论文部分内容阅读
摘 要：表面化学作为物理化学的一个重要分支，在油田化学和石油化工中都得到了广泛应用。本文从与二者中相关的应用出发，简要介绍了三次采油、原油破乳、活性炭吸附、芳烃抽提等过程中涉及到的表面化学过程，并具体分析了其中的表面化学原理。
关键词：表面化学;油田化学;石油化工
引言：油田化学，被称为石油科学中最年轻的学科，由钻井化学、采油化学和集输化学三部分组成，主要研究石油工业中上游作业中的化学问题;作为我国支柱产业部门之一的石油化工，是一门以石油和天然气为原料、以石油产品和石油化工产品为成品的加工工业。而作为物理化学一个重要分支的表面化学（主要研究固体和液体表面或相界面的物理和化学性质），在油田化学和石油化工中都得到了广泛的应用，并渐渐成为以上两者的重要组成部分。
1.表面化学在油田化学中的应用
1.1油田化学专用药剂
作为表面物理化学的一个重要组成部分，同时被誉为油田化学工作液体系中的核心组分，表面活性剂的应用技术研究在油田化学中占有重要的地位。在油田化学的研究中，各类油田化学专用药剂发挥着重要作用，这些药剂与表面活性剂关系密切，与油田化学息息相关。表面活性剂技术的开发和应用技术水平在一定程度上可以作为一个评判油田化学专用药剂好坏的标准;同时，它们也映射了油田化学工作液体系的性能、功能的优劣。油田化学工作液体系有常规酸体系、压裂液体系、胶凝酸体系、乳化酸体系、胶束酸体系和滤失控制酸体系等，究其源头，它们都是表面活性剂直接或间接发挥作用而生成的某种产品。
1.2表面活性剂
表面活性剂是一类加入少量到某溶液中就能明显降低该溶液表面张力的物质。从微观角度来说，亲水基和亲油基，作为两个关键结构构成了表面活性剂。这两种基团分别对水有亲和性和疏远性，它们具有不同的作用与性质，并且分布在表面活性剂的两端;并且由于这两种基团存在形态差异，表面活性剂具有了不对称结构。表面活性剂大体可以分为离子型表面活性剂（包括阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂）、非离子型表面活性剂，以及复配表面活性剂、两性表面活性剂、其他表面活性剂等。
1.3应用
1.3.1三次采油技术与驱油剂
（1）相关内容简介
石油开采有一次采油、二次采油等方式，但这两者开采出的油品的产量并不足以满足市场需求， 为了提高石油开采效率、提升石油产量， 通常采用三次采油技术。三次采油是一种常见的、用来提高油田原油采收率的技术，三次采油过程中用到的一种重要的复配表面活性剂——驱油剂，则运用了表面化学原理。
表面活性剂具有降低油-水界面张力的能力，因而能提高原油采收率，这也被作为筛选驱油用表面活性剂的根据，由于单纯使用活性剂降低界面张力的作用有限，所以它往往与盐或碱同时使用作为驱油剂，从而可大幅度降低油-水界面张力。
（2）表面化学原理：表面活性剂的润湿作用与增溶作用。
润湿作用是指改变两相的结合力（表面性能）来调节润湿性能的能力。三次采油过程中用到的驱油剂应用性能和效果的影响因素主要是亲水基。从砂石角度来说，原本亲油的砂石在加入表面活性剂后，与驱油剂（表面活性剂）的亲油基紧密连接，亲水基便指向水中，这使得亲油的砂石被转化为亲水的砂石，油水界面张力能够得到显著的降低，表面性能被改变，润湿性能大大增强， 因此油可以被驱干净，原油的采收率能够得到显著提高。
