随着工业化的快速发展,常规油气藏不断枯竭,高效开发低渗透油气藏等非常规油气藏对缓解能源供需矛盾至关重要。压裂是低渗透非常规油气藏最有效的增产措施之一。二氧化碳(CO2)泡沫作为压裂体系应用于提高原油采收率和页岩气采收率,结合了对温室气体的经济利用以及碳封存技术,是油气领域近年来的研究热点。由于CO2气泡在水相中难以稳定存在,常规表面活性剂对CO2泡沫的稳定作用普遍较差,制备具有理想稳定性的CO2泡沫特别是对低渗透油气藏具有适应性的CO2泡沫是极大挑战。因此,研发性能优异的CO2泡沫稳定剂,研究CO2气泡的产生和稳定机制,建立产生稳定的小尺寸CO2气泡的方法,对于推动CO2泡沫压裂体系的应用,具有重要的理论意义和应用价值。本论文采用疏水改性的水溶性聚电解质(HMPE)作为高分子表面活性剂,实现对CO2气泡的稳定,分别采用气流法和加压-减压法产生毫米级和微米级的CO2气泡,所制备的CO2泡沫体系具有优异的静态稳定性、动态稳定性和流变性,并揭示了不同尺寸范围的CO2气泡产生和稳定的影响因素及机理。并且探究了CO2泡沫和固体颗粒之间的相互作用,发现该CO2泡沫体系对支撑剂具有超强的承载能力且具有低摩阻的优势,表明该CO2泡沫体系在提高油气采收率方面具有重要前景。本文主要包括以下三个部分的研究内容:(1)研究了用HMPE溶液制备的CO2泡沫体系的稳定性,并探讨了稳定机制。首先考察了 HMPE溶液的体相性质,该溶液的临界缔合浓度CAC为0.14 wt%,溶液粘度随剪切速率的增加而降低,表现出假塑性行为。采用气流法产生的毫米级CO2气泡,具有良好的静态稳定性;动态表观粘度也在较长时间的动态剪切下保持高数值;界面流变研究表明,CO2泡沫的弹性模量(G’)大于粘性模量(G"),表现出弹性特征;HMPE分子吸附在界面上形成致密泡沫膜,导致CO2泡沫的稳定性得到提高,并且HMPE能增强CO2泡沫的表观粘度,提高携液能力,减缓液膜的排液。采用加压-减压的方法产生微米级CO2气泡,微泡的直径大约为30～50 μm,界面电性使其具有自润滑作用,降低泡沫流体的摩阻;并且研究表明,CO2微泡的产生量随着平衡压力的增加而显著增加;CO2气体通过液膜进行的扩散导致CO2微泡发生衰减。本工作为具有良好稳定性的CO2泡沫的研发和应用提供一定的理论指导。(2)考察HMPE溶液制备的CO2泡沫体系的携砂性能。首先探究了CO2微泡和陶粒之间的相互作用及作用机制,发现CO2微泡可以牢固附着在陶粒表面。通过陶粒在CO2泡沫体系中的静态沉降实验评价了携砂性能。CO2泡沫在负载35%陶粒时静态沉降速度为1.6 × 10-6m/s,远小于文献报道值,完全满足在实际应用中支撑剂最大允许沉降速度的要求。结合各方面的实验表征结果,揭示了携砂机制。本工作为泡沫压裂体系在开采油气藏的施工设计中提供理论依据和技术支撑。(3)研究了纳米SiO2颗粒和小分子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)与HMPE的复合体系制备的CO2泡沫的性能。考察了复配体系溶液的体相性质以及形成的CO2泡沫的静态稳定性、粘度以及粘弹性等性能。研究表明,纳米SiO2颗粒和HMPE分子共同作用吸附在CO2/液体界面上,使得CO2泡沫具有良好的稳定性;纳米SiO2颗粒阻隔相邻CO2气泡之间的交联,降低了CO2泡沫的动态表观粘度,可降低泡沫压裂液体系的摩阻。CTAB/HMPE复合体系制备的CO2泡沫具有很好的稳定性,更为有趣的是该体系形成的CO2泡沫的稳定性比N2泡沫更高,通过采用分子模拟和实验相结合的研究方法,揭示了其机理,发现了表面活性剂CTAB极性基和CO2之间的相互作用能较大。本部分研究工作为CO2泡沫体系的进一步优化揭示了新途径。综上所述,本文采用疏水改性的水溶性聚电解质HMPE实现了对CO2泡沫的稳定,建立了制备不同尺寸CO2气泡的方法,并探究了形成和稳定机制。所制备的CO2泡沫体系具备优异的携砂性能,并可降低摩阻,在作为泡沫压裂液提高低渗透油气藏采收率方面具有重要前景。本文研究工作不仅为低渗透页岩油气藏的高效开发提供了理论指导和实验依据,也拓宽了疏水改性的水溶性电解质的应用范围,既具有理论意义,也具有应用价值。