離子匹配水驅(qū)提高碳酸鹽巖油藏采收率機(jī)理及實(shí)驗(yàn)
——以中東哈法亞油田白堊系灰?guī)r為例

彭穎鋒，李宜強(qiáng)，朱光亞，潘登，徐善志，王秀宇

（1.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院中東研究所，北京 100083）

0 引言

全球范圍內(nèi)，碳酸鹽巖油氣藏廣泛分布于北美、中東、中亞等地區(qū)，以侏羅系、白堊系和新近系為主[1]。碳酸鹽巖主要成分為方解石和白云石，其物理化學(xué)穩(wěn)定性較差，沉積后往往會(huì)經(jīng)歷多種化學(xué)、物理變化的改造，巖石的比表面積、孔隙度、滲透性、潤(rùn)濕性等性質(zhì)也隨之改變，該類油藏的水驅(qū)采收率在一定程度上也受巖石、水、原油間的各類水溶性離子活動(dòng)影響。碳酸鹽巖油藏大多連通性差[2]、微觀非均質(zhì)性強(qiáng)[3]、油濕或中性潤(rùn)濕[4]，礦場(chǎng)水驅(qū)開發(fā)一般錐進(jìn)嚴(yán)重、采收率較低。

離子匹配水驅(qū)（或低礦化度水驅(qū)、智能水驅(qū)）通過(guò)調(diào)整注入水的總礦化度和離子組成來(lái)提高原油采收率，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均取得了顯著效果。與常規(guī)水驅(qū)相比，優(yōu)化后的離子匹配水驅(qū)在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中驅(qū)油效率最高可增加 30%，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中殘余油飽和度可降低 2%～50%[5]。采用離子匹配水驅(qū)進(jìn)行礦場(chǎng)應(yīng)用開發(fā)效果差異較大，科威特Burgan油田含水率降低了5%；沙特阿拉伯上侏羅統(tǒng)油藏殘余油飽和度降低了6%；英國(guó)北海 Clair Ridge油田和 Ekofisk油田效果顯著，Valhall油田增油效果不明顯[5]。離子匹配水驅(qū)提高采收率機(jī)理復(fù)雜，其主控機(jī)理目前存在爭(zhēng)議[6]，尚不能十分有效地指導(dǎo)礦場(chǎng)應(yīng)用，礦場(chǎng)應(yīng)用效果差異大，可控性低。

目前離子匹配水的主要應(yīng)用思路是稀釋某種水源或改變潛在決定性離子（PDI）。PDI與采收率關(guān)系密切，主要包括 Ca2+、Mg2+和 SO42-[7-8]。目前研究認(rèn)為多離子交換、溶蝕等作用改善了巖石潤(rùn)濕性，關(guān)鍵離子的作用提升了油水界面性能，從而提高了采收率。然而，離子匹配水中離子高效交換的機(jī)理、最佳總礦化度范圍的篩選、PDI最佳濃度的選擇等問(wèn)題目前仍然認(rèn)識(shí)不清或相互矛盾[9-11]。

鑒于此，本文在系統(tǒng)總結(jié)離子匹配水驅(qū)研究成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述機(jī)理的多樣性與機(jī)理間的協(xié)同性。針對(duì)目前采用礦化度表征注入水離子行為存在的問(wèn)題及矛盾，提出采用離子強(qiáng)度表征一價(jià)及二價(jià)離子的行為差異，建立離子強(qiáng)度、有效濃度與作用機(jī)理間的聯(lián)系，評(píng)價(jià)離子匹配水的性能。在深入剖析中東哈法亞油田白堊系Mishrif組顆?；?guī)r油藏主要水驅(qū)矛盾基礎(chǔ)上，開展室內(nèi)相滲測(cè)定、X衍射實(shí)驗(yàn)以及油水界面張力測(cè)試，研究該油藏條件下離子行為對(duì)提高采收率機(jī)理的影響，同時(shí)利用巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)綜合研究注入水總礦化度及離子強(qiáng)度的合理范圍，結(jié)合注入水評(píng)價(jià)方法，篩選出適合該油藏注水開發(fā)的離子匹配水型。

1 離子匹配水驅(qū)提高采收率機(jī)理

離子匹配水驅(qū)作用的機(jī)理可按作用的界面分類（見圖1）。為強(qiáng)調(diào)機(jī)理間存在的相互影響，也可按對(duì)驅(qū)油效率的直接或間接影響進(jìn)行歸類（見表1）。其中，二級(jí)機(jī)理Ⅰ（多離子交換）會(huì)首先產(chǎn)生（室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中在 15 min內(nèi)產(chǎn)生），并影響其他相對(duì)滯后的機(jī)理[12]，作用機(jī)理具有多樣性與協(xié)同性。

