关于胶体-盐水-矿物系统中水化-化学相互作用建模的见解

《Journal of Contaminant Hydrology》：Insights into modelling hydro-chemical interactions in colloid-brine-mineral systems

本研究综合运用表面吸附模型、扩展DLVO理论和流体动力学，系统评估了有机（油）和无机（碳酸钙）胶体在碳酸盐储层中的相互作用机制，揭示了不同物化条件（如盐度、pH、温度）及流速对胶体沉积的影响规律。通过模拟高盐（产水）和低盐（稀释50倍产水）条件下的胶体-岩石-流体相互作用，发现高盐环境下化学吸引力主导，胶体易沉积；低盐环境下pH和温度升高会增强静电排斥，降低沉积风险。同时指出，当流速超过临界值（约10?3 m/s）时，水动力因素（如拖曳力、升力）成为主导，可能改变胶体附着状态。研究成果为产水回注、低渗 flooding等工程中胶体运移控制提供了理论依据。

　　在自然界和工业应用中，微粒与多孔介质之间的相互作用是一个重要的研究领域。这些相互作用不仅影响流体在地下介质中的流动特性，还可能对岩石结构造成损害，从而影响生产效率。本文的研究重点在于探讨有机（油）与无机（方解石）微粒在多孔介质中的行为，特别是在碳酸盐储层中的表现。通过整合表面络合模型、扩展的DLVO理论以及流体水动力学，我们构建了一个综合模型，用于评估在不同物理化学和水动力学条件下微粒在岩石中的保留潜力。这项研究对于理解和优化水驱油、水回注等工艺具有重要的实际意义。

### 微粒与多孔介质的相互作用

微粒与多孔介质之间的相互作用受到多种因素的影响，包括流体的化学成分、温度、pH值以及水动力学条件。例如，在高盐度的生产水（PW）中，微粒更容易沉积在岩石表面，而在低盐度的生产水（50倍稀释）中，这种沉积倾向则显著减弱。这表明，盐度是影响微粒行为的一个关键因素。此外，pH值和温度的变化也会影响微粒的表面电荷分布，进而影响它们与岩石表面之间的相互作用。

在常规的DLVO理论中，考虑了静电力（电双层力）和典型的范德华吸引力。然而，在扩展的DLVO理论中，还加入了其他因素，如结构力（水化力）和表面粗糙度引起的力，以更准确地预测这些相互作用。这些力在短距离上起着重要作用，尤其是在岩石和微粒接触的区域。静电力主要由岩石矿物学和流体的物理化学性质决定，如盐度、pH值和温度。而流体的流速则主要影响水动力学方面的相互作用。

在研究中，我们还探讨了不同类型的微粒（如油和方解石）在多孔介质中的行为。通过使用实验数据和模型预测，我们能够更好地理解这些微粒在不同条件下的保留倾向。例如，在高盐度生产水中，微粒更容易沉积在岩石表面，而在低盐度的生产水中，沉积倾向则有所下降。这一发现对优化水回注和低盐度水驱等技术具有重要意义。

### 表面络合模型的应用

表面络合模型是理解微粒与岩石表面之间相互作用的重要工具。通过这些模型，我们可以预测微粒的表面电荷和电势，从而计算它们与岩石之间的静电相互作用。在本文中，我们采用了一种经过校准的表面络合模型（SCM），用于模拟方解石和油在不同盐度、pH值和温度下的表面电荷变化。这些模型不仅考虑了表面化学反应，还结合了水化力和结构力的影响。

通过应用这些模型，我们能够获得在不同条件下微粒的电势值，这些值对于计算电双层力至关重要。在实验数据验证过程中，我们发现模型预测的接触角与实验测量值之间存在一定的偏差，这可能与模型中对短程力（如水化力和表面粗糙度力）的假设有关。通过引入双指数函数来描述粗糙度引起的力，我们能够更准确地模拟这些短程力对总相互作用力的影响。

### 扩展的DLVO理论

扩展的DLVO理论不仅考虑了静电力和范德华力，还引入了结构力和表面粗糙度力。这些力在短距离上起着关键作用，尤其是在微粒接近岩石表面的区域。通过将这些力整合到模型中，我们能够更全面地描述微粒与岩石之间的相互作用。

在实验验证过程中，我们发现使用不同的边界条件（如恒定电势和恒定电荷）对模型预测结果有显著影响。例如，在计算电双层力时，使用恒定电势（PP）边界条件可能导致接触角的高估，而使用恒定电荷（PC）边界条件则能提供更准确的预测。这表明，边界条件的选择对模型的准确性至关重要。

### 水动力学的影响

水动力学因素，如流速、粘度和流体的其他特性，也对微粒与岩石之间的相互作用有重要影响。在研究中，我们模拟了不同流速下的微粒行为，并发现，在低流速下，化学相互作用主导，而在高流速下，水动力学开始对微粒的保留或释放产生显著影响。这一现象在实际的水驱操作中尤为重要，因为流速的变化可能导致微粒在多孔介质中的迁移和沉积。

通过整合水动力学和化学相互作用，我们能够更全面地评估微粒在不同条件下的行为。例如，在高盐度生产水的情况下，即使流速增加，微粒仍可能沉积在岩石表面。而在低盐度的生产水中，随着流速的增加，微粒的沉积倾向显著降低，甚至可能被流体冲刷掉。这表明，在实际操作中，需要综合考虑水动力学和化学因素的影响。

### 研究的实际意义

本文的研究结果对理解和优化水驱和水回注等工艺具有重要的实际意义。通过分析不同条件下的微粒行为，我们可以更好地预测和控制微粒在多孔介质中的沉积和迁移，从而减少对岩石结构的损害。此外，这些研究还为未来的研究提供了基础，特别是在开发基于反应传输模型的系统中，以评估微粒沉积对渗透率的影响。

研究还表明，在低盐度条件下，提高pH值和温度可以增强微粒的沉积倾向，这为优化水驱策略提供了理论依据。通过将这些发现应用于实际的水回注和低盐度水驱等工艺，可以有效减少微粒对岩石结构的损害，提高油藏的采收率。

总之，本文通过整合表面络合模型、扩展的DLVO理论和水动力学，对微粒与多孔介质之间的相互作用进行了深入分析。研究结果不仅揭示了不同条件下微粒的沉积倾向，还为优化水驱和水回注等工艺提供了重要的理论依据。这些发现对于提高油藏采收率、减少对岩石结构的损害以及优化地下流体管理具有重要意义。