低礦化度水驅(qū)提高原油采收率研究進(jìn)展*

閆 飚，范洪富，伍國棟

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083）

低礦化度水驅(qū)（LSW）是指向地層中注入礦化度為1～5 g/L的水來提高原油采收率［1］。這項(xiàng)技術(shù)因?yàn)槠湎鄬?duì)簡(jiǎn)單的工藝和低廉的成本而受到廣泛的關(guān)注。LSW提高采收率的歷史可以追溯到20世紀(jì)50 年代末。1959 年，Martin 等［2］發(fā)現(xiàn)向委內(nèi)瑞拉>Maracaibo 盆地注入稀釋后的海水可以逐步提高石油采收率。1967 年，Bernard 等［3］發(fā)現(xiàn)用低礦化度NaCl鹽水驅(qū)替含黏土的砂巖巖心，可以增加石油的采收率。20 世紀(jì)90 年代，由懷俄明大學(xué)的Morrow博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組針對(duì)低礦化度注水提高采收率這一課題展開了重點(diǎn)研究，發(fā)現(xiàn)注入鹽水成分的變化會(huì)影響石油采收率［4-5］。隨后，Yildiz 等［6］也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。Tang和Morrow之后也推進(jìn)了鹽水礦化度對(duì)提高采收率影響的研究［7-8］。從2004年開始，BP公司對(duì)LSW采油開展了積極的研究，分別在地面和油藏條件下進(jìn)行了巖心驅(qū)替研究、單井示蹤劑測(cè)試和測(cè)井-注入-測(cè)井實(shí)驗(yàn)［9-11］。其他石油公司也對(duì)此展開了研究，如Shell 公司對(duì)LSW 提高采收率的機(jī)理進(jìn)行深入的探索，科威特AAP Energy公司在科威特Greater Burgan油田開展了LSW提高采收率試驗(yàn)。近年來，隨著石油開采的增加，石油工業(yè)對(duì)新的開采工藝的需求也在增大，LSW技術(shù)正面臨著廣闊的應(yīng)用前景，但是相關(guān)的采油機(jī)理還存在爭(zhēng)議。本文分析了LSW提高原油采收率的機(jī)理，介紹了LSW 的適用條件，總結(jié)了LSW 和其他驅(qū)油工藝結(jié)合的新技術(shù)，介紹了分子模擬方法在水驅(qū)方面的應(yīng)用，并對(duì)未來的研究提出了建議。

1 提高采收率原理

LSW是一種較新的提高采收率技術(shù)，相關(guān)研究也越來越深入，但是對(duì)其作用機(jī)制仍然沒有一個(gè)確定的結(jié)論。原油/鹽水/巖石之間相互作用的復(fù)雜性是導(dǎo)致LSW 提高采收率機(jī)制混亂的主要原因。由于體系的多樣性和復(fù)雜性，多種機(jī)制在發(fā)揮作用，而且某些機(jī)制只在特定的條件下才起作用。迄今為止，部分機(jī)理已經(jīng)被廣泛認(rèn)可。對(duì)于砂巖油藏而言，LSW 的機(jī)理可以分為兩個(gè)不同的類別：微粒運(yùn)移和潤濕性變化。

1.1 微粒運(yùn)移

當(dāng)注入鹽水的礦化度低于臨界絮凝濃度時(shí)，儲(chǔ)層中的黏土礦物會(huì)水化和膨脹，進(jìn)而發(fā)生運(yùn)移。

1.1.1 提高波及效率

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為微粒運(yùn)移會(huì)造成儲(chǔ)層傷害，降低滲透率，但是在低礦化度注水采油時(shí)可以起到調(diào)剖、改善儲(chǔ)層非均質(zhì)性的作用。驅(qū)油過程中黏土發(fā)生膨脹和微粒運(yùn)移，從而堵塞高滲透層，將注入水分流進(jìn)入低滲透層，引起微觀的波及效率提高，進(jìn)而提高采收率［3］。李雪嬌等［12］用智能水驅(qū)進(jìn)行巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，比較了巖心經(jīng)煅燒前后的采收率，發(fā)現(xiàn)沒有煅燒過的巖心采收率明顯要高。

1.1.2 含油顆粒的釋放

由于黏土顆粒在孔隙壁上吸附了原油的極性組分，注入低礦化度水可以剝離孔隙壁上的細(xì)小顆粒以及附著的油組分，剝離出來的細(xì)粒遷移并聚集，使石油凝聚在一起［8］。

