利用基于咪唑鎓的离子液体优化二氧化碳泡沫的稳定性，以在恶劣的碳酸盐储层中提高流体顺应性控制效果：阴离子的作用

《Journal of Molecular Liquids》：Optimizing CO? foam stabilization using imidazolium-based ionic liquids for enhanced conformance control in harsh carbonate reservoirs: Role of anions

本研究以1-十二烷基-3-甲基咪唑阳离子为阳离子，采用不同阴离子（Cl?、Br?、I?、BF??、PF??）的离子液体（ILs）作为泡沫稳定剂，在沙特阿拉伯阿布扎比碳酸盐储层的高温（80℃）高压（3200 psi）条件下，通过静态泡沫实验和动态岩心驱替实验，系统评估了阴离子对CO?泡沫稳定性和驱油效率的影响。实验表明，ILs显著提升泡沫稳定性（半衰期延长2-3倍），并使低渗透岩心段表观黏度增加265%，高渗透段增加165%，有效抑制液膜排水和气泡合并，为复杂储层泡沫驱油技术提供新思路。

　　在当今能源开发与环境保护并重的背景下，提高油田的采收率成为一项重要课题。传统的油藏开发方法，如一次采油和二次采油，通常只能回收大约30%的原始油量，大量剩余油、绕流油或未开发油仍然留在油藏中，难以有效开采。随着全球对能源需求的不断增长，以及对碳排放控制的日益重视，开发更加高效、环保的采油技术显得尤为迫切。在此背景下，泡沫驱油技术作为一种增强采油（EOR）方法，因其能够改善流体在油藏中的分布，提高采收率，同时利用二氧化碳（CO?）进行封存，被认为是一种具有潜力的技术。然而，在高温、高盐度等苛刻的油藏条件下，泡沫的稳定性与传播能力面临诸多挑战，特别是在碳酸盐岩油藏中，泡沫容易发生破裂、合并或消散，从而影响其有效性。

为了解决这些问题，研究人员开始探索新型添加剂，以增强泡沫的稳定性与性能。其中，离子液体（ILs）作为一种新兴的绿色材料，因其独特的物理化学性质，如高热稳定性、低挥发性、良好的溶解能力和可调节的界面行为，受到了广泛关注。离子液体是由有机阳离子和无机或有机阴离子组成的盐类，通常具有较低的熔点，能够在常温下保持液态。它们在油藏化学中的应用潜力在于，能够有效吸附在油水界面，形成稳定的液膜，从而增强泡沫的稳定性。此外，离子液体的性质可以通过改变其阳离子和阴离子的种类进行调控，使其适用于不同的油藏条件。

本研究旨在探讨离子液体中阴离子种类对泡沫性能的影响，特别是在碳酸盐岩油藏的高温、高盐环境下。通过系统研究不同阴离子（如氯离子、溴离子、碘离子、四氟硼酸根离子和六氟磷酸根离子）在泡沫体系中的作用，可以更全面地理解离子液体如何改善泡沫的稳定性与传播能力。研究中使用的离子液体均为1-十二烷基-3-甲基咪唑??（[C??mim]?）作为共同阳离子，阴离子则分别采用[Cl]?、[Br]?、[I]?、[BF?]?和[PF?]?。这些阴离子在极性、亲水性和疏水性方面存在差异，因此它们对泡沫行为的影响也有所不同。

在实验设计上，本研究首先进行了静态泡沫实验，以评估不同离子液体对泡沫稳定性的初步影响。静态泡沫实验中，通过测量泡沫半衰期，筛选出最优的泡沫配方。实验中使用了不同浓度的离子液体（0.1–10 mM）与表面活性剂溶液的组合，并测试了不同气体（如CO?、N?和空气）对泡沫形成和稳定的影响。结果显示，加入离子液体的泡沫体系在稳定性方面显著优于纯表面活性剂溶液，泡沫半衰期至少提高了2–3倍。这一发现表明，离子液体在增强泡沫稳定性方面具有明显优势。

