石油工業(yè)中的表界面相互作用

隨著新能源材料和技術(shù)取得長足進(jìn)步，可再生能源已占世界能源總消耗的20%，而化石燃料仍占據(jù)80%。盡管石油工業(yè)在一個(gè)多世紀(jì)以來取得了重大的發(fā)展，但石油生產(chǎn)過程仍然存在具有挑戰(zhàn)性的問題，例如復(fù)雜的油水乳液的不穩(wěn)定，管道和其他設(shè)施上的結(jié)垢現(xiàn)象以及水處理。這些問題受到相關(guān)過程中涉及的油/水/固體/天然氣界面處的分子力的影響。

瀝青與周圍流體介質(zhì)中的礦物固體或氣泡之間的相互作用力決定了油砂生產(chǎn)中的瀝青釋放和浮選效率。復(fù)合油/水乳液的穩(wěn)定性取決于乳液滴之間的力，特別是界面活性物質(zhì)（例如瀝青質(zhì)）之間的力。各種油成分和乳液滴與不同的基材表面（例如管道）相互作用，影響結(jié)垢現(xiàn)象、油水分離和廢水處理。量化這些分子間和界面力促進(jìn)了對這些界面相互作用的機(jī)理理解，促進(jìn)了先進(jìn)材料和技術(shù)的發(fā)展，以解決相關(guān)的挑戰(zhàn)性問題并改進(jìn)石油生產(chǎn)過程。

表面力儀(SFA)和原子力顯微鏡(AFM)已被廣泛用于測量復(fù)雜流體中各種分子，顆粒，乳液滴和氣泡的相互作用力，從分子水平到納米和微米尺度。相關(guān)研究有助于量化原油中不同物質(zhì)之間的相互作用，例如瀝青質(zhì)，礦物顆粒，瀝青，氣泡和化學(xué)添加劑（絮凝劑和防污劑）。

使用納米力學(xué)工具從實(shí)驗(yàn)測量中獲得的力-距離分布通常需要通過膠體相互作用模型進(jìn)行理論分析。在典型的石油生產(chǎn)過程中，許多相互作用力，如范德華力(VDW)，雙電層排斥(EDL)和疏水相互作用，可以影響所涉及的不同組分的相互作用行為。VDW和EDL相互作用通常由經(jīng)典的DLVO理論描述。

一、石油開采

根據(jù)油藏的地質(zhì)條件和油特性，石油工業(yè)使用各種方法提取或回收石油。 常規(guī)原油在大氣條件下呈液態(tài)，一般通過鉆井抽取從地下油藏中提取。相比之下，使用傳統(tǒng)的鉆井和泵送技術(shù)通常不容易提取重質(zhì)瀝青。即粗瀝青（非常重的原油）、礦物固體（例如硅砂和粘土礦物）和水的混合物。油砂行業(yè)一直使用露天采礦技術(shù)開采（包括大規(guī)模挖掘、破碎、與溫水混合、水力運(yùn)輸、浮選和泡沫處理工藝）；或者使用原位提取方法，將高溫蒸汽注入油砂礦床的回收。

基于溫水的露天采礦方法導(dǎo)致棘手的尾礦廢水問題，石油工業(yè)也探索了其他提取技術(shù)的可行性，例如涉及有機(jī)溶劑的非水提取方法。在水基瀝青提取工藝中，瀝青、礦物固體、氣泡和周圍流體介質(zhì)（即水和有機(jī)溶劑）之間的相互作用顯著決定了上述大規(guī)模工業(yè)界面工藝的效率。因此，量化這些相互作用力并了解潛在的界面相互作用機(jī)制對于開發(fā)更有效和可控的石油開采過程和技術(shù)具有根本和實(shí)際意義。

瀝青和礦物固體之間的相互作用會受到周圍溶劑的顯著影響。在瀝青曝氣或所謂的瀝青浮選過程中，釋放的瀝青被曝氣以漂浮到流體的上部區(qū)域，這是收集瀝青產(chǎn)品和確定瀝青回收率和產(chǎn)品質(zhì)量的非常重要的步驟。因此，確定各種溶液條件下氣泡與瀝青之間的相互作用機(jī)理并研究環(huán)境條件的影響非常重要。一些研究使用SFA和AFM技術(shù)表征了涉及瀝青，瀝青質(zhì)，固體表面和氣泡的相互作用力。發(fā)現(xiàn)在很大程度上取決于溶液條件（pH，鹽類型和水介質(zhì)中的鹽度）。

