表面化學(xué)在油田化學(xué)、石油化工中的應(yīng)用

1、    表面化學(xué)在油田化學(xué)、石油化工中的應(yīng)用    張珺摘 要：表面化學(xué)作為物理化學(xué)的一個(gè)重要分支，在油田化學(xué)和石油化工中都得到了廣泛應(yīng)用。本文從與二者中相關(guān)的應(yīng)用出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了三次采油、原油破乳、活性炭吸附、芳烴抽提等過(guò)程中涉及到的表面化學(xué)過(guò)程，并具體分析了其中的表面化學(xué)原理。關(guān)鍵詞：表面化學(xué);油田化學(xué);石油化工引言：油田化學(xué)，被稱(chēng)為石油科學(xué)中最年輕的學(xué)科，由鉆井化學(xué)、采油化學(xué)和集輸化學(xué)三部分組成，主要研究石油工業(yè)中上游作業(yè)中的化學(xué)問(wèn)題;作為我國(guó)支柱產(chǎn)業(yè)部門(mén)之一的石油化工，是一門(mén)以石油和天然氣為原料、以石油產(chǎn)品和石油化工產(chǎn)品為成品的加工工業(yè)。而作為物

2、理化學(xué)一個(gè)重要分支的表面化學(xué)（主要研究固體和液體表面或相界面的物理和化學(xué)性質(zhì)），在油田化學(xué)和石油化工中都得到了廣泛的應(yīng)用，并漸漸成為以上兩者的重要組成部分。1.表面化學(xué)在油田化學(xué)中的應(yīng)用1.1油田化學(xué)專(zhuān)用藥劑作為表面物理化學(xué)的一個(gè)重要組成部分，同時(shí)被譽(yù)為油田化學(xué)工作液體系中的核心組分，表面活性劑的應(yīng)用技術(shù)研究在油田化學(xué)中占有重要的地位。在油田化學(xué)的研究中，各類(lèi)油田化學(xué)專(zhuān)用藥劑發(fā)揮著重要作用，這些藥劑與表面活性劑關(guān)系密切，與油田化學(xué)息息相關(guān)。表面活性劑技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用技術(shù)水平在一定程度上可以作為一個(gè)評(píng)判油田化學(xué)專(zhuān)用藥劑好壞的標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)，它們也映射了油田化學(xué)工作液體系的性能、功能的優(yōu)劣。油田化學(xué)工

3、作液體系有常規(guī)酸體系、壓裂液體系、膠凝酸體系、乳化酸體系、膠束酸體系和濾失控制酸體系等，究其源頭，它們都是表面活性劑直接或間接發(fā)揮作用而生成的某種產(chǎn)品。1.2表面活性劑表面活性劑是一類(lèi)加入少量到某溶液中就能明顯降低該溶液表面張力的物質(zhì)。從微觀角度來(lái)說(shuō)，親水基和親油基，作為兩個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)成了表面活性劑。這兩種基團(tuán)分別對(duì)水有親和性和疏遠(yuǎn)性，它們具有不同的作用與性質(zhì)，并且分布在表面活性劑的兩端;并且由于這兩種基團(tuán)存在形態(tài)差異，表面活性劑具有了不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。表面活性劑大體可以分為離子型表面活性劑（包括陽(yáng)離子表面活性劑與陰離子表面活性劑）、非離子型表面活性劑，以及復(fù)配表面活性劑、兩性表面活性劑、其他表面活

4、性劑等。1.3應(yīng)用1.3.1三次采油技術(shù)與驅(qū)油劑（1）相關(guān)內(nèi)容簡(jiǎn)介石油開(kāi)采有一次采油、二次采油等方式，但這兩者開(kāi)采出的油品的產(chǎn)量并不足以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求， 為了提高石油開(kāi)采效率、提升石油產(chǎn)量， 通常采用三次采油技術(shù)。三次采油是一種常見(jiàn)的、用來(lái)提高油田原油采收率的技術(shù)，三次采油過(guò)程中用到的一種重要的復(fù)配表面活性劑驅(qū)油劑，則運(yùn)用了表面化學(xué)原理。表面活性劑具有降低油-水界面張力的能力，因而能提高原油采收率，這也被作為篩選驅(qū)油用表面活性劑的根據(jù)，由于單純使用活性劑降低界面張力的作用有限，所以它往往與鹽或堿同時(shí)使用作為驅(qū)油劑，從而可大幅度降低油-水界面張力。（2）表面化學(xué)原理：表面活性劑的潤(rùn)濕作用與增溶作用

5、。潤(rùn)濕作用是指改變兩相的結(jié)合力（表面性能）來(lái)調(diào)節(jié)潤(rùn)濕性能的能力。三次采油過(guò)程中用到的驅(qū)油劑應(yīng)用性能和效果的影響因素主要是親水基。從砂石角度來(lái)說(shuō)，原本親油的砂石在加入表面活性劑后，與驅(qū)油劑（表面活性劑）的親油基緊密連接，親水基便指向水中，這使得親油的砂石被轉(zhuǎn)化為親水的砂石，油水界面張力能夠得到顯著的降低，表面性能被改變，潤(rùn)濕性能大大增強(qiáng)， 因此油可以被驅(qū)干凈，原油的采收率能夠得到顯著提高。增溶作用是指當(dāng)水溶液中非表面活性劑的濃度達(dá)到臨界膠束濃度時(shí)，難溶或不溶于水的有機(jī)物的溶解度大大增加的現(xiàn)象。宏觀上表現(xiàn)為溶解度增加，但其在水中溶解度卻并未增加。在上述提到的三次采油過(guò)程中，從原油角度來(lái)講，原油中加