表1 離子匹配水驅(qū)提高采收率機(jī)理分類

二級(jí)機(jī)理Ⅰ（多離子交換）（見圖2）主要涉及一價(jià)離子（Na+、Cl-）和二價(jià)離子（Ca2+、Mg2+、SO42-）。其中，Ca2+、Mg2+控制電荷的極性和密度，影響原油和巖石表面礦物間的相互作用[13]，進(jìn)而影響注入水在潤(rùn)濕性改善方面的潛力；SO42-在該過(guò)程中起催化作用[14]。一般認(rèn)為 Na+、Cl-對(duì)驅(qū)油效果的影響較弱，但會(huì)影響巖石吸附電子層的電荷密度，并影響高價(jià)離子進(jìn)入該電子層的能力[14]。PDI中Ca2+和Mg2+的活性差異受溫度影響，溫度小于70 ℃時(shí)，Ca2+與SO42-（或巖石表面）的相互作用都強(qiáng)于Mg2+；溫度為70～130 ℃時(shí)，兩者均較活躍；而溫度大于130 ℃時(shí)，Mg2+活性超過(guò)Ca2+[5]。

圖2 多離子交換示意圖（由文獻(xiàn)[15]修改）

如圖2所示，在油藏原始狀態(tài)下，原油極性組分中的羧酸根（—COO-）與濃度高、電荷密度大的一價(jià)離子（Cl-、Na+）一起吸附在帶正電的碳酸鹽巖表面，使大部分巖石表面潤(rùn)濕性偏向中性或油濕。注入較低礦化度的離子匹配水后，吸附電子層中 Cl-、Na+的電荷密度下降，擴(kuò)散電子層中Ca2+、Mg2+在SO42-催化下與巖石表面競(jìng)爭(zhēng)吸附羧酸根，巖石與原油間“雙層”斥力增加，黏附能降低，水濕程度提高。二級(jí)機(jī)理Ⅰ可以改變雙電子層內(nèi)的電荷分布以及水溶液的離子組成，進(jìn)而影響二級(jí)機(jī)理Ⅲ和Ⅳ；同時(shí)，潤(rùn)濕性的選擇性改變，會(huì)影響水及水溶性離子與巖石表面的作用程度，進(jìn)而影響二級(jí)機(jī)理Ⅱ。

二級(jí)機(jī)理Ⅱ（溶蝕加深作用）涉及難溶、微溶物質(zhì)的二次溶蝕。該機(jī)理在實(shí)際油藏中的作用程度通常比室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中小，但對(duì)離子匹配水驅(qū)效果的影響較大[16]。不論何種類型的碳酸鹽巖均存在大量微溶、難溶物質(zhì)（如方解石和白云石），存在如下溶解平衡關(guān)系：

部分巖石常含有硬石膏微溶物，平衡關(guān)系如下：

當(dāng)?shù)貙铀V化度降低或離子組成改變時(shí)（可由二級(jí)機(jī)理Ⅰ影響），微溶、難溶物質(zhì)的溶度積改變導(dǎo)致溶解平衡偏移（通常向右），原位釋放Ca2+、Mg2+、SO42-，并改善溶蝕處潤(rùn)濕性[17-18]。同時(shí)，溶蝕加深處釋放的離子也會(huì)與地層流體發(fā)生離子交換，溶解平衡偏移（通常向左），進(jìn)而在巖石表面重新沉淀。此過(guò)程中物質(zhì)的溶解與再結(jié)晶最終導(dǎo)致巖石表面粗糙度變化[12]。此外，礦化度較低并富含 SO42-的注入水通常會(huì)減弱白堊系灰?guī)r的力學(xué)性能（如強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和體積模量），對(duì)低滲、非均質(zhì)性強(qiáng)的儲(chǔ)集層產(chǎn)生雙重影響，提高孔喉連通性的同時(shí)也可能降低部分儲(chǔ)集層的物性參數(shù)[5]。此機(jī)理中的物理化學(xué)變化通常較慢（室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中大于12 h）。

二級(jí)機(jī)理Ⅲ（難溶、微溶鹽的溶解與再結(jié)晶）是二級(jí)機(jī)理Ⅰ和Ⅱ共同作用的結(jié)果，尤其CaCO3和CaSO4的溶解度極易受溫度、礦化度以及水溶液中離子相對(duì)含量的影響。如果某些物質(zhì)發(fā)生絮凝或沉淀，造成微粒運(yùn)移，則由其他相應(yīng)機(jī)理控制[18]，注入水的滲流規(guī)律也將受到相應(yīng)的影響。

