CO?泡沫稳定性的机理研究：对CO?储存和增强型石油回收技术的启示

《Fuel》：Mechanistic investigation of CO 2-foam stability: implications to CO 2 storage and enhanced oil recovery

CO2泡沫稳定性研究及其在EOR与封存中的应用，采用AOS/CAPB表面活性剂复合体系与Al2O3/ZnO纳米粒子协同作用，显著提升泡沫半衰期至522秒，通过吸附形成刚性屏障抑制气泡合并与薄膜变薄，聚合物增强液膜抗剪切能力，同时发现含油量＞5%会快速破坏泡沫结构。研究系统评估了表面活性剂类型、浓度及纳米/聚合物协同效应对泡沫性能的影响，建立结构-性能关系模型，为优化CO2-EOR与地质封存技术提供理论依据。

　　

作者：Shubham Prakash、Srasti Singh、Ajay Mandal

印度理工学院（印度矿业学院）石油工程系，Enhanced Oil Recovery & Carbon Utilization and Storage实验室，Dhanbad 826 004，印度

摘要

减少过量的二氧化碳（CO₂）排放是避免全球气候变化的重要挑战，这促使研究人员探索有效的二氧化碳（CO₂）利用和封存方法。本研究旨在探讨使用表面活性剂、聚合物和纳米颗粒稳定的CO₂泡沫在枯竭的储层或咸水含水层中提高石油采收率（EOR）和储存CO₂的效果。表面活性剂（α-烯烃磺酸盐（AOS，阴离子型）和椰酰胺丙基甜菜碱（CAPB，两性型）、聚合物（聚乙二醇、羧甲基纤维素和部分水解的聚丙烯酰胺）以及纳米颗粒（Al₂O₃和ZnO）的联合使用对CO₂泡沫的性能有显著的协同作用。添加Al₂O₃纳米颗粒后，由AOS + CAPB混合物稳定的CO₂泡沫的半衰期从460秒延长至522秒，这些纳米颗粒在气液界面吸附，形成刚性屏障，防止泡沫合并和变薄。聚合物通过形成界面和内部的表面活性剂-聚合物复合物，进一步减缓了泡沫层中的水分排出。结果表明，AOS–CAPB–Al₂O_{32-EOR和CO2封存项目。}

引言

由于城市化进程加快和工业化快速发展，全球对能源的需求持续上升。尽管正在大力推广可再生能源，但化石燃料仍然是主要能源来源，占总能源消耗的62%以上[1]。不幸的是，化石燃料的燃烧会释放大量CO₂气体，这是导致全球温室气体（GHG）排放增加的主要原因，从而加剧全球变暖[2],[3]。在各种温室气体中，CO₂最为丰富，对地球大气稳定性和长期气候平衡构成最大威胁[4]。虽然研究表明可以将更多CO₂储存在深层咸水含水层中，但由于经济优势，枯竭的碳氢化合物储层是CO₂地质封存的首选方案[5],[6],[7]。历史上，CO₂注入碳氢化合物储层主要是为了提高石油采收率（EOR），而对永久性封存的关注较少[8],[9]。一种同时优化石油采收率和CO₂封存的策略可以成为大规模碳储存的桥梁，通过创造即时工业效益来克服经济可行性方面的挑战，并有助于实现减排目标[10],[11]。在碳捕获、利用和储存（CCUS）框架下，CO₂-EOR还能通过共享基础设施和加速技术发展降低成本。

然而，CO₂注入用于提高石油采收率和地质碳封存的效果经常受到其高流动性和地下储层固有异质性的限制[12]。这通常会导致严重的渗流和流动性问题，包括粘性指进、重力超载和早期CO₂突破，从而降低体积扫掠效率和整体采收效果[13]。这些挑战需要先进的流动性控制策略来优化置换过程，确保CO₂-EOR和封存操作的长期可行性[14],[15],[16]。一种解决这些挑战的有效方法是使用泡沫，它显著增加了气相的表观粘度，从而提高扫掠效率并减少不必要的CO₂迁移[17]。这种增强效果是通过降低CO₂的相对渗透率、将流体从高渗透率区域导向低渗透率区域以及增加其有效粘度来实现的[12]。这种现象对于缓解不利的流动性比（通常导致CO₂过早突破和石油采收率降低）至关重要[18],[19]。然而，在恶劣的储层条件下，泡沫的长期稳定性是一个重要挑战，因为高盐度、高温以及与原油的相互作用可能会影响泡沫的完整性和效果[20],[21]。因此，需要能够在复杂储层环境中保持稳定性的强大泡沫配方，以实现泡沫增强石油采收的全部潜力[21],[22]。

