《Fuel》：CO
2-Responsive foam (CRF) for enhanced oil recovery and dynamic CO
2 retention: Pore- to Core-Scale analysis of propagation and trapping
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本研究通过多尺度实验探究CO2响应泡沫（CRF）在孔隙与岩心尺度下的流动行为及CO2封存机制，发现CRF在盐水和高压下稳定性优异，表观粘度与封存效率呈对数关系，显著提升裂缝介质中油藏采收率和CO2封存效率，为CCUS应用提供理论支撑。
高琦|梁慧萍|Japan Trivedi|Viralkumar Patel|Emanuel Xwaymay Ricky|Karthik Sivaraman|杨子秀|徐星光
中国地质大学（武汉）油气勘探与开发理论与技术国家重点实验室，湖北省武汉市430074，中华人民共和国
摘要
二氧化碳响应型泡沫（CRF）因其受二氧化碳触发的响应性而在提高油气回收率和促进二氧化碳封存方面展现出巨大潜力，因此受到了广泛关注。然而，目前大多数研究主要集中在泡沫的配方和优化上，对于CRF在多孔介质中的传播机制的研究相对较少。本研究探讨了CRF在孔隙和岩心尺度上的流动行为及驱油机理，特别关注其促进二氧化碳储存的能力。通过一系列实验研究，包括高温高压下的泡沫生成实验、裂缝微模型中的驱油可视化实验以及在各种模拟储层条件下的沙包注入测试，评估了CRF的稳定性、流动性及其对二氧化碳储存的贡献。
实验结果表明，CRF对盐度和压力具有很强的适应性。在裂缝微模型测试中，CRF的采收率为66.54%，显著高于月桂醚硫酸钠（LES）泡沫（36.12%）和聚合物增强型泡沫（PEF）（45.45%）。在均匀沙包模型中，CRF的表观粘度是LES泡沫的25倍以上，使得二氧化碳封存效率达到85.65%。在裂缝沙包系统中，泡沫的表观粘度对其动态二氧化碳保持能力有显著影响，保持效率与CRF的表观粘度呈对数关系。这一关系凸显了多孔介质中泡沫诱导的流动阻力与动态二氧化碳保持能力之间的强相关性，反映了CRF转变过程中的粘度阈值和能量耗散。与传统泡沫系统（如PEF和LES泡沫）相比，CRF在复杂裂缝介质中提供了更好的流动性控制和更高的二氧化碳保持效率。
总体而言，CRF在多孔介质中表现出显著优势，特别是在提高二氧化碳储存效率、增强泡沫稳定性以及提升增强型采油（EOR）应用潜力方面。进一步优化CRF的性能可以进一步探索其在二氧化碳地质封存和碳氢化合物提取方面的潜力。未来的研究可能侧重于阐明CRF在各种地质条件下的微观行为及其操作机制，以开发更有效的碳捕获、利用和储存（CCUS）策略。
引言
随着全球温室气体排放量的持续增加，碳捕获、利用和储存（CCUS）被公认为是减少碳排放的最有前景的策略之一[1]、[2]、[3]。该技术涉及将二氧化碳注入深部咸水层和枯竭的油藏等多孔介质中以实现长期储存，从而降低大气中的二氧化碳浓度，同时提高石油回收率[4]、[5]。然而，储层流体与二氧化碳之间的不利流动性比例常常会破坏多孔介质中的气体流动，尤其是在高渗透率通道或以裂缝为主的区域，这些地方会形成粘性指状流模式[6]、[7]。这导致二氧化碳过早突破、石油回收效果不佳以及二氧化碳储存效率低下，从而限制了CCUS操作的总体效果[8]。二氧化碳泡沫由于其出色的流动性控制能力，能够在多孔介质中形成高粘度的拟塑性流体，从而显著提高储层扫掠效率[9]、[10]、[11]、[12]。然而，传统的二氧化碳泡沫由于二氧化碳在液膜中的高扩散系数和溶解度，通常稳定性较差，这限制了其在工业规模CCUS中的实际应用[13]、[14]。
