《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Impact of Wettability on Polymer Retention in Carbonates: A Comparative Study of Static and Dynamic Tests Through Different Quantification Techniques
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在聚合物驱油过程中，较低的聚合物滞留量对于降低环境影响和确保项目精确设计至关重要。在影响滞留量的因素中，润湿性仍然是一个关键但尚未被充分理解的方面，尤其是在碳酸盐岩层中。以往大多数研究聚焦于砂岩，且很少在静态吸附条件下评估润湿性的影响。此外，不同分析技术对聚合
在聚合物驱油过程中，较低的聚合物滞留量对于降低环境影响和确保项目精确设计至关重要。在影响滞留量的因素中，润湿性仍然是一个关键但尚未被充分理解的方面，尤其是在碳酸盐岩层中。以往大多数研究聚焦于砂岩，且很少在静态吸附条件下评估润湿性的影响。此外，不同分析技术对聚合物滞留量量化的精确度也存在差异。本研究通过使用一种基于ATBS（丙烯酰胺基叔丁基磺酸盐）的聚合物在碳酸盐岩岩性中进行静态和动态实验，探究了润湿性对聚合物滞留的影响。研究人员通过对岩心和岩石粉末在不同时长（90°C下8小时、3天和14天）进行控制性老化，诱导润湿性改变。在167,114 ppm矿化度和50°C条件下，对五块印第安纳石灰岩岩心进行了有油和无油条件的聚合物驱替实验。动态聚合物滞留量通过测定流出液粘度、紫外-可见分光光度法（UV-Vis）和总有机碳-总氮（TOC-TN）分析进行量化，以供方法间比较。Amott水润湿指数（δw）从8小时老化后的0.20降至3天和14天老化后的0.09和0.08，表明水湿性逐步降低，并趋向近中性/混合润湿状态，油湿倾向增加。与无油条件相比，有油条件下的动态滞留量降低了35-51%，表现出更明显油湿倾向的岩心显示出额外高达21%的下降（约6 μg/g-岩石的更低的滞留量）。相反，静态吸附值仍然显著更高（305-337 μg/g-岩石），且表现出对润湿性变化或油的存在可忽略的依赖性。在每个单独岩心驱替测试中，不同分析技术获得的动态滞留量在单相条件下的偏差范围为6.82%至8.27%，而在两相实验中则增至11.10%至11.60%，这主要归因于油痕和剪切引起的粘度降解，已知这些因素会影响UV-Vis吸光度和基于流变学的计算。因此，TOC-TN结果被选为对比分析的参考方法，因为其对这些干扰的敏感性较低，且在含油流出液中具有稳健性。总体而言，这些发现强调了从弱水湿到近中性/混合润湿（油湿倾向增加）的润湿性如何影响静态和动态测试，并强调了选择合适分析方法对于在碳酸盐岩系统中精确测量聚合物滞留量的重要性。
**论文解读：润湿性对碳酸盐岩中聚合物滞留行为影响的系统评估**
**一、 研究背景、问题与研究目的**
在聚合物驱油（Polymer Flooding）技术中，聚合物在储层岩石中的滞留（Polymer Retention）是一个核心问题。过高的滞留量不仅会增加化学剂成本，影响项目经济性，还会导致聚合物前沿推进延迟，降低波及效率和驱油效果。聚合物滞留机制复杂，主要包括吸附（Adsorption）、机械捕集（Mechanical Entrapment）和水动力滞留（Hydrodynamic Retention），其中吸附是最主要的形式。影响聚合物吸附的因素众多，包括岩石矿物组成、流体性质、温度、盐度和润湿性（Wettability）等。
