摘要

CO2泡沫驅(qū)作為一種結(jié)合化學(xué)驅(qū)與氣驅(qū)優(yōu)勢(shì)的提高原油采收率技術(shù)，通過協(xié)同利用表面活性劑的界面調(diào)控能力與CO2的流度控制特性，顯著提升了復(fù)雜油藏的原油產(chǎn)量，近年來在稠油、頁(yè)巖油及致密油等非常規(guī)油氣藏開發(fā)中展現(xiàn)出巨大潛力。綜述了CO2泡沫穩(wěn)定性的原理和影響因素、CO2泡沫驅(qū)的采收率提高機(jī)理及其在稠油、頁(yè)巖油等非常規(guī)油藏的應(yīng)用。

首先闡述CO2泡沫穩(wěn)定性的原理主要取決于液膜結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、液膜析液和氣體擴(kuò)散，表面活性劑的親水-親脂性平衡以及氣泡界面處表面張力梯度引起的Gibbs-Marangoni效應(yīng)；然后分析溫度、壓力、鹽度和原油等儲(chǔ)層環(huán)境對(duì)CO2泡沫穩(wěn)定性的影響，其中溫度和鹽度的升高對(duì)泡沫的生成及其穩(wěn)定性造成不利影響，壓力的升高對(duì)泡沫穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的積極影響，原油的輕質(zhì)和重質(zhì)組分對(duì)泡沫穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)而提出使用聚合物、離子液體、納米顆粒以及表面活性劑與納米顆粒協(xié)同作用等方法來提高CO2泡沫的穩(wěn)定性；最后對(duì)CO2泡沫驅(qū)的采油機(jī)理進(jìn)行解釋：通過賈敏效應(yīng)使泡沫在多孔介質(zhì)中選擇性封堵孔道以提高波及效率，原油乳化/降黏，降低油水界面張力，改變潤(rùn)濕性，改善油相和驅(qū)替相的流度比，增加原油的流動(dòng)性。在該采油機(jī)理下，總結(jié)了CO2泡沫驅(qū)在非常規(guī)油氣儲(chǔ)層EOR方面的應(yīng)用。

在石油開采等領(lǐng)域利用CO2不僅可以推動(dòng)碳捕集、利用和封存（CCUS）工作，還可以用于驅(qū)油來提高原油采收率。在CO2-EOR過程中，若原油和CO2完全混溶，則原油的密度和黏度會(huì)降低，從而降低油水的界面張力，同時(shí)原油體積膨脹增加了地層的彈性能，使原油很容易被置換出來。若原油和CO2部分混溶，未溶解的CO2處于游離形式，有著顯著流動(dòng)性的CO2會(huì)導(dǎo)致黏性指進(jìn)或者氣竄，氣體優(yōu)先通過高滲透通道，CO2驅(qū)替的有效性降低，對(duì)石油開采產(chǎn)生不利影響。為解決與CO2驅(qū)相關(guān)的流動(dòng)性問題，提出CO2-EOR泡沫驅(qū)。

泡沫驅(qū)是利用氣-液混合物形成的泡沫流體作為注入流體，控制氣體流動(dòng)性，改善氣驅(qū)效果。泡沫驅(qū)中的氣體主要是由空氣、氮?dú)狻O2、煙氣組成，液體是含有表面活性劑和其他添加劑的溶液。當(dāng)泡沫注入非均質(zhì)地層后，由于賈敏效應(yīng)，泡沫將優(yōu)先進(jìn)入流動(dòng)阻力較小的高滲透通道，導(dǎo)致地層流動(dòng)阻力增加，隨后進(jìn)入具有高流動(dòng)阻力的中低滲透通道。具有較高表觀黏度的泡沫可以降低氣體的流動(dòng)性，使泡沫具有類似聚合物驅(qū)的調(diào)剖能力，提高波及效率。另外，泡沫中的氣泡可以改變形狀，進(jìn)入各種結(jié)構(gòu)的孔隙中，通過擠壓和清洗將小孔道中的油驅(qū)替出來，從而提高微觀洗油效率。由于CO2在儲(chǔ)層中具有良好的化學(xué)性質(zhì)，CO2泡沫驅(qū)受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，在全球范圍內(nèi)CO2泡沫驅(qū)也發(fā)展成為三次采油技術(shù)的重要組成部分。