最近，二氧化碳响应型泡沫（CRF）作为一种有前景的下一代智能泡沫技术，受到了广泛关注，旨在提升传统二氧化碳泡沫的稳定性[15]、[16]、[17]。这种泡沫由含有二氧化碳响应功能基团的表面活性剂制成[18]，这些基团在气体-液体界面处聚集并使液膜增稠。与传统泡沫不同，CRF在富含二氧化碳的环境中增强了气泡膜的强度，从而提高了二氧化碳注入过程中的抗突破能力。先前的研究表明，CRF在界面张力、稳定性和粘弹性改进方面具有独特优势[19]、[20]。CRF的二氧化碳响应行为源于二氧化碳在水相中溶解时胺基团的质子化，这引发了与阴离子表面活性剂的可逆静电相互作用。这种可逆的物理化学重组改变了体相聚集和界面性质，使得CRF在二氧化碳环境中的稳定性和粘度得到提升。然而，对于CRF在复杂多孔介质中的流动行为的系统研究仍然不足。特别是，CRF在高盐度裂缝储层中的响应行为和流动性控制能力尚未得到明确。
现有的关于泡沫流动特性的研究主要集中在采收率和宏观尺度传播效率上，而由于缺乏微观研究，人们对泡沫在多孔介质中的尺寸分布和动态稳定性的了解仍然有限[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。众所周知，泡沫的表观粘度对其堵塞能力和流动阻力起着关键作用[26]；然而，其与裂缝储层中二氧化碳储存效率的定量关系尚未建立。此外，井关闭和再注入等动态操作过程对泡沫传输的影响也缺乏严格的实验验证。因此，建立一个将CRF表观粘度与储存效率联系起来的稳健框架，并对其在异质地层中的微观传输机制进行实验验证，对于推进对其机理的理解和实际应用至关重要。与我们的先前研究主要关注CRF配方设计和界面响应性不同，本研究重点转向了泡沫的传播、流动阻力演变以及在多孔介质中的二氧化碳保持行为。
为了评估CRF在裂缝储层中的EOR性能和二氧化碳封存潜力，本研究采用了一系列实验方法，系统地研究了其从孔隙尺度（微流控芯片）到岩心尺度（沙包注入模型）的流动行为和质量传递。通过使用不同粒径的石英砂模拟储层非均质性，并加入150目筛网构建具有固定孔隙的裂缝模型。采用关闭和再注入协议来模拟动态现场操作。通过高温高压可视化实验监测泡沫的压力响应、流动路径和表观粘度分布。通过分析泡沫粘度的变化来量化二氧化碳封存效率，从而建立了泡沫粘度与封存性能之间的对数模型。总之，本研究不仅扩展了CRF在异质和裂缝储层中的应用潜力，还为泡沫辅助碳储存策略提供了理论框架，并为下一代CCUS智能材料的发展提供了有益的见解。
材料
用于制备传统泡沫的阴离子表面活性剂是月桂醚硫酸钠（LES）和十二烷基硫酸钠（SDS）。含有胺基团的二氧化碳响应物质是二乙烯三胺（DETA）和N,N,N',N'',N''-五甲基二乙烯三胺（PMDETA）。本研究中使用的化学品的名称、结构、来源和纯度见表1。
泡沫静态性能测试
共向HTHP泡沫测试搅拌器中注入了200毫升的泡沫溶液（图1）。
泡沫溶液的组成和浓度的影响
准备了四种泡沫液体系：LES/DETA（#1）、LES/PMDETA（#2）、SDS/DETA（#3）和SDS/PMDETA（#4）。如图3所示，在相同浓度下，LES/DETA表现出最佳的泡沫性能和稳定性。在样品#2、#3和#4中，样品#2的泡沫半衰期最长（37分钟），样品#3的泡沫高度最高（17.3厘米），而样品#4的泡沫高度和半衰期均最短。这些差异主要归因于分子结构的不同结论
本研究开发了一个多尺度实验框架，以阐明CRF在不同孔隙结构、压力、盐度和裂缝条件下的流动行为和二氧化碳封存机制。实验实现了从界面化学到孔隙尺度流动机制以及定量封存效率的跨尺度耦合，为二氧化碳响应材料在地质封存和增强型采油（EOR）中的实际应用提供了证据。
CRediT作者贡献声明
高琦：撰写——初稿，实验研究。梁慧萍：资源提供。Japan Trivedi：验证。Viralkumar Patel：正式分析。Emanuel Xwaymay Ricky：软件开发。Karthik Sivaraman：验证。杨子秀：验证。徐星光：撰写——审稿与编辑，监督。
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财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢中国国家留学基金委（项目编号202306410131）、加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）、阿尔伯塔大学、加拿大创新基金会（CFI #32727）以及AB创新与高级教育研究能力计划的小型设备资助。