6、入表面活性劑后，如果遇到親水的固體表面（其所具有的原始性能已被表面活性劑改變），在氣-液、氣-固、液-固三相界面張力的綜合作用下，油珠表面將會(huì)不斷收緊，致使油珠縮小，此外，表面活性劑對(duì)吸附在油-固界面上的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)成分將會(huì)產(chǎn)生滲透增溶作用，體積較小的油珠無(wú)需繼續(xù)收縮，直接從固體表面完全脫落，而體積較大的油珠會(huì)被拉伸，部分脫落，剩余部分繼續(xù)收縮，最終達(dá)到完全脫落。1.3.2原油破乳（1）相關(guān)內(nèi)容簡(jiǎn)介原油是一種多組分的混合物，主要由不同分子量和結(jié)構(gòu)的烴類(lèi)以及非烴類(lèi)組成，同時(shí)混有部分雜質(zhì)。油水分離狀態(tài)是原油在地層中的主要存在狀態(tài)，穩(wěn)定性各不相同的乳化原油在開(kāi)采和集輸過(guò)程中形成，這歸因于開(kāi)采和集輸過(guò)

7、程中原油與水的強(qiáng)烈混合。由此可見(jiàn)，原油破乳對(duì)開(kāi)采、集輸?shù)冗^(guò)程來(lái)說(shuō)意義重大。作為一種表面活性劑，破乳劑能夠破壞乳狀液以發(fā)揮作用，其主要通過(guò)部分取代穩(wěn)定膜的作用使乳狀液破壞;如果將其用作脫水劑，原油及重油中的水分將會(huì)被脫除出來(lái)，使含水量符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);而用于油井中可降低原油粘度，降低油井堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。（2）表面化學(xué)原理破乳過(guò)程涉及更多的是膠體化學(xué)原理，但其中也不乏與表面化學(xué)相關(guān)的內(nèi)容。例如上課過(guò)程中提到的一種破乳方法：頂替法。加入高表面活性的小分子表面活性劑后，這些表面活性大、碳鏈短的小分子會(huì)吸附于界面而頂替部分乳化劑，由于不能形成堅(jiān)固的界面膜而導(dǎo)致破乳。一種好的原油破乳劑應(yīng)具有界面膜彈性低、粘彈性界

8、面的松弛時(shí)間短、膜擴(kuò)散性強(qiáng)、界面活性高、動(dòng)態(tài)膜張力低、油水界面的膨脹彈性和粘度低等特性。2.表面化學(xué)在石油化工中的應(yīng)用2.1 活性炭吸附輕質(zhì)油2.1.1 相關(guān)內(nèi)容簡(jiǎn)介輕質(zhì)油是煤在低溫干餾過(guò)程中所生成的產(chǎn)物（氣態(tài)碳?xì)浠衔铮?，它是飽和烴、不飽和烴和芳香烴三種烴類(lèi)的混合物。在石油化工工業(yè)中，工廠會(huì)提煉相當(dāng)數(shù)量的輕質(zhì)油，在合成尾氣中，這種輕質(zhì)油大多數(shù)是通過(guò)活性炭吸附法來(lái)進(jìn)行回收;在石油加工廠中也經(jīng)常使用活性炭來(lái)回收天然氣和加工后氣體中的輕質(zhì)油，以增加輕質(zhì)油的產(chǎn)量。在活性炭吸附輕質(zhì)油這一過(guò)程中，就體現(xiàn)了表面化學(xué)的原理。2.1.2表面化學(xué)原理吸附是指物質(zhì)在相界面上發(fā)生自動(dòng)濃集的現(xiàn)象?；钚蕴考瓤梢赃M(jìn)行物理

9、吸附，又可以進(jìn)行化學(xué)吸附，前者的吸附力為范德華力（?。?，后者的吸附力為化學(xué)鍵力（大），這兩種吸附具有不同的特點(diǎn)，所以兼具物理吸附與化學(xué)吸附的活性炭自身可以彌補(bǔ)這兩種吸附的限制性因素;此外，活性炭細(xì)孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，內(nèi)部有很多微孔、中孔和大孔，使其具有巨大的比表面積，表面吉布斯函數(shù)高，而吸附是降低固體表面吉布斯自由能的自發(fā)過(guò)程，活性炭的極高的表面能則為吸附輕質(zhì)油提供了有利條件?；谝陨媳砻婊瘜W(xué)原理，輕質(zhì)油可被有效獲得。2.2芳烴萃取2.2.1相關(guān)內(nèi)容簡(jiǎn)介芳烴萃取又稱(chēng)芳烴抽提，是石油煉制中的一個(gè)重要過(guò)程，是指用萃取劑從烴類(lèi)混合物中分離芳烴的液液萃取過(guò)程，主要用于從催化重整和烴類(lèi)裂解汽油中回收輕質(zhì)芳烴或從催化裂化柴油回收萘。2.2.2表面化學(xué)原理在芳烴萃取的過(guò)程中同樣用到了表面活性劑，由于表面活性劑分子在膜相內(nèi)的頻繁活動(dòng)、相互交換位置，以及引發(fā)了一系列化學(xué)反應(yīng)，而使得芳烴可以被萃取出來(lái)，達(dá)到回收的目的。參考文獻(xiàn)：1范延臻，王寶貞.活性炭表面化學(xué)j.煤炭轉(zhuǎn)化，2000（04）：26-30.2陳美萊，張楨.煤氣中輕質(zhì)油的測(cè)定j.化肥工業(yè)，1988（03）：29-31.3周效全，范波.試論油田化學(xué)藥劑與表面活性劑的關(guān)系j.石油與天然氣化工，2002（01）：37-40+1-0.4王玉偉.三次采油用表面活性劑的合成與應(yīng)用j.化工設(shè)計(jì)通訊，2019，45（04）：89-90.5蔣平，張貴才，葛