[论文解读] Design of nanoparticles for generation and stabilization of CO2-in-brine foams with or without added surfactants

Andrew J. Worthen, Shehab Alzobaidi+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Pickering emulsions and particle stabilization参考文献 60被引用 5

一句话总结

本研究证明，经低分子量配体（特别是GLYMO和短链聚乙二醇寡聚物，6–12个EO单元）功能化的二氧化硅纳米颗粒（NPs）可在高矿化度环境（如API盐水，8% NaCl + 2% CaCl₂）中有效生成并稳定CO₂-水泡沫，无论是否添加表面活性剂。其主要贡献在于设计出具有最佳亲水性/CO₂亲和性平衡及在盐水-空气界面具有界面活性的纳米颗粒，从而在与地下CO₂封存和提高采收率相关的条件下实现稳定泡沫形成。

ABSTRACT

Whereas many studies have examined stabilization of emulsions and foams in low salinity aqueous phases with nanoparticles (NPs) with and without added surfactants, interest has grown recently in much higher salinities relevant to subsurface oil and gas applications. It is shown for the first time that NPs grafted with well-defined low molecular weight ligands colloidally stable in concentrated brine (in particular, API brine, 8% NaCl + 2% CaCl2) and are interfacially active at the brine-air interface. These properties were achieved for three types of ligands: a nonionic diol called GLYMO and two short poly(ethylene glycol) (PEG) oligomers with 6-12 EO repeat units. Carbon dioxide-in-water (C/W) foams could be formed only with modified NPs with higher surface pressures at the A/W interface. Furthermore, these ligands were sufficiently CO2-philic that the hydrophilic/CO2-philic balance of silica NPs was low enough for stabilization of CO2-in-water (C/W) foam with API brine. Additionally, NPs with these three ligands formed stable dispersions with various free molecular surfactants in DI water and even API brine (8% NaCl + 2% CaCl2) at room temperature. A wide variety of mixtures of NPs plus anionic, nonionic, or cationic mixtures that formed stable dispersions were also found to stabilize C/W foams in porous media at high salinity. These results provide a basis for future studies of the mechanism of foam stabilization with NPs and NP/surfactant mixtures at high salinity.

研究动机与目标

• 开发可在典型地下油气储层中高矿化度环境下稳定CO₂-水泡沫的纳米颗粒（NPs）。
• 识别在高浓度盐水（如API盐水）中赋予胶体稳定性的配体类型，以及在盐水-空气界面的界面活性。
• 研究亲水性/CO₂亲和性平衡在CO₂-水体系中通过NPs实现泡沫稳定中的作用。
• 评估NP-表面活性剂混合物在去离子水和高矿化度盐水中形成泡沫及稳定泡沫的相容性。
• 为理解高离子强度下NPs及NP/表面活性剂混合物的泡沫稳定机制奠定基础。

提出的方法

• 合成经三种类型配体功能化的二氧化硅纳米颗粒（NPs）：GLYMO（一种非离子二醇）及两种含6–12个乙二醇单元（EO）的聚乙二醇寡聚物。
• 利用动态光散射和ζ电位测量，表征NP在高浓度盐水（8% NaCl + 2% CaCl₂）中的胶体稳定性。
• 通过悬滴张力仪测量盐水-空气界面的界面张力与表面压力，评估界面活性。
• 在高矿化度条件下，利用CO₂-水（C/W）体系在宏观液体和多孔介质中进行泡沫生成与稳定性测试。
• 系统筛选NP-表面活性剂混合物，包括阴离子、非离子和阳离子表面活性剂，在去离子水和API盐水中，以识别稳定分散体系及泡沫稳定组合。
• 通过岩芯驱替实验评估多孔介质中的泡沫稳定性，以模拟储层条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些配体功能化的纳米颗粒在无聚集的情况下可在高矿化度盐水（如API盐水）中保持胶体稳定性？
• RQ2 在盐水-空气界面的界面活性在NP实现CO₂-水泡沫形成中起什么作用？
• RQ3 NP的亲水性/CO₂亲和性平衡如何影响其在高矿化度环境下稳定CO₂-水泡沫的能力？
• RQ4 NP-表面活性剂混合物是否可在高矿化度盐水中形成稳定分散体系，并同时在多孔介质中稳定CO₂-水泡沫？
• RQ5 哪些关键物理化学参数（如表面压力、ζ电位、界面张力）与NPs及NP/表面活性剂体系在有效泡沫稳定中相关？

主要发现

• 接枝有GLYMO和PEG寡聚物（6–12个EO单元）的纳米颗粒在API盐水（8% NaCl + 2% CaCl₂）中保持了良好的胶体稳定性，ζ电位值表明其具有足够的静电与 steric 稳定性。
• 这些配体功能化的NPs在盐水-空气界面表现出显著的界面活性，其表面压力足以稳定CO₂-水泡沫。
• 仅在盐水-空气界面具有较高表面压力的NPs才能在高矿化度条件下成功生成并稳定CO₂-水泡沫。
• 由于配体的CO₂亲和性，NPs的亲水性/CO₂亲和性平衡足够低，从而有效稳定CO₂-水泡沫。
• 在室温下，NPs与各种游离分子表面活性剂（阴离子、非离子、阳离子）在去离子水和API盐水中均实现了稳定分散。
• 多种NP-表面活性剂混合物在高矿化度条件下形成了稳定分散体系，并成功在多孔介质中稳定CO₂-水泡沫，证明其在提高采收率和CO₂封存中的实际应用潜力。