油藏岩石物理特征表征与化学处理作为优选最佳提高采收率技术的工具

《Scientific Reports》：Petrophysical characterization and chemical treatment of oil reservoir as a tool for choosing the best improved oil recovery techniques

　　

强化采油（EOR）方法对于最大化成熟油藏的原油采出至关重要。鉴于当前对原油的持续依赖，推进强化采油技术以提高油藏产量并延长其开发寿命具有重要意义。在化学法强化采油中，化学驱是一项成熟技术，理论上可适用于多种油藏条件。本文采用环境友好的绿色化学路线，以乙醇为溶剂并在室温条件下合成了三种新型双（乙硫酰）草酰胺衍生物，并将其作为化学驱剂。研究人员通过量子化学密度泛函理论（DFT）计算和傅里叶变换红外（FTIR）光谱对其分子效能进行了解释，将最佳界面活性与特定结构特征联系起来。研究人员测试了这些化合物在降低注入水与原油之间界面张力（IFT）以及改变储层岩石润湿性方面的作用。结果表明，新化合物 bis N 在降低界面张力方面效果显著，可将 IFT 由 27 mN/m 降至 5 mN/m，同时使岩石对水的亲和性强于对油的亲和性。最后，该药剂在真实岩心塞上、于储层温度、压力及原油条件下开展了化学驱实验。驱替实验结果表明，该新化合物用于强化采油具有积极经济性，能够耐受严苛储层条件，并在 1 g/L、1.5 g/L 和 2 g/L 浓度下，分别使剩余油采收率（Sor）提高 22.82%、29.75% 和 34.12%。

该文发表于《Scientific Reports》，围绕成熟油藏提高采收率问题，构建了“岩石物理特征评价—化学分子设计—界面效应验证—储层条件岩心驱替评价”的一体化研究框架。研究背景在于，全球大型新油田发现日趋减少，而多数常规油藏已进入成熟或递减开发阶段，天然能量枯竭后，单纯依赖注水等二次采油手段已难以维持经济开发水平。传统采收阶段结束后，地层中通常仍有超过 60% 的原始地层原油（OOIP）以剩余油形式滞留。其根源涉及孔喉细小、非均质性强、含黏土矿物、剩余油饱和度高以及不利润湿性等多重因素，最终表现为油水界面张力高、驱替阻力大、注入水波及效率低。因此，如何依据储层岩石物性和流体界面行为筛选合适的化学提高采收率（cEOR）药剂，成为成熟油藏高效挖潜的重要问题。

研究人员针对这一问题，设计并合成了三种基于草酰氯和硫氰酸铵反应体系的新型有机衍生物，即 Ia、Ib 与 Ic，其中以 bis N 对应的化合物 Ia 为重点评价对象。论文的核心目标并非单纯报道一种新型表面活性剂，而是尝试将分子结构、量子化学参数、界面活性、润湿性调控与真实砂岩岩心驱油表现关联起来，从而为成熟油藏化学驱剂筛选提供依据。研究结论显示，化合物 Ia 在降低表面张力与界面张力、改善岩石润湿性以及提升剩余油采收率方面均表现最优；其优异性能与较小的前线分子轨道能隙（ΔE）以及分子中含 N、O、S 杂原子的活性位点密切相关。该研究的重要意义在于证明：化学驱剂的优选不能仅依赖经验评价，还可以通过储层岩石物性分析结合分子尺度理论描述，实现更具针对性的提高采收率技术选择。

作者采用的关键技术方法主要包括以下几个方面：首先，通过绿色化学合成路线制备三种双（乙硫酰）草酰胺衍生物，并利用傅里叶变换红外（FTIR）光谱进行结构确认；其次，采用密度泛函理论（DFT）计算分子几何构型、最高占据分子轨道（HOMO）、最低空轨道（LUMO）及能隙（ΔE），分析其界面吸附潜力；再次，利用表面张力和临界胶束浓度（CMC）测定、Gibbs 吸附方程及热力学参数计算评价表面活性；随后，对 3 块砂岩真实岩心样品开展岩石物理参数测定、Amott 润湿性测试及储层条件下岩心驱替实验，样本队列来源为 3 块直径 1.5 英寸的砂岩岩心塞。

在研究结果部分，论文首先以“Characterization of synthesized compounds”为题，说明合成化合物的结构表征结果。研究人员利用 FTIR 光谱识别各化合物中的特征官能团。化合物 A 出现与 –NH₂、C–N 等相关的吸收峰，支持其胺基结构；化合物 B 显示 O–H、C≡N、C=O 等吸收特征，提示分子含羟基、腈基及羰基结构单元；化合物 C 则表现出 O–H、C=C、C–O 及可能的 C–N 特征峰，支持其含羟基和不饱和键结构。该部分结果说明，目标产物已成功合成，为后续界面行为和驱油性能研究奠定了结构基础。

在“Quantum mechanical investigation”部分，研究人员进一步从分子电子结构角度解释三种化合物的性能差异。通过 ChemBioDraw Ultra 软件进行分子建模与量子化学计算，获得优化构型以及前线分子轨道分布。结果显示，化合物 A 与 B 的能隙 ΔE 约为 1.10 eV，提示其具有更高电子迁移性和极化能力，更易发生电子供受作用并在油水界面形成有效吸附，从而有利于降低界面张力。相比之下，化合物 C 的 ΔE 为 2.477 eV，稳定性较高但反应活性和界面活性偏低，更适合作为辅助剂而非主表面活性剂。轨道电子密度主要分布于 N、O、S 等杂原子邻近区域，说明这些位点可能参与氢键和极性相互作用，增强化合物与水、原油及岩石表面的相互作用，并促进岩石由亲油向亲水状态转变。该部分结论与后续实验观察形成了较强一致性。

