绿色化工丨不可忽视的二氧化碳驱油中的发泡剂
本文选自Engineering 期刊2018年第3期
作者：Jennifer A. Clark，Erik E. Santiso
来源：Jennifer A. Clark, Erik E. Santiso.Carbon Sequestration through CO2 Foam-Enhanced Oil Recovery: A Green Chemistry Perspective[J]. Engineering,2018,4(3):336-342.
二氧化碳驱油作为一项日趋成熟的采油技术已受到世界各国的广泛关注。注入二氧化碳来提高石油采收率已有30多年的历史。
但是，在典型油藏条件下，二氧化碳的黏度可能是石油的1/50~1/10，这使得二氧化碳可能穿过油层，并优先通过渗透性更强的岩石层。这个问题可以通过添加表面活性剂产生原位二氧化碳泡沫来缓解。
理想情况下，使用二氧化碳泡沫提升石油采收率将是一种无毒的碳封存方法，将减少对全球气候变化的影响。
目前大多数关于二氧化碳驱油碳封存潜在环境影响的研究主要集中在二氧化碳泄露方面，很少有研究考虑发泡剂泄露的潜在影响。
1.
二氧化碳泄露的环境影响
二氧化碳驱油的环境影响主要为存储的二氧化碳短期泄露、大规模泄露和长期扩散或渗漏。这些过程对人类健康和全球环境有着直接或者间接的影响。
从区域的角度来看，泄露区附近的二氧化碳含量增加会造成地下水和土壤发生化学变化，导致植物健康生长和作物产量下降。这些高浓度的二氧化碳也会对人体健康产生直接影响。如果二氧化碳的浓度高于5%–10%，可能导致人体意识丧失，甚至死亡。
从全球的角度来看，二氧化碳的释放会导致温室气体含量的增加，从而会降低或消除地质储存的益处。
加拿大艾伯塔省的扎马湖遗址含有数万吨的用于提高石油采收率的二氧化碳和硫化氢混合物。该地点在完成二氧化碳注入后进行了密封，但是随着时间的推移，用于密封井筒的水泥和钢将会降解，这些有毒混合物将不可避免地泄露到环境中。
我国的靖边气田一直在实施大型的二氧化碳驱油提高石油采收率的示范项目。靖边气田所在的鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地，具有很大的二氧化碳封存能力，并且靖边气田位于鄂尔多斯的地质稳定区。但是，该地区有地震历史，并且存在崩塌的矿井和废弃的钻孔，这可能导致二氧化碳的泄露。因此，全面的地质和环境监测策略是十分必要的。
☝ 二氧化碳泄漏在各地质封存位置发生的机理和影响
2.
表面活性剂泄露的环境影响
在商业二氧化碳提升采油率的操作中，通常要注入几百到几千吨的表面活性剂。如果表面活性剂泄露，影响巨大。
阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂对环境具有潜在的毒性作用，具体取决于其释放量。阴离子表面活性剂是值得关注的，因为它对用于提升采油率的二氧化碳泡沫是最有效的。
十二烷基硫酸钠和α-烯烃磺酸钠是最常见的两种阴离子表面活性剂。即使是普通家用的表面活性剂，如果浓度较高的话，也会对环境造成影响。烯烃磺酸盐与α-烯烃磺酸钠具有相同的环境问题。烯烃磺酸盐对水生生物有毒性，但尚未发现其对微生物有毒性作用。磺基琥珀酸盐，已被发现对水生微生物具有毒性，但对甲壳类动物无害。
当解决表面活性剂降解的问题时，需要指出是否涉及有氧或厌氧情况。在提升采油率的前提下，我们关注的是厌氧降解。厌氧条件下的研究表明，烷基和烯烃磺酸盐不会降解，而磺基琥珀酸盐会降解。
尽管我们已经了解一些表面活性剂在理想厌氧条件下的降解信息，但是对于各种环境条件与降解速度之间的关系的了解仍然有限。鉴于大多数油藏不可能具有理想的降解条件，因此，将这些化合物储存在具有泄露或渗漏风险的油藏中可能会给环境带来极大的风险。
3.
纳米颗粒泄漏对环境的影响
最近的研究主要集中在使用纳米颗粒作为发泡添加剂。通常认为二氧化硅纳米颗粒是一种环保添加剂。
最近研究表明二氧化硅纳米颗粒在一定的颗粒尺寸和暴露程度下表现出明显的细胞毒性。活体实验证明二氧化硅纳米颗粒可以导致肝脏和肾脏损伤，以及其他有害的影响。因此，向地下注入大量二氧化硅纳米颗粒的潜在环境影响是值得深入研究的。
其他纳米颗粒对环境的影响也是不确定的。比如，ALOOH 纳米颗粒作为发泡添加剂具有加强的性能。但是，ALOOH 纳米颗粒的毒性取决于颗粒的尺寸。因此，该纳米颗粒的大量释放对环境造成的潜在影响也需要深入研究。
4.
二氧化碳驱油的未来
鉴于二氧化碳驱油提高石油采收率是一种经济可行的碳封存技术，人们越来越关注二氧化碳驱油提高采收率的新技术。
最近的研究已经得到了高效的发泡添加剂来增强稳定性、弹性和采收率。这些添加剂包括非离子表面活性剂、纳米颗粒以及其他添加剂，如聚合物、醇和碱。考虑到最近在添加剂使用方面的研究进展，有毒阴离子表面活性剂可能将不再继续使用，尽管它们的毒性还需要进一步研究。
考虑到封存的二氧化碳泄露造成的潜在环境影响，以及油藏条件下生物降解的特殊挑战，我们有必要关注毒性较低、可生物降解的阴离子表面活性剂和发泡添加剂的研发。
✎改编丨韩志锐
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