然而，有研究表明，LSW 可以在不伴隨地層傷害和增加壓降的情況下提高采收率。Larger等［13］在多次的LSW驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在采油量提升的同時(shí)并沒有觀察到任何的微粒運(yùn)移現(xiàn)象；Berg等［14］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是如此；Zhang 等［15］在實(shí)驗(yàn)中也沒有發(fā)現(xiàn)產(chǎn)出水或油水界面存在黏土含量的證據(jù)。出現(xiàn)這種情況的原因推測(cè)是在驅(qū)油過程中，除微粒運(yùn)移外的其他機(jī)制起到了作用，這說明無論是提高波及效率還是含油微粒的釋放并不是LSW 提高采收率的主要機(jī)制。

1.2 潤濕性的改變

1.2.1 類堿驅(qū)

早在1987 年，Kia 等［16］在研究注入水中鹽成分對(duì)水敏現(xiàn)象的影響實(shí)驗(yàn)中，用NaCl 或CaCl2溶液飽和含黏土的Berea 砂巖，再用清水進(jìn)行驅(qū)替。在所有實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)入砂巖的溶液的pH值約為6.5，然而產(chǎn)出液的pH 值大約為7.5、8.6 和8.3，分析認(rèn)為pH 的升高是微量可溶礦物（如方解石）增溶的結(jié)果。Valdya等［17］在研究酸堿度對(duì)微粒運(yùn)移造成的地層損害時(shí)發(fā)現(xiàn)，在低pH值下黏土的分散性最小，這說明pH值的升高有利于提高采收率。

Mcguire 等［18］提出，低礦化度水驅(qū)的機(jī)制可能是由于pH 值的升高和界面張力（IFT）的降低，類似堿驅(qū)。pH 值的增加是由于水中的氫離子與被吸附的陽離子交換造成的［19］。當(dāng)原油與pH值升高的低鹽度水接觸時(shí)，油中的酸或極性組分可通過皂化反應(yīng)生成原位表面活性劑，進(jìn)而降低油水界面張力，生成的表面活性劑可以改變巖石表面的潤濕性，還可以充當(dāng)乳化劑，使油分散到水中，這種乳化作用可以提高水驅(qū)效率。然而，在堿水驅(qū)過程中常用的溶液pH值通常為11～13。為了能夠產(chǎn)生表面活性劑，pH 值需要大于9［20］，而在典型的低礦化度水驅(qū)時(shí)，pH 值一般小于這個(gè)數(shù)值。另外，Zhang 等［21］在LSW 實(shí)驗(yàn)中報(bào)告的油水界面張力為16 mN/m。Buckley 等［22］在pH＜9 時(shí)測(cè)得的IFT 值超過10 mN/m。這樣的IFT 還不夠低，不足以降低三次采油的剩余油飽和度。因此，LSW的類堿驅(qū)機(jī)理還需要探討，可能對(duì)提高采收率有影響，但不起主要作用。

1.2.2 pH值升高導(dǎo)致解吸

Austad 等［23］提出原油中的有機(jī)物由于pH 升高而解吸。低礦化度注水過程中，隨著礦化度的降低，鹽水中吸附的陽離子與解吸的陽離子之間的平衡被破壞，為了抵消這種影響，初始吸附在巖石上的陽離子發(fā)生解吸，從而提高pH 值。pH 值的增加會(huì)導(dǎo)致吸附的酸性物質(zhì)和質(zhì)子化的堿性物質(zhì)與OH-的快速反應(yīng)，從而使有機(jī)物質(zhì)從巖石表面解吸。巖石的水潤濕性得到改善，進(jìn)而提高采收率。

楊杰等［24］在研究pH 對(duì)潤濕性的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)在酸性條件下，石油酸的電離被抑制，以羧酸分子形式存在，堿組分被電離而帶正電，羧酸分子與正電性堿組分可分別通過氫鍵、庫侖力吸附于砂巖表面的負(fù)電性硅醇基團(tuán)，導(dǎo)致砂巖表面的親水性減弱。當(dāng)體系pH 升高時(shí)，吸附的羧酸分子被電離為負(fù)電性羧酸根，正電性堿電離被抑制為電中性堿，導(dǎo)致酸堿組分從砂巖表面脫落，砂巖表面的親水性增強(qiáng)。pH值升高導(dǎo)致吸附的有機(jī)物解吸，從而使巖石表面更加水濕，進(jìn)而提高水驅(qū)采收率。

1.2.3 多組分離子交換

最初，Valocchi 等［25］在微咸水含水層中注入淡水，注意到不同生產(chǎn)井中的Ca2+和Mg2+濃度低于注入水和原生水。低礦化度注水會(huì)引起注入水與巖石表面的多組分離子交換，從而導(dǎo)致較高的采收率。通過分析采出液并將其化學(xué)成分與注入鹽水的化學(xué)成分進(jìn)行比較，證實(shí)了陽離子交換的存在。一般來說，影響儲(chǔ)集層黏土吸附原油的機(jī)制有4種，均由多組分離子交換引起的。這些機(jī)理包括陽離子交換、配體鍵合、陽離子橋聯(lián)和水橋聯(lián)。鹽水中的二價(jià)陽離子與巖石表面和原油中的有機(jī)物質(zhì)搭橋使原油中的有機(jī)物大量鋪集在巖石表面，導(dǎo)致巖石油濕。注入鹽水后，其中的低價(jià)陽離子自身的交換能力較弱，但是可以通過濃度擴(kuò)散交換高價(jià)的鈣、鎂離子，從而使原油從巖石孔隙表面脫附，提高驅(qū)油效率［13］，本質(zhì)上也是改變了巖石表面的潤濕性。