然而，当前研究存在几个关键空白与争议。首先，关于润湿性对聚合物滞留的影响，现有结论相互矛盾。部分研究认为油湿（Oil-Wet）系统中聚合物滞留更低，而另一些研究则得出相反结论。其次，绝大多数关于聚合物滞留的实验室研究集中在砂岩岩性（Sandstone Lithology）上，对碳酸盐岩（Carbonates）的关注不足，尤其是在存在残余油（Residual Oil）和可控润湿性条件下的系统评估更是匮乏。第三，量化聚合物滞留量的分析方法多样，包括粘度法、紫外-可见分光光度法（UV-Vis Spectroscopy）和总有机碳-总氮法（TOC-TN Analysis），但这些方法在应对含油流出液和聚合物降解时的准确性和稳健性（Robustness）存在差异。此外，静态吸附（Static Adsorption）测试因其简便快捷而被广泛使用，但其结果与动态驱替（Dynamic Coreflooding）测试结果之间存在巨大差异，而引入油和润湿性改变是否能缩小这种差异尚不明确。
因此，本研究旨在系统地探究润湿性（从弱水湿到近中性/混合润湿，油湿倾向增加）对基于ATBS的聚合物在碳酸盐岩中静态和动态滞留行为的影响，并对三种主要量化技术进行对比评估，以期为碳酸盐岩油藏聚合物驱项目设计提供更可靠的理论依据和实验方法。该论文发表在《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》上。
**二、 主要关键技术与方法**
1. **岩心与粉末润湿性调控（Wettability Modification）**：通过将印第安纳石灰岩（Indiana Limestone）岩心和岩粉在原油中于90°C下进行不同时长（8小时、3天、14天）的加压老化，以诱导产生不同程度的水湿性降低和油湿性增强。
2. **Amott润湿性测量（Amott Wettability Measurement）**：利用Amott渗吸装置，通过测量岩心在自发渗吸和强制渗吸过程中排出的油量，计算Amott水润湿指数（δ
w），以定量表征岩心润湿性。
3. **动态聚合物驱替实验（Dynamic Polymer Coreflooding Tests）**：在50°C、高矿化度（167,114 ppm）条件下，对五块渗透率匹配的岩心进行聚合物驱替，分别在有油和无油条件下进行，模拟储层渗流环境。采用质量平衡法计算动态聚合物滞留量。
4. **聚合物浓度量化对比技术（Polymer Quantification Techniques Comparison）**：同步采用流出液粘度法（Viscosity Method）、紫外-可见分光光度法（UV-Vis）和总有机碳-总氮分析法（TOC-TN Analysis）三种技术测定流出液中的聚合物浓度，通过对比标准偏差和重现性误差评估各方法在单相和两相条件下的准确性和可靠性。
**三、 研究结果**
**3.1 静态吸附（Static Adsorption）**
通过测定不同老化时间下岩粉的聚合物吸附量，研究发现，与无油条件相比，油的存在和润湿性改变仅导致聚合物吸附量出现3-10%的轻微下降（从337 μg/g-rock降至305 μg/g-rock），远低于动态实验中的降低幅度。这表明，由于岩粉具有远高于完整岩心的比表面积，即使引入油相，也无法有效模拟真实孔隙结构中润湿性和表面可用性对吸附的限制。静态吸附值（约300 μg/g-rock级别）显著高于动态滞留值，放大倍数达7-15倍。
**3.2 动态聚合物吸附实验（Dynamic Polymer Adsorption Experiments）**
**3.2.1 润湿性改变、强制渗吸与自发渗吸（Wettability Alteration, Forced and Spontaneous Imbibition）**
Amott水润湿指数（δ
w）随老化时间延长而降低：8小时老化后为0.20，3天和14天老化后分别降至0.09和0.08。这表明老化过程成功地将岩心从弱水湿转变为油湿倾向更强的近中性/混合润湿状态。自发水渗吸采收率也相应地从9%原始地质储量（OOIP）下降至3.5%，进一步证实了油湿性的增强。值得注意的是，3天老化时间足以恢复岩心的润湿性平衡状态。
**3.2.2 动态聚合物滞留量测量（Dynamic Polymer Retention Measurements）**
**3.2.2.1 粘度法、TOC-TN法和UV-Vis法对比**
通过对比三种方法的实验结果发现，粘度法因受背压调节器造成的剪切降解影响，测得值最高，需进行15%的粘度损失校正。UV-Vis法则受流出液中油痕的干扰。两相实验中的重现性误差（11.10% - 11.60%）高于单相实验（6.82% - 8.27%）。TOC-TN法因其对油痕和剪切降解不敏感，且在含油流出液中表现稳健，被选定为进行横向对比分析的标准方法。基于TOC-TN结果，动态滞留量在有油条件下（20-29 μg/g-rock）比无油条件下（41-45 μg/g-rock）显著降低了35-51%。岩心油湿程度越高（如δ
