺溶液與原油的界面張力更小；對(duì)于同一種溶液，離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，其與原油的界面張力越小。

如果巖石礦物表面的Ca²⁺被Na⁺交換，那么附著在巖石表面的油膜與水膜間的界面張力將會(huì)降低，油膜與水膜將更容易被分開(kāi)，而砂巖大多為親水巖石，最終導(dǎo)致巖石表面油膜更容易被剝離而開(kāi)采出來(lái)。如表1試驗(yàn)結(jié)果所示，尤其對(duì)于高嶺石和綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的巖石，其離子交換效果最好，離子交換后油膜最容易被剝離。

圖6～7表示不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl、CaCl₂溶液分離壓與水膜厚度的關(guān)系。相同分離壓和質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，Na+溶液作用后水膜厚度大于Ca²⁺溶液的水膜厚度，油膜更容易從巖石表面剝離。即注入水中Na⁺與巖石表面Ca²⁺發(fā)生交換，使水膜中Na⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，水膜厚度增加，從而實(shí)現(xiàn)油膜的有效剝離。

離子匹配提高采收率機(jī)制建立在油/水/巖相互作用之上，因此離子匹配提高采收率方法亦可應(yīng)用于中高滲油藏，但應(yīng)用效果與低滲透油藏存在一定差異。相比于中高滲油藏，低滲透油藏滲透率更低、孔隙更微小、孔隙中油/水/巖相互作用更復(fù)雜、儲(chǔ)層巖石表面附著的殘余油膜更難被剝離，通過(guò)離子匹配方法提高采收率效果更明顯。

離子匹配提高采收率方法的注入介質(zhì)是調(diào)整離子組成的水，在技術(shù)應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意規(guī)避水敏儲(chǔ)層。

3 驅(qū)油及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

離子匹配水技術(shù)已在吉林新木、長(zhǎng)慶杏河北、長(zhǎng)慶五里灣等低滲透油藏開(kāi)展先導(dǎo)試驗(yàn)，均取得較好的試驗(yàn)效果，驗(yàn)證離子匹配提高采收率技術(shù)機(jī)制，以吉林新木油田Q60區(qū)塊為例進(jìn)行詳細(xì)論證。

3.1 Q60儲(chǔ)層流體及巖石性質(zhì)

Q60儲(chǔ)層滲透率低（3.3×10^-3μm²）、黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.2%、原油黏度為6.9 mPa·s、瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%～36%、地層水總礦化度為15296 mg/L（其中Ca²⁺和Mg²⁺等二價(jià)離子質(zhì)量濃度為8.4 mg/L），常規(guī)水驅(qū)后巖石的黏土表面吸附大量的油膜和水膜，導(dǎo)致常規(guī)水驅(qū)采收率低。地層水（包括水膜）礦化度高、Ca²⁺和Mg²⁺等二價(jià)離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、膠質(zhì)瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，可通過(guò)注入水中離子與地層水中離子精確匹配，在離子交換過(guò)程中實(shí)現(xiàn)水膜的增厚和油膜的剝離，從而提高該油藏水驅(qū)采收率。

如表3所示，Q60油藏目前注入水為當(dāng)?shù)販\層水源井清水，總礦化度僅為367.6 mg/L，NaHCO₃水型，經(jīng)粗濾后直接注入。經(jīng)過(guò)精確匹配，調(diào)整注入水為XMIAD-60水體系，在原注入水中離子調(diào)整分別增加Na⁺、SO²⁺₄和XX^*根質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過(guò)反應(yīng)后減少Ca²⁺和Mg²⁺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，總礦化度變?yōu)?30.4 mg/L。

3.2 注入水調(diào)整后的主要性能變化

圖8～10為Q60注入水組成調(diào)整為XMIAD-60體系后主要參數(shù)的變化對(duì)比。從圖中可以看出，水膜厚度（6～8 nm）比原注入水（2～4 nm）增加3倍，更有利于剝離油膜；XMIAD-60體系界面微觀作用力為斥力（1×10⁶Pa），注入水則為引力（-0.5×10⁶Pa），斥力大幅度增加，有利于油膜的剝離；XMIAD-60體系界面張力為10.5 mN/m，低于原注入水的25.5 mN/m，界面張力降低亦使油膜剝離更容易；XMIAD-60體系擴(kuò)大油水兩相共滲區(qū)16.8%，殘余油飽和度降低至22.9%，直接說(shuō)明一部分油膜被剝離。

3.3 離子匹配水體系與常規(guī)水驅(qū)的驅(qū)油效果對(duì)比

選取Q60-23-11井儲(chǔ)層巖心作為驅(qū)油試驗(yàn)樣品，試驗(yàn)用油為新木油田井口取樣原油，飽和水后老化30 d以上（60 ℃），采用現(xiàn)場(chǎng)目前注入水、離子匹配水體系（XMIAD-60）進(jìn)行驅(qū)油試驗(yàn)（60 ℃），含水率至99.5%結(jié)束試驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析。