許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究。李雪嬌等［12］檢測(cè)低礦化度水驅(qū)產(chǎn)出液各離子的質(zhì)量濃度時(shí)發(fā)現(xiàn)，Ca2+的質(zhì)量濃度先大幅增加后逐漸降低，Mg2+的質(zhì)量濃度先小幅增加再逐漸減小，最終逐漸趨于平穩(wěn)，說明水驅(qū)過程中存在少量Mg2+交換Ca2+以及注入水中的H+交換黏土表面大量的Ca2+的過程，可見水驅(qū)過程中存在離子交換。AL-Saedi 等［26］的實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了離子交換機(jī)制的存在。

在多組分離子交換機(jī)制中，注入的低礦化度水中的低價(jià)陽離子取代作為橋連基礎(chǔ)的高價(jià)陽離子是這一機(jī)制發(fā)揮作用的基礎(chǔ)，因此注入水中應(yīng)不含高價(jià)陽離子。然而，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示［6，15］，當(dāng)注入水礦化度從8 g/L降至1.5 g/L的同時(shí)添加二價(jià)離子時(shí)，采收率反而有所提高。Yildiz 等［6］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，在原生水含2% CaCl2的條件下使用4%NaCl+0.5%CaCl2溶液，得到的原油采收率最高。這些都不是多組分離子交換作用能夠解釋的，在油/鹽水/巖石體系中還存在更為復(fù)雜的相互作用。因此，多組分離子交換理論還需要進(jìn)一步探索。

1.2.4 雙電層效應(yīng)

儲(chǔ)層中被油飽和的巖石孔隙被殘留的薄鹽水膜潤濕，油相占據(jù)了剩余的孔隙［27］。通過各種油/鹽水/巖石的相互作用，石油分子在巖石表面的鋪集可能導(dǎo)致巖石變得更加油濕［28］。油/水/巖石體系存在油/鹽水和鹽水/巖石兩個(gè)界面，每個(gè)界面都分布著一個(gè)雙電層。

油藏中巖石的潤濕性取決于水膜的穩(wěn)定性，而水膜穩(wěn)定性取決于油/鹽水、鹽水/巖石界面電荷的電性及大?。?9］。在油/鹽水/巖石體系中，表面電荷是溶液pH 值的函數(shù)［16］。一般情況下，當(dāng)鹽水溶液的pH 值大于2 時(shí)，砂巖表面為負(fù)電荷，并且在油藏條件下的原油/鹽水界面一般也為負(fù)電荷。而低礦化度下油水界面所帶的負(fù)電量大于高礦化度的油水界面［30］，當(dāng)注入水礦化度降低時(shí)，兩個(gè)雙電層膨脹，雙電層之間的斥力增強(qiáng)，巖石表面的水膜變厚，因此也就越穩(wěn)定，巖石的親水性越強(qiáng)。Ligthelm等［31］也提出雙電層膨脹機(jī)理是低礦化度水驅(qū)提高采收率的主要原因。Nasralla 等［32］通過接觸角測(cè)試和Zeta 電位測(cè)試研究原油/鹽水界面電荷對(duì)云母表面潤濕性的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)在不同溫度和壓力條件下，低礦化度鹽水讓巖石表面的親水性增強(qiáng)。在研究砂巖油藏中石英及黏土礦物表面Zeta 電位及潤濕角的變化規(guī)律時(shí)，尉雪梅等［33］發(fā)現(xiàn)黏土礦物表面在低礦化度水的作用下會(huì)發(fā)生離子交換并造成電位變化，進(jìn)而引發(fā)潤濕性的改變。崔傳智等［34］也證明了這一點(diǎn)，他們發(fā)現(xiàn)少量二價(jià)陽離子便可急劇壓縮擴(kuò)散雙電層，削弱界面間的靜電斥力作用，產(chǎn)生負(fù)分離壓力，導(dǎo)致水膜變薄，巖石水潤濕性減弱，不利于提高洗油效率。因此，在低礦化度水驅(qū)過程中，注入低鹽度水后，通過兩個(gè)雙電層的膨脹增大了薄膜兩側(cè)界面之間的靜電排斥，薄膜變得更厚、更穩(wěn)定，巖石更加水濕。另外，在砂巖油藏中，當(dāng)黏土礦物存在時(shí)，雙電層的膨脹增大了黏土層之間的排斥力，引起微粒運(yùn)移，從而從另一個(gè)角度影響采收率。然而，Sharma等［35］觀察到水膜在高鹽度下更穩(wěn)定，這與上述結(jié)果不一致，因此在之后的工作中需要針對(duì)鹽水膜進(jìn)行研究。