二級(jí)機(jī)理Ⅳ（油水微分散，油水界面張力改變）主要涉及儲(chǔ)集層流體。油藏條件下，低礦化度水和SO42-的存在有助于降低原油黏度和油水界面張力、增加界面黏彈性[19-20]，使油水形成微乳液[21-22]，在一定程度上改變油水流變學(xué)特征；受原油極性組分影響的油水微分散也被認(rèn)為是機(jī)理之一[23]；另外，3種 PDI同時(shí)存在可以提高油滴的凝聚和連通性[24]。油水界面張力降低因可直接或間接影響油藏的采收率而受到廣泛關(guān)注，油水界面張力降低除直接提升水驅(qū)油毛管數(shù)外，還可以降低巖石黏附功，有利于水在巖石表面的鋪展。在某些情況下，PDI可以顯著降低油水界面張力[25]。

對(duì)于碳酸鹽巖油藏的離子匹配水驅(qū)，前人研究根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出了各種相關(guān)機(jī)理，采收率的提升應(yīng)是各種機(jī)理綜合作用的結(jié)果，這些機(jī)理都與各類水溶性離子的離子行為相關(guān)。

2 離子行為對(duì)提高采收率機(jī)理的影響

2.1 離子匹配水驅(qū)中的水化學(xué)原理

為表征水溶液因離子組成不同而導(dǎo)致的差異，引入離子強(qiáng)度并定義為[26-27]：

水溶液中易溶性鹽會(huì)降低難溶性鹽的溶解度，其影響程度受溶液離子強(qiáng)度控制[28]。該物理意義與二級(jí)機(jī)理Ⅱ直接相關(guān)；其次離子強(qiáng)度還影響水中離子的非理想行為。水溶液離子濃度越高，離子間的靜電作用越大，使離子的行為受到束縛而不能完全發(fā)揮作用，受影響的程度用活度系數(shù)γ（取值0～1.0）表征。除水溶性離子外，水溶性分子的行為也將受到影響，在離子強(qiáng)度大于0.1 mol/L時(shí)，水溶性分子的活度系數(shù)小于1.0[27]。Debye-Huckel理論[26]考慮了離子的靜電作用和熱運(yùn)動(dòng)，并建立了離子強(qiáng)度與活度系數(shù)的關(guān)系（見表2）。

表2 活度系數(shù)計(jì)算公式及適用范圍

對(duì)于表面帶正電荷的碳酸鹽巖，兩種陰離子（Cl-和 SO42-）的活躍程度影響各自在巖石表面的吸附能力，而 SO42-吸附比 Cl-吸附更有利于提高采收率[5]。利用表2公式繪制 Cl-、SO42-的活度系數(shù)隨溶液離子強(qiáng)度的變化關(guān)系（見圖3）。

圖3 Cl-與SO42-活度系數(shù)與離子強(qiáng)度的關(guān)系

可以看到不論何種離子，活度系數(shù)均隨離子強(qiáng)度增加而減小[26]，但SO42-活度系數(shù)的減小幅度大于Cl-。離子強(qiáng)度可以通過(guò)這種差異影響不同離子的活躍程度。結(jié)合（4）式，離子強(qiáng)度可以認(rèn)為是同時(shí)考慮總礦化度、不同離子電荷數(shù)、離子濃度的綜合指標(biāo)，在碳酸鹽巖離子匹配水驅(qū)的研究中具有實(shí)用意義。

值得注意的是，活度系數(shù)只與溶液離子強(qiáng)度有關(guān)，與溶液總礦化度沒(méi)有直接關(guān)系。W.F.Langelier于1936年提出離子強(qiáng)度與總礦化度之間僅在礦化度小于1 000 mg/L時(shí)存在相關(guān)度較高的線性關(guān)系[27]。目前多數(shù)研究仍然認(rèn)為低礦化度水是因?yàn)榻档土说貙恿黧w總礦化度，從而導(dǎo)致了油水界面張力下降、微分散產(chǎn)生[23]、潤(rùn)濕性改善[17]、微溶難溶物溶解加深等[16,25]，進(jìn)而改變?cè)細(xì)堄嘤蜖顟B(tài)[29]。以上機(jī)理可以理解為溶液離子強(qiáng)度降低影響不同離子的活躍程度，進(jìn)而影響表1中的多種機(jī)理，是低礦化度水驅(qū)提高采收率的本質(zhì)原因。

