商业性部分CO?可溶性表面活性剂浓度对泡沫强度的影响

《Geoenergy Science and Engineering》：Effect of the concentration of commercial partially CO 2-soluble surfactants on foam strength

研究了两种非离子表面活性剂（Brij L23和Tergitol TMN 10）在CO2泡沫驱替中的分配系数与泡沫强度关系，发现低CO2溶解性表面活性剂Brij L23能形成更强泡沫，而高溶解性Tergitol需更高浓度。实验表明表面活性剂在CO2中的分配系数影响泡沫生成位置和强度，提出优先选用水溶性好的表面活性剂以提升CO2控移效率。

　　CO?泡沫注入是一种用于控制CO?流动性的新兴技术，在地下储碳和提高石油采收率（EOR）中具有重要意义。然而，为了实现泡沫应用的最大效果，选择合适的表面活性剂系统至关重要。这不仅涉及到表面活性剂的使用方式，如是否溶解在盐水中或直接溶解在CO?中，还涉及到如何避免泡沫强度在远离注入井的位置下降。泡沫强度的下降通常与表面活性剂的吸附和在地层盐水中的分配有关。

在本研究中，我们考察了两种不同CO?溶解性的非离子型表面活性剂，通过稳态岩心驱替实验，研究了CO?与不同浓度的表面活性剂溶液共注入时的泡沫性能。实验过程中，通过测量差压来计算表面活性剂的表观粘度。结果显示，表面活性剂Brij L23在实验条件下表现出较低的分配系数，这意味着较少的表面活性剂会进入CO?中。使用这种表面活性剂时，即使在较低浓度下也能形成稳定的泡沫。而另一种表面活性剂Tergitol TMN 10则表现出更高的CO?溶解性，其分配系数随着压力的增加而上升。因此，当压力升高时，更多的表面活性剂会进入CO?中，需要更高的浓度才能形成强效泡沫。

这些实验观察结果可以归因于表面活性剂的分配行为，并且与表面活性剂在盐水中的临界胶束浓度有关。此外，我们还进行了额外的测量，以研究不同表面活性剂系统在CO?-盐水界面的流变特性。结果显示，在岩心驱替实验中观察到强效泡沫的系统和条件下，界面表现出更高的灵活性。这一现象表明，表面活性剂在CO?中的分配能力对泡沫的形成和维持具有显著影响。

研究发现，那些在CO?中分配能力较强的表面活性剂系统需要更高的浓度才能形成强效泡沫，并且在浓度下降时泡沫更容易破裂。这一结果似乎反驳了这样一个观点，即高CO?溶解性有助于将表面活性剂输送得更远，从而在远离注入井的更大区域内维持CO?的流动性控制。这表明，在寻找有效的CO?流动性控制方法时，应更加关注那些主要溶解于水中的表面活性剂。

表面活性剂的溶解性和分配能力对泡沫的稳定性有着直接的影响。在CO?-盐水界面的流变特性研究中，我们采用了振荡液滴法。通过分析液滴体积的正弦变化对观察到的界面张力的时间依赖性，我们能够测量表面活性剂在界面处的吸附行为及其对界面张力的影响。表面活性剂分子在界面处自发吸附，形成一个界面层，通常为单分子层，从而降低界面张力。当对液滴体积进行振荡时，界面面积也会同步变化。界面处局部的表面活性剂浓度下降会导致界面张力的局部上升，反之亦然。这种界面张力的梯度会导致表面活性剂分子在界面处的流动，从而对面积变化产生阻力。这种阻力可以等同于一种界面弹性，并且可以通过相应的参数进行量化。同时，界面处的能耗也可以用界面粘度来描述。

然而，需要注意的是，界面处的表面活性剂层并不是一个孤立的两维系统。表象上的弹性与粘度参数并不是表面活性剂层本身的材料常数，而是依赖于该层与相邻的本体流体之间的相互作用。即使对于不溶于CO?的表面活性剂层，由界面张力梯度驱动的流动也会在界面附近的本体流体中产生能耗。对于可溶于CO?的表面活性剂层，还可能存在界面与本体流体之间的表面活性剂分子交换，这取决于振荡频率。

本研究扩展了之前的工作，通过测量不同浓度下的泡沫强度，以及三种不同表面活性剂数值的分配系数，对泡沫强度的影响因素进行了更全面的分析。实验过程中，泡沫强度在CO?与表面活性剂溶液共注入的情况下被研究，通过一系列稳态岩心驱替实验进行评估。泡沫强度不仅在浓度增加时被测量，也在浓度降低时进行评估。结果显示，在最低浓度下无法观察到泡沫的形成，而在最高浓度下，泡沫强度与之前研究中使用的浓度一致。实验在两种压力条件下进行，同时保持温度恒定，从而得到了三种不同的分配行为：低、中等和较高的CO?分配能力。

通过对这些实验数据的分析，我们能够进一步探讨表面活性剂在CO?中的分配能力是否有助于扩大泡沫生成区域，从而增强CO?的流动性控制。此外，通过研究不同浓度下的泡沫强度变化，我们还能够评估表面活性剂在不同条件下的性能表现。这些研究结果对于理解CO?泡沫技术的实际应用具有重要意义，尤其是在提高石油采收率和地下储碳过程中。

总的来说，本研究为CO?泡沫技术的应用提供了重要的实验数据和理论支持。通过分析不同表面活性剂的分配能力和泡沫强度，我们能够更好地指导实际工程中表面活性剂的选择和使用。同时，研究结果也表明，虽然高CO?溶解性可能有助于将表面活性剂输送得更远，但在实际应用中，泡沫的形成和维持仍然需要较高的浓度。因此，在寻找有效的CO?流动性控制方法时，应更加关注那些主要溶解于水中的表面活性剂。