表面活性剂辅助CO2驱替受限页岩油过程中的界面调控与竞争吸附

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Interfacial Regulation and Competitive Adsorption during Surfactant Assisted CO 2 Mobilization of Confined Shale Oil

　　摘要CO?吞吐是一种有前景的页岩油藏提高采收率（EOR）方法，但其有效性受到不利的CO?-油界面行为、强烈的纳米孔限域效应以及矿物表面竞争吸附的制约。本研究考察了一种CO?可溶性表面活性剂辅助CO?（CSS-CO?）体系，以阐明其对济阳页岩油藏原油运移的影响。将高温高压实验与分子动力学（MD）模拟相结合，表征了油相行为、密度、黏度、最小混相压力（MMP）、界面张力（IFT）、润湿性、CO?吸附、CO?/CH?竞争吸附以及分子尺度驱油的变化。与纯CO?相比，CSS-CO?增加了原油溶胀，同时降低了原油密度和黏度。MMP从30.99 MPa降至28.74 MPa，降幅为7.26%。在研究的压力范围内，CSS–CO?还降低了CO?–油界面张力。在含水为主和含油为主的条件下，CSS-CO?均引起了更强的润湿性改变。以AOT作为CSS–CO?中表面活性剂组分的简化代表进行的分子模拟表明，在纳米孔表面CO?优先于CH?吸附，且在含表面活性剂体系中CO?吸附量和CO?/CH?选择性均增强。在限域驱油模拟中，驱替分数从纯CO?参考体系的43.8%提高到简化CSS–CO?模型的51.1%。这些发现将前期关于体相流体改性和竞争吸附的研究进行了拓展，揭示了界面响应如何取决于压力和流体暴露条件，并通过分子模拟为限域原油的再分布提供了补充解释。引言页岩油是一种重要的非常规油气资源[1],[2]，但其高效开采仍面临挑战，因为相当大比例的烃类被限域在纳米级孔隙中，流体的运移受到孔隙限域、界面力及流体-岩石相互作用的强烈制约[3],[4]。周期性CO?注入，即本文所称的CO?吞吐，包括注气、闷井和后续生产。CO?吞吐已成为一种有前景的页岩油提高采收率方法，因为CO?可溶解于原油中，诱发溶胀、降低黏度，并促进储层基质内压力驱动的流体再分布[5],[6]。然而，CO?吞吐的有效性受到CO?、限域原油及纳米孔表面之间物理化学相互作用的强烈影响[7],[8]。特别是，不利的界面条件和孔隙表面对气体分子的优先吸附可能限制CO?的渗入，并降低强限域孔隙空间中烃类的可及性[9],[10]。将CO?可溶性表面活性剂引入CO?注入，为调控这些界面和分子相互作用提供了一种潜在策略[11],[12]。与水性表面活性剂配方不同，CO?可溶性表面活性剂可在超临界CO?中输送，无需水相载体。CO?可溶性表面活性剂能够改变岩石-流体润湿性、降低CO?-油界面张力，并调控局部界面环境，从而促进CO?-油传质和流体再分布[13],[14]。这些效应在页岩储层中可能尤为重要，因为纳米尺度的限域放大了表面吸附和界面力对流体行为的影响[15],[16]。尽管宏观测量和分子模拟均已被用于研究这些效应，但它们之间的关系仍需进一步考察，尤其是当压力和流体暴露条件改变界面响应时[17],[18]。竞争吸附是控制页岩纳米孔中CO?行为的另一个重要因素[19]。在CO?注入过程中，注入气体与烃类及先前吸附的气体分子竞争有限的表面位点[20],[21]。CO?的优先吸附可以影响气体渗入、烃类再分布以及限域孔隙空间内驱油效率[22]。分子动力学模拟为纳米孔中的气体吸附和油气相互作用提供了重要见解[23],[24]。这些分子层面的认识为解释吸附和再分布提供了基础，但它们与实验观察到的界面张力和润湿性响应之间的关系仍需进一步阐明[25]。已有研究证明了表面活性剂辅助CO?注入在改善原油运移方面的潜力。Xu等[17]研究了AOT辅助的油泡沫稳定性，而Gong等[14]评估了用于页岩油驱替的超临界CO?/表面活性剂体系。我们前期的研究[25]考察了流体性质改性、竞争吸附和分子尺度驱替。然而，界面响应如何随压力和流体暴露条件变化，以及这些响应如何与限域原油再分布相关联，仍尚未被充分理解。这些问题与济阳页岩油藏尤为相关——该油藏是中国具有代表性的陆相湖相页岩油系统[26]，储层非均质性和纳米尺度限域制约了流体运移和原油采收率[27]。本研究通过将济阳页岩油的高压实验与竞争吸附和限域驱油的分子模拟相结合，解决了上述问题。实验表征了体相流体性质、压力依赖的CO?–油界面张力，以及水相和油相暴露后的润湿性响应。模拟考察了AOT在改性方解石表面附近引起的气相分配变化、局部CO?–烃类接触以及限域原油再分布。综合来看，这些分析通过识别界面响应如何依赖压力和流体暴露条件，并为原油再分布提供分子层面的解释，拓展了前期工作。研究结果支持在解释表面活性剂辅助的原油运移时，将流体-流体和流体-固体相互作用综合考虑。章节片段材料页岩油样品采集自济阳页岩油藏，在实验前进行了脱气和脱水处理。死油密度在20 °C和0.1 MPa下为0.8771 g/cm3，原油黏度在50 °C下为22.48 mPa·s（图S1）。对采自N55-X2井的页岩油样品进行了密度、黏度、SARA族组成分析和单级脱气实验。所研究的页岩油具有较高的含蜡量和倾点，结果与讨论页岩纳米孔中的CO?吞吐受CO?溶解、界面传质、流体性质改性、润湿性、吸附和分子再分布的耦合效应控制。因此，将实验和分子模拟结果相结合，以阐明CSS-CO?如何改变CO?-油-矿物相互作用环境并促进原油运移。讨论首先聚焦于CSS-CO?对济阳页岩油的宏观效应，包括相行为、原油结论本研究通过将高温高压实验与分子动力学模拟相结合，考察了CO?可溶性表面活性剂辅助CO?（CSS–CO?）体系对页岩油运移的影响。与纯CO?相比，CSS–CO?增加了原油溶胀，降低了济阳页岩油的密度和黏度。最小混相压力从30.99 MPa降至28.74 MPa，降幅为7.26%，同时在研究的压力范围内降低了CO?–油界面张力CRediT作者贡献声明Qi Deng：写作——审阅与编辑，资源。Zhongrong Mi：写作——审阅与编辑，写作——原稿，经费获取。Ce Duan：写作——审阅与编辑，写作——原稿，资源。Yulong Zhao：写作——审阅与编辑，写作——原稿，资源，方法学。Kang Bo：写作——审阅与编辑，写作——原稿，方法学，经费获取。Yuhao Lu：写作——审阅与编辑，写作——原稿，软件，方法学，数据管理。利益冲突声明作者声明，不存在任何已知的、可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作得到了中伊复杂油气藏勘探开发与油田清洁能源利用（2025YFE0212900）以及低渗和特低渗多孔碳酸盐岩储层注水注气提高采收率技术（2025ZD1406404）的支持。利益披露所有作者均披露无相关关系。Yuhao Lu|Kang Bo|Yulong Zhao|Ce Duan|Zhongrong Mi|Qi Deng