表面活性剂与压力对地质封存场地多孔介质中超临界CO2 驱替效率的影响机制研究

为提升碳封存效率，韩国研究人员通过实验室模拟地下储层条件，探究非离子表面活性剂Tween 80和压力（8-20 MPa）对超临界CO2 （scCO2 ）驱替效率的作用。研究发现，添加1.0 wt%表面活性剂可使scCO2 驱替效率提升52%，界面张力降低59%；压力升高则通过降低界面张力（40%）和增加scCO2 粘度（60%）协同提升效率18-28%。该研究为优化碳捕集与封存（CCS）技术提供了关键数据支撑。

　　

全球变暖与气候变化正成为21世纪最严峻的环境挑战，而大气中过量的CO₂
排放是主要诱因之一。碳捕集与封存（Carbon dioxide capture and sequestration, CCS）技术被视为缓解这一问题的关键手段，其核心是将工业排放的CO₂
注入地下地质构造（如枯竭油气藏、咸水层等）并以超临界CO₂
（scCO₂
）状态长期封存。然而，现有技术面临两大瓶颈：一是scCO₂
在地下多孔介质中的驱替效率不足，二是高温高压真实环境下的界面性质数据匮乏。

为突破这些限制，韩国核燃料处理研究所（IKSNF）与国立研究基金会（NRF）资助的研究团队在《The Journal of Supercritical Fluids》发表了一项创新研究。该团队通过实验室规模的高压模拟装置，系统考察了非离子表面活性剂Tween 80和压力（8-20 MPa）对scCO₂
驱替效率的影响，并首次定量揭示了界面性质变化与驱替效率的关联机制。

研究采用高压不锈钢柱（4.5 cm×10.0 cm）模拟地下储层多孔介质，结合界面张力仪和接触角测量系统，在温度45℃、压力8-20 MPa条件下，检测了不同Tween 80浓度（0-1.0 wt%）对水-scCO₂
系统界面性质（界面张力、接触角）及scCO₂
驱替效率的影响。通过毛细管数（C_N
）和粘度比（V_R
）等参数定量评估了驱替动力学变化。

The roles of surfactant for interfacial property changes
实验证实，添加1.0 wt% Tween 80可使水-scCO₂
界面张力降低59%，接触角增加23%，毛细管数提升15%。这种界面性质改变直接导致scCO₂
在多孔介质中的驱替效率最高提升52%。

Increased scCO₂
displacement efficiency due to pressure
当压力从8 MPa升至20 MPa时，界面张力进一步降低40%，但scCO₂
粘度增加60%。这种"一降一升"的协同效应使毛细管数和粘度比分别增长27%与38%，最终驱动scCO₂
驱替效率提升18-28%。

Conclusion
该研究首次在实验室尺度证实：表面活性剂通过显著改善水-scCO₂
界面性质（降低界面张力、增大接触角）提升驱替效率；而高压环境则通过双重作用（降低界面张力+增加scCO₂
粘度）进一步强化这一过程。这些发现为CCS技术提供了两项关键优化策略：一是推荐采用1.0 wt% Tween 80作为经济高效的添加剂，二是指出20 MPa可能是压力优化的临界点。

这项研究的突破性在于：首次在模拟真实储层条件下（高温高压+多孔介质）量化了表面活性剂与压力对scCO₂
驱替的协同效应，填补了微观模型研究与实际工程应用的鸿沟。韩国能源技术评估院（KETEP）在项目评估中指出，该成果可直接应用于提高CO₂
注入效率与封存容量的技术开发，对实现"双碳"目标具有重要实践意义。