接下来，研究在高温高压（HTHP）条件下进行了动态泡沫实验，以模拟沙特阿拉伯常见的阿拉伯-D油藏环境。实验条件设定为80°C和3200 psi，这与实际油藏的高温、高盐度和高压力条件相符。动态泡沫实验使用了岩心驱替装置（coreflood setup），通过注入CO?气体与测试溶液，评估泡沫在多孔介质中的传播能力。实验结果显示，离子液体的加入显著提高了泡沫的粘度和流动性降低因子（MRF），在低渗透性岩心中的MRF提高了265%，而在高渗透性岩心中的MRF提高了165%。这表明，离子液体在改善泡沫性能方面具有广泛的应用前景，特别是在复杂多孔介质中。

进一步分析表明，阴离子的性质对泡沫的稳定性具有重要影响。在离子液体中，阴离子的极化能力和疏水性决定了其在油水界面的吸附行为。疏水性较强的阴离子，如四氟硼酸根离子（[BF?]?）和六氟磷酸根离子（[PF?]?），表现出更好的泡沫稳定性，尤其是在动态实验中。这可能是因为这些阴离子能够更有效地定位在泡沫界面和平台边界，从而增强液膜的稳定性，减少液体的流动和泡沫的破裂。相比之下，亲水性较强的阴离子，如氯离子（[Cl]?）和溴离子（[Br]?），在动态实验中的效果相对较弱。这一现象可能与阴离子在多孔介质中的扩散行为和界面吸附能力有关。

此外，实验还发现，泡沫的稳定性在动态测试中比静态测试更为显著。这是因为，在动态测试中，CO?在多孔介质中的相变过程会影响泡沫的形成和维持。CO?在油藏中的溶解度受多种因素影响，包括油的组成、气体的类型和质量、外部条件如压力、温度、pH值和盐度等。在高温和高盐度条件下，CO?的溶解度降低，可能导致泡沫破裂或不稳定。然而，离子液体的加入能够有效缓解这一问题，通过改变CO?的溶解行为，增强泡沫的稳定性。这表明，离子液体不仅能够改善泡沫的静态稳定性，还能够提高其在动态条件下的表现。

为了进一步验证离子液体对泡沫性能的影响，实验还对测试溶液的表面张力和胶体（胶束）尺寸进行了分析。使用高温高压张力计（HTHP tensiometer）和动态光散射（DLS）技术，研究人员测量了不同离子液体对油水界面张力的影响，以及胶束的形成和尺寸变化。结果显示，离子液体的加入显著降低了油水界面张力，促进了胶束的形成，从而增强了泡沫的稳定性。这一发现表明，离子液体不仅能够通过吸附作用增强泡沫界面的稳定性，还能够通过改变界面化学性质，进一步提高泡沫的性能。

在油藏化学的应用中，离子液体的使用还面临一些挑战。例如，在高温和高盐度条件下，某些传统添加剂如表面活性剂和纳米颗粒可能会发生降解或失去其功能，从而影响泡沫的稳定性。相比之下，离子液体由于其优异的热稳定性和化学稳定性，能够在这些苛刻条件下保持其性能。此外，离子液体的高溶解能力使其能够有效分散在油藏流体中，形成均匀的泡沫体系，从而提高其在多孔介质中的传播能力。

从环保角度来看，离子液体的低挥发性和非易燃性使其成为一种理想的绿色添加剂。在二氧化碳封存（CCUS）技术中，CO?的使用不仅有助于提高采收率，还能够实现碳排放的减少。因此，将离子液体与CO?泡沫技术结合，不仅能够提高油田的采收率，还能够实现碳封存的双重目标。这种技术的应用潜力在近年来得到了越来越多的关注，尤其是在应对全球气候变化和能源转型的背景下。

综上所述，本研究通过系统分析不同阴离子对泡沫性能的影响，揭示了离子液体在增强泡沫稳定性与传播能力方面的关键作用。实验结果表明，离子液体的加入能够显著提高泡沫的半衰期和流动性降低因子，尤其是在高温、高盐度的碳酸盐岩油藏中。此外，离子液体的性质可以通过改变其阴离子种类进行调控，使其适应不同的油藏条件。这些发现为未来在油藏工程中更广泛地应用离子液体提供了理论依据和实验支持，同时也为实现绿色采油和碳封存目标提供了新的思路。随着研究的深入和技术的进步，离子液体有望成为一种重要的泡沫稳定剂，为提高油田采收率和实现可持续发展做出更大贡献。