2.2 不同離子對(duì)離子強(qiáng)度的影響差異

目前許多研究認(rèn)為，SO42-含量對(duì)多種機(jī)理的影響非常關(guān)鍵[30]。圖4為相同質(zhì)量濃度（1 000 mg/L）條件下水溶性離子與離子強(qiáng)度關(guān)系柱狀圖，可以看出不同離子類型的溶液離子強(qiáng)度存在差異，以Mg2+最大，Cl-最??；在PDI的3種離子中，提升SO42-濃度更有利于保持離子強(qiáng)度，進(jìn)而保持各離子的活躍程度。林梅欽等[31]2018年從離子及分子間相互作用的角度提出碳酸鹽巖適合高礦化度海水或高礦化度 NaSO4水驅(qū)。該注入水實(shí)質(zhì)也是一種 SO42-含量較高的低離子強(qiáng)度水源。除 SO42-外，同為 PDI但對(duì)離子強(qiáng)度影響較大的Ca2+、Mg2+應(yīng)該如何控制，則需考慮其絕對(duì)濃度與溶液離子強(qiáng)度的雙重影響。

圖4 水溶性離子對(duì)離子強(qiáng)度的影響柱狀圖

3 哈法亞油田Mishrif組灰?guī)r離子匹配水驅(qū)

3.1 哈法亞油田Mishrif組油藏條件對(duì)離子匹配水驅(qū)的適應(yīng)性

哈法亞油田Mishrif組為生物碎屑灰?guī)r，以顆?；?guī)r為主[32]，沉積于清潔的海相環(huán)境，儲(chǔ)集層中基本沒(méi)有黏土礦物[33]。從礦物學(xué)角度看，該類碳酸鹽巖油藏離子匹配水驅(qū)提高采收率機(jī)理與砂巖截然不同，不同礦物的比表面積、顆粒結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)不同離子有不同的反應(yīng)活性，而白堊系Mishrif組灰?guī)r對(duì)低離子強(qiáng)度、高SO42-濃度水的響應(yīng)優(yōu)于白云巖、純方解石和典型石灰?guī)r，其潤(rùn)濕性更易被改善[34]。本文隨機(jī)選取3塊Mishrif組天然巖心進(jìn)行X衍射礦物組成測(cè)試，結(jié)果見表3。

表3 Mishrif組天然巖心X衍射礦物組成

一般情況下，巖石中方解石含量越高、白云石含量越低，相同低礦化度水驅(qū)后接觸角減小幅度越大，巖石的水濕程度越高[17,35]。由表3可見，該油藏具備實(shí)施離子匹配水驅(qū)的巖石學(xué)條件。

Mishrif組碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間的非均質(zhì)性主要受次生孔隙（溶蝕孔、鑄模孔等）發(fā)育程度的影響，加之沉積后期經(jīng)歷流體溶蝕等過(guò)程的復(fù)雜改造，使地層水中高含某種主要礦物的組成離子。地層水離子組成在一定程度上反映了碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的原始離子平衡狀態(tài)，并影響注入水提高采收率的潛力[29]。

由表4可見，Mishrif組碳酸鹽巖地層水為 CaCl2水型，總礦化度及離子強(qiáng)度均較高。由表2可知，當(dāng)IS＞0.5 mol/L時(shí)無(wú)確定公式計(jì)算對(duì)應(yīng)的活度系數(shù)。因此根據(jù)一種特定案例（IS=0.7 mol/L時(shí)，SO42-活度系數(shù)等于0.11，Cl-活度系數(shù)等于0.68[27]）分析，Mishrif組地層水條件下（IS≥3.5 mol/L），PDI活度系數(shù)將小于0.11，而SO42-活度系數(shù)與 Cl-活度系數(shù)之差大于 0.57，加之催化離子SO42-濃度低，因此多種機(jī)理處于低效平衡中。

選取4塊巖心進(jìn)行相滲測(cè)試，結(jié)果如圖5所示，表明該油藏原始狀態(tài)下巖石偏親油（等滲點(diǎn)飽和度小于50%），殘余油飽和度下水相相對(duì)滲透率較高（大于0.5），不同類型巖心（不同初始溶蝕程度）之間的滲流規(guī)律存在差異。

表4 哈法亞油田Mishrif組碳酸鹽巖油藏基準(zhǔn)注入水源及離子組成

圖5 哈法亞油田Mishrif組碳酸鹽巖天然巖心相滲曲線

油藏的溫度和原油組成亦可影響離子匹配水驅(qū)的效果。哈法亞油田Mishrif組油藏原油瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香烴、飽和烴含量分別為 1.24%，5.41%，24.2%，69.15%，總酸值為0.24 mg/g，滿足實(shí)施離子匹配水驅(qū)的基本條件[18,36-37]；油藏溫度90 ℃，也是實(shí)施離子匹配水驅(qū)的有利條件[5]。

