《Journal of Molecular Liquids》：Effect of oil composition on mechanisms of engineered water injection: A comprehensive review
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原油极性组分对工程水注入效果的影响机制及实验数据综合分析。摘要通过整合2000年至今的实验室及现场试验数据，系统论述了原油酸值、碱值和沥青质含量等极性组分与低矿化度/智能水驱油过程中岩液界面润湿性转变、油水界面张力降低、原油黏度衰减等关键现象的定量关系，揭示了极性组分浓度及分子结构对多离子交换、微乳液形成、离子水化壳相互作用等主导机制的调控作用。
Mohaddeseh Ahmadi Aghdam | Siavash Riahi | Omid Khani
伊朗德黑兰大学工程学院化学工程系石油工程研究所
摘要
原油的成分是决定工程水注入（EWI）项目成功与否的关键因素。本文全面分析了原油成分对碳酸盐岩和砂岩地层中EWI过程的影响。总结了2000年以来发表的关于现场应用的相关实验研究，以填补理解上的空白并阐明之前被忽视的机制。文章定量研究了原油成分（如酸值、碱值、沥青质含量）、活性机制、注入水化学性质以及储层条件之间的关系。这些分析有助于明确有效机制，解决矛盾，并解释一些现场应用中观察到的不确定行为。结果表明，EWI的成功深受原油极性组分（尤其是酸、碱和沥青质）的浓度和分子结构的影响，这些组分控制着多种相互作用机制的激活和主导作用。
引言
随着全球对能源需求的增长，从油藏中回收石油变得至关重要[1]。水驱是最广泛使用的提高天然枯竭油藏石油回收率的技术之一。许多技术旨在通过改变注入水的性质来最大化传统水驱方法的回收率，这被称为工程水注入（EWI）。在过去几十年中，EWI已被广泛应用，并证实其在提高石油回收率方面的优势[2]。在这种方法中，注入盐水的盐度降低（低盐度水注入-LSWI），和/或离子组成被修改（智能水注入-SmWI）。高注入能力、低资本和运营成本、水资源的可获得性以及替代各种类型原油的高效率是EWI技术广泛应用的原因[3][4][5][6]。该方法的其他优点还包括环保性、适用于石油生产的任何阶段，以及没有化学添加剂或与注入相关的问题[3][4][5]。此外，由于所有这些优点，EWI与其他提高石油回收率（EOR）技术的结合使用受到了广泛关注[7][8]，但这超出了本综述的范围。
众所周知，原油成分显著影响岩石-流体和流体-流体之间的相互作用，从而直接影响EWI项目的结果[9]。通常，原油是一种复杂的流体，天然状态下由碳氢化合物和极性有机组分（POCs）混合而成[10][11]。极性组分在注入低盐度/智能水时控制着多种物理化学过程，进而影响石油的增量回收[12][13][14][15][16][17]。因此，原油的成分对于获得EWI的好处至关重要[18]。相比之下，缺乏极性分子的合成油或精炼油则没有任何优势[13]。
尽管许多研究集中在EWI中的水相机制上[19][20][21][22][23][24]，但油极性的影响相对较少被探索[25]。据我们所知，如图1所示，最近几十年的大部分文献主要研究了润湿性变化的机制，这些变化主要是由注入盐水的化学性质变化引起的[3][4][9][12][26][27][28][29][30][31][32][33]。同时，也有一些关于原油对EWI影响的论文发表，但这些机制仍不明确，需要进一步研究来澄清[34]。为了进一步分析原油的影响，图1中“极性油组分”部分列出的所有文章都进行了全面回顾。其中，选择了那些提供了完整信息的研究——包括原油成分（总酸值-TAN、总碱值-TBN和沥青质含量）、注入工程水的性质（离子强度/总溶解固体）以及储层条件（压力和温度），并在图2中逐年展示。该图显示了近年来人们对原油组分对EWI影响的兴趣日益增加，这表明原油在EWI技术中的作用得到了澄清。选定的文章在本文中进行了回顾，并在第4节进行了定量分析。
