综述：多孔介质中含纳米气泡的流体流动：关于纳米气泡技术在提高石油采收率和碳封存方面的数值模拟与实验研究的综述

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Nanobubbles-laden fluid flow in porous media: A review study of numerical and experimental insights of nanobubble technology for enhanced oil recovery and carbon sequestration

　　普里蒂·帕尔（Preeti Pal）| 傅月（Yue Fu）| 清冈新太郎（Arata Kioka）| 梁云峰（Yunfeng Liang）| 辻武（Takeshi Tsuji）
东京大学工程学院系统创新系，日本东京113-8656

**摘要**
纳米气泡技术（NBT）通过利用纳米气泡（NBs）的独特性质（如纳米级尺寸、高稳定性和低浮力）来增强多孔介质中的流体流动，这些性质对于提高石油采收率（EOR）和碳封存应用至关重要。多孔介质中的气泡大小会影响岩石化学和岩石物理学，从而影响资源的可持续性。本文从多尺度角度出发，探讨了NBT及其对EOR和碳封存的影响，涵盖了分子、孔隙和宏观层面。我们总结了利用纳米气泡性质（如降低界面张力、改变润湿性以及增强溶解性）的最新研究，并将实验和数值分析结果结合起来，以评估NBT在应对全球挑战中的作用。本文有助于评估将机器学习集成到孔隙尺度建模中的方法，作为一种可扩展的技术，以克服传统分子动力学（MD）模拟的局限性，为异质地质条件下的实时水库优化提供了有前景的途径。最近的研究表明，使用CO2、N2和空气纳米气泡在EOR和碳封存方面取得了令人鼓舞的结果。例如，在油润湿条件下，CO2纳米气泡可使石油采收率提高65%；而在水润湿条件下，纳米气泡还能增强CO2与水之间的接触，促进溶解和矿化反应。尽管取得了进展，但仍存在关键研究空白，包括NBT在实地应用中的验证以及其在水库和碳封存中的长期稳定性评估。

**引言**
纳米气泡（NBs）是直径小于200纳米的气体填充空腔，在多孔介质中的流体流动中起着重要作用，尤其是在提高石油采收率（EOR）和碳封存等应用中[91]。多孔介质是含有相互连接的孔隙的固体材料，这些孔隙可以充满气体或流体。多孔介质中的多相流动支持着自然和工程系统中的许多过程，包括石油开采、地下水水文学和地质碳封存[20][46]。理解多孔介质中的流体流动以及固体基质、流体相和边界条件之间的相互作用对于设计和优化许多工程系统的性能非常重要，因为这些因素影响着传输、反应和捕获现象[94]。纳米气泡与多孔介质相互作用，其中纳米级的异质性会影响它们的传输，从而增强胶体传输和流体置换，进而影响多孔介质的性质[94][100][144]。多孔介质中普遍存在的纳米级孔隙和粗糙度，以及颗粒表面的化学异质性，会改变胶体在这些表面的附着或传输方式[106]。工业探索（如从水库中提取原油，原油包含碳氢化合物和非碳氢化合物如硫、氮和氧）是通过向水库注入气体或液体来进行的。化石燃料占全球能源消耗的85%，其中石油占35.3%，天然气占20.5%[42]。然而，传统方法难以提取所有石油，大量石油被滞留其中，可以通过热采、气体注入或化学注入等先进方法进行回收[68][94]。为了进一步提高石油采收率，还需要使用气体微气泡（MBs）[120]、纳米颗粒（NPs）[32][48]和纳米气泡（NBs）[29][77][144]。CO2气体注入是最常用的EOR方法之一，不仅可以提高10-20%的石油采收率，还有助于碳的利用、再利用和封存。根据国际能源署的说法，通过将气候缓解技术推向其最大实际限度，可以实现2015年巴黎协定中将人为变暖限制在1.5-2°C的目标。碳捕获与封存（CCS）是一种气候缓解策略，被认为是减少化石燃料发电厂排放的关键技术，通过直接从空气中去除/捕获和封存CO2来限制钢铁、铝和水泥生产等工业过程的排放[134]。目前的设施每年仅能捕获和储存约40百万吨CO2，因此需要大规模的技术升级，具体目标是在2040年前运行超过2500个大型CCS设施。在典型的机制中，注入的CO2与原油混合，降低原油的粘度，使其更倾向于流向生产井[77]。

