低渗透油藏CO2驱替中泡沫响应系统抑制气窜的机理与优化策略

本研究针对低渗透油藏CO2驱替中气窜问题，首次将三相分流理论（fractional-flow theory）与波曲线法（WCM）结合，揭示了含油条件下泡沫驱替机制。研究发现，泡沫稳定性的关键阈值fmoil（最大允许含油饱和度）决定了油藏开发效果，提出通过调控泡沫质量（fg）和注入策略可显著提升驱油效率，为CO2-EOR与碳封存提供理论支撑。

　　

在应对气候变化的全球背景下，二氧化碳驱油（CO₂-EOR）技术因其兼具提高原油采收率和碳封存的双重效益备受关注。然而，低渗透油藏中CO₂的高流动性导致的气窜现象（gas channeling）严重制约了该技术的应用效果。传统解决方案如聚合物调驱存在适应性差的问题，而泡沫流体因其可降低气体流动性10⁴倍的特性成为研究热点。但泡沫在含油环境中的稳定性始终是学术界和工业界面临的"阿喀琉斯之踵"——当油相饱和度超过临界值fmoil时，泡沫结构会瞬间崩溃。

阿联酋大学（UAEU）联合墨西哥国立自治大学的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表的研究中，创新性地将石油工程领域的三相分流理论（fractional-flow theory）与数学物理领域的波曲线法（WCM）相结合，构建了含油条件下泡沫驱替的解析模型。通过STARS数值模拟平台验证，他们发现泡沫在低质量区（low-quality regime）近过渡泡沫质量（transition foam quality）注入时，能实现最大流度降低（mobility reduction）。研究首次证明油藏中形成的油带（oil bank）饱和度始终低于fmoil阈值，这一发现为优化泡沫配方提供了定量标准。

关键技术包括：1）基于STARS模型的参数反演技术，拟合高温高压CO₂泡沫实验数据；2）三相分流理论构建一维非混相驱替解析解；3）波曲线法处理泡沫/非泡沫界面的强非线性问题。研究选用Cui等报道的模型参数，确保理论推导与实验数据的可对比性。

三相反分流理论验证
通过建立包含油-水-气三相的质量守恒方程，研究发现泡沫驱替过程存在特征波系：前缘的油带波、中间的泡沫前缘波和后缘的注入波。理论推导证明，无论初始含油饱和度S_oi如何，油带饱和度S_o始终满足S_oi < S_o < fmoil，这一约束条件解释了现场应用中泡沫突然失效的现象。

结果与讨论
当fmoil远高于S_oi时（如fmoil=0.4 vs S_oi=0.2），泡沫能推动显著油带形成；反之则导致快速气窜。在低质量区注入时（f_g≈0.7），气体滞留量减少28%，驱替前缘速度提升1.7倍。研究还发现，油相通过双重机制破坏泡沫：在高质量区（high-quality regime）提高干燥极限fmdry，在低质量区削弱流度降低因子fmmob。

结论与意义
该研究建立了含油条件下泡沫驱替的定量判据体系：1）fmoil-S_oi差值决定油带规模；2）过渡泡沫质量对应最佳注入条件；3）气体物质平衡控制驱替效率。理论解为数值模拟提供了无数值伪影（numerical artifacts）的基准解，对机器学习模型训练具有校准价值。在实际应用中，建议优先选用fmoil>0.35的表面活性剂体系，这对我国鄂尔多斯盆地等低渗透油藏的CO₂驱项目具有直接指导意义。