據(jù)上述油藏條件分析，實(shí)施離子匹配水驅(qū)的關(guān)鍵在于降低地層水的離子強(qiáng)度至某值以下以提升 PDI的活度系數(shù)，同時(shí)保證這些離子的濃度不至于過(guò)低。

3.2 研究方案

3.2.1 油水界面張力測(cè)定

鑒于油水界面張力對(duì)驅(qū)油效率的直接和間接影響，將當(dāng)前水源（見表4）按表5規(guī)則處理，評(píng)價(jià) 3種情況下的油水界面張力，以研究溶液礦化度、離子強(qiáng)度以及PDI對(duì)界面張力的影響：①相同離子組成但礦化度不同；②相同礦化度但離子組成不同；③PDI絕對(duì)濃度不同。

表5 不同水源優(yōu)化水處理方法

3.2.2 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

考慮碳酸鹽巖的非均質(zhì)性與離子匹配水驅(qū)機(jī)理的復(fù)雜性，室內(nèi)研究采用巖心驅(qū)替段塞對(duì)比實(shí)驗(yàn)（巖心參數(shù)見表6，方案設(shè)計(jì)見表7）綜合驗(yàn)證優(yōu)化水效果[8]。通過(guò)段塞對(duì)比可得到 2種優(yōu)化離子匹配水，同時(shí)得到最佳離子強(qiáng)度和總礦化度范圍。再將這 2種注入水進(jìn)行二次實(shí)驗(yàn)，得到最佳注入水，并在實(shí)驗(yàn)全過(guò)程中分析各類溶液的離子組成及離子行為，揭示機(jī)理。

表6 哈法亞油田Mishrif組碳酸鹽巖油藏天然巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表7 段塞對(duì)比法研究方案

實(shí)驗(yàn)用油為原油+航空煤油復(fù)配，溫度90 ℃條件下黏度2.5 mPa·s，設(shè)計(jì)驅(qū)替速度0.6 mL/min，按以下實(shí)驗(yàn)流程開展實(shí)驗(yàn)：①飽和地層水與模擬油；②溫度90 ℃條件下老化3 d；③按表7方案進(jìn)行不同段塞依次驅(qū)替，當(dāng)段塞驅(qū)替到連續(xù) 30 min含水率都大于99%時(shí)更換下一段塞（驅(qū)替無(wú)中斷），依此類推。

此外，采取以下措施以提升實(shí)驗(yàn)質(zhì)量：①考慮到巖心尺寸及計(jì)量精度，驅(qū)油效率增幅低于1%時(shí)不視為有效提升；②注入水均未生成沉淀，重點(diǎn)研究微觀驅(qū)油機(jī)理，排除二級(jí)機(jī)理Ⅲ對(duì)波及效率的影響。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與機(jī)理分析

4.1 注入水性能評(píng)價(jià)方法

4.1.1 離子活度系數(shù)擴(kuò)展公式

本文研究所用水源除河水外離子強(qiáng)度均偏高（見表4），表2公式不適用，當(dāng)IS＞0.5 mol/L時(shí)，目前沒(méi)有較為精確的公式計(jì)算離子強(qiáng)度與活度系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此根據(jù)表2中的公式繪制 SO42-、Cl-的活度系數(shù)差曲線（見圖6），并據(jù)此擬合經(jīng)驗(yàn)公式。

（5）式具有較高的相關(guān)系數(shù)（R2=0.969 8），僅用于IS＞0.5 mol/L情況下的近似表征。

4.1.2 離子有效濃度與注入水性能評(píng)價(jià)參數(shù)

哈法亞油田 Mishrif組碳酸鹽巖油藏原始條件（IS＞3.0 mol/L）的低效平衡狀態(tài)受一價(jià)離子絕對(duì)濃度高與SO42-、Cl-的活度系數(shù)差較大共同影響，本文定義有效濃度cV對(duì)離子濃度、活度系數(shù)的共同作用進(jìn)行表征。

離子的有效濃度越高，表明這種離子的真實(shí)活躍離子數(shù)量越多，行為能力越強(qiáng)。有效濃度的大小會(huì)直接影響二級(jí)機(jī)理Ⅰ、Ⅱ并間接影響二級(jí)機(jī)理Ⅲ、Ⅳ，與提高采收率關(guān)系密切。

為綜合考慮PDI中3種離子的有效濃度對(duì)各類機(jī)理以及驅(qū)油效率的影響，采用PDI中3種離子濃度之和進(jìn)行表征，同時(shí)利用（6）式計(jì)算表4中地層水不斷稀釋離子強(qiáng)度不斷降低條件下PDI濃度之和、活度系數(shù)、有效濃度之和隨離子強(qiáng)度變化關(guān)系（見圖7）。