**EOR和CO2封存**
EOR和CO2封存都涉及非水相油或气体在水库系统/多孔介质中的移动。据报道，以微气泡（MBs）和纳米气泡（NBs）形式存在的CO2和N2气体为EOR和碳封存提供了潜在的好处。使用MBs或NBs进行EOR和改善CO2封存的理由包括降低浮力、提高在水中的溶解度、减少毛细压力、改善润湿性（从而改变润湿状态）以及降低界面张力（IFT）[29]。与MBs相比，纳米气泡具有更高的稳定性和更高的溶解度，且浮力几乎可以忽略不计。纳米气泡在破裂时具有清洁沉积物和分离碳氢化合物的能力，并且由于其纳米级尺寸，能够进入更狭窄的多孔空间[29][34][76][77]。CO2纳米气泡在水中溶解更快，产生的碳酸与周围沉积物反应，增强了地球化学捕获机制。为了全面了解不同纳米气泡在EOR和长期CO2封存中的作用，与传统的CO2 flooding和聚合物 flooding相比，通过分子动力学（MD）模拟来研究它们在多孔介质中的运动非常重要，同时也要克服实验上的局限性。MD模拟是研究多孔介质中流体和气液界面流动的强大工具，还有助于设计实验以获得更真实的数据。从气泡形成到气泡在多孔介质中运动过程中的特性变化、毛细效应和粘性效应、润湿性的改变、界面张力的降低以及流体置换都可以通过MD模拟[120]。此外，MD还为设计和优化先进的EOR策略提供了见解，例如气体注入过程，并评估在不同水库条件下的碳封存稳定性和效率，以及实验室规模研究。这有助于弥合孔隙尺度过程和现场性能之间的差距，使过程更加高效[20]。

**综述**
本文汇编了关于NBT在EOR和碳封存应用的最新研究。MD模拟和实验研究都支持使用纳米气泡来提高EOR和碳封存的效果，这些也在本文中进行了回顾。我们的主要目标是通过研究纳米气泡在多孔介质中的运动来探索它们在提高EOR和碳封存方面的潜力。我们在这里总结了利用MD模拟的流体流动机制，以及报告的实验或试点规模研究，以展示使用任何类型的纳米气泡对EOR的改进效果。本文还强调了纳米气泡在减少碳排放和增加地质环境中的碳捕获、储存和封存方面的重要性。

**研究方法**
在撰写本文时，我们使用了以下搜索关键词：多孔介质、MBs和NBs在EOR中的作用、MBs和NBs在碳封存中的作用、先进的碳封存和EOR方法，以及MD模拟，特别是纳米气泡在多孔介质中的运动和流体在多孔介质中的运动。用于收集同行评审文章的搜索引擎包括Web of Science、Scopus、ScienceDirect和Google Scholar。过去15年发表的文章数量数据来自Web of Science。由于NBT在该领域相对较新，本文汇编了关于MD模拟和实验室实验的最新研究，以评估孔隙尺度机制如何扩展到现场应用。纳入的研究基于它们与气泡生成、传输和多孔介质系统机制的相关性。首先根据标题和摘要进行初步筛选，其中包含MBs或NBs以及多孔介质等关键词，然后进行全文评估以评估技术相关性和质量。经过仔细审查和分析报告后，作者总结了NBT在EOR和碳封存中的当前趋势、挑战和未来前景。图1展示了搜索策略和筛选过程的逐步方法图。

