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)部門之一的石油化工，是一門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，各類油田化學(xué)專用藥劑發(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。

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)的烴類以及非烴類組成，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)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秋柡蜔N、不飽和烴和芳香烴三種烴類的混合物。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)行物理吸附，又可以進(jìn)行化學(xué)吸附，前者的吸附力為范德華力（小），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。

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（中國(guó)石油大學(xué)（華東） ?山東省青島市 ?266580）