利用非离子型二元表面活性剂CO2泡沫：强化碳利用与存储的创新之举

为解决CO2-EOR（二氧化碳强化采油）中CO2存储效率低等问题，研究人员开展了利用非离子型二元表面活性剂CO2泡沫提高地质CO2存储及优化碳利用与存储效率的研究。结果表明该泡沫可大幅提升CO2保留因子和油采收率，为石油行业可持续发展提供新途径。

　　

研究背景

在全球努力应对气候变化的大背景下，人为二氧化碳（CO2）排放成为焦点问题。石油行业的生产过程是CO2排放的重要来源之一，传统石油生产方式不仅能源消耗大，还会释放大量温室气体。为了实现未来零碳经济，寻找更高效且低碳排放的石油生产技术迫在眉睫。

在石油开采领域，向油藏注入CO2等气体是提高采收率的重要手段。CO2能够降低原油粘度、减小油水界面张力，还能与烃类混溶，有效溶解和驱替被困原油，维持油藏压力，延长油藏生产寿命。然而，CO2 - EOR 也面临诸多挑战，注入的CO2容易突破到生产井，增加分离成本并可能导致CO2排放到大气中。而且，常规的CO2注入方法受浮力效应、重力分异和波及效率低等因素影响，无法实现CO2的最优存储。

为解决这些问题，研究人员将目光投向了CO2泡沫。CO2泡沫是由表面活性剂稳定的气泡分散在液相中形成的，具有独特的流变学和界面特性，能够降低CO2在油藏中的流动性，提高波及效率，减少气窜风险。但传统表面活性剂存在高岩石吸附性、在恶劣油藏条件下稳定性差等问题。基于此，来自斯科尔科沃科技学院（Skolkovo Institute of Science and Technology）的研究人员开展了相关研究，其成果发表在《Heliyon》上。

研究方法

研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。首先，从碳酸盐油田获取实验材料，包括地层水、原油、CO2气体以及表面活性剂等，实验条件模拟油藏实际情况。实验选用来自同一碳酸盐油藏的岩心样本，经清洗、干燥处理后用于实验。核心实验是岩心驱替实验，分别进行CO2驱替、单一表面活性剂CO2泡沫驱替和二元表面活性剂CO2泡沫驱替实验。在实验过程中，利用柱塞泵注入流体，通过气相色谱单元实时监测产出气体的组成和动态变化，以此精确量化CO2的产出量。同时，测定了油采收率、CO2保留因子等多个评估参数，用于分析不同注入方式的效果。

研究结果

1. 泡沫强化CO2利用和存储的机制：研究发现，CO2气体由于粘度低、扩散性高，在多孔介质中传播不均匀，容易形成粘性指进，导致CO2存储效率低。而CO2泡沫能够增加流动阻力，使CO2进入低渗透区域，提高油藏的接触面积，从而增强油采收率和CO2利用率。泡沫中的表面活性剂降低了原油与CO2之间的界面张力，促进了CO2在油相中的混合和溶解，增加了毛细管数，使更多的油被驱替到生产井。此外，泡沫的贾敏效应（Jamin effect）使其能够堵塞孔隙喉道，扩大CO2的波及体积，提高波及效率。在实验中，CO2泡沫注入比CO2气体注入的CO2保留因子显著提高，油采收率也有明显提升123。
2. 二元表面活性剂系统对改善CO2利用和存储的贡献：与单一表面活性剂相比，二元表面活性剂系统作为发泡剂具有更好的协同效应。使用二元表面活性剂系统产生的泡沫更稳定，对高温、高盐和油的存在等恶劣条件更具耐受性。这是因为二元表面活性剂系统精确调整了气液界面处表面活性剂分子的亲水亲油平衡（HLB），使其更亲油，在CO2中的溶解性更好，从而提高了泡沫的发泡性和稳定性。同时，二元表面活性剂系统在岩石表面的吸附量显著降低，减少了表面活性剂分子的损失，保证了在多孔介质中能够产生足够稳定的泡沫。实验结果显示，使用二元表面活性剂系统的泡沫驱替实验，油采收率提高了 24%，CO2保留因子提高了 22%456。
3. CO2利用和存储过程中流动性控制趋势评估：通过监测过滤过程中多孔介质两端的压差变化，研究人员发现CO2气体注入时压差呈下降趋势，而泡沫注入时压差呈上升趋势。这表明泡沫在驱替油的过程中，部分被保留在多孔介质中，或者被CO2替代，从而增加了油藏内的流体保留量。二元表面活性剂产生的泡沫在流动性控制方面表现更优，其流动性降低因子比单一表面活性剂产生的泡沫高 23%，进一步证明了二元表面活性剂系统作为发泡剂和流动性控制剂的优势。在驱替过程中，泡沫与油接触会导致稳定性下降，二元表面活性剂产生的泡沫受影响较小，在油存在的情况下仍能保持较好的稳定性789。
4. CO2存储容量和存储效率：计算不同注入过程的CO2存储相关评估参数后发现，CO2泡沫注入实验的CO2保留因子在 52% - 63% 之间，远高于CO2气体注入的 11.40%。同时，二元表面活性剂泡沫注入的存储效率达到 96.63%，显著高于单一表面活性剂泡沫注入和CO2气体注入。由于实验所用盐水的高盐度，溶解度捕获对CO2存储的贡献较小，残余捕获起主要作用。泡沫能够增强这一过程，因为表面活性剂可溶解CO2，使其更易溶解于高盐度地层水中，从而提高CO2的存储效率101112。

研究结论与意义

本研究通过开展CO2注入、单一表面活性剂CO2泡沫注入和二元表面活性剂CO2泡沫注入的对比实验，得出以下重要结论：二元表面活性剂系统产生的CO2泡沫油采收率最高，达到 96%，比单一表面活性剂泡沫高 24%，比CO2气体注入高 85%；CO2气体注入后仅保留 11% 的注入CO2，而单一表面活性剂和二元表面活性剂泡沫注入分别保留 52% 和 64%；提出了泡沫优化碳利用和存储的三个重要机制，即增加流动阻力、降低界面张力和贾敏效应；二元表面活性剂系统产生的泡沫性能更优，得益于其更好的发泡性、稳定性和更低的岩石吸附性；确定了不同注入方式下的理论存储容量，二元表面活性剂泡沫注入的理论存储容量最高。

这些研究成果为石油行业提供了一种可持续发展的技术，既能减少温室气体排放，又能提高石油产量。在全球致力于实现《巴黎协定》目标，将全球变暖限制在 1.5 - 2℃的背景下，该研究对于推动能源行业的低碳转型具有重要意义，为地质CO2存储和强化采油技术的发展提供了新的思路和方法。