**部分摘录**
根据尺寸和界面行为，气泡可以分为微气泡（MBs，10-200 μm）、微纳米气泡（MNBs，200 nm-10 μm）和超细气泡/NBs（<200 nm）[33][34]。纳米气泡可以定义为直径小于200 nm的微小气体填充空腔。它们可以是分散在液体中的 bulk NBs，也可以是附着在固液界面上的 surface NBs。近年来，NBT作为一种增强界面过程的有前景的工具而出现。

**分子动力学模拟和建模方法**
本节重点讨论MD模拟在阐明纳米气泡界面和受限行为方面的应用，这些直接与EOR和CCS机制相关。对CO2纳米气泡界面的研究依赖于各种MD模拟技术，每种技术都有其优缺点。选择模拟类型、分子模型和参数对于获得准确且有意义的结果至关重要。主要原理和应用，以及优缺点在表1中展示。

**使用纳米气泡进行EOR和碳封存的实验研究**
本节关注实验验证，研究了纳米气泡在EOR和碳封存中的尺寸效应。使用先进技术的实验表明，核心填充、微流控和反应柱验证了纳米气泡在矿化过程中的效率。研究表明，使用CO2纳米气泡可以加快矿物形成速度并提高CO2的利用率。纳米气泡在土壤和岩石孔隙中的研究在环境和岩土工程中受到了广泛关注。

**CO2-EOR技术在石油开采和CO2储存中的应用**
自20世纪70年代以来，CO2-EOR技术已商业化应用，通过向水库注入CO2来提高原油采收率[108]。随着减排需求的增加，该技术已发展为碳捕获、利用和储存（CCUS），实现了生产提升和碳封存的双重目标[134]。美国和加拿大已建设了超过5600公里的CO2管道，支持了众多EOR项目[108]。

**挑战、机遇和未来方向**
尽管纳米气泡研究取得了进展，但纳米气泡的生成和现场应用技术的可扩展性仍然具有挑战性。纳米气泡的生成方法通常需要高能量输入和复杂设备，这引发了关于NBT成本效益和可扩展性的担忧。此外，孔隙尺度的异质性和纳米气泡饱和度的变化进一步限制了预测能力。MD模拟在确定NBT潜力方面发挥着重要作用。

**结论**
本文强调了纳米气泡在石油开采和碳封存中的重要作用。本研究汇总了关于纳米气泡的实验研究和MD模拟，以及它们在塑造多孔介质界面现象方面的变革性作用。纳米气泡提高了原油采收率、碳封存和环境修复效果；它们增强了流体传输，促进了界面反应，并实现了新的捕获机制。我们可以得出结论，使用纳米气泡具有许多优势。

**作者贡献声明**
普里蒂·帕尔（Preeti Pal）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资金获取、概念构思。
傅月（Yue Fu）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿。
清冈新太郎（Arata Kioka）：撰写——审稿与编辑、资金获取。
梁云峰（Yunfeng Liang）：撰写——审稿与编辑。
辻武（Takeshi Tsuji）：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。

**未引用的参考文献**
[60][75][107][139]

**利益冲突声明**
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
普里蒂·帕尔报告称获得了日本学术振兴会（Japan Society for the Promotion of Science）的财务支持。
合著者梁云峰（Yunfeng Liang）来自东京大学，专业领域为分子动力学模拟、纳米地球科学和环境与资源系统，同时也是该特刊的客座编辑。如果还有其他作者，他们也声明了相关情况。

**致谢**
我们感谢东京大学辻武实验室提供的实验室和资源支持。P.P.获得了日本学术振兴会（JSPS）的博士后研究奖学金。本项工作得到了日本学术振兴会（JSPS）国际研究学者资助计划（JP23KF0267，资助对象为P.P.和A.K.）的支持。同时，我们也感谢相关期刊允许我们使用其中的图片。