1.2.5 鹽析作用

極性有機(jī)組分在水中的溶解度受離子組成和鹽度的影響，有機(jī)物質(zhì)在水中的溶解度可以通過向溶液中加入鹽而急劇降低；反之，通過從水中除去鹽而增加。有機(jī)物質(zhì)通過疏水部分周圍氫鍵形成的水結(jié)構(gòu)而溶解。而無機(jī)離子（Ca2+、Mg2+、Na+）破壞了有機(jī)分子周圍的水結(jié)構(gòu)，從而降低溶解度。陽離子破壞結(jié)構(gòu)的能力反映在它們的水合能上，因此二價(jià)離子對(duì)有機(jī)物質(zhì)在水中的溶解度有更強(qiáng)的影響。鹽度降低到臨界離子強(qiáng)度以下可以增加有機(jī)物質(zhì)在水相中的溶解度，即為鹽析效應(yīng)［36］。這一機(jī)理類似于潤濕性由油濕向水濕的轉(zhuǎn)變，有機(jī)物溶解度在水相中的增加相當(dāng)于從巖石表面解吸油滴。然而，這一機(jī)制不能解釋采收率對(duì)礦物組成、pH、礦化度等的依賴關(guān)系。

鹽析作用在砂巖油藏和碳酸鹽巖油藏中均有發(fā)生。Kumar等［37］利用原子力顯微鏡觀察沉積在方解石表面的有機(jī)層對(duì)不同鹽度鹽水的原位微觀響應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)層在高鹽度水中保持穩(wěn)定，在暴露于低鹽度水時(shí)解吸。此外，有機(jī)質(zhì)層在低鹽度鹽水中膨脹，其剛度與鹽水鹽度成正比。這些觀察結(jié)果均為鹽析效應(yīng)的存在提供了證據(jù)。在鹽析效應(yīng)中，有機(jī)層與溶劑分子的親和力隨著鹽水鹽度的降低而增加。有機(jī)物的溶脹和解吸為鹽水進(jìn)入礦物表面提供了通道，導(dǎo)致礦物表面的溶解和潤濕性的改變。

1.2.6 滲透壓力

在驅(qū)油過程中，孔道中的油滴起到了半透膜的作用，油滴可以在滲透壓梯度下移動(dòng)。注入的低礦化度水和原生水之間存在鹽度差，因此在低礦化度水驅(qū)過程中，水可以通過油的擴(kuò)散從主孔道進(jìn)入導(dǎo)流能力較差的孔隙網(wǎng)絡(luò)中，提高洗油效率［38］。

1.3 碳酸鹽巖油藏

Yousef 等［39］首先觀察到碳酸鹽中的低鹽度效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)海水中的鹽水/碳酸鹽巖的Zeta 電位會(huì)隨著鹽度的降低而變得越來越負(fù)。Ayirala 等［40］發(fā)現(xiàn)，在高礦化度水條件下的方解石/鹽水界面和油/鹽水界面上觀察到的Zeta電位極性相反，可以破壞薄水膜，使原油直接接觸到巖石表面，從而產(chǎn)生油潤濕性。相比之下，低礦化度水條件下的油/鹽水界面顯示出越來越負(fù)的Zeta電位，在方解石/鹽水界面是極性反轉(zhuǎn)為負(fù)的Zeta電位，以穩(wěn)定巖石表面的水膜，隨后呈現(xiàn)水潤濕性。目前認(rèn)為碳酸鹽巖中的低礦化度水驅(qū)效果主要是由礦物（特別是硬石膏）的溶解引起的。

首先是對(duì)雙電層的影響。低礦化度水注入碳酸鹽巖儲(chǔ)層，擾亂了鹽水膜中溶解的離子、吸附在巖石表面的離子與結(jié)合在巖石基質(zhì)中的物質(zhì)之間建立的熱力學(xué)平衡，從而導(dǎo)致方解石和硬石膏等礦物的溶解。這些礦物溶解產(chǎn)生的離子可以抵消鹽水膜中溶解的離子的濃度下降。礦物的溶解提高了pH 值并生成SO42-，繼而引起鹽水/巖石界面的負(fù)電荷增多，與帶負(fù)電的油水界面產(chǎn)生更強(qiáng)的排斥，使水膜變厚，巖石更加水濕［41-44］。其次，低礦化度水驅(qū)中硬石膏溶解產(chǎn)生的SO42-吸附到碳酸鹽表面，導(dǎo)致Ca2+和Mg2+在巖石上的共吸附。然后，Ca2+可以與油中與碳酸鹽表面結(jié)合的羧基反應(yīng)。與Ca2+的反應(yīng)破壞了鹽水/油和鹽水/碳酸鹽界面之間的鍵，并導(dǎo)致羧基的釋放，從而提高了石油采收率。在足夠高的溫度下，Mg2+可以取代碳酸鹽表面的Ca2+，從而取代表面上橋連到羧基的Ca2+。以這種方式，鈣/鎂替代物進(jìn)一步提高了石油采收率。在這種機(jī)理的解釋中一價(jià)陽離子是否存在并不重要［43］。另外，硬石膏的溶解可以增加孔隙的連通性從而改善儲(chǔ)集層的滲透性［39，45］，以此來提高原油采收率。