二、乳液處理

油包水、水包油甚至更復(fù)雜的乳液通常存在于各種石油生產(chǎn)過程中。在石油工業(yè)中通常不需要穩(wěn)定的乳液，因?yàn)樗鼈儠?dǎo)致技術(shù)挑戰(zhàn)，例如難以分離油和水、結(jié)垢和腐蝕問題（由于存在氯離子）。了解乳液在石油生產(chǎn)中的相互作用機(jī)理對于開發(fā)有效的破乳和增強(qiáng)油水分離的方法非常重要。

在石油工程中，直接量化涉及乳液相互作用的不同物體的分子/表面力長期以來一直是實(shí)驗(yàn)上的困難，特別是在分子或納米尺度上。實(shí)驗(yàn)困難主要是由于原油化學(xué)成分復(fù)雜，以及乳液的油水界面高度變形。在乳液相互作用過程中，通過實(shí)驗(yàn)將力、表面變形和分離距離關(guān)聯(lián)起來是非常具有挑戰(zhàn)性的。氣泡/液滴探針AFM技術(shù)的發(fā)展及其與反射干涉對比顯微鏡(RICM)的耦合使得在實(shí)驗(yàn)上可行，可以同時(shí)以優(yōu)于納米牛頓尺度的分辨率探測表面力，并測量薄到納米級厚度的受限薄膜的時(shí)空演變（即排水動力學(xué)）高度可變形的乳液滴和氣泡的相互作用。

三、防污

原油和生產(chǎn)流體介質(zhì)中的各種成分在提取、運(yùn)輸和其他過程中可能與不同的基材表面相互作用，可能會導(dǎo)致結(jié)垢現(xiàn)象和環(huán)境問題。因此，表征與結(jié)垢/防污問題和水處理相關(guān)的現(xiàn)象所涉及的相互作用力具有重要意義。油滴與具有各種界面活性物質(zhì)的不同固體基質(zhì)之間的相互作用力可以通過液滴探頭AFM技術(shù)定量測量。SFA實(shí)驗(yàn)通過削弱潛在污染物與模型基材表面之間的粘附，證明了防污劑具有優(yōu)異的防污性能。進(jìn)而揭示了與污垢和防污現(xiàn)象相關(guān)的潛在分子間相互作用機(jī)制，促進(jìn)了石油工業(yè)和相關(guān)工程過程的高效防污劑的開發(fā)。

石油工藝用水和尾礦廢水在循環(huán)用于石油生產(chǎn)或排放到環(huán)境中之前，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。為此可以使用各種技術(shù)，例如膜過濾、絮凝和通過添加化學(xué)添加劑（例如絮凝劑或混凝劑）進(jìn)行混凝，以及溶解氣?。ㄓ糜谌コ蜌埩粑锖鸵恍┦杷怨腆w）。這些水處理工藝的效率高度依賴于分子、顆粒、油滴和氣泡在水介質(zhì)中的相互作用方式。

四、展望

表征復(fù)雜石油組分的分子結(jié)構(gòu)并擴(kuò)展相關(guān)數(shù)據(jù)庫是石油工程中非常重要的研究方向，未來的研究將更多地集中在實(shí)際石油生產(chǎn)過程中具有明確結(jié)構(gòu)物質(zhì)的界面力與其特性和性質(zhì)的關(guān)聯(lián)上。SFA和AFM等許多工具允許在高溫條件下(~60-80°C)進(jìn)行力測量。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中常見的高溫(>100°C)、高壓甚至高腐蝕性溶液條件下，測量組分的分子間和表面力在實(shí)驗(yàn)上通常很困難。進(jìn)一步開發(fā)能夠在上述惡劣環(huán)境條件下進(jìn)行力測量的納米力學(xué)技術(shù)和配件，將能夠探索實(shí)際石油生產(chǎn)過程中的分子力和界面相互作用。