摘要

CO2泡沫驱作为一种结合化学驱与气驱优势的提高原油采收率技术，通过协同利用表面活性剂的界面调控能力与CO2的流度控制特性，显著提升了复杂油藏的原油产量，近年来在稠油、页岩油及致密油等非常规油气藏开发中展现出巨大潜力。综述了CO2泡沫稳定性的原理和影响因素、CO2泡沫驱的采收率提高机理及其在稠油、页岩油等非常规油藏的应用。

首先阐述CO2泡沫稳定性的原理主要取决于液膜结构、性质、液膜析液和气体扩散，表面活性剂的亲水-亲脂性平衡以及气泡界面处表面张力梯度引起的Gibbs-Marangoni效应；然后分析温度、压力、盐度和原油等储层环境对CO2泡沫稳定性的影响，其中温度和盐度的升高对泡沫的生成及其稳定性造成不利影响，压力的升高对泡沫稳定性产生一定的积极影响，原油的轻质和重质组分对泡沫稳定性产生不同的影响，进而提出使用聚合物、离子液体、纳米颗粒以及表面活性剂与纳米颗粒协同作用等方法来提高CO2泡沫的稳定性；最后对CO2泡沫驱的采油机理进行解释：通过贾敏效应使泡沫在多孔介质中选择性封堵孔道以提高波及效率，原油乳化/降黏，降低油水界面张力，改变润湿性，改善油相和驱替相的流度比，增加原油的流动性。在该采油机理下，总结了CO2泡沫驱在非常规油气储层EOR方面的应用。

在石油开采等领域利用CO2不仅可以推动碳捕集、利用和封存（CCUS）工作，还可以用于驱油来提高原油采收率。在CO2-EOR过程中，若原油和CO2完全混溶，则原油的密度和黏度会降低，从而降低油水的界面张力，同时原油体积膨胀增加了地层的弹性能，使原油很容易被置换出来。若原油和CO2部分混溶，未溶解的CO2处于游离形式，有着显著流动性的CO2会导致黏性指进或者气窜，气体优先通过高渗透通道，CO2驱替的有效性降低，对石油开采产生不利影响。为解决与CO2驱相关的流动性问题，提出CO2-EOR泡沫驱。

泡沫驱是利用气-液混合物形成的泡沫流体作为注入流体，控制气体流动性，改善气驱效果。泡沫驱中的气体主要是由空气、氮气、CO2、烟气组成，液体是含有表面活性剂和其他添加剂的溶液。当泡沫注入非均质地层后，由于贾敏效应，泡沫将优先进入流动阻力较小的高渗透通道，导致地层流动阻力增加，随后进入具有高流动阻力的中低渗透通道。具有较高表观黏度的泡沫可以降低气体的流动性，使泡沫具有类似聚合物驱的调剖能力，提高波及效率。另外，泡沫中的气泡可以改变形状，进入各种结构的孔隙中，通过挤压和清洗将小孔道中的油驱替出来，从而提高微观洗油效率。由于CO2在储层中具有良好的化学性质，CO2泡沫驱受到了广泛的关注和应用，在全球范围内CO2泡沫驱也发展成为三次采油技术的重要组成部分。

然而，泡沫是热力学和动力学不稳定的系统。注入的泡沫可能在原油存在或恶劣的储层条件下（高温、高压、高盐度和不同pH值），导致泡沫中液体和气体成分之间快速相分离，降低了被驱替相的驱替效率。为了增加泡沫在驱替期间的长期稳定性，可以添加聚合物、离子液体、纳米颗粒（NPs）等作为稳定剂。表面活性剂或聚合物通过降低气-液的界面张力和提高驱替液的黏度，在传统的泡沫稳定中发挥重要作用，其分子吸附在气-液膜上，减少泡沫聚结的趋势并防止坍塌。

NPs具有巨大的分离能，一旦吸附在泡沫液膜表面就很难解吸，可以通过这种不可逆吸附来显著提高泡沫的机械强度；并在气-液界面上形成致密颗粒膜，减少气泡之间的接触面积，缓解气体扩散，抑制气泡聚结和粗化。由于竞争吸附，NPs可以减少表面活性剂在岩石表面的吸附，表面活性剂则通过静电相互作用吸附在NPs表面，从而增加有效迁移距离。因此，表面活性剂和NPs增强泡沫体系在提高泡沫稳定性和原油采收率方面具有巨大的潜力。

在储层条件下增加泡沫的稳定性是CO2-EOR泡沫驱的关键因素，而CO2泡沫的稳定性取决于所选择的表面活性剂、溶液盐度和所处环境等。笔者详细介绍了CO2泡沫稳定性研究、驱油机理以及在提高非常规油气采收率方面的应用、挑战及前景，其中CO2泡沫稳定性研究包括CO2泡沫稳定原理、稳定性影响因素以及提高稳定性方法，研究成果有望使稳定性优异的CO2泡沫广泛应用于石油领域。

1 CO2泡沫稳定性原理

CO2泡沫的稳定性在高温、高盐度和原油存在的储层环境中快速降低，加快泡沫的液膜析液、聚结和粗化，泡沫逐渐坍塌直到气-液两相完全分离；或者泡沫在流经孔喉时，由于薄片拉伸和挤压而遭到破坏。因此，研究CO2泡沫稳定性原理、稳定性影响因素和提高稳定性方法，对改进CO2泡沫驱采油技术、满足油田开发至关重要。

泡沫是一种热力学不稳定的胶体体系，其中气体分散在表面活性剂稳定的连续液相中，可以自发破裂。图1显示由表面活性剂形成的典型泡沫结构。提高CO2泡沫的稳定性具有挑战性，因为在高压储层条件下，CO2更易溶于水，溶解的CO2会引起泡沫的团聚。

图1使用表面活性剂形成的典型泡沫结构

泡沫稳定性取决于液膜的结构、性质和衰变速度。泡沫的衰变理论主要有液膜析液和气体扩散，其中液膜析液理论被广泛接受。气泡生成后不会独立存在，而是相互靠近聚集在一起，气泡之间的聚并过程分为3个阶段：①2个气泡形成厚夹层；②夹层变薄成液膜；③液膜表面波纹不断扩张，最终气泡破灭。因此，泡沫的稳定性主要取决于气泡的聚结程度和液膜析液速率。随着时间的增加，泡沫上层的气泡不断聚结，导致气泡尺寸越来越大，数量越来越少。这是因为在重力作用下，液体沿着液膜自上而下流动，造成上层液膜变薄而使气泡破裂；在压力的作用下，根据Laplace公式可知小气泡内部压力比大气泡的大，小气泡透过液膜向大气泡扩散，导致小气泡更小、大气泡更大，气泡聚结后破灭。