圖6 SO42-與Cl-活度系數(shù)差曲線

圖7 地層水PDI濃度之和、活度系數(shù)、有效濃度之和隨離子強(qiáng)度變化關(guān)系

如圖7a所示，PDI活度系數(shù)、PDI濃度與溶液離子強(qiáng)度具有相反的相關(guān)性，表明存在最佳離子強(qiáng)度范圍，使 PDI的有效濃度值最大（見圖7b）。該最佳離子強(qiáng)度范圍內(nèi)離子濃度、活度系數(shù)對(duì) PDI有效濃度的影響權(quán)重發(fā)生轉(zhuǎn)化，即當(dāng)離子強(qiáng)度較小時(shí)，注入水應(yīng)以提升 PDI濃度為主，反之則以提升活度系數(shù)為主。這里可定義一個(gè)（或多個(gè)）與有效濃度相關(guān)的“參數(shù)”，當(dāng)后一段塞的該“參數(shù)”低于前一段塞時(shí)，進(jìn)一步提升驅(qū)油效率的效果甚微，該參數(shù)用于對(duì)比表7設(shè)計(jì)的不同離子強(qiáng)度或總礦化度條件下的段塞方案。因此，在總礦化度之外建立與離子強(qiáng)度、離子有效濃度相關(guān)的“三參數(shù)”用于進(jìn)一步研究，分別為：①SO42-有效濃度；②PDI有效濃度之和；③SO42-與Cl-的有效濃度差。

4.2 油水界面張力降低機(jī)理與離子有效濃度的關(guān)系

前文研究表明，等比例稀釋水溶液會(huì)導(dǎo)致離子強(qiáng)度下降，進(jìn)而導(dǎo)致水中各離子的絕對(duì)濃度下降、活度系數(shù)上升（尤其是高價(jià)離子）。圖8顯示，含 SO42-絕對(duì)濃度相對(duì)較高的海水與原油的界面張力整體低于相同離子強(qiáng)度下缺乏SO42-的地層水。此外，兩者隨離子強(qiáng)度變化的規(guī)律存在以下差異：海水與原油的界面張力基本隨離子強(qiáng)度的降低而下降，SO42-濃度的下降沒(méi)有改變界面張力下降的趨勢(shì)，因此海水優(yōu)化的主要途徑是提升SO42-的活度系數(shù)；但地層水與原油的界面張力存在最低（佳）值，SO42-濃度和活度系數(shù)的改變幅度影響了界面張力下降的趨勢(shì)，因此地層水優(yōu)化的主要途徑是同時(shí)提升SO42-的離子濃度與活度系數(shù)。該規(guī)律體現(xiàn)了 SO42-的濃度與活度系數(shù)對(duì)油水界面張力降低的影響權(quán)重轉(zhuǎn)化。此外，兩種水源在測(cè)試范圍內(nèi)的最佳離子強(qiáng)度均為0.1 mol/L左右。

對(duì)于離子強(qiáng)度相對(duì)較低的河水，根據(jù)表5中地層水稀釋方案測(cè)試結(jié)果（見圖9）可知，在IS＜0.1 mol/L時(shí)，界面張力基本隨離子強(qiáng)度升高而降低，加入SO42-后（IS值由0.04 mol/L升高到0.05 mol/L）界面張力降低較明顯，加入Ca2+（IS值由0.05 mol/L升高到0.09 mol/L）后基本持平。3種水源的界面張力測(cè)試表明，SO42-有效濃度與界面張力關(guān)系密切。

圖8 油水界面張力隨離子強(qiáng)度的變化規(guī)律

圖9 不同方法處理后河水與原油界面張力隨離子強(qiáng)度的變化規(guī)律

目前哈法亞油田地區(qū)存在 9種不同離子組成的水源（含優(yōu)化水），對(duì)其油水界面張力、總礦化度、有效濃度等參數(shù)作圖并進(jìn)行曲線擬合（見圖10），可以發(fā)現(xiàn)，油水界面張力與注入水中離子SO42-有效濃度的相關(guān)性更好。