如表4和圖11所示，4-2號(hào)巖心為現(xiàn)場(chǎng)目前注入水驅(qū)替，采收率為45.8%；1-2號(hào)巖心為離子匹配水體系（XMIAD-60）驅(qū)替，水驅(qū)采收率可達(dá)58.1%，驅(qū)油效率明顯高于地層水和目前注入水驅(qū)，采收率高出約14%。

4-2號(hào)巖心現(xiàn)場(chǎng)目前注入水驅(qū)替結(jié)束后轉(zhuǎn)離子匹配水體系（XMIAD-60）驅(qū)替，采收率可進(jìn)一步提高10%，最終達(dá)到55.8%，進(jìn)一步證明離子匹配和離子交換可有效剝離更多油膜，提高水驅(qū)驅(qū)油效率，有效提高采收率。

3.4 離子匹配水驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)效果

吉林新木Q60油藏平均孔隙度為13.9%、滲透率為2.7×10^-3μm²，油藏埋深為1121 m，屬于國(guó)內(nèi)典型的低孔低滲巖性油藏。開(kāi)發(fā)層系為扶余3、4、5號(hào)層，含油層連片發(fā)育，平均厚度均大于3 m，連通性較好，且物性相差較小。試驗(yàn)前平均單井日產(chǎn)油0.6 t，綜合含水率為87.8%，采出程度為10.17%，亟需新技術(shù)進(jìn)一步提高油田采收率。

2016年6月，吉林新木Q60低孔低滲巖性油藏開(kāi)展離子匹配水驅(qū)提高采收率技術(shù)先導(dǎo)性試驗(yàn)，試驗(yàn)井組為5注15采，覆蓋地質(zhì)儲(chǔ)量為32.7×10⁴t。注入水經(jīng)過(guò)離子匹配調(diào)整后，試驗(yàn)區(qū)總體動(dòng)態(tài)反映為初期見(jiàn)效明顯，后續(xù)產(chǎn)油能力持續(xù)穩(wěn)定（圖12）。其中2016年8～10月效果最好，9月末區(qū)塊產(chǎn)油由標(biāo)定值的11.68 t升至12.65 t，產(chǎn)液53.4 t與標(biāo)定值54.5 t基本持平，含水率由標(biāo)定值78.57%降為76.31%。截至2018年底，試驗(yàn)區(qū)整體產(chǎn)油量保持平穩(wěn)，含水率下降，水驅(qū)遞減率由試驗(yàn)前的10.24%下降到1.82%，累積增油6 900 t，預(yù)計(jì)可提高水驅(qū)采收率5%，開(kāi)發(fā)效果持續(xù)向好，驗(yàn)證通過(guò)注入水與地層水的離子匹配提高采收率方法的可行性和機(jī)制的合理性。

4 結(jié) 論

（1）提出一套離子精確匹配和離子交換的水驅(qū)油新方法，可以有效破除或減弱吸附力以剝離殘余油膜，進(jìn)而提高采收率，有望為中國(guó)鄂爾多斯、渤海灣、準(zhǔn)噶爾和松遼等盆地的低滲透油藏油氣開(kāi)發(fā)提供新的增產(chǎn)途徑。

（2）Na⁺比Ca²⁺更容易吸附在各種礦物表面，巖石表面的Ca²⁺與水溶液中的Na⁺可發(fā)生大幅度離子交換，尤其是高嶺石、綠泥石、石英3種礦物表面離子交換作用更加明顯。

（3）通過(guò)離子交換作用后，帶有—COOH、—C₆H₅和—CH₃極性官能團(tuán)的瀝青質(zhì)分子（C5Pe、BisA、PAP）在親水、疏水巖石表面的脫附量均有增加。在親水巖石表面，帶有羧基的瀝青質(zhì)分子（C5Pe）通過(guò)低礦化度水離子交換作用后脫附量增加幅度最大。在疏水巖石表面，具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)烷基鏈的瀝青質(zhì)分子（BisA）在離子交換作用后脫附量增加幅度最大。

（4）相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況下溶液、原油與巖石表面的界面張力從小到大的順序是NaCl溶液、Na₂SO₄溶液、CaCl₂溶液。通過(guò)Na⁺等一價(jià)離子和Ca²⁺等二價(jià)離子交換作用后，巖石表面水膜厚度增加，油膜厚度減小，可以實(shí)現(xiàn)油膜的有效剝離。

（5）Q60儲(chǔ)層黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、原油瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Ca²⁺和Mg²⁺等二價(jià)離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，是離子交換的有力條件。通過(guò)調(diào)整注入水離子組成，室內(nèi)驅(qū)油試驗(yàn)表明驅(qū)油效率可提高10%以上，現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)取得初步效果，驗(yàn)證了離子匹配水驅(qū)提高采收率機(jī)制。

參考文獻(xiàn)：

［1］袁士義，王強(qiáng).中國(guó)油田開(kāi)發(fā)主體技術(shù)新進(jìn)展與展望［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2018，45（4）：657-668.

YUAN Shiyi， WANG Qiang. New progress and prospect of oilfields development technologies in China［J］. Petroleum Exploration and Development， 2018，45（4）：657-668.

［2］胡文瑞，魏漪，鮑敬偉.中國(guó)低滲透油氣藏開(kāi)發(fā)理論與技術(shù)進(jìn)展［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2018，45（4）：646-656.