然而，泡沫是熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定的系統(tǒng)。注入的泡沫可能在原油存在或惡劣的儲(chǔ)層條件下（高溫、高壓、高鹽度和不同pH值），導(dǎo)致泡沫中液體和氣體成分之間快速相分離，降低了被驅(qū)替相的驅(qū)替效率。為了增加泡沫在驅(qū)替期間的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可以添加聚合物、離子液體、納米顆粒（NPs）等作為穩(wěn)定劑。表面活性劑或聚合物通過降低氣-液的界面張力和提高驅(qū)替液的黏度，在傳統(tǒng)的泡沫穩(wěn)定中發(fā)揮重要作用，其分子吸附在氣-液膜上，減少泡沫聚結(jié)的趨勢(shì)并防止坍塌。

NPs具有巨大的分離能，一旦吸附在泡沫液膜表面就很難解吸，可以通過這種不可逆吸附來顯著提高泡沫的機(jī)械強(qiáng)度；并在氣-液界面上形成致密顆粒膜，減少氣泡之間的接觸面積，緩解氣體擴(kuò)散，抑制氣泡聚結(jié)和粗化。由于競(jìng)爭(zhēng)吸附，NPs可以減少表面活性劑在巖石表面的吸附，表面活性劑則通過靜電相互作用吸附在NPs表面，從而增加有效遷移距離。因此，表面活性劑和NPs增強(qiáng)泡沫體系在提高泡沫穩(wěn)定性和原油采收率方面具有巨大的潛力。

在儲(chǔ)層條件下增加泡沫的穩(wěn)定性是CO2-EOR泡沫驅(qū)的關(guān)鍵因素，而CO2泡沫的穩(wěn)定性取決于所選擇的表面活性劑、溶液鹽度和所處環(huán)境等。筆者詳細(xì)介紹了CO2泡沫穩(wěn)定性研究、驅(qū)油機(jī)理以及在提高非常規(guī)油氣采收率方面的應(yīng)用、挑戰(zhàn)及前景，其中CO2泡沫穩(wěn)定性研究包括CO2泡沫穩(wěn)定原理、穩(wěn)定性影響因素以及提高穩(wěn)定性方法，研究成果有望使穩(wěn)定性優(yōu)異的CO2泡沫廣泛應(yīng)用于石油領(lǐng)域。

1 CO2泡沫穩(wěn)定性原理

CO2泡沫的穩(wěn)定性在高溫、高鹽度和原油存在的儲(chǔ)層環(huán)境中快速降低，加快泡沫的液膜析液、聚結(jié)和粗化，泡沫逐漸坍塌直到氣-液兩相完全分離；或者泡沫在流經(jīng)孔喉時(shí)，由于薄片拉伸和擠壓而遭到破壞。因此，研究CO2泡沫穩(wěn)定性原理、穩(wěn)定性影響因素和提高穩(wěn)定性方法，對(duì)改進(jìn)CO2泡沫驅(qū)采油技術(shù)、滿足油田開發(fā)至關(guān)重要。

泡沫是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定的膠體體系，其中氣體分散在表面活性劑穩(wěn)定的連續(xù)液相中，可以自發(fā)破裂。圖1顯示由表面活性劑形成的典型泡沫結(jié)構(gòu)。提高CO2泡沫的穩(wěn)定性具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵诟邏簝?chǔ)層條件下，CO2更易溶于水，溶解的CO2會(huì)引起泡沫的團(tuán)聚。

圖1使用表面活性劑形成的典型泡沫結(jié)構(gòu)

泡沫穩(wěn)定性取決于液膜的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和衰變速度。泡沫的衰變理論主要有液膜析液和氣體擴(kuò)散，其中液膜析液理論被廣泛接受。氣泡生成后不會(huì)獨(dú)立存在，而是相互靠近聚集在一起，氣泡之間的聚并過程分為3個(gè)階段：①2個(gè)氣泡形成厚夾層；②夾層變薄成液膜；③液膜表面波紋不斷擴(kuò)張，最終氣泡破滅。因此，泡沫的穩(wěn)定性主要取決于氣泡的聚結(jié)程度和液膜析液速率。隨著時(shí)間的增加，泡沫上層的氣泡不斷聚結(jié)，導(dǎo)致氣泡尺寸越來越大，數(shù)量越來越少。這是因?yàn)樵谥亓ψ饔孟?，液體沿著液膜自上而下流動(dòng)，造成上層液膜變薄而使氣泡破裂；在壓力的作用下，根據(jù)Laplace公式可知小氣泡內(nèi)部壓力比大氣泡的大，小氣泡透過液膜向大氣泡擴(kuò)散，導(dǎo)致小氣泡更小、大氣泡更大，氣泡聚結(jié)后破滅。