对二氧化碳（CO?）具有响应性的微凝胶，用于实现碳地质储存中的深度适应性控制

《Geoenergy Science and Engineering》：CO 2-responsive microgels for in-depth conformance control in carbon geological storage

CO2地质封存中，通过反乳液聚合合成CO2响应性微凝胶，其低粘度可注入地层，遇CO2膨胀形成高粘度凝胶有效封堵通道，迁移深度达97%封堵效率，解决传统凝胶迁移受限问题。

　　碳地质封存（Carbon Geological Storage, CCS）是应对全球变暖的重要技术之一，通过将二氧化碳（CO?）注入地下地质结构中，实现其长期储存，从而减少温室气体排放对气候的影响。然而，CO?在注入过程中容易沿着地层中的裂缝和高渗透层形成通道，导致封存效率降低以及CO?泄漏风险增加。因此，如何有效控制CO?的流动路径，提高封存的安全性和有效性，成为当前研究的重点。

本研究提出了一种创新性的解决方案，即开发具有CO?响应特性的微凝胶（CO?-responsive microgels），用于堵塞CO?通道。这种微凝胶是通过反向乳液聚合方法合成的，使用（二甲氨基）乙基甲基丙烯酸酯（DMAEMA）和丙烯酰胺（AM）作为单体。反向乳液聚合方法能够实现微凝胶的均匀尺寸分布，同时使更多的CO?响应单体得以有效结合，从而在注入过程中避免过度膨胀，提高其在复杂地层中的适应性。

实验结果显示，这些微凝胶在CO?-N?循环气泡测试中表现出可逆的CO?响应膨胀特性，并且在高温和高盐度的地层条件下保持了良好的稳定性。通过流变学测量，我们发现微凝胶的前驱体分散液在注入时具有较低的粘度，但在CO?激活后会转变为高粘度凝胶，从而有效地阻止CO?的流动。在岩心实验中，微凝胶能够在较低的注入压力下迁移至地层的深层区域，并在CO?激活后对通道进行有效堵塞。实验数据显示，CO?流动后的压降可增加高达119.2倍，CO?堵塞效率甚至可以达到97%。

这一研究成果为解决CO?地质封存中的泄漏问题提供了新的思路和方法。传统的CO?堵塞技术，如在位聚合凝胶（In-situ polymer gel treatment）和预成型颗粒凝胶（Preformed particle gels, PPG）注射，存在一定的局限性。在位聚合凝胶在地层中容易受到剪切力和地层水稀释的影响，导致其性能不稳定。而PPG虽然克服了在位聚合凝胶的某些问题，但由于其颗粒尺寸较大，难以迁移至深层地层，限制了其在长期封存中的应用效果。

为了解决这些问题，研究人员开发了多种具有特定功能的微凝胶系统，如具有自聚集、延迟膨胀、疏水关联和温度响应特性的微凝胶。这些微凝胶能够根据环境条件动态调整其物理和化学特性，从而实现更精确的CO?通道控制。然而，目前大多数CO?响应凝胶的化学组成以阴离子型聚丙烯酰胺为主，其在酸性环境下的离子强度降低会导致凝胶体积收缩，严重影响其CO?堵塞效率。

基于此，本研究设计了一种新型的CO?响应微凝胶，其具有可调节的粒径、快速的CO?响应能力和可控的膨胀行为。通过优化合成工艺，我们实现了微凝胶在注入过程中的低粘度特性，使其能够顺利地进入地层的深层区域。而在CO?激活后，微凝胶能够迅速膨胀，形成高粘度的凝胶结构，从而有效地堵塞CO?通道。

在实验过程中，我们对微凝胶的化学组成、形态、CO?响应特性和流变学性质进行了系统表征。通过调整表面活性剂的用量、引发剂的剂量、交联剂的浓度以及反应温度，我们能够精确控制微凝胶的初始粒径和产率。例如，通过改变表面活性剂的浓度，我们成功制备了5微米级别的微凝胶。这种微凝胶在注入过程中表现出良好的流动性，而在CO?激活后能够迅速膨胀，形成有效的堵塞结构。

为了进一步验证微凝胶在实际地层中的堵塞效果，我们进行了微凝胶交替气驱实验（Microgel Alternating Gas Flooding, MAG），在模拟地层的岩心样品中评估其性能。实验结果表明，微凝胶在低压力梯度下具有优异的注入能力，并且能够有效地堵塞CO?通道，同时保持与目标地层渗透率的兼容性。这些特性使得微凝胶在实际应用中具有更高的可行性。

此外，我们还对微凝胶的化学组成和形态进行了深入研究。通过使用扫描电子显微镜（SEM）和动态光散射（DLS）技术，我们观察到微凝胶在CO?激活后粒径显著增加，达到原始粒径的2.6倍。这种粒径的变化不仅有助于提高微凝胶的堵塞能力，还能够增强其在地层中的分布范围，从而实现更全面的CO?通道控制。

本研究的微凝胶系统在多个方面展现出显著的优势。首先，其粒径可调，能够根据不同的地层条件进行优化设计，以提高堵塞效率。其次，微凝胶对CO?具有快速的响应能力，能够在注入过程中迅速适应环境变化，形成有效的堵塞结构。第三，微凝胶的膨胀行为可控，能够在特定条件下实现最佳的堵塞效果，而不会对地层造成过度的物理扰动。最后，微凝胶的低粘度特性使其在注入过程中具有良好的流动性，能够顺利迁移至深层地层，从而实现长期的CO?封存效果。

综上所述，本研究提出的CO?响应微凝胶系统为解决CO?地质封存中的泄漏问题提供了一种全新的策略。通过优化合成工艺和材料选择，我们成功开发出一种具有高堵塞效率和良好适应性的新型材料，能够有效控制CO?在地层中的流动路径，提高封存的安全性和有效性。未来，这一技术有望在实际的碳封存项目中得到广泛应用，为实现全球碳中和目标提供重要的技术支持。