以往关于EWI的综述文章探讨了必要条件、现场和实验室测试以及物理化学方法[3][5][9][25][27][32][34][35][36][37][38]。许多研究认为原油极性组分是通过EWI提高石油回收率的初始条件[9]。然而，大多数研究仅关注水相机制，而对油相的影响描述非常有限，缺乏明确的分类；这导致一些机制仍未被揭示[3][5][9][25][27][32][34][35][36][37]。此外，大多数综述研究仅描述了LSWI，或仅限于岩石-流体界面，这使得制定成功的EWI应用的操作条件变得困难[3][5][9][25][34][35][36][37]。
本文旨在根据原油成分及其性质，展示智能水（SmW）和低盐度水（LSW）在砂岩和碳酸盐岩中的有效性。它全面分析了原油对EWI的影响，有助于识别复杂多组分结构中的挑战，并为石油行业带来益处。该综述对岩石-流体和流体-流体界面观察到的化学和物理现象进行了分类，以改进基于储层原油成分的EWI设计。同时，它还指出了以往研究中的不足，并明确指出了被忽视的机制。
本文的结构如下：第一节介绍EWI。第二节解释了基本的流体-流体和岩石-流体相互作用以及原油成分的作用，详细介绍了多离子交换（MIE）、乳化/微分散形成、离子水合壳相互作用（IHSI）等关键过程。第三节描述了由此产生的性质变化和宏观现象，包括界面张力（IFT）变化、石油粘度降低、pH值变化等。第四节回顾了工程水（EW）的数据，第五节介绍了现场应用。第六节讨论了局限性、挑战和未来展望。本文最后总结了研究结果。
部分摘录
基本的流体/流体和岩石/流体相互作用以及原油成分的作用
原油是一种复杂的有机混合物，主要由碳和氢组成，其成分通常通过SARA分析（饱和烃、芳香烃、树脂和沥青质）进行分类[39][40]。原油的极性是其与盐水及岩石相互作用的关键属性，主要由其表面活性组分（即树脂和沥青质）中的杂原子（氮、硫和氧）决定[41]。在这种情况下，“油极性”这一术语...
由此产生的性质变化和宏观现象
本节详细介绍了第二节中基本相互作用导致的流体性质变化和宏观现象。所有机制的一个共同点是原油极性组分的关键作用。这些极性组分迁移到界面并与盐水离子相互作用，触发一系列变化，共同促进石油回收。主要结果包括界面张力（IFT）降低、石油粘度降低、pH值变化、矿物岩石溶解等。
工程水数据的回顾
本节对以往研究的数据进行了定量分析，如图2所示，以更清楚地了解原油在智能/低盐度水驱中的作用。编制了一个全面的数据集，包括193次岩心驱油测试、116次IFT测量、73次接触角评估、74次乳化测试、10次原油粘度测试以及来自相关文献的100次pH测试。
EWI的现场应用：原油成分的主导作用
虽然实验室研究阐明了机制，但EWI的现场应用才是对其有效性的最终检验。这项研究强调了原油成分的主导作用，将其从一个有影响力的参数提升为决定性的筛选标准。现场证据一致表明，EWI项目的成功或失败取决于现场石油与工程盐水在复杂储层环境中的化学相互作用。本节综合了...
局限性、挑战和未来展望
本综述中呈现的实验和现场数据的综合分析明确指出，原油成分是决定EWI成功与否的主要变量。然而，将这一基本理解转化为可预测且可靠的工程回收过程面临重大的科学和操作障碍。这些挑战从分子尺度表征到现场应用实施都有涉及，需要对其进行关键评估并制定明确的未来发展方向。
总结与结论
本综述系统分析了原油成分对碳酸盐岩和砂岩储层中EWI效果的多方面影响。实验室和现场数据的综合分析表明，EWI的成功不仅仅取决于盐水的化学性质或岩石矿物学，而是从根本上受原油极性组分（POCs）的浓度、分子结构和功能性的控制。
CRediT作者贡献声明
Mohaddeseh Ahmadi Aghdam：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、研究。
Siavash Riahi：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、项目管理、概念化。
Omid Khani：撰写——审稿与编辑、验证、研究、正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
