碳酸碱性流体（CAF）：一种用于实现可持续生产水回灌的二氧化碳矿化方法

《Energy & Fuels》：Carbonated Alkaline Fluid (CAF): A CO2 Mineralization Approach for Sustainable Produced-Water Reinjection

本研究提出一种表面处理工艺，将产水碳酸盐化并碱化，去除Ca2?/Mg2?，生成含碳酸盐流体（CAF），提升油藏润湿性（从157°到48°），并增强自发吸入，使采收率从5.5%增至25.8%，实现CO?固定与水再注入的协同。

　　

大气中二氧化碳（CO₂）浓度的不断增加加剧了对于可扩展性缓解措施的需求。本研究提出了一种基于表面的工作流程，将二氧化碳矿化技术与产出水（PW）处理相结合，将产出水转化为碳酸碱性流体（CAF）——这是一种经过化学改性的盐水，旨在调节流体与流体以及流体与岩石之间的相互作用，并提升回注水的质量。首先用二氧化碳使产出水碳酸化，然后通过氢氧化钠（NaOH）进行碱化处理，从而使pH值升高至约10.2，并通过生成氢氧化镁（Mg(OH)₂）和碳酸钙（CaCO₃）来减少二价阳离子（Mg²⁺/Ca²⁺的浓度，从而调整剩余盐水的化学成分，并主要以碳酸钙（CaCO₃）的形式固定二氧化碳。该工作流程通过电感耦合等离子体质谱（ICP–MS）、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜结合能量分散X射线光谱（SEM-EDS）、Zeta电位测量、界面张力（IFT）、接触角测量以及自吸性能测试进行了评估。ICP–MS结果显示，产出水中的二价离子被有效去除：Ca²⁺减少了26%，Mg²⁺减少了60%；XRD/SEM-EDS分析证实，在NaOH处理过程中形成了碳酸钙和氢氧化镁（XRD可检测到的结晶物中约26%为氢氧化镁）。通过降低Ca²⁺/Mg²⁺的比例并提高pH值，电双层结构被扩展，离子桥接作用减弱，导致盐水的Zeta电位从+5.3 mV变为?10.4 mV，润湿性也从油湿状态（157°）转变为水湿状态（48°）。IFT值的显著下降（22.6 mN/m → 13.8 mN/m）与较高的pH值以及弱酸性油类物质在原位生成羧酸类表面活性剂的现象相符。在印第安纳州的石灰岩地层中，使用CAF后石油回收率从5.5%提升至25.8%，绝对增加了20.3个百分点，这反映了毛细作用力的降低以及自吸性能的增强。由于所有反应都在紧凑的模块化表面装置中进行，该方案避免了地下储存的风险，简化了相关许可流程，并且能够同时生产具有潜在市场价值的碳酸钙和氢氧化镁，同时获得可重复使用的回注液，为在碳酸盐岩层中进行低碳、高效的水回注提供了实际可行的途径。