阴离子表面活性剂SDS在地质碳封存条件下对CO2注入效率的协同提升机制研究

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Effect of anionic surfactant on interfacial tension and wettability of rock/water/CO 2 system under geological carbon storage conditions

本文推荐研究人员针对地质碳封存（GCS）中CO2注入效率受毛细管力制约的难题，系统开展了阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）对CO2-盐水-岩石体系界面张力（IFT）和润湿性影响的研究。结果表明，SDS可显著降低IFT（最高61%）并促使润湿性向水湿转变，从而降低毛细管因子，提高CO2波及效率，为优化GCS注入策略提供了关键实验依据。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，减少大气中的二氧化碳（CO₂）浓度成为当务之急。地质碳封存（Geologic Carbon Storage, GCS）作为一种有效的减排技术，旨在将捕获的CO₂注入深部地质构造（如深部咸水层、枯竭油气藏）中，并依靠上覆的不透水盖层（如页岩）将其长期封存。然而，这一过程的效率和安全性与CO₂在地下多孔介质中的运移和圈闭机制密切相关。其中，CO₂与地层盐水之间的界面张力（Interfacial Tension, IFT）以及CO₂-盐水-岩石体系的润湿性（Wettability）是控制毛细管力的关键参数，直接影响CO₂的注入性（Injectivity）、波及效率（Sweep Efficiency）和长期圈闭安全性。

在实际储层条件下，较高的IFT和不利于CO₂驱替的润湿性（如强水湿条件虽然有利于毛细管圈闭，但可能增加注入压力）会限制CO₂的运移，导致注入效率低下和存储空间利用率不足。特别是，盖层岩石（如页岩）的润湿性若向亲CO₂转变，可能会增加CO₂泄漏的风险。因此，如何主动调控这些界面性质，在提高注入效率的同时确保盖层完整性，是GCS领域面临的一个重要挑战。借鉴提高石油采收率（Enhanced Oil Recovery, EOR）的经验，使用表面活性剂（Surfactant）被认为是一种有前景的解决方案。表面活性剂能够吸附在界面，降低IFT并改变润湿性。然而，表面活性剂在GCS条件下的有效性，特别是其对储层（如砂岩）和盖层（如页岩）这两种矿物组成截然不同的岩石的差异化影响，以及在不同温度压力（涵盖CO₂从气态到超临界的相态转变）下的表现，尚缺乏系统的实验证据。此外，表面活性剂的选择也至关重要，需要考虑其在矿物表面的吸附损失、成本以及对盖层完整性的潜在影响。

为了解决上述问题，由韩国科学技术院（KAIST）的Tae-Hyuk Kwon教授领导的研究团队，在《International Journal of Greenhouse Gas Control》上发表了一项研究，系统探讨了商业易得的阴离子表面活性剂——十二烷基硫酸钠（Sodium Dodecyl Sulfate, SDS），在模拟GCS条件（压力1-12 MPa，温度25-80 °C）下，对CO₂-盐水体系IFT以及石英、Berea砂岩和Mancos页岩润湿性的影响，并评估了其通过降低毛细管因子（Capillary Factor, 定义为IFT与接触角余弦值的乘积）来提升CO₂波及效率的潜力。

为开展本研究，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：首先，搭建了高压高温（HPHT）实验舱，内部配备石英观察窗，可在控制温压条件下进行测量。其次，采用悬滴法（Pendant Drop Method）和升滴法（Rising Drop Method）测量CO₂与盐水/SDS溶液之间的IFT。第三，采用座滴法（Sessile Drop Method）和倾斜板法（Tilting Plate Method）在三种岩石基底（石英、Berea砂岩、Mancos页岩）上测量静态和动态（前进角/后退角）接触角（Contact Angle, CA）。第四，对岩石样本进行了X射线衍射（XRD）、能量色散谱（EDS）和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析以表征其矿物组成和表面粗糙度。最后，利用二维孔隙网络模型（Pore Network Model, PNM）模拟了毛细管因子降低对CO₂波及效率的影响。

3.1. CO₂与水的界面张力

研究结果表明，在不含SDS的情况下，CO₂-盐水IFT随压力升高而降低，尤其在低于CO₂临界压力（~7.4 MPa）的气相区下降显著，进入超临界区后趋于平缓。温度升高在高压下（>4 MPa）会导致IFT增加，这归因于CO₂在水中溶解度降低削弱了分子间相互作用。升滴法（长时间CO₂溶解平衡）测得的IFT略高于悬滴法（快速测量），但在高温下差异减小。