HU Wenrui， WEI Yi， BAO Jingwei. Development of the theory and technology for low permeability reservoirs in China［J］. Petroleum Exploration and Development， 2018，45（4）：646-656.

［3］李賓飛，王凱，趙洪濤，等.降黏劑作用下油水兩相滲流特征［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，46（1）：104-110.

LI Binfei， WANG Kai， ZHAO Hongtao， et al. Flow characteristics of oil-water two-phase seepage under action of viscosity reducer［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2022，46（1）：104-110.

［4］TANG G， MORROW N. Salinity， temperature， oil composition， and oil recovery by waterflooding［J］. SPE Reservoir Engineering， 1997，12：269-276.

［5］MORROW N， BUCKLEY J. Improved oil recovery by low-salinity waterflooding［J］. Journal of Petroleum Technology， 2011，63（5）：106-112.

［6］XIE Quan， MA Desheng， WU Jiazhong， et al. Low salinity waterflooding in low permeability sandstone： coreflood experiments and interpretation by thermodynamics and simulation［C］. Kuala Lumpur： Socienty of Petroleum， 2015.

［7］XIE Quan， LIU Yuzhang， WU Jiazhong， et al. Ions tuning water flooding experiments and interpretation by thermodynamics of wettability［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2014，124：350-358.

［8］LIU Fanghui， YANG Hui， WANG Jingyao， et al. Salinity-dependent adhesion of model molecules of crude oil at quartz surface with different wettability［J］. Fuel， 2018，223：401-407.

［9］WU J， LIU F， CHEN G， et al. Effect of ionic strength on the interfacial forces between oil/brine/rock interfaces： a chemical force microscopy study［J］. Energy Fuels， 2016，30（1）：273-280.

［10］MATTHIESEN J， BOVET N， HILNER E， et al. How naturally adsorbed material on minerals affects low salinity enhanced oil recovery［J］. Energy & Fuels， 2014，28（8）：4849-4858.

［11］LAGER A，WEBB K J， BLACK C J J， et al. Low salinity oil recovery-an experimental investigation［J］. Petrophysics， 2008，49（1）：28-35.

［12］TANG G Q， MORROW N R. Effect of temperature， salinity and oil composition on wetting behavior and oil recovery by waterflooding［J］. Oil Field， 1996：45-60.

［13］BUCKLEY J， LIU Y. Some mechanisms of crude oil/brine/solid interactions［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 1998，20：155-160.

［14］LORENZ B， CECCATO M， ANDERSSON M P， et al. Salinity-dependent adhesion response properties of aluminosilicate （K-Feldspar） surfaces［J］. Energy Fuels， 2017，31（5）：4670-4680.

［15］AUSTAD T， SHARIATPANAHI S F， STRAND S， et al. Low salinity EOR effects in limestone reservoir cores containing anhydrite： a discussion of the chemical mechanism［J］. Energy Fuels， 2015，29（11）：6903-6911.

［16］廖廣志，馬德勝，王正茂，等.油田開(kāi)發(fā)重大試驗(yàn)實(shí)踐與認(rèn)識(shí)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2018：328，581-600．

［17］馬德勝，王強(qiáng)，王正波，等.提高采收率［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2019：184-189.

［18］梁天博，馬實(shí)英，魏東亞，等．低滲透油藏水鎖機(jī)理與助排表面活性劑的優(yōu)選原則［J］.石油學(xué)報(bào)，2020，41（6）：745-752.

LIANG Tianbo， MA Shiying， WEI Dongya， et al. Water blocking mechanism of low-permeability reservoirs and screening principle of flowback surfactants［J］. Acta Petrolei Sinica， 2020，41（6）：745-752.

［19］柴汝寬，劉月田，吳玉其，等.碳酸鹽巖油藏智能水驅(qū)規(guī)律與機(jī)制［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，46（1）：129-139.

CHAI Rukuan， LIU Yuetian， WU Yuqi， et al. Effects and mechanisms of smart water-flooding in carbonate reservoir［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2022，46（1）：129-139.

［20］齊亞?wèn)|，雷群，于榮澤，等.影響特低－超低滲透砂巖油藏開(kāi)發(fā)效果的因素分析［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，37（2）：89-94.

QI Yadong， LEI Qun， YU Rongze， et al. Analysis on factors influencing development effect of extra-ultra low permeability sandstone reservoirs［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2013，37（2）：89-94.

［21］CASTILLO J， VARGAS V， PISCITELLI V， et al. Study of asphaltene adsorption onto raw surfaces and iron nanoparticles by afm force spectroscopy［J］. Journal of Petroleum Science & Engineering， 2017，151：248-253.

［22］WANG X， LIU W， SHI L， et al. A comprehensive insight on the impact of individual ions on engineered waterflood： with already strongly water-wet sandstone［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2021，207：109-153.

［23］AMIRI S， GANDOMKAR A. Influence of electrical surface charges on thermodynamics of wettability during low salinity water flooding on limestone reservoirs［J］. Journal of Molecular Liquids， 2019，277：132-141.

（編輯 李 娟）