1.4 總結(jié)

除了上述的機(jī)制以外，目前的研究發(fā)現(xiàn)，注入低礦化度水后，移動(dòng)的微粒穩(wěn)定后重新定向排列形成的界面/薄層也對(duì)采油量的增加有積極影響［46］。但不論是哪一種機(jī)理，都沒有非常確定的證據(jù)證明其一定存在，還需要進(jìn)一步的探索。

對(duì)于砂巖油藏，LSW提高采收率的機(jī)制總的來說可以分為兩種獨(dú)立的機(jī)理：微粒運(yùn)移和潤濕性的改變。微粒運(yùn)移表現(xiàn)在當(dāng)用低礦化度水沖洗油層時(shí)，含油黏土顆粒從油層表面釋放出來，并將油帶到下游，同時(shí)起到堵水調(diào)剖的作用；潤濕性的改變表現(xiàn)為在油/鹽水/巖石三相界面引入低礦化度水，直接改變了體系的界面性質(zhì)，這使得儲(chǔ)層變得越來越水濕，釋放出更多的原油。對(duì)于碳酸鹽巖油藏，LSW的效果主要是由礦物的溶解引起的，其機(jī)理包括雙電層的作用、離子的吸附與交換以及滲透性的改善，溶解產(chǎn)生的SO42-發(fā)揮了重要作用。

2 適用條件

2.1 黏土的存在

黏土礦物廣泛存在于砂巖儲(chǔ)層的孔隙中，在石英上形成表面涂層。這些礦物被認(rèn)為與儲(chǔ)層中的石油有顯著的相互作用，因此在巖石的整體潤濕性中起著決定性的作用［8，47］。從這一點(diǎn)來看，砂巖儲(chǔ)層比碳酸鹽儲(chǔ)層更適合用LSW來提高采收率，因?yàn)樗鼈兒懈嗟酿ね恋V物。但也有研究發(fā)現(xiàn)，通過LSW 實(shí)驗(yàn)在不含黏土的砂巖巖心中也發(fā)現(xiàn)了原油分子與砂體的分離現(xiàn)象，只是不像含黏土的砂巖巖心那樣明顯，且Ca2+解吸現(xiàn)象顯著，這表明在不存在黏土的情況下，LSW也能獲得更高的采收率［26］。通過機(jī)理分析可以看到，黏土的存在對(duì)LSW中的微粒運(yùn)移有影響，但在砂巖油藏中的石英礦物表面通過羥基去質(zhì)子化帶電，也會(huì)出現(xiàn)多組分離子交換以及pH 值升高等現(xiàn)象，因此黏土對(duì)于LSW 提高采收率來說并不是必需的。

2.2 極性石油組分

極性石油組分的存在是LSW 提高采收率的必要條件。Zhang 等［44］指出，與含有極性基團(tuán)的油相比，去掉極性油成分的原油在較低的礦化度下不會(huì)表現(xiàn)出石油采收率的增加。有學(xué)者［8］認(rèn)為，極性官能團(tuán)主要與儲(chǔ)集層中存在的黏土礦物相互作用，由此黏土可以將石油錨定在儲(chǔ)集層巖石上，從而減少石油從表面釋放的趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，注入低礦化度水使原油解吸，才能表現(xiàn)出提高采收率的作用。也有學(xué)者［48］認(rèn)為，油中的極性組分起到天然表面活性劑的作用，直接改變了原油/鹽水/巖石三相體系的潤濕性。另外，帶電的石油分子在多組分離子交換中也發(fā)揮著重要作用。

2.3 初始水存在并且含有二價(jià)陽離子

Tang等［8］提出初始含水飽和度是降低礦化度提高采收率的必要條件，指出了初始含水飽和度的重要性。他們發(fā)現(xiàn)礦化度的變化對(duì)于最初被原油100%飽和的巖心沒有影響。Zhang 等［21］在對(duì)比LSW 對(duì)油/巖石體系和油/鹽水/巖石體系的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，油/巖石體系對(duì)LSW基本上不敏感，而注入鹽水建立殘余油體系后，再注入低礦化度水，采收率明顯提高。因此，初始水的存在對(duì)LSW工藝的應(yīng)用是必需的。

