盐液成分对方解石表面能及石油附着力的影响：对石灰岩岩石润湿性的启示

《Journal of Molecular Liquids》：Effect of brine composition on the surface energy of calcite and adhesion of oil: Implications for the wettability of limestone rocks

低盐度润湿调整技术通过改变注水卤水组成提升油藏采收率，基于Van Oss-Chaudhury-Good理论分析发现，初始在形成卤水中浸泡的方解石表面能（106 mJ/m2）和海水（134 mJ/m2）较低，而硫酸富集海水（1055 mJ/m2）表面能显著升高，导致油吸附力由正变负，证明低表面能环境促进原油润湿。

　　在当前的石油开采技术中，低盐度润湿性改变技术被广泛认为是一种有效的提高油藏采收率的方法。特别是在碳酸盐岩储层中，这种技术能够显著改善岩石表面的润湿性，从而促进原油的流动。然而，这种技术的实施通常需要复杂的化学添加剂，如表面活性剂和聚合物，这不仅增加了成本，还可能对环境造成影响。因此，研究如何通过调整注入液的成分来实现润湿性改变，而不依赖这些添加剂，成为了一个重要的课题。

石灰岩作为一种常见的碳酸盐岩，其储油能力巨大，但往往表现出油性润湿特性，这使得在水驱过程中原油难以有效流动。石灰岩的主要矿物成分是方解石，因此了解方解石表面的润湿性变化对于提高油藏采收率至关重要。本研究采用了一种间接的方法——Van Oss-Chaudhury-Good (vOCG)理论，来计算方解石表面的能量，并进一步探讨不同注入液成分对润湿性的影响。vOCG理论能够将固体表面的能量分解为非极性（Lifshitz-van der Waals）和极性（酸碱）两个部分，从而更全面地评估表面的润湿性特性。

实验中，研究人员选择了三种不同的注入液：形成水（FB）、海水（SW）和富含硫酸盐的海水（4S-SW）。通过原子力显微镜（AFM）测量了方解石表面的粗糙度，并结合接触角和界面张力实验，进一步分析了不同注入液对润湿性的影响。结果显示，方解石在初始浸泡于形成水和海水后，其表面能量分别为106?mJ/m2和134?mJ/m2，而在富含硫酸盐的海水中浸泡后的表面能量则高达1055?mJ/m2。这一发现表明，不同注入液成分对岩石表面的润湿性有显著影响，其中富含硫酸盐的海水能够显著提高方解石的表面能量，从而增强其亲水性。

在润湿性改变过程中，界面张力和接触角是重要的参数。通过实验测量，研究人员发现，在初始浸泡于形成水和海水的方解石表面，油与岩石之间的界面张力较低，接触角较高，这表明油在这些岩石表面的附着能力较强。相反，当方解石表面初始浸泡于富含硫酸盐的海水时，油与岩石之间的界面张力较高，接触角较低，表明油在这些岩石表面的附着能力较弱。这种差异可能是由于不同注入液成分对岩石表面化学性质的影响不同，进而改变了油与岩石之间的相互作用。

此外，研究人员还通过vOCG理论计算了油与方解石之间的粘附功。粘附功反映了两个界面之间相互吸引的倾向，是评估润湿性的重要指标。实验结果显示，在初始浸泡于形成水和海水的方解石表面，油的粘附功为正值，说明油更容易附着在这些表面上。而在初始浸泡于富含硫酸盐的海水的方解石表面，油的粘附功为负值，表明油不容易附着在这些表面上。这一结果进一步支持了富含硫酸盐的海水能够有效改变方解石的润湿性，使其从油性转变为水性。

通过这些实验和理论分析，研究人员发现，注入液的成分对岩石表面的能量和润湿性有重要影响。特别是在高盐度和高温的条件下，传统化学添加剂的稳定性受到挑战，因此调整注入液成分成为一种更为可行的解决方案。本研究的结果表明，富含硫酸盐的海水能够显著提高方解石的表面能量，从而改善其润湿性，使得原油更容易从岩石表面脱附，提高采收率。

本研究的意义在于，它为低盐度润湿性改变技术提供了一种新的视角。通过计算岩石表面的能量和粘附功，研究人员能够更准确地评估不同注入液成分对润湿性的影响，进而筛选出更具潜力的注入液配方。这种方法不仅能够减少对化学添加剂的依赖，还能降低环境影响，提高技术的经济性和可持续性。此外，研究还指出，尽管实验中使用的是光滑的方解石表面，但实际的石灰岩储层中，由于其复杂的矿物组成和结构，这些结果仍然具有重要的参考价值。

研究还强调了润湿性改变过程中多种因素的相互作用。例如，注入液的盐度、pH值以及其中的离子种类，都会影响岩石表面的化学性质，进而改变油与岩石之间的相互作用。这些因素的综合影响使得润湿性改变成为一个动态且复杂的过程。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些因素，以优化注入液的配方，提高油藏采收率。

通过本研究，研究人员不仅揭示了不同注入液成分对岩石表面润湿性的影响，还为未来的研究提供了新的方向。例如，进一步探讨不同类型的注入液（如深共熔溶剂、有机酸等）对润湿性的影响，以及如何通过调控这些参数来实现更高效的润湿性改变。此外，研究还指出，未来的研究可以结合更多的实验手段，如界面张力测量、ζ电位测量、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS），以更全面地理解润湿性改变的机制。

总的来说，本研究为低盐度润湿性改变技术提供了一个新的理论框架和实验方法，使得在不使用化学添加剂的情况下，能够有效提高油藏采收率。通过计算岩石表面的能量和粘附功，研究人员能够更深入地理解润湿性改变的物理和化学机制，从而为实际应用提供科学依据。这些发现不仅有助于优化现有的油藏开发技术，还可能为其他领域的应用，如二氧化碳封存、地下水修复等，提供新的思路和方法。