努尔古丽·拉提甫等在《ACS ES&T Water》期刊上发表论文：不同驱替策略下稠油采出水溶解性有机物的分子表征（Molecular Characterization of Dissolved Organic Matter in Produced Water from Heavy Oil Recovery under Varied Oil Recovery Displacement Strategies）。论文联合运用气相色谱-质谱（GC-MS）和电喷雾电离静电场轨道阱高分辨质谱（ESI Orbitrap MS）的正、负离子模式，对水驱、CO₂驱、蒸汽吞吐、蒸汽辅助重力泄油（SAGD）、火烧油层和聚合物驱等八类典型采出水中的溶解性有机物（DOM）进行了系统表征，首次从分子层面揭示了不同驱替技术对采出水有机物组成及的差异化影响，为油田采出水的精准处理和环境风险管控提供了关键理论基础。

随着常规原油资源日益减少，稠油和超稠油在全球能源供应中的占比持续攀升，蒸汽吞吐、SAGD、火烧油层、CO₂驱和聚合物驱等强化采油技术被广泛应用。然而，这些技术在提高采收率的同时，也产生了成分极为复杂的采出水。与常规水驱相比，稠油热采采出水中溶解性有机碳（DOC）浓度更高（可达871.6 mg/L），极性更强，油水乳化稳定性显著增强，给后续处理工艺带来巨大挑战。长期以来，对采出水有机物的研究多集中于负离子模式检测的酸性组分（如环烷酸），对碱性含氮化合物和外源化学添加剂的认识十分有限，难以全面指导处理工艺的优化。

 

采出水中挥发/半挥发性有机质气相色谱图

针对上述问题，本研究选取新疆油田八类典型采出水样品，涵盖稠油CO₂驱、蒸汽吞吐、SAGD、火烧油层、聚合物驱采出水，以及常规原油水驱和CO₂驱采出水，并纳入瓜尔胶压裂返排液作为对照。样品经液-液萃取和固相萃取分离为有机相和水相后，分别采用GC-MS分析非极性/弱极性组分，以及正、负离子ESI Orbitrap MS分析极性和离子型化合物。正离子模式的引入尤为关键，使得碱性含氮化合物和聚醚类添加剂等以往难以检测的组分得以全面呈现。

GC-MS分析显示，不同驱替方式下非极性和弱极性有机物组成差异显著。蒸汽吞吐和SAGD采出水的有机相以酚类化合物和含氮杂环化合物为主，几乎检测不到烷烃成分。相比之下，水驱、聚合物驱和CO₂驱等非热采方式的采出水中，烷烃占据主导地位，碳数分布在C9-C31之间，其中C16-C20区间占比最高。值得注意的是，稠油采出水中高碳数烷烃（C21-C31）的相对含量显著高于常规原油采出水。火烧油层采出水中低碳数烷烃（C5-C10）含量较高，反映了高温氧化燃烧产生的小分子裂解产物特征。此外，CO₂驱对轻烃组分具有强萃取能力，其采出水中正构烷烃分布范围宽（C9-C31），低碳数组分丰度明显升高。

针对酸性含氧化合物（环烷酸及其衍生物），负离子ESI Orbitrap MS分析表明，稠油采出水中的酸性组分普遍含有更多氧原子，氧化程度更高。在水相中，环烷酸类物质以O4类（二元羧酸）为主，而有机相中则以O2类（一元羧酸）和O3-O4类混合组分为主。热采过程（蒸汽吞吐、SAGD）生成的酸性物种缩合度较高，DBE（双键当量）值偏高，如蒸汽吞吐采出水中有机相的O2类化合物DBE可达6，这主要归因于高温下烷基侧链氧化、芳环羟基化以及环化缩合反应。而水驱和CO₂驱则主要生成低环数的一元和二元羧酸（DBE 1-3）。火烧油层采出水有机相中O2类占绝对主导，但其DBE值（3-6）明显高于常规采出水，表明高温有氧环境不仅生成含氧化合物，还通过芳构化和氧化缩合形成了更多不饱和环状结构。聚合物驱采出水中O4类与O2类丰度相当，而瓜尔胶压裂返排液则以低DBE（1-2）的O2类为主。

采出水正离子电喷雾高分辨质谱图

正离子ESI Orbitrap MS首次系统揭示了碱性含氮化合物的分子分布特征及其与驱替工艺的关联。在所有采出水中，碱性含氮物种主要为N1、N1O1和N1O2类。在有机相中，常规水驱采出水以DBE=4的N1类（吡啶型）为主，而稠油采出水中N1类的DBE值普遍在6-10之间，反映了稠油本身富含高缩合芳香氮杂环的特点。CO₂驱采出水中N1O1类丰度升高，则与CO₂营造的弱酸性环境促进胺类氧化有关。化学驱（聚合物驱、瓜尔胶压裂）条件下，由于温度较低、氧化性弱，基本保留了原油中固有的N1杂环结构，氧化程度极低。在水相中，碱性含氮化合物普遍具有更高的氧含量（N1O1、N1O2为主），分子量和碳数均低于有机相，表明极性较强的氧化产物更倾向于分配至水相。

除碱性氮化物外，正离子模式还直接检测到聚丙二醇醚类聚合物添加剂，在所有样品（除火烧油层外）中均广泛存在。这些聚醚类物质以三种同系物形式出现：线性聚丙二醇（系列A）、环氧乙烷封端聚丙二醇醚（系列B）和环状聚丙二醇醚（系列C），它们可能源自油田常用的消泡剂等化学助剂。不同驱替工艺采出水中聚醚系列分布各异，既反映了化学配方的差异，也体现了添加剂在油藏中的转化途径。由于聚醚类物质生物降解性较差，其在采出水中的普遍检出提示了潜在的环境累积风险。

本论文的成果表明，不同驱替技术对采出水DOM的分子组成具有显著且可辨识的调控作用：热采工艺（尤其蒸汽吞吐和SAGD）生成大量极性酚类和氧化态含氮/含氧化合物，增加了处理难度；而化学驱则主要引入外源聚合物和表面活性剂相关组分。这些分子层面的认识为采出水污染物的源头追溯、处理工艺的靶向设计（如针对高缩合酸性组分的吸附、针对碱性氮化物的氧化预处理等）以及环境风险评估提供了坚实的数据基础。同时，正离子ESI Orbitrap MS在揭示碱性氮化物和聚醚添加剂方面的独特优势，拓展了超高分辨质谱在油田水DOM表征中的应用维度，为未来同类研究提供了方法学参考。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsestwater.6c00202。

撰稿：何晨/刘晓丽