研究表明［49］，二價(jià)陽離子（鈣鎂離子）對(duì)鹽水/油界面的影響顯著，而鈉離子對(duì)界面的影響不大。陽離子和有機(jī)物配對(duì)的分析表明［50］，有機(jī)陰離子更傾向與二價(jià)鈣離子而不是一價(jià)的鈉離子配位，這為LSW 理論提供了支持。一價(jià)陽離子可以通過取代作為離子橋的二價(jià)陽離子使原油解吸，巖石更加親水，進(jìn)而提高采收率。另外，注入水的礦化度需低于地層水的礦化度，這是一切討論的前提。

綜上所述，對(duì)于砂巖油藏，LSW 發(fā)生的條件包括極性石油組分的存在、初始水存在且含有二價(jià)陽離子以及注入水礦化度低于地層水礦化度，至于黏土礦物的存在并不是LSW的必要條件。除此之外，對(duì)于碳酸鹽巖油藏，硬石膏等可以提供含SO42-的礦物尤為重要。

3 低礦化度水驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，為了進(jìn)一步提高石油產(chǎn)量，經(jīng)常采用復(fù)合驅(qū)油的方法，如LSW 與聚合物、CO2以及表面活性劑的聯(lián)用。

3.1 聚合物-低礦化度水驅(qū)（LSP）

采油過程中在注入水中添加一些水溶性高分子聚合物可以提高注入水的黏度，降低水相滲透率，調(diào)整流度比，提高波及系數(shù)，進(jìn)而提高采收率。

Shiran 等［51］采用低礦化度水進(jìn)行二次注水，之后再注入聚合物，可以將采收率提高到約90%。Torrijos 等［52］在二次采油中注入低礦化度水的原油采收率為59%，隨后用低礦化度水與聚合物聯(lián)用的采收率為86%，而相同條件下用地層水的則為35%。這是由于注入低礦化度水改變潤濕性后，油在孔隙空間內(nèi)重新分布，附著在礦物表面的油本身具有較低的流動(dòng)性，但在更親水的條件下，會(huì)產(chǎn)生一種新的更容易被聚合物溶液拖拽的可流動(dòng)油［53］。周治岳等［54］在LSW 后聚合物驅(qū)提高采收率的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在配制聚合物溶液時(shí)，水的礦化度為1875 mg/L時(shí)，聚合物溶液的黏度最大。隨著礦化度的增大，聚合物溶液的黏度逐漸下降，黏彈性逐漸變差。在模擬巖心驅(qū)替時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用LSW后聚合物驅(qū)的最終采收率比采用高礦化度水驅(qū)后聚合物驅(qū)最多可提高8.1 百分點(diǎn)。同時(shí)，由于鹽在多孔介質(zhì)中的分散，一旦將低鹽度鹽水注入儲(chǔ)層，注入鹽水（低鹽度）和滯留鹽水（高鹽度）會(huì)發(fā)生混合，隨著前緣從注入井向生產(chǎn)井移動(dòng)，混合區(qū)不斷擴(kuò)大。前緣鹽度的增加降低了LSW的效率。Sarvestani等［55］發(fā)現(xiàn)如果在低礦化度鹽水中加入少量聚合物，可以顯著抑制鹽的分散。這說明將LSW和聚合物驅(qū)相結(jié)合，能夠起到良好的協(xié)同作用，是一種可行的提高采收率方法。另外，在具體的實(shí)施過程中要優(yōu)先考慮低礦化度水的段塞尺寸、鹽濃度以及聚合物黏度［56］。

3.2 CO2-低礦化度水驅(qū)（CO2-LSWAG）

CO2混相驅(qū)通過消除原油界面張力，顯著降低原油黏度，從而提高原油采收率［57］。低礦化度水交替注氣提高采收率是一種新的提高采收率技術(shù)。Teklu 等［58］通過巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和接觸角以及界面張力的測(cè)定驗(yàn)證了CO2-LSWAG 的有效性，并指出注入CO2將碳酸鹽巖和砂巖的潤濕性向親水性轉(zhuǎn)變，低礦化度水中CO2較高的溶解度（與高礦化度水相比）是殘余油啟動(dòng)量增加的主要原因。鹽水中較高的CO2溶解度能就地生成更高濃度的碳酸水，以更大程度地改造潤濕性并降低IFT 和黏度。Naderi等［59］發(fā)現(xiàn)，與CO2-高礦化度水驅(qū)（CO2-HSWAG）相比，CO2-LSWAG 生產(chǎn)的增量石油高達(dá)初始產(chǎn)量的10%。主要原因是方解石和長石溶解，陽離子交換效率提高，潤濕性改變。需特別注意的是，在使用CO2-LSWAG 提高采收率之前應(yīng)該判斷該油藏是否適用LSW［60］。

