多孔介质中泡沫驱油三相分流量理论建模新突破及其在碳封存中的应用

针对CO2驱油中气体流动性高、波及效率低的问题，研究人员通过三相分流量理论结合波曲线法（WCM），首次系统分析了泡沫-油在多孔介质中的驱替机制。研究发现油饱和度在泡沫驱替中始终低于临界值fmoil，提出了泡沫注入低质量区（fg）近过渡泡沫质量的最优策略，为泡沫EOR（提高采收率）和碳封存提供了理论基准。

　　

在应对全球气候变暖的背景下，碳捕集与封存（CCS）技术成为关键解决方案，而CO₂驱油（EOR）既能提高原油采收率又能实现碳封存，可谓一举两得。然而，CO₂的高流动性导致气体指进、重力超覆和地层非均质性引发的窜流问题，严重制约了其应用效果。泡沫技术的出现带来了转机——它能将气体流动性降低10⁴倍，显著改善波及效率。但泡沫与油的复杂相互作用一直是理论建模的难点，传统数值模拟存在数值假象的干扰，亟需可靠的解析方法作为基准。

阿联酋大学（UAEU）的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表的研究中，首次将三相分流量理论（Three-Phase Fractional-Flow Theory）与波曲线法（WCM）相结合，建立了泡沫-油驱替的解析模型。研究采用STARS模拟器的经典泡沫模型，通过理论推导揭示了油饱和度在泡沫驱替中的关键约束条件：油藏中形成的油带饱和度始终低于泡沫稳定上限fmoil（泡沫被破坏的临界油饱和度）。这一发现为优化泡沫驱油策略提供了理论依据——只有当fmoil远高于初始油饱和度（S_oi）时，才能形成显著的油带。

研究团队运用理论解析方法，规避了数值模拟的假象问题。通过建立物质平衡方程，重点分析了气体体积注入与泡沫强度的动态关系。模型参数来自Cui等学者对高压高温CO₂泡沫实验的拟合数据，确保了理论基础的可靠性。

关键发现

1. 油带形成机制：在<三相同流理论>部分，研究证明油带饱和度始终满足S_oi < S_o < fmoil，这意味着泡沫配方必须使fmoil显著高于油藏初始条件。
2. 控制因素：<结果与讨论>显示，泡沫质量（f_g）、注入流态（高质量区或低质量区）及初始/注入状态的泡沫强度共同决定驱替效率。
3. 最优策略：在<结论>部分指出，在接近过渡泡沫质量（即总流度降低最大处）的低质量区注入泡沫，能最大化驱油效果。

这项研究的创新性在于：首次通过解析方法量化了泡沫-油驱替的物理约束，为数值模拟和机器学习提供了无数值假象的基准解。理论模型揭示的fmoil阈值规律，可直接指导现场泡沫配方的筛选；而最优注入策略的提出，则为CO₂-EOR与碳封存的协同实施提供了关键技术支撑。正如通讯作者William R. Rossen强调的，该理论框架未来可扩展至混相驱替等更复杂场景，推动泡沫技术在能源与环境领域的双重应用。

（注：研究受阿联酋大学UPAR计划（12N235）和墨西哥国家科委（CONACYT A1-S-26012）资助，Jinyu Tang为第一兼通讯作者，Dan Marchesin提供数学方法支持）