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为解决全球能源需求与减少温室气体排放的双重挑战，研究人员开展了 CO?驱油提高采收率（EOR）与封存相结合的研究。针对碳酸盐岩储层复杂孔隙结构、低渗透率、油湿性及高盐高温等难题，探讨离子液体（ILs）的应用潜力，发现其可改善润湿性、降低界面张力（IFT）、提升 CO?吸附溶解能力，为可持续 EOR 和碳管理提供新路径。
碳酸盐岩储层开发困境：传统技术的瓶颈与新需求
全球能源转型背景下，碳酸盐岩储层因其占据全球剩余石油储量的重要份额，成为油气开发与 CO?封存的关键领域。然而，这类储层普遍面临复杂孔隙网络、低渗透率和强油湿性的挑战 —— 原油中带负电的极性组分与岩石表面正电荷相互作用，导致油相难以被水驱替。此外，高温高压（HPHT）环境下的相行为复杂性、水 - 岩 - 气化学反应（如矿物溶解 / 沉淀）以及高盐度（可达 200,000 mg/L 以上）和杂质（如 H?S）的存在，进一步降低了传统 EOR 方法的效率。例如，常规表面活性剂在高盐条件下易失效，CO?注入虽能提高采收率，但可能引发矿物溶解导致的储层结构风险。如何在极端条件下实现高效采油与安全碳封存，成为制约该领域发展的核心科学问题。
离子液体的特性与研究突破：从实验室到应用的潜力
针对上述挑战，来自多国的研究团队聚焦于离子液体（ILs）这一新型功能材料。ILs 是一类熔点低于 100°C 的盐类，具有可调控性、热稳定性（耐温达 300°C）和近乎零蒸气压等特性。在实验中，研究人员发现 ILs 通过以下机制改善碳酸盐岩储层性能：
- 界面张力调控：咪唑类 ILs 如 [C??mim] Br 可将油 - 水界面张力降至 0.01-1 mN/m，优于传统表面活性剂（如 CTAB 的 1-10 mN/m）。其表面活性源于阴阳离子的不对称结构，能有效吸附于岩石表面，剥离原油中的极性组分。
- 润湿性反转：长链烷基咪唑型 ILs（如 [C??mim] Cl）可将岩石润湿性从油湿（接触角 > 130°）转变为水湿（<40°）。通过电荷中和与氢键作用，ILs 置换岩石表面的油相吸附分子，形成水膜促进自发渗吸。
- CO?溶解度提升：ILs 的离子环境可增强 CO?在水中的溶解，如 [MOIM] Cl 和 [DMIM] Cl 使 CO?最小混相压力（MMP）降低 13.5%-17%，优于正丁醇和非离子表面活性剂。这一特性有助于在更低压力下实现 CO?与原油的混相，提高驱油效率。
- 微乳液与黏度优化：ILs 无需助表面活性剂即可形成稳定微乳液，如 [C??mim] 与 NaCl 复配体系可形成 Winsor III 型微乳液，有效封堵高渗通道。此外，聚合离子液体（PILs）通过形成蠕虫状胶束，同时实现黏度调控与界面张力降低，改善流度比。
关键技术方法：多维度评估 ILs 的性能
研究团队采用多种实验手段系统评估 ILs 的性能：
- 界面性能测试：通过悬滴法测量油 - 水界面张力，发现 [C??mim][Br] 在 200,000 ppm 盐度下仍能保持低 IFT（≤0.01 mN/m），而传统表面活性剂在此条件下已失效。
- 润湿性表征：利用接触角测量仪，证实 [C?mim] Cl 可使砂岩接触角从 110° 降至 70°，且在 80°C 高温下稳定，揭示其通过静电吸附改变表面能的机制。
- 岩心驱替实验：在碳酸盐岩岩心中注入 ILs 溶液后，水驱采收率提升 12%-35%，结合 CO?驱可进一步提高至 50% 以上，表明 ILs 与 CO?的协同效应。
- 分子模拟与 AI 优化：通过量子化学计算 σ-profile 描述符，结合人工神经网络（ANN）和随机森林（RF）模型，预测 ILs-CO?体系的溶解度（R2 达 0.9754），加速了 ILs 分子设计，减少了实验试错成本。
研究结果与创新点：从机制到应用的跨越
- 双重功能验证：ILs 在提高采收率的同时增强 CO?封存安全性。通过改变岩石润湿性为强水湿状态，ILs 抑制 CO?向上运移的浮力效应，使毛细管捕集效率提升 30%，降低泄漏风险。
- 极端条件适应性：在高盐（200,000 ppm NaCl）、高温（200°F）储层中，ILs 仍能保持结构稳定，而传统表面活性剂因盐析或热降解失效。例如，[C??mim] Cl 在侏罗纪和白垩纪中东油藏模拟条件下，界面活性维持率达 90% 以上。
- 环境与经济潜力：部分 ILs（如含酯基咪唑类）可生物降解，且可重复使用 4 次以上（性能无显著下降），相比一次性使用的传统表面活性剂，成本效益更优（尽管合成成本较高，但循环利用降低总体支出）。
挑战与未来方向：从实验室到工业化的鸿沟
尽管 ILs 展现出显著潜力，但其大规模应用仍面临以下挑战：
- 技术瓶颈：缺乏现场规模的长期稳定性数据，如 ILs 与多矿物（如方解石、白云石）的相互作用机制尚不明确，可能引发孔隙堵塞或渗透率下降。
- 环境风险：部分 ILs 的毒性和生物累积性需进一步评估，尤其是在复杂地质环境中的长期行为。
- 经济成本：当前 ILs 合成成本高达 83-140 美元 / 吨 CO?，需通过规模化生产和工艺优化降低成本。
- 政策与标准：缺乏针对 ILs 在 EOR 中的环境监管框架，需建立行业标准以推动应用。
未来研究需聚焦于：①开发低成本、可生物降解的 ILs 配方；②开展长期岩心流动实验和数值模拟，验证储层兼容性；③结合 AI 加速 ILs 筛选，优化分子结构以匹配不同储层特性；④推动 pilot 试验，评估 ILs-CO?联合技术的实际效果与环境影响。通过跨学科协作与技术创新，ILs 有望成为破解碳酸盐岩储层开发难题的核心技术，助力全球碳中和目标的实现。