3.2. CO₂与SDS溶液的界面张力

SDS的加入显著降低了CO₂-盐水IFT。在40°C和10 MPa条件下，SDS浓度达到约5.2 mM（临界胶束浓度CMC）时，IFT从~30 mN/m降至~11 mN/m，降幅约61%。在80°C时，CMC升至约6.0 mM，IFT降幅约为48%（从~28.9 mN/m降至~14.9 mN/m）。这表明SDS在中等温度下效果更佳。IFT降低率（SDS引起的IFT降低值与基线IFT之比）在高压区（~10 MPa）高于低压区。

3.3. 添加SDS前的接触角

在未添加SDS的CO₂-盐水-岩石体系中，随着压力升高，石英的静态CA略有增加（从~20°增至~25° @40°C），表明向更亲CO₂状态轻微转变，而页岩和砂岩的CA则对压力变化不敏感，始终保持强水湿性。动态接触角测量显示，石英的接触角滞后现象（Hysteresis, 前进角与后退角之差）最显著。温度升高对页岩和砂岩的CA影响很小，但会使石英在高压下的前进角显著增加。

3.4. 添加SDS后的接触角

SDS的加入使所有基底的润湿性均向更水湿的方向转变。在~6 mM SDS浓度下，石英的CA从~25°降至~14°（@40°C），变化最明显。页岩和砂岩的CA也出现下降，但幅度较小。石英对SDS的响应在高温下更为显著，而页岩和砂岩的润湿性改变对温度依赖性较弱。不同矿物学组成影响了SDS的吸附效率和润湿性改变程度，石英因其均匀的硅醇表面而响应最强，页岩由于复杂的粘土矿物组成响应次之，砂岩则因矿物异质性响应相对最弱。

研究的讨论部分对上述结果进行了深入分析。关于IFT，SDS在中等温度下效果更好，因为高温会导致SDS亲水头基脱水、静电排斥增强，从而使CMC升高，界面吸附效率降低。同时，低温下CO₂溶解度更高，形成的碳酸降低了溶液pH，可能通过质子化作用减弱SDS头基间的排斥力，有利于胶束形成和界面吸附。关于润湿性，SDS通过吸附在固体表面，稳定水膜，从而增强水湿性。石英表面丰富的硅醇基团为SDS提供了理想的吸附位点。页岩中虽然粘土矿物可能通过边缘正电荷或二价阳离子桥接与SDS发生相互作用，但其矿物学复杂性和可能存在的水合层限制了SDS的有效吸附和均匀分布。砂岩的矿物异质性则导致其响应弱于纯石英。

通过孔隙网络模型（PNM）分析发现，在最佳条件（40°C, 12 MPa, Berea砂岩）下，SDS将毛细管因子从27.4 mN/m降低至10.6 mN/m（降幅61.2%）， correspondingly，CO₂的波及效率从0.46提高至0.61。这表明降低毛细管因子可以有效抑制指进现象，促进更均匀的流体驱替，从而提高储层利用率和注入效率。值得注意的是，SDS在降低IFT的同时诱导了水湿性增强，这种协同效应既有利于注入阶段的CO₂运移，又通过将CO₂保持为非润湿相而增强了后续的毛细管圈闭能力，对长期封存安全至关重要。

与其他表面活性剂（如非离子聚合物表面活性剂POA-25R2或生物表面活性剂Surfactin）相比，SDS虽然在极端IFT降低方面可能稍逊，但其商业可得性、低成本、阴离子特性（在常见负电性矿物表面吸附损失小）以及在宽泛温压条件下的有效性和可预测性，使其成为GCS应用更具实用价值的候选者。

综上所述，本研究首次系统提供了阴离子表面活性剂SDS在GCS相关岩性（砂岩作为储层，页岩作为盖层）上同时降低IFT和改变润湿性，进而降低毛细管因子、提高CO₂波及效率的实验证据。研究结果突显了SDS作为一种经济实用的化学剂，在优化CO₂地质封存注入策略和增强存储安全性方面的巨大潜力。未来研究可进一步关注SDS在高盐度地层水中的适应性、长期化学稳定性以及在非均质储层中的运移行为，为现场规模化应用提供更全面的依据。