《Geoenergy Science and Engineering》：Pore-scale dynamics of foam injection in heterogeneous, layered porous media relevant for CCUS applications
编辑推荐：
CO2泡沫在异质多孔介质中可提升储气效率67%，尤其在含残余油时通过泡沫粘滞效应改善气体流动控制，实现76%的油采收率提升，其机制涉及泡沫驱替抑制高渗透层窜流。
阿米尔·侯赛因·莫拉埃伊（AmirHossein Molaei）| 穆罕默德·西姆朱（Mohammad Simjoo）| 萨伊德·萨维兹（Saeid Saviz）
伊朗塔布里兹萨汉德科技大学（Sahand University of Technology Tabriz）石油与天然气工程学院
摘要
碳捕获在减少温室气体排放方面发挥着关键作用，而碳捕获、利用与封存（CCUS）作为一种有前景的策略应运而生。通过地下注入实现二氧化碳（CO?）的地质封存是主要方法之一；然而，控制气体的流动性仍然是一个重大挑战。原位泡沫生成技术显示出解决这一问题的潜力，它通过改善气体流动性控制和提高扫油效率来发挥作用。为了优化气体存储性能，特别是在异质性地层中，获得孔隙尺度的见解至关重要。本研究旨在利用一个具有渗透率差异和层间连通性的异质双层微模型，探讨二氧化碳泡沫在有残余油和无残余油两种情况下的性能。结果表明，即使在存在残余油的情况下，二氧化碳泡沫也能有效降低气体流动性。孔隙尺度图像显示，二氧化碳泡沫促进了流体从高渗透率层向低渗透率层的迁移，从而提高了气体存储效率。在没有残余油的情况下，泡沫使气体存储量增加了86%，而仅使用二氧化碳气体时仅增加了29%。在有残余油的情况下，由于二氧化碳泡沫的积极作用，气体存储量显著提高，从23%增加到67%。此外，二氧化碳泡沫的注入显著提高了异质分层微模型中残余油的回收率，从仅使用二氧化碳气体时的7%提高到了使用二氧化碳泡沫时的76%。这些改进效果归因于泡沫诱导的粘性横流、改善的气体推进前沿行为以及对低渗透率区域的更好扫油效果。该研究突显了二氧化碳泡沫在异质多孔介质中控制气体流动性和提高气体存储效率方面的有效性。研究结果展示了二氧化碳泡沫在具有残余油的复杂地下条件下的CCUS应用潜力。
引言
全球经济的加速扩张导致了对化石燃料的依赖增加，这反过来又导致了温室气体排放的显著上升。这些排放与全球范围内的气候负面效应直接相关，包括全球气温上升和天气模式紊乱[1]、[2]。温室气体是一类能够捕获热量的大气化合物，它们在大气中的浓度强烈影响着地球的能量平衡[3]。某些温室气体被认为是全球变暖的主要驱动力，在全球气温上升中起着关键作用[4]。其中，二氧化碳（CO?）最为普遍，约占温室气体总排放量的76-79%[5]，主要来源于能源生产和工业部门，这两个领域共同贡献了大约80%的人为二氧化碳排放[6]。在这种情况下，大幅减少二氧化碳排放对于限制全球气温上升和实现气候稳定目标至关重要[7]。为应对这一挑战，人们开发了碳捕获与封存（CCS）技术，通过在源头捕获二氧化碳并将其储存在地质构造中来防止其释放到大气中[8]、[9]。一种更先进的方法是碳捕获、利用与封存（CCUS），它将封存与捕获二氧化碳的有益利用相结合，例如用于增强型石油回收（EOR），从而同时带来环境和经济上的优势[10]、[11]。CCUS的实施需要多学科的专业知识，包括水库工程、地质学、地球物理学、计算建模和环境科学，使其成为一种复杂但有前景的气候缓解策略[12]。有多种方法用于提高地下储层的石油回收率[13]、[14]、[15]、[16]、[17]，其中最有效的方法之一是地质二氧化碳注入。这一过程具有双重目的：在提高碳氢化合物回收率的同时，将二氧化碳封存于地下[18]。基于二氧化碳的EOR被认为是CCUS的关键组成部分，因为它能够置换被困的石油并在枯竭或部分枯竭的储层中储存大量二氧化碳[19]。研究表明，通过二氧化碳-EOR回收的石油相比传统的回收方法（如初次生产或改进的石油回收技术，包括水驱）具有更低的净二氧化碳排放[5]、[19]。此外，预测表明，到2050年，CCUS技术可以帮助减少高达32%的全球温室气体排放[20]。适合二氧化碳存储的地质构造包括深层盐水层和枯竭的油气田，这些构造具有广泛的分布和可靠的密封特性[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。