圖10 油水界面張力與總礦化度、有效濃度的擬合關(guān)系

對(duì)砂巖而言，其臨界毛管數(shù)很大，一般表面活性劑驅(qū)只有達(dá)到超低界面張力（1×10-3mN/m 數(shù)量級(jí)）才有提高采收率效果，目前離子匹配水僅能使油水界面張力降低到1×100mN/m數(shù)量級(jí)，毛管數(shù)相對(duì)較小，因此在一定程度上該機(jī)理的作用被忽視。但是，根據(jù)經(jīng)典毛細(xì)管減飽和度曲線的延伸研究[38]，當(dāng)原油從潤(rùn)濕相變?yōu)榉菨?rùn)濕相且?guī)r性為孔隙分布較寬的碳酸鹽巖時(shí)，提升驅(qū)油效率所需的臨界毛管數(shù)將大幅降低至 1×10-7左右。利用毛管數(shù)公式計(jì)算本文實(shí)驗(yàn)條件下的毛管數(shù)，該值最高可達(dá) 1×10-6（高于臨界毛管數(shù)）。目前有針對(duì)碳酸鹽巖的研究案例認(rèn)為油水界面張力從40 mN/m降低至3 mN/m時(shí)，驅(qū)油效率提升4%[39]，表明油水界面張力降低提高采收率機(jī)理不可忽視。

4.3 離子匹配水驅(qū)的總礦化度和離子強(qiáng)度最佳范圍

圖11、圖12為1#、2#實(shí)驗(yàn)方案驅(qū)油效果曲線，可看出稀釋的離子匹配水具有提高驅(qū)油效率的作用，其中第2個(gè)段塞效果最為明顯。將各段塞增油效果量化（見圖13），并進(jìn)行段塞對(duì)比可知：地層水段塞3與海水段塞 4為臨界段塞（下一段塞提高驅(qū)油效率幅度小于1%）；地層水第2段塞提高驅(qū)油效率1.3%，不同稀釋倍數(shù)地層水2次驅(qū)替共提高驅(qū)油效率2.4%（不包括驅(qū)油效率提高幅度小于1%的段塞）；海水第2段塞提高驅(qū)油效率4.6%，不同稀釋倍數(shù)海水3次驅(qū)替共提高驅(qū)油效率7.7%。將臨界段塞與下一段塞的總礦化度及離子強(qiáng)度區(qū)間作為最優(yōu)范圍（見表8），當(dāng)離子強(qiáng)度小于0.11 mol/L時(shí)，降低離子強(qiáng)度不能進(jìn)一步有效提升驅(qū)油效率。其中，地層水最佳離子強(qiáng)度范圍與采用“三參數(shù)”中PDI有效濃度之和預(yù)測(cè)的范圍（小于0.50 mol/L）接近（見圖7），兩者存在差異原因可能在于PDI有效濃度之和為3種PDI離子濃度的簡(jiǎn)單加和，不能區(qū)分SO42-的催化作用以及不同離子間的作用差異，PDI各離子濃度對(duì)采收率的影響應(yīng)具有更復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。此外，2種水源的最佳離子強(qiáng)度范圍均稍大于界面張力測(cè)試結(jié)果。據(jù)理論分析、界面張力測(cè)試和驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，建議當(dāng)前條件下 Mishrif組碳酸鹽巖的注入水總礦化度為5 500～10 000 mg/L，離子強(qiáng)度為0.11～0.18 mol/L。

目前關(guān)于注入水總礦化度最佳范圍的研究認(rèn)為，砂巖離子匹配水驅(qū)提高機(jī)理相對(duì)比碳酸鹽巖簡(jiǎn)單，注入水總礦化度一般在2 000～7 000 mg/L時(shí)表現(xiàn)最佳[40]。但在碳酸鹽巖中，注入水總礦化度在20 000～33 000 mg/L[11]或5 000～10 000 mg/L[10]時(shí)，均被證實(shí)可以有效提高采收率。碳酸鹽巖的注入水最優(yōu)總礦化度范圍更加難以確定，因?yàn)樵擃愑筒氐牟墒章侍嵘且粋€(gè)多機(jī)理直接或間接影響的過(guò)程，因而對(duì)于碳酸鹽巖油藏，采用總礦化度單參數(shù)表征注入水中的離子濃度與離子行為，或依據(jù)單個(gè)機(jī)理進(jìn)行評(píng)價(jià)、篩選離子匹配水缺乏可靠性。