w更低，CF-2），其聚合物滞留量越低（CF-2为20 μg/g-rock），相较于油湿性较弱的岩心（CF-4为29 μg/g-rock），降幅可达21%。
**3.2.2.2 归一化浓度剖面分析（Normalized Concentration Profiles Analysis）**
归一化浓度曲线显示，油湿性更强的岩心（CF-02, CF-05）相比水湿性更强的岩心（CF-01, CF-04）表现出更早的聚合物突破（Polymer Breakthrough）和更少的注入孔隙体积（PV）需求，这直接归因于原油占据孔隙表面，减少了聚合物可附着的有效面积，从而降低了滞留量。
**3.2.2.3 原位流变学（In Situ Rheology）**
阻力因子（RF）和残余阻力因子（RRF）的测量结果一致表明，油的存在和油湿性增强均导致RF和RRF降低。RF降低约17-21%，表明聚合物流动通道因油滴阻塞而向大孔道转移，增强了聚合物传输性。RRF降低约30-35%，直接证实了聚合物吸附量的减少。
**3.3 润湿性与矿化度对聚合物吸附的机理解释（Mechanistic Interpretation）**
研究从碳酸盐岩表面非均质电荷特性角度进行了解释。碳酸盐岩表面同时存在带正电的钙位点和带负电的碳酸根位点。负电性的原油极性组分（如羧酸类）和聚合物分子（含磺酸根）会竞争吸附位点。油湿性增加意味着原油极性组分占据更多表面，从而减少了聚合物分子（通过静电吸引或二价阳离子桥接作用）的附着机会，导致吸附量降低。文章特别指出，高矿化度（尤其是Ca2?和Mg2?）会压缩双电层，有利于聚合物分子靠近矿物表面，并促进二价阳离子桥接，可能增加吸附，但这一效应受到油层覆盖的限制。
**3.4 静态与动态滞留比较（Static vs. Dynamic Retention Comparison）**
研究明确指出，静态吸附实验因缺乏流动条件、比表面积过大、缺乏解吸机制，其得到的吸附值远超真实储层条件，不适于作为聚合物驱项目设计的直接依据。动态实验更能代表实际流动状态，应作为优先选择。
**3.5 聚合物吸附的现场应用影响（Impacts at Field Scale）**
基于聚合物前沿迟滞因子（Retardation Factor, D）公式，研究指出，即使核心尺度上聚合物滞留量从29 μg/g-rock降至23 μg/g-rock（降低21%），在油田尺度上也能显著减少聚合物需求量和注入体积，改善产油时机和项目净现值（NPV）。
**四、 总结与结论**
本研究系统评估了润湿性与油的存在对基于ATBS的聚合物在碳酸盐岩中滞留行为的影响，主要结论总结如下：
* 静态吸附实验得到高且不具代表性的吸附值（约300 μg/g-rock），与动态实验结果不相关，即使进行油老化也无法弥补比表面积差异。动态滞留实验更适合用于聚合物滞留筛选研究。
* 润湿性影响动态滞留行为。与更水湿的岩心相比，呈现油湿特征的岩心，其原位流变学参数（RF）和滞留水平（RRF）均降低，归因于油膜形成导致的孔隙缩小，使聚合物流动向大孔道转移，从而降低滞留。
* 油的存在显著降低了聚合物的动态滞留，主要原因是原油占据了矿物表面可供聚合物结合的位点。
* 在三种聚合物滞留量化方法中，UV-Vis和粘度法在两相流条件和有背压设置下可能产生可变结果。相比之下，TOC-TN法因其不确定性更低，即使在存在油痕的情况下也表现稳定，成为最可靠的方法。
总之，该研究证明了润湿性和油的存在对碳酸盐岩地层中聚合物滞留的影响。研究结果表明，在碳酸盐岩油湿岩心中聚合物驱具有良好的前景，因为观测到的聚合物滞留值较低。在未来的研究中，研究人员建议使用模型油而非原油，以更准确地表征岩心向更水湿状态转变过程中润湿性对聚合物滞留的影响。
