高压条件下CO2可溶性表面活性剂溶解与泡沫形成的协同机制研究

本研究针对CO2泡沫驱油过程中表面活性剂溶解行为与泡沫稳定性耦合机制不清的科学问题，通过系统研究CO2可溶性表面活性剂在高温高压条件下的溶解特性、界面张力调控和泡沫性能，揭示了"溶解-输运-沉淀-界面调控"的协同作用机制。结果表明在60°C/22 MPa条件下，表面活性剂在CO2相溶解度达2.4%，泡沫半衰期延长至500分钟，最小混相压力(MMP)降低3.8 MPa，为高效CO2泡沫驱油剂的设计提供了理论依据和实践指导。

　　

随着全球能源需求的不断增长，提高原油采收率技术已成为石油工业可持续发展的关键课题。其中，CO₂泡沫驱油作为一种有效的提高采收率(EOR)技术，在非均质储层中能够显著提高波及效率并缓解气体窜流。然而，传统水溶性表面活性剂在CO₂介质中的迁移能力有限，且泡沫稳定性的维持面临严峻挑战。特别是在高温高压的储层条件下，CO₂可溶性表面活性剂的溶解行为与泡沫生成动力学之间的耦合机制尚不明确，这严重制约了该技术的进一步推广应用。

为了解决这一关键技术难题，研究人员在《Journal of CO2 Utilization》上发表了题为"Synergistic mechanism of CO₂-soluble surfactant dissolution and foam formation under high-pressure conditions"的研究论文。该研究通过系统的实验设计和理论分析，深入探讨了CO₂可溶性表面活性剂在高温高压条件下的溶解特性、界面行为及其对泡沫性能的影响规律。

本研究采用了几项关键实验技术：动态泡沫分析仪(DFA-100)用于评估泡沫性能，高温高压可视化泡沫分析系统实现泡沫生成过程的实时观测，悬滴法界面张力仪测量CO₂-油-水体系的界面张力(IFT)，高压可视化相平衡池测定表面活性剂的溶解度特性。实验所用原油样品来自大庆油田某区块的脱气原油，模拟地层水基于大庆油田某区块水质分析数据配制。

3.1. CO₂可溶性表面活性剂的泡沫性能

通过DFA-100动态泡沫分析仪的评价发现，在模拟储层压力温度条件下，温度对泡沫性能具有显著影响。随着温度从60°C升高到90°C，泡沫半衰期从1900秒降至700秒，泡沫综合指数(FCI)从4050 mL·min下降至1763 mL·min。而压力的增加则有利于泡沫稳定性的提高，在60°C条件下，压力从8 MPa升至22 MPa时，泡沫半衰期从70分钟延长至近500分钟。这些结果表明，中等温度(60-70°C)和较高压力(≥18 MPa)条件下，CO₂可溶性表面活性剂表现出最优的泡沫性能。

3.2. CO₂可溶性表面活性剂的溶解沉淀行为分析

溶解度测试结果显示，表面活性剂在CO₂相中的溶解度与压力呈正相关，与温度呈负相关。在60°C和22 MPa条件下，溶解度达到最大值2.4%，而在90°C相同压力下，溶解度降至约1.1%。浊点压力测试表明，温度从60°C升至100°C时，浊点压力从10.3 MPa增加至14.6 MPa，表面活性剂浓度从0.2%增加至2.0%时，浊点压力从11.9 MPa上升至13.3 MPa。这些数据为确定表面活性剂在储层条件下的操作窗口提供了重要依据。

3.3. 表面活性剂对CO₂-油-水体系界面张力的调控

界面张力测量结果表明，表面活性剂的加入显著降低了CO₂-原油体系的界面张力。当表面活性剂浓度从0%增加至1.2%时，最小混相压力(MMP)从31.4 MPa降低至27.6 MPa。在CO₂-水体系中也观察到类似规律，界面张力随着压力升高而降低，在高压区(>20 MPa)趋于稳定值约10 mN/m。值得注意的是，去离子水体系的界面张力略低于地层水体系，说明无机离子的存在会削弱界面混合效果。

4. 溶解-发泡机制分析

研究提出了"溶解-输运-压力触发沉淀-快速吸附-粘弹性膜稳定"的协同作用机制。表面活性剂在高压CO₂相中溶解后，随CO₂共同运移至储层深部，当局部压力低于浊点压力时发生原位沉淀，并在气-液界面富集形成粘弹性界面膜。这种动态的溶解-沉淀循环机制不仅保证了表面活性剂在需要的位置精确释放，还通过Gibbs-Marangoni效应实现泡沫膜的自修复功能，显著延长了泡沫寿命。

本研究通过系统实验阐明了CO₂可溶性表面活性剂在高温高压条件下的溶解特性与泡沫性能之间的内在联系，揭示了其独特的作用机制。研究发现，在60-70°C和≥18 MPa条件下，表面活性剂表现出最佳的泡沫性能，泡沫半衰期可达500分钟，同时能够将最小混相压力降低3.8 MPa。这些成果不仅为CO₂泡沫驱油技术的优化提供了理论指导，也为新型高效CO₂可溶性表面活性剂的分子设计指明了方向。该研究对推动CO₂驱油技术的发展具有重要意义，特别是在陆相页岩油等非常规油气资源开发领域具有广阔的应用前景。