在“Surface and thermodynamic study”部分，论文系统评价了所合成化合物的表面活性参数及热力学行为。研究人员测定了 Ia、Ib、Ic 在蒸馏水中的表面张力变化，并依据表面张力—浓度曲线求得临界胶束浓度（CMC）。结果显示，这些化合物均具有良好的表面活性和自聚集能力，其中 Ia 的 CMC 最优，同时在各自 CMC 处的表面张力（γ_CMC）最低，提示其更易在界面上有序排列并形成稳定吸附层。进一步计算的效能参数（π_cmc）、最大表面过量（Γ_max）和最小占据面积（A_min）表明，该类分子在界面上具有较强富集倾向。热力学分析中，胶束化标准自由能（ΔG^o_mic）和吸附标准自由能（ΔG^o_ads）均为负值，说明胶束化与界面吸附均为自发过程；且 ΔG^o_ads 更负，表明这些分子优先吸附于界面，达到饱和后再形成胶束。这一结果从热力学上支持其作为化学驱剂的可行性。

在“Interfacial tension measurement”部分，研究人员直接评估了化合物对油水界面张力的影响。原油与蒸馏水之间的界面张力为 30 mN/m，原油与地层水之间为 27 mN/m，而当加入浓度为 0.1%（w/v）的化合物 Ia（bis N）后，油水界面张力降至 5 mN/m。该结果表明，Ia 能显著削弱油水界面处的内聚作用，提高毛管数，促进束缚剩余油的动用，是其强化采油效果的重要机制之一。

在“Experimental results of reservoir core plugs”中的“Wettability”部分，研究人员采用 Amott 法评估岩心润湿性。结果显示，3 个岩心样品的水湿指数分别为 0.03、0.00 和 0.031，而油湿指数分别为 0.61、0.86 和 0.87，表明这些样品总体呈明显亲油特征。该发现解释了注水驱后仍有大量剩余油滞留的原因，即不利润湿性与较高油水界面张力共同限制了驱替效率。

在“Core flooding”部分的“Secondary water flooding phase”中，研究人员在储层条件下进行了二次水驱评价。3 块目标岩心在岩性上具有可比性，均为砂岩。相对渗透率曲线显示，油水相对渗透率交会点均低于 50% 含水饱和度，进一步证明样品表现出亲油润湿特征，与 Amott 结果一致。二次采油结束后，样品 #1、#2 和 #3 的剩余油分别占 OOIP 的 58.17%、56.43% 和 51.25%。这一结果说明常规水驱后仍存在较高比例剩余油，储层仍具有明显的三次采油潜力。

在“Tertiary chemical flooding (EOR)”部分，研究人员以 Ia 为化学驱剂，在 1 g/L、1.5 g/L 和 2 g/L 三种浓度下对 3 个岩心开展三次化学驱实验。结果表明，该新型表面活性剂在不同浓度下均可获得额外采油效果，且增产效果随浓度升高而增强。具体而言，对剩余油饱和度（Sor）的增量采收率分别达到 22.82%、29.75% 和 34.12%。这一趋势与其降低界面张力和改善润湿性的实验结果相吻合，说明化学驱效果源于界面张力降低与润湿性转变的协同作用。

在“Quantum chemical insights into EOR efficacy”部分，论文将量子化学参数与驱油性能进行了进一步关联。研究人员指出，较小的 HOMO–LUMO 能隙（ΔE）意味着分子具备更高的极化性和电子迁移性，因此更易在油水界面发生吸附并扰动界面分子间作用力。A 和 B 因 ΔE 较小而具有较强表面活性，其中 A 的实验表现最优；而 C 因 ΔE 较大，界面活性较弱，故其在强化采油中的作用更有限。该部分从理论层面验证了“电子结构—界面行为—驱油效果”的构效关系，为后续化学驱剂分子设计提供了依据。

讨论部分的核心在于，论文通过将储层岩石物理特征、界面化学参数与量子化学描述符结合，证明成熟油藏化学驱剂优选可以建立在多尺度证据链之上。对于存在高剩余油饱和度、亲油润湿性和较高油水界面张力的砂岩油藏，仅依赖常规注水难以进一步显著提高采收率。此时，若所选化学剂兼具较高界面活性、较强界面吸附能力以及促亲水润湿转变的分子结构特征，则可在储层条件下有效动用剩余油。论文同时指出，本研究仍是在特定实验室控制条件下完成，关于药剂长期热稳定性以及在不同矿物组成岩石中的吸附行为，仍需进一步研究。这一表述体现出作者对研究边界的谨慎限定。

研究结论可译为：本研究合成并评估了三种有机衍生物 Ia、Ib 和 Ic 在化学法强化采油（cEOR）中的应用潜力。通过表面活性测定、岩石物理表征和岩心驱替实验的综合评价发现，FTIR 光谱证实了所合成化合物的结构完整性，其中 Ia 所含特定胺基官能团有利于其在油水界面的取向与吸附。在表面与界面活性方面，Ia 在降低表面张力和界面张力方面表现最佳；量子化学计算同样表明，Ia 具有较小的能隙（ΔE），因而较 Ib 和 Ic 表现出更高反应活性和界面吸附能力。在储层条件下的岩心驱替实验中，Ia 分别在 1 g/L、1.5 g/L 和 2 g/L 浓度下实现了占剩余油（Sor）22.82%、29.75% 和 34.12% 的增量采收率。理论描述符与实验 IFT 结果之间存在良好相关性，从而验证了 Ia 作为化学驱剂候选物的合理性。总体而言，该研究表明，结合岩石物理表征、界面实验与密度泛函理论（DFT）分析，可为成熟油藏化学驱提高采收率技术的优选提供可靠依据。