3.3 表面活性劑-低礦化度水驅(qū)（LSS）

表面活性劑可以明顯降低油/鹽水界面張力。張建國［61］通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同礦化度水以及表面活性劑溶液的綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)表面活性劑在低礦化度（3 g/L）水條件下仍具有良好的界面活性，并且隨著溶液礦化度的逐漸降低，表面活性劑在巖心中的吸附量逐漸增大，巖心入口端面的接觸角逐漸減小，親水性增強(qiáng)，從而有利于提高水驅(qū)油的采收率。使用低礦化度水/表面活性劑交替注入時(shí)的最終采收率可以達(dá)到50.3%，明顯高于高礦化度水/表面活性劑（40.6%）。

目前認(rèn)為低礦化度水驅(qū)加后續(xù)低礦化度表面活性劑驅(qū)是兩者最有效果的組合方式。栗原君等［62］以低礦化度下的地層水和表面活性劑十六烷基羥丙基磺基甜菜堿（HHSB）溶液為對(duì)象，通過室內(nèi)物理模擬研究了其在低滲多孔介質(zhì)中的流動(dòng)特征及驅(qū)油特征，發(fā)現(xiàn)低礦化度下地層水及表面活性劑溶液與巖石表面的作用更強(qiáng)、流動(dòng)阻力更小。提出在多種組合的提高采收率方法中，低礦化度水驅(qū)加后續(xù)低礦化度表面活性劑驅(qū)的組合方式可使采收率達(dá)到最高。Araz 等［63］也在研究中發(fā)現(xiàn)與高礦化度水驅(qū)相比，在水濕巖心中注入低礦化度水，最大采收率增幅可達(dá)到7%；并指出在LSW驅(qū)油后，再進(jìn)行LSS驅(qū)油可增加額外的采收率。LSS聯(lián)合驅(qū)油是提高采收率極有前景的方法之一。另外，Teklu等［64］還設(shè)計(jì)了低礦化度水驅(qū)和表面活性劑以及CO2三者混合的提采工藝。該方法的提高采收率效果較好，在低滲透碳酸鹽巖、砂巖和特低滲透泥頁巖油藏中具有較大的應(yīng)用潛力。其中，低礦化度水將潤濕性向親水性轉(zhuǎn)變，有利于表面活性劑驅(qū)油；低礦化度水中的表面活性劑乳化了部分剩余油，降低了IFT；而在潤濕性改變的情況下，注入CO2可以改善更多剩余油的流度。

3.4 低礦化度水驅(qū)存在的問題

低礦化度水驅(qū)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也存在一些亟待解決的問題，除了驅(qū)油機(jī)理尚不清晰之外，還包括水源問題以及儲(chǔ)層適應(yīng)性等問題［65］。首先，低礦化度水驅(qū)需要大量的低礦化度水，這對(duì)水源提出了要求。對(duì)于距離低鹽度水源較近的油田可以直接使用，但是對(duì)于附近沒有水源的油田，需要對(duì)采出的地層水進(jìn)行稀釋，此時(shí)需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，判斷低礦化度水驅(qū)是否適用。其次，應(yīng)提前對(duì)地層進(jìn)行敏感性測(cè)試，避免出現(xiàn)因注入低礦化度水導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率急劇降低的現(xiàn)象。需針對(duì)實(shí)際地層，改善注入水的基質(zhì)條件，防止儲(chǔ)層結(jié)垢。另外，在注水時(shí)確定最優(yōu)礦化度。礦化度太高無法提高采收率，太低又會(huì)引起儲(chǔ)層損害，因此要結(jié)合儲(chǔ)層巖石條件、原油組分、地層水、溫度、壓力以及生產(chǎn)歷史等因素確定最優(yōu)礦化度。

4 分子模擬技術(shù)

近年來，出現(xiàn)了一些新的研究方法來幫助分析LSW 提高原油采收率的機(jī)理，如計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。其中，應(yīng)用較多的有密度泛函理論（DFT）方法和分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬。DFT是一種基于量子力學(xué)原理的計(jì)算方法。該方法考慮了電子相互作用，能模擬巖石、石油和鹽水之間的反應(yīng)機(jī)理。最近，DFT模擬已成為模擬簡(jiǎn)單有機(jī)分子在儲(chǔ)集層表面相互作用的有力工具，例如與油相關(guān)的單體在黏土表面［50，66］和碳酸鹽上［67］的吸附，但其研究的時(shí)間和空間尺度都是有限的。相比之下，經(jīng)典的MD 可以在更大的時(shí)間和空間尺度上探索低礦化度提高采收率的機(jī)理。MD 模擬將原子視為球體，運(yùn)用絕熱近似，并引入具有可伸縮鍵長的諧振子模型，把共價(jià)鍵近似成為連接兩個(gè)原子（小球）的彈簧，通過數(shù)值求解分子體系經(jīng)典牛頓力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程的方法得到體系的相軌跡，并統(tǒng)計(jì)體系的結(jié)構(gòu)特征和性質(zhì)［68］。與DFT相比，這種更簡(jiǎn)單的方法大大增加了可模擬的空間尺度和時(shí)間尺度。目前，MD 方法已被應(yīng)用于LSW的研究，有助于從原子和分子水平理解低鹽度驅(qū)油的機(jī)制。該方法在碳酸鹽巖油藏和砂巖油藏LSW的研究中均有體現(xiàn)。

