利用响应面方法优化海藻酸钠在碳捕获与储存技术中的应用

《Geoenergy Science and Engineering》：Optimization of Carbon Capture and Storage Technology Using Sodium Alginate through Response Surface Methodology

泡沫驱油过程中油饱和度上限与泡沫稳定性的关系，基于三相分流量理论结合波形曲线法，揭示了泡沫油银行形成的临界条件（fmoil）及影响因素，提出了低质量泡沫注射策略以优化驱油效率，并验证了分流量理论在泡沫数值模拟中的基准作用。

　　

摘要

首次将三相分数流理论与波曲线方法相结合，以更好地理解泡沫在多孔介质中与油共存的位移机制，同时使用了一个广泛应用的泡沫模型。分数流理论表明，由泡沫形成的油藏中的油饱和度永远不会超过稳定泡沫的上限——即“泡沫破坏饱和度”（fmoil）（超过该饱和度的泡沫会失效）；详见（Tang等人，2019c）和下面的第3.4节。这一限制为形成显著的油藏提供了一个标准：对于所使用的表面活性剂配方，“泡沫破坏饱和度”必须远高于初始油饱和度。我们确定了控制泡沫和油藏传播的关键因素：泡沫破坏饱和度、泡沫质量、泡沫注入时的状态以及注入和初始状态下的泡沫强度。这些因素的机制通过气体质量平衡得以揭示：任何能够增加注入气体体积同时保持足够泡沫强度的因素，或者降低泡沫区域内气体饱和度的因素，都会加速泡沫的传播，反之亦然。此外，还确定了一种最佳的泡沫注入策略：在泡沫质量接近临界值时注入泡沫（Tang等人，2019a；2019b），此时流动性的降低达到最大。这一规则的普遍性需要进一步验证。无数值伪影的分数流解可以用来评估用于泡沫过程的数值模拟器和机器学习方法。

引言

将二氧化碳（CO₂）注入地质构造是提高石油采收率（EOR）和碳封存的重要手段。然而，其潜力受到注入气体的扫掠效率和捕获效率的限制，这是由于气体高流动性导致的“气体指进”现象、地层非均质性以及气体/液体密度对比引起的重力效应[1]、[2]。泡沫能够显著降低气体流动性，例如降低10至10⁴倍[3]、[4]。这一特性使得泡沫在地下应用中具有广泛前景：石油工业中的EOR[4]、[5]、[6]；井刺激中的酸液分流[7]、[8]；土壤和含水层修复中的非水相液体（NAPL）污染物去除[9]、[10]；以及碳封存[11]、[12]、[13]、[14]。从根本上说，泡沫通过两种机制促进EOR和碳封存：改善气体扫掠效果和增加被扫掠区域的气体饱和度[13]。提高气体饱和度进一步增加了储存的CO₂量。

准确模拟和评估现场碳封存过程中的泡沫EOR效果，理解泡沫与油共存的物理机制尤为重要。鉴于泡沫与油之间的复杂相互作用，这一直是一个长期存在的挑战[15]。泡沫在多孔介质中表现出两种流动状态，这取决于泡沫的质量——即气体体积分数（f_g）[16]：高质量状态和低质量状态；见图1a。左上角的高质量状态表现为当水饱和度低于临界值时泡沫突然崩溃，在STARS模拟器中称为“fmdry”[8]、[17]。右下角的低质量状态表现为气体流动性降低，在STARS中称为“fmmob”，这种状态出现在较湿润的条件下。两种泡沫流动状态的交界处标志着泡沫质量的转变点，对应于总流动性的最大降低。最近的一项实验室研究[18]表明，这两种流动状态也适用于泡沫与油的共存，如图1b所示。

一个广泛用于表示多孔岩石中泡沫的模型是STARS[20]。该模型表示含油和不含油泡沫的适用性已通过稳态核注数据的模型拟合得到验证[18]、[21]、[22]。拟合结果与数据之间的良好一致性揭示了泡沫与油之间的相互作用。在高质量状态下，油通过提高“fmdry”来破坏泡沫稳定性；在低质量状态下，油通过降低“fmmob”来削弱泡沫。关于在STARS中拟合泡沫模型的详细步骤，可以参考已发表的研究[23]、[24]、[25]。

泡沫的存在使得三相流动问题变得复杂，引入了强烈的非线性、泡沫/无泡沫边界处的突然流动性变化以及在混相位移中的相识别不确定性[26]。这些复杂性给数值模拟结果带来了很大的不确定性，并可能导致数值伪影。因此，需要一种可靠的方法来校准数值模拟器。

尽管分数流理论需要一些简化假设，但它没有数值伪影，这一点具有优势。此外，该理论对复杂的多相位移过程（如泡沫引起的位移）提供了深刻的见解[27]、[28]、[29]、[30]。Ashoori等人[31]讨论了泡沫与CO₂首次接触时的混相位移的分数流理论。在这里，我们专注于使用STARS模型和适合CO₂泡沫数据的模型参数进行不相溶泡沫的的三相分数流建模。通过将三相分数流理论与波曲线方法（WCM）相结合，解决了含有泡沫的三相位移问题。分数流解揭示了控制泡沫EOR成功的关键物理因素。特别是，这些见解阐明了泡沫在油藏中的稳定性（这是泡沫成功的关键之一）、形成显著油藏的标准、控制泡沫及其传播的因素，以及这些因素对泡沫传播的影响机制。

此外，由于分数流解没有数值伪影，它们可以用作校准泡沫EOR和碳封存过程数值模拟器或机器学习方法的基准。

章节片段

三相分数流理论

为了本研究的目的，我们做了以下简化：一维流动；不可压缩流体和岩石；忽略重力效应；所有相都不互溶；等温过程；没有扩散过程（如扩散、分散或毛细驱动流动）；立即达到局部平衡；所有相的牛顿流变学；水相中表面活性剂浓度均匀。目前，只有在这些简化条件下，才能求解解析解

结果与讨论

表1总结了我们解决的代表性案例，这些案例涉及不含油的不相溶泡沫的注入。这些案例分为两种情况：初始油饱和度（S_oi）对泡沫是稳定的或不稳定的。在每种情况下，泡沫分别在低质量或高质量状态下注入。这里使用的无油泡沫模型参数来自Cui等人[40]对高压高温下CO₂泡沫数据的模型拟合。

结论

三相分数流理论表明，如果油藏中的油饱和度（S_o）是由泡沫形成的，那么它永远不会超过稳定泡沫的上限——即“泡沫破坏饱和度”（fmoil）。这意味着油藏中的S_o必须位于S_oi（初始油饱和度）< S_o < fmoil的范围内。

这一限制意味着，为了形成显著的油藏，泡沫破坏饱和度（fmoil）必须远高于S_oi。

我们确定了控制泡沫和油藏传播的关键因素：稳定泡沫的最大油饱和度（fmoil）、泡沫质量（f

CRediT作者贡献声明

Dan Marchesin：撰写——审阅与编辑、监督、软件、资源、方法论。William R. Rossen：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、调查、形式分析、概念化。Jinyu Tang：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。Pablo Casta?eda：撰写——审阅与编辑

未引用的参考文献

[34]; [35]; [38]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

该项目得到了阿联酋大学研究基金（12N099）、UPAR（阿联酋大学高级研究计划）基金（12N235）以及国家科学技术委员会（CONACYT）（A1-S-26012）的部分资助。P. Casta?eda还感谢墨西哥文化协会（Asociación Mexicana de Cultura A.C.）提供的部分财务支持。