圖11 1#實(shí)驗(yàn)連續(xù)驅(qū)替驅(qū)油效率曲線

圖12 2#實(shí)驗(yàn)連續(xù)驅(qū)替驅(qū)油效率曲線

圖13 1#、2#實(shí)驗(yàn)驅(qū)油效率段塞對(duì)比

表8 2種水源的最佳總礦化度及離子強(qiáng)度范圍

4.4 兩種優(yōu)化水對(duì)比與“三參數(shù)”驗(yàn)證

表9為2種優(yōu)化離子匹配水的主要離子組成，可以看出其總礦化度和離子強(qiáng)度均處于最佳范圍?？偟V化度相同時(shí)，離子強(qiáng)度更高的優(yōu)化水2比優(yōu)化水1驅(qū)油效率更高，高約3.14%（見圖14）。計(jì)算并對(duì)比2種優(yōu)化水及原始地層水的“三參數(shù)”（見圖15），可以發(fā)現(xiàn) 2個(gè)規(guī)律：①兩種優(yōu)化水的“三參數(shù)”均優(yōu)于原始地層水（雖然地層水的Ca2+、Mg2+絕對(duì)濃度高）；②優(yōu)化水2的“三參數(shù)”均優(yōu)于優(yōu)化水1，尤其陰離子有效濃度差異較大。注入的離子匹配水與地層水接觸后可打破原有物理化學(xué)平衡提高驅(qū)油效率，形成更有利于驅(qū)油的新平衡。注入水的“三參數(shù)”比總礦化度、離子濃度對(duì)驅(qū)油效率的影響更大。

表9 兩種優(yōu)化離子匹配水的主要離子組成

圖14 兩種不同水源的優(yōu)化水連續(xù)驅(qū)替曲線

當(dāng)前室內(nèi)物理模擬技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)都無(wú)法完全模擬碳酸鹽巖的復(fù)雜油藏條件，以及多種影響因素的動(dòng)態(tài)變化，因此當(dāng)前對(duì)提高采收率機(jī)理認(rèn)識(shí)仍然存在爭(zhēng)議。對(duì)于哈法亞油田Mishrif組灰?guī)r油藏而言，使注入水滿足表8中的離子強(qiáng)度（或總礦化度）范圍可以獲得較高的驅(qū)油效率。海水稀釋 6倍是該油藏的理想注入水。

離子匹配技術(shù)除將水源進(jìn)行稀釋外，還可以在此基礎(chǔ)上視地層條件與注入階段的不同而精準(zhǔn)制定注入水離子組成。如表4中地層水存在較高濃度Ca2+、Mg2+，且在降低水溶液的離子強(qiáng)度進(jìn)而降低 Ca2+、Mg2+濃度后，受離子強(qiáng)度與二級(jí)機(jī)理Ⅱ的影響，兩種離子會(huì)得到一定的原位補(bǔ)充。所以，注水初期注重提升 SO42-濃度或可有效提高采收率。但當(dāng)注入孔隙體積倍數(shù)較大、原地層水偏少或呈束縛態(tài)、巖石與注入水形成新離子平衡時(shí)，可能需在保持離子強(qiáng)度范圍的前提下適當(dāng)提升Ca2+、Mg2+濃度，該部分仍需進(jìn)一步研究。

圖15 注入水與原始地層水“三參數(shù)”對(duì)比

5 結(jié)論

碳酸鹽巖油藏離子匹配水驅(qū)提高采收率機(jī)理主要表現(xiàn)為：①降低地層水離子強(qiáng)度、匹配地層水離子組成，進(jìn)而降低碳酸鹽巖巖石表面一價(jià)離子與二價(jià)離子的有效濃度差，提高PDI有效濃度（尤其是SO42-）；②改善潤(rùn)濕性、改善油水界面性質(zhì)、小幅改善油藏孔隙結(jié)構(gòu)與物性，最終在打破原有地層離子平衡的同時(shí)建立有利于水驅(qū)油的新離子平衡，改善驅(qū)油效果。

與總礦化度相比，離子強(qiáng)度更適合表征離子行為對(duì)碳酸鹽巖離子匹配水驅(qū)機(jī)理的影響：根據(jù)離子強(qiáng)度可確定有效濃度，進(jìn)而確定“三參數(shù)”（SO42-有效濃度、PDI有效濃度之和、SO42-與Cl-有效濃度差），有效表征離子行為與驅(qū)油機(jī)理間的密切關(guān)系。

在哈法亞油田Mishrif組碳酸鹽巖油藏實(shí)施離子匹配水驅(qū)時(shí)，注入水總礦化度與離子強(qiáng)度存在最佳范圍，總礦化度為5 500～10 000 mg/L，離子強(qiáng)度為0.11～0.18 mol/L。稀釋6倍的海水比較適合該油藏的水驅(qū)開發(fā)，與普通海水相比，可提高驅(qū)油效率4.60%以上；與最佳稀釋倍數(shù)地層水相比，可提高驅(qū)油效率3.14%。

符號(hào)注釋：

A——與水介電常數(shù)有關(guān)的系數(shù)，溫度為25 ℃時(shí)A=0.5，隨溫度增加而小幅增大；c——離子濃度，mg/L；cV——離子有效濃度，mg/L；i——離子編號(hào)；n——離子總數(shù)；IS——離子強(qiáng)度，mol/L；z——離子所帶的電荷數(shù)，個(gè)；M——離子物質(zhì)的量濃度，mol/L；γ——活度系數(shù)，無(wú)因次。