泡沫中的这些层状结构提供了其结构稳定性，并决定了其在多孔介质中的流动性。多孔介质中的泡沫包含流动气体和被困气体[23],[24]。流动气体占据较大的孔隙，流动阻力较小，而被困气体主要存在于小孔和中孔中[25]。被困气体在层状结构中的流动阻力受到两个因素的控制：移动薄膜内的粘性剪切和驱动层状结构通过孔隙所需的毛细压力[26],[27]。基于表面活性剂的泡沫通常在热力学上不稳定，需要纳米颗粒或聚合物等稳定剂来维持层状结构的完整性[21],[28]。稳定的泡沫优先降低高渗透率区域的气体流动性，从而减少渗透率差异，帮助流体进入未被扫掠的区域[29],[30]。在孔隙尺度上，泡沫气泡主要通过毛细作用被固定在中间孔隙中，从而阻塞高渗透率路径，促进更均匀的储层置换[31]。泡沫中的被困气体显著改善了气体的相对渗透率，因为它减少了气体在多孔介质中的流动难度，并将流体引导到之前未被扫掠的富油区域[31]。泡沫注入通过气泡运动和界面流变学增加了气体的表观粘度，减轻了粘性指进现象，提高了异质储层中的扫掠效率。

图S1展示了多孔介质中泡沫生成的三种主要机制。当气泡前沿和孔隙壁之间的曲率差异导致液体回流到狭窄区域时，会发生断裂（Snap-off），最终破坏气泡网络[32],[33]。当泡沫气泡遇到流动路径的分岔（如孔隙或交汇处）时，跨越气泡的层状结构会被迫分裂，形成两个或更多较小的层状结构，从而产生更多气泡（Lamella division）。而在入侵初期，当气泡包裹颗粒时，会形成与流动方向不一致的液体透镜（Leave-behind）。

由于CO₂在水中的溶解度高于N₂和CH₄，CO₂泡沫本质上不太稳定[34],[35]。较高的溶解度导致气泡间的CO₂扩散加剧，从而使泡沫网络迅速崩溃。

生产相对稳定的CO₂泡沫的关键策略是使用稳定剂来降低气泡间的扩散速率并增强泡沫膜。本研究的目的是系统评估不同表面活性剂、聚合物和纳米颗粒稳定的CO₂泡沫的泡沫性和稳定性。分析了关键性能指标，包括半衰期、最大泡沫高度和泡沫复合指数（FCI），以研究表面活性剂类型、浓度和协同添加剂的影响。此外，还探讨了泡沫高度随时间的变化、泡沫衰减机制、泡沫形态、气泡尺寸分布以及生成的粘弹性膜的界面流变学。还研究了盐分和温度对泡沫稳定性的影响。这些见解旨在建立结构-性能关系，以指导稳定CO₂泡沫的设计，用于提高石油采收率和碳储存应用。研究的工作流程如图1所示。

材料

本研究使用的表面活性剂为阴离子型AOS（α-烯烃磺酸盐，来自印度Ases Chemical Works）和两性型CAPB（椰酰胺丙基甜菜碱，来自印度Ases Chemical Works）。还使用了亲水性Al₂O₃（氧化铝，来自印度SRL）纳米粉末，平均粒径为20–30纳米，孔径为20–30 m³/g（BET技术），以及亲水性ZnO（氧化锌，来自印度SRL）纳米粉末，平均粒径约为30纳米。

泡沫稳定表面活性剂的界面行为

表面活性剂的界面性质对于稳定CO₂泡沫至关重要，因为它们控制着延缓气泡合并的气液相互作用。表面活性剂降低了CO₂-水界面张力（IFT），并形成了弹性、粘性的界面膜，增强了泡沫层状结构的稳定性，减缓了液体排出和气体扩散。表面活性剂在CO₂-水界面上的分子取向和吸附进一步提高了泡沫的稳定性，尤其是在高压条件下。

结论

本研究通过考察三种聚合物稳定剂（PEG、CMC_p和PHPA）以及两种纳米颗粒（Al₂O₃和ZnO）对CO₂泡沫稳定机制的影响，提供了全面的评估。通过对各种泡沫参数（包括半衰期、泡沫形成能力、泡沫粗化行为、气泡形态、尺寸分布和界面流变学）的详细分析，揭示了这些化学添加剂单独和协同作用对泡沫性能的影响。

未来工作方向

虽然本研究在恶劣的CO₂环境、盐度和温度条件下成功优化了泡沫配方，但尚未包括压力依赖性的泡沫稳定性测量，而这对于真实储层条件至关重要。未来的工作将通过在压力梯度下进行核心注入实验来量化表观粘度、流动性降低因子（MRF）和多孔介质中的泡沫传播效率，以填补这一空白。

作者贡献声明

Shubham Prakash：撰写原始草稿、验证、方法论、研究、正式分析、概念化。 Srasti Singh：撰写原始草稿、可视化、验证、软件使用、资源管理、方法论、正式分析、数据整理。 Ajay Mandal：撰写与编辑、监督、项目管理、方法论、研究经费获取、正式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们衷心感谢Jharkhand州污染控制委员会（编号-2020）和Hindustan Oil Exploration Company Ltd（COR/CSR/2024/02）对印度理工学院（ISM），Dhanbad的石油工程系提供的财政支持。