基于气溶性表面活性剂的CO2泡沫稳定机理与渗流特征研究

摘要

以CO2作为驱油剂提高油气开采效率既能实现CO2减排的社会效益，又能增加原油产量的经济效益，是CO2高效利用与埋存的最佳途径之一。然而，由于CO2的低密度、低粘度以及地层的非均质性，导致粘性指进、重力超覆、气窜的发生，使得CO2的流度控制成为其能否高效利用的关键环节。超临界CO2作为一种绿色溶剂能够溶解一些特定的表面活性剂，将这种表面活性剂溶解在超临界CO2中，以气相段塞的形式注入油藏中，与油藏中的水相产生泡沫控制 CO2流度的技术称为基于气溶性表面活性剂的CO2泡沫流度控制技术。该项技术具有良好的可注性，产生泡沫后具有较强的泡沫再生能力，并且对CO2的重力超覆现象有较好的控制作用，使得该项技术的研究有助于拓宽CO2泡沫的应用领域，从而为更加有效地在石油工业中开展CCUS技术提供重要的指导意义。 本文首先通过Waring Blender法评价了常见的几种气溶性表面活性剂的CO2泡沫性能，对比分析了气溶性表面活性剂与CO2间的界面张力、CO2泡沫的稳定性，优选得到了最佳的气溶性表面活性剂；然后利用超高压全可视PVT分析仪研究了气溶性表面活性剂/助剂/超临界CO2体系的相行为，并通过分子动力学模拟的方法揭示了助剂与超临界CO2分子间的作用关系，以及助剂调节超临界CO2溶解能力的基本原理；在分析了SiO2纳米颗粒与气溶性表面活性剂分散体系性质的基础上，通过分析颗粒与表面活性剂间的相互作用，揭示了纳米颗粒于表面活性剂协同稳泡的机理；最后，通过单岩心和并联岩心CO2泡沫渗流实验，论证了基于气溶性表面活性剂的CO2泡沫生成的可行性，并对比分析了表面活性剂不同注入方式的CO2泡沫封堵性能，以及渗透率级差对基于气溶性表面活性剂的CO2泡沫分流效果的影响。 研究结果表明：优选出既能溶解在超临界CO2中，又能产生较好性能CO2泡沫的气溶性表面活性剂为AOT，AOT所产生的CO2泡沫稳定性最强。体系压力一定时，超临界CO2中所能溶解的表面活性剂含量随助剂含量的增加而增加；当助剂的含量一定时，超临界CO2中所能溶解的表面活性剂含量随平衡压力的升高而增加，且所选的三种助剂中，F戊醇的助溶性能最强，戊醇次之，乙醇最小，这主要是因为当醇类碳链长度增加时，醇类与表面活性剂 AOT的亲和力增强，体系的极性升高，使得醇类助剂的助溶能力升高；当醇类助剂中的碳氢键氟化为碳氟键时，醇类与超临界CO2的亲和力增强，增溶在超临界CO2中的F戊醇分子与表面活性剂AOT尾链间的强作用力阻碍了AOT分子间的团聚，从而增加了其在超临界CO2中的溶解度。分子动力学模拟结果显示助剂分子与 CO2分子间存在范德华力和氢键作用力，形成超临界 CO2/助剂分散体系，进而增大CO2的密度及极性，提高其溶解能力。AOT与SiO2间的疏水作用力使得二者能够相互吸附，形成稳定的分散体系，并且AOT与SiO2在合适的浓度配比时（RC?0.2 ），基于二者的吸附对SiO2表面润湿性的改变，使得SiO2处于气液界面的最佳吸附状态，提升液膜强度，形成空间网络结构来抑制液膜排液、泡沫聚并的发生，进而协同稳定CO2泡沫。基于超临界CO2携带气溶性表面活性剂注入岩心中，产生的CO2泡沫具有较高的阻力因子和较长的稳定时间，且阻力因子随着岩心渗透率的升高而增大，残余阻力因子随着岩心渗透率的升高也增大，但增幅较小；并且对于渗透率级差小于 10的非均质岩心具有明显的调剖分流能力。

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