基于二氧化碳触发凝胶化的流动自适应聚合物表面活性剂凝胶用于提高石油采收率

《Journal of Colloid and Interface Science》：Flow-adaptive polymeric surfactant gels enabled by CO 2-triggered gelation for oil recovery enhancement

　　

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  具有流动自适应封堵和驱替功能的二氧化碳响应性凝胶系统。
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  聚合物表面活性剂将水表面张力（SFT）降至 <35 mN/m，将界面张力（IFT）降至 0.076 mN/m。
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  在高渗透率区实现 >97.5% 的封堵率，在非均质岩心中提高 >20% 的采收率。
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  将二氧化碳触发的凝胶化与界面活性相结合，用于智能地下应用。

引言

在全球能源需求不断增长和碳减排目标日益迫切的背景下，协调高效化石燃料开采与安全地质二氧化碳储存构成了可持续能源安全和气候减缓的关键双重挑战 [1], [2], [3]。二氧化碳强化采油（CO₂-EOR）作为一种关键的过渡技术应运而生，它在协同提高石油产量的同时封存二氧化碳，从而提供了一条通往低碳能源未来的综合途径 [4], [5], [6]。然而，其广泛应用从根本上受到气窜现象的限制——这是由储层非均质性和低粘度二氧化碳与原生原油之间不利的流动度比引起的 [7], [8]。这种通过高渗透率路径的优先流动绕过了富含石油的区域，导致气体早期突破、体积波及效率低下，最终导致石油采收率和二氧化碳储存能力不理想 [9], [10]。为了克服这些局限性，开发能够智能适应复杂地下环境并调节二氧化碳流动性的先进功能材料至关重要。此类材料是将 CO₂-EOR 转变为更高效、可靠和可扩展的协同能源回收和碳管理技术的关键。

目前控制气窜的策略主要包括工艺优化和化学封堵剂。工艺控制，包括注入参数调整和水气交替方案，在宏观尺度上调节流动，但对非均质储层中微观通道的精度有限 [11], [12]。在化学方面，研究主要集中在稠化剂、泡沫和凝胶上，但每一类都面临固有的限制。高效稠化剂（如含氟聚合物）在经济性和环保性之间面临权衡 [13], [14], [15]。泡沫在高温、高盐度和酸性井下条件下往往不稳定，而传统凝胶系统通常依赖于温度或离子强度等静态地质参数进行凝胶化 [15], [16], [17], [18]。相比之下，二氧化碳响应性凝胶利用动态二氧化碳信号作为触发器，近年来引起了广泛关注 [19], [20]。通过将叔胺、脒、咪唑或羧酸盐等碱性官能团并入聚合物链，这些系统通过二氧化碳触发的可逆质子化实现了可调节的粘度、亲水性/疏水性或交联状态 [21], [22]。研究表明，二氧化碳响应性凝胶在二氧化碳溶解和去除时可逆地切换其流变行为，在可逆封堵、碳捕获和智能驱动方面显示出潜在应用 [23], [24], [25]。在油气生产领域，已经开发了各种二氧化碳响应性凝胶系统用于气窜控制，包括现场交联凝胶、预交联粒子凝胶和聚合物微球，其用于二氧化碳触发封堵的可行性已得到初步验证 [26], [27]。然而，大多数现有系统依赖于可逆物理交联或可逆共价键，导致在高温、高盐度储层条件下长期稳定性不足。此外，绝大多数二氧化碳响应性凝胶仅作为被动封堵剂发挥作用，缺乏主动驱油所需的乳化和降粘能力。因此，创新能够动态响应二氧化碳信号、实现稳定封堵并同时表现出界面活性以进行主动驱油的智能化学系统，是推进 CO₂-EOR 性能和储存潜力的重要研究前沿。

在此，我们提出了一种新型流动自适应、二氧化碳响应性智能凝胶系统，旨在克服这些挑战。我们的方法基于合理的分子设计，直接利用注入的储层二氧化碳作为动态、原位触发器。这种设计将凝胶化范式从静态预设过程转变为主动、流动场响应事件。该系统的智能性与地下非均质性内在联系：在局部二氧化碳通量较高的高渗透率“优势通道”中，它被设计为发生快速凝胶化以形成坚固的流动阻挡屏障，从而将后续流体引导至未波及的富油区域。相反，在二氧化碳通量较低的低渗透率区，预计该材料将在较长的操作期内保持低粘度、表面活性流体状态，从而实现深穿透和有效驱油（图 1）。通过将二氧化碳触发的调剖与固有的乳化和驱替能力整合在单一材料框架内，我们展示了宏观转向与微观油释放之间时空协调协同的潜力。岩心驱替实验表明具有良好的封堵性能，高渗透率通道中的封堵效率为 93.86%，在二次二氧化碳驱替期间低渗透率岩心的采收率增加了 20.24 个百分点。这项工作为下一代地下调剖剂建立了一种新型材料策略，为智能适应动态储层环境并协同增强烃类回收和二氧化碳储存的多功能系统铺平了道路。

章节摘要

材料

6-氨基己酸，丙烯酰胺（AM），2-丙烯酰胺基 -2-甲基丙烷磺酸（AMPS），钠盐 C14–16 烯烃磺酸盐（AOS），丙烯酰氯，氮丙啶交联剂三甲醇丙烷三 (2-甲基 -1-氮丙啶丙酸酯) 和 NaOH 购自 Adamas Reagent, Ltd. (上海，中国)。实验用重油由中国长庆油田和辽东绿达油田提供。纯度 ≥99% 的 CO₂ 和 N₂ 气体购自 Jinnengda Gas Company, Ltd.

PAAA 的合成与表征

一系列 PAAA 聚合物是通过自由基聚合合成的，使用丙烯酰胺（AM）和 N-丙烯酰 -6-氨基己酸（AC）作为单体，以及钠盐 C14–16 烯烃磺酸盐（AOS）作为可聚合表面活性剂（图 2a）。通过结合的 ¹H NMR 和 FT-IR 分析证实了共聚成功。图 2b 显示 3.82?ppm 处的共振对应于 AC 单体 -CONH-CH₂- 基团中的亚甲基质子 [31], [32]。1.31?ppm 和 0.80–0.96?ppm 处的信号来源于

结论

针对 CO₂-EOR 过程中由储层非均质性驱动的二氧化碳气窜这一核心挑战，本研究开发了一种由二氧化碳触发诱导凝胶化的智能、流动场自适应流体系统。通过对两亲性共聚物 PAAA 和氮丙啶交联剂的分子设计，构建了具有可调节凝胶化动力学的共价交联网络。该系统表现出智能的时间编程双重功能。注入后，它作为有效的表面活性剂，

CRediT 作者贡献声明

周朝美: 写作 – 原稿，软件，方法论，形式分析，数据管理。陈家: 写作 – 原稿，数据管理。范廷恩: 写作 – 审核 & 编辑，监督。赵光: 写作 – 审核 & 编辑，监督，资源。严斌: 写作 – 审核 & 编辑，验证，监督，项目管理，资金获取，概念化。

伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物对象。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能看似影响了本论文中报告的工作。

致谢

这项工作得到了 国家自然科学基金委 (U23B2087).. 的联合基金支持。

周朝美 | 陈家 | 范廷恩 | 赵光 | 严斌