在盐水层中，二氧化碳可以溶解在盐水中并通过捕获机制固定；而枯竭的碳氢化合物储层，尤其是那些之前经过水注入的储层，提供了安全的存储环境[22]、[29]。然而，二氧化碳注入的效果受到储层异质性和注入策略设计的显著影响[30]。此外，砂岩和碳酸盐储层也是CCUS框架下二氧化碳-EOR的高潜力目标[31]、[32]。尽管如此，由于这些构造的固有异质性以及二氧化碳的低粘度和密度，这些储层存在重大挑战。这些特性常常导致注入气体通过高渗透率通道过早突破，从而导致扫油效率低下和存储容量的利用率不足[33]。为了解决这些问题，使用表面活性剂稳定的泡沫作为一种有前景的方法来控制基于气体的注入过程的流动性受到了关注[34]、[35]、[36]、[37]。因此，通过将表面活性剂与气体一起或交替注入，可以在储层中生成泡沫。这种泡沫增加了气相的表观粘度，从而改善了流动性控制，并将流体引导至渗透率较低的区域[38]、[39]、[40]。实验室研究和现场应用都证实了二氧化碳泡沫在异质地层中降低气体流动性、提高石油回收率并增加存储效率的能力[41]、[42]。值得注意的是，泡沫在高渗透率路径中更耐流动，这导致流体优先流向储层中之前未被扫过的区域[43]、[44]。尽管取得了有希望的结果，但为了优化二氧化碳泡沫在CCUS中的应用，仍需要更深入地了解其在孔隙尺度上的行为。在这方面，微模型和微流控系统为泡沫在多孔介质中的生成、传播和崩塌提供了独特的见解。这些可视化工具对于识别诸如毛细管断裂、层片分离和粘性指形流动抑制等机制至关重要。先前的实验研究表明，二氧化碳泡沫在各种多孔介质中的有效性。例如，郭等人[45]观察到在盐水饱和介质中使用二氧化碳泡沫时存储容量显著增加。柳等人[46]强调了二氧化碳气体的不稳定指形流动模式与泡沫实现的活塞式流动之间的差异，后者几乎完全去除了水。康恩等人[47]和孔等人[47]发现泡沫能够进入低渗透率区域并产生更高的压差，从而改善了流体重新分布。辛格等人[48]进一步表明，层间横流在决定异质系统中的流动效率方面起着关键作用。如表1所总结的，先前的研究已经探讨了在不同气体、泡沫配方和多孔介质几何形状下的泡沫流动。
然而，针对具有渗透率差异的分层系统中泡沫性能的孔隙尺度研究仍然有限，特别是在存在残余油的情况下，这些研究主要集中在CCUS应用上。基于上述工作，本研究旨在研究在专门设计用于实现层间横流的SDS稳定的二氧化碳泡沫在双层异质微模型中的流动行为。该微模型由一个高渗透率层和一个低渗透率层组成，每个层都有不同的孔径分布，而连接通道允许两种层之间的流体交换。在此基础上，我们研究了泡沫将注入流体从高渗透率层导向低渗透率层的能力，并分析了其背后的机制，特别关注其对分层多孔介质中气体存储和残余油回收的影响。
微模型的设计与制造
本研究使用CorelDRAW软件设计了多孔介质。图1展示了由两部分A和B组成的微模型示意图。区域A的渗透率高于区域B，这两个区域通过水力方式相连。两层的具体规格在表2中给出。使用图像分析技术确定了微模型的孔隙度。为了测量渗透率，进行了传统的单相 flooding 测试。
结果
在本研究的所有实验中，图像的左侧对应于系统的入口部分，右侧代表出口部分。在接下来的部分中，将基于微模型图像的分析，探讨不同注入情景下多孔介质中的流体流动特性。
讨论
在本节中，我们旨在通过分析突破时间、气体存储量、回收因子和孔隙尺度研究，进一步定量了解有油和无油情况下泡沫的性能。
结论
CCUS技术被广泛认为是减少温室气体排放和缓解气候变化的有效且实用的方法。然而，CCUS项目的成功实施面临若干技术挑战，其中最显著的是储层的异质性。这种异质性会降低气体注入的效率，使其效果大打折扣。为了提高CCUS的性能，泡沫被提出作为一种有前景的解决方案。本研究探讨了CCUS技术
作者贡献声明
阿米尔·侯赛因·莫拉埃伊（AmirHossein Molaei）： 写作 – 审稿与编辑、撰写原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、概念化。穆罕默德·西姆朱（Mohammad Simjoo）： 写作 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、研究、概念化。萨伊德·萨维兹（Saeid Saviz）： 写作 – 审稿与编辑、概念化
未引用的参考文献
[50]。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢石油工程与发展公司（PEDEC）对这项研究的支持。