對(duì)于碳酸鹽巖油藏主要是建立油-鹽水-方解石體系，研究方解石表面潤濕性隨礦化度的變化［69-71］以及硫酸根離子的影響［72］等，其中潤濕性的變化通過觀察潤濕角的改變以及鹽水膜中的離子是否提供橋接來判斷［73］。對(duì)于砂巖油藏主要是油-鹽水-黏土礦物/石英體系的研究，包括石油分子在黏土礦物基底表面的吸附［50，74-75］、雙電層效應(yīng)［76］和鹽水膜厚度［77-78］等的研究。另外，針對(duì)油水界面建立模型，通過計(jì)算IFT、界面厚度以及水油相接觸角來判斷最佳的注入水礦化度［79］。

經(jīng)典MD模擬的主要缺點(diǎn)是沒有鍵斷裂和鍵生成，只有在使用反應(yīng)力場(chǎng)的條件下才能模擬化學(xué)鍵的生成和斷裂。并且真實(shí)的油藏條件復(fù)雜多變，而模擬體系只能在理想的條件下進(jìn)行，比如模擬時(shí)用的石油分子大多為正癸烷，巖石也是單一的礦物表面，與實(shí)際情況相差較大，只能從微觀角度輔助理解，因此在模型建立方面還需要完善。

5 結(jié)論

LSW提高采收率技術(shù)以其低廉的成本、簡(jiǎn)單的工藝、較為環(huán)保的特征以及良好的提高采收率效果一直被關(guān)注。截至目前，LSW提高采收率的機(jī)理并沒有確定的結(jié)論，普遍認(rèn)為包括擴(kuò)散雙電層理論、離子交換機(jī)制、微粒運(yùn)移、pH 值升高以及鹽析作用等。這些機(jī)理大致可以分為微粒運(yùn)移和潤濕性變化兩方面，同時(shí)在驅(qū)油過程中這些機(jī)理并不是單獨(dú)起作用的，而是多個(gè)機(jī)制協(xié)同作用，有些機(jī)理只在特定的條件下才會(huì)發(fā)揮作用。

LSW提高采收率方法所需要的油藏條件，對(duì)于砂巖油藏一般包括原油中含有極性組分、原始地層水存在且含有高價(jià)陽離子以及低礦化度的注入水等。黏土礦物的存在對(duì)砂巖油藏LSW 提高采收率有更加積極的作用，但不是必需的。對(duì)于碳酸鹽巖油藏，硬石膏等礦物的存在很重要，因?yàn)镾O42-在其中扮演重要角色。

為了增強(qiáng)提高采收率的效果，常常將LSW和聚合物、CO2以及表面活性劑聯(lián)用，開發(fā)出的提高采收率混合工藝也被證明是有效的。DFT模擬和MD方法有助于從原子和分子水平理解LSW的機(jī)理，但是由于模擬的理想化和實(shí)際的復(fù)雜性之間的差距，導(dǎo)致模擬結(jié)果并不能真正描述實(shí)際油藏的情況。在未來的研究中，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)將會(huì)發(fā)揮更加重要的作用。針對(duì)LSW 機(jī)理，加強(qiáng)對(duì)鹽水膜的研究，包括鹽水膜兩側(cè)界面的分子結(jié)構(gòu)、鹽水膜接近分子厚度時(shí)的界面演變、薄膜內(nèi)部分離壓力的影響因素、離子在鹽水膜中的分布以及這種分布如何響應(yīng)離子濃度和膜厚度的變化等。復(fù)雜的體系需要建立合適的模型，尋找相應(yīng)的力場(chǎng)，優(yōu)化算法以降低計(jì)算成本，恰當(dāng)?shù)貙FT 模擬和MD 方法進(jìn)行聯(lián)用，比如利用DFT 對(duì)物質(zhì)的電荷性質(zhì)等進(jìn)行精確的計(jì)算，再利用MD方法擴(kuò)大計(jì)算規(guī)模，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合起來，以便更好地理解LSW技術(shù)。