增溶作用是指当水溶液中非表面活性剂的浓度达到临界胶束浓度时，难溶或不溶于水的有机物的溶解度大大增加的现象。宏观上表现为溶解度增加，但其在水中溶解度却并未增加。在上述提到的三次采油过程中，从原油角度来讲，原油中加入表面活性剂后，如果遇到亲水的固体表面（其所具有的原始性能已被表面活性剂改变），在气-液、气-固、液-固三相界面张力的综合作用下，油珠表面将会不断收紧，致使油珠缩小，此外，表面活性剂对吸附在油-固界面上的胶质和沥青质成分将会产生渗透增溶作用，体积较小的油珠无需继续收缩，直接从固体表面完全脱落，而体积较大的油珠会被拉伸，部分脱落，剩余部分继续收缩，最终达到完全脱落。
1.3.2原油破乳
（1）相关内容简介
原油是一种多组分的混合物，主要由不同分子量和结构的烃类以及非烃类组成，同时混有部分杂质。油水分离状态是原油在地层中的主要存在状态，稳定性各不相同的乳化原油在开采和集输过程中形成，这归因于开采和集输过程中原油与水的强烈混合。由此可见，原油破乳对开采、集输等过程来说意义重大。
作为一种表面活性剂，破乳剂能够破坏乳状液以发挥作用，其主要通过部分取代稳定膜的作用使乳状液破坏;如果将其用作脱水剂，原油及重油中的水分将会被脱除出来，使含水量符合行业标准;而用于油井中可降低原油粘度，降低油井堵塞的風险。
（2）表面化学原理
破乳过程涉及更多的是胶体化学原理，但其中也不乏与表面化学相关的内容。例如上课过程中提到的一种破乳方法：顶替法。加入高表面活性的小分子表面活性剂后，这些表面活性大、碳链短的小分子会吸附于界面而顶替部分乳化剂，由于不能形成坚固的界面膜而导致破乳。一种好的原油破乳剂应具有界面膜弹性低、粘弹性界面的松弛时间短、膜扩散性强、界面活性高、动态膜张力低、油水界面的膨胀弹性和粘度低等特性。
2.表面化学在石油化工中的应用
2.1 活性炭吸附轻质油
2.1.1 相关内容简介
轻质油是煤在低温干馏过程中所生成的产物（气态碳氢化合物），它是饱和烃、不饱和烃和芳香烃三种烃类的混合物。在石油化工工业中，工厂会提炼相当数量的轻质油，在合成尾气中，这种轻质油大多数是通过活性炭吸附法来进行回收;在石油加工厂中也经常使用活性炭来回收天然气和加工后气体中的轻质油，以增加轻质油的产量。在活性炭吸附轻质油这一过程中，就体现了表面化学的原理。
2.1.2表面化学原理
吸附是指物质在相界面上发生自动浓集的现象。活性炭既可以进行物理吸附，又可以进行化学吸附，前者的吸附力为范德华力（小），后者的吸附力为化学键力（大），这两种吸附具有不同的特点，所以兼具物理吸附与化学吸附的活性炭自身可以弥补这两种吸附的限制性因素;此外，活性炭细孔结构发达，内部有很多微孔、中孔和大孔，使其具有巨大的比表面积，表面吉布斯函数高，而吸附是降低固体表面吉布斯自由能的自发过程，活性炭的极高的表面能则为吸附轻质油提供了有利条件。基于以上表面化学原理，轻质油可被有效获得。
2.2芳烃萃取
2.2.1相关内容简介
芳烃萃取又称芳烃抽提，是石油炼制中的一个重要过程，是指用萃取剂从烃类混合物中分离芳烃的液液萃取过程，主要用于从催化重整和烃类裂解汽油中回收轻质芳烃或从催化裂化柴油回收萘。
2.2.2表面化学原理
在芳烃萃取的过程中同样用到了表面活性剂，由于表面活性剂分子在膜相内的频繁活动、相互交换位置，以及引发了一系列化学反应，而使得芳烃可以被萃取出来，达到回收的目的。
参考文献：
[1]范延臻，王宝贞.活性炭表面化学[J].煤炭转化，2000（04）：26-30.
[2]陈美莱，张桢.煤气中轻质油的测定[J].化肥工业，1988（03）：29-31.
[3]周效全，范波.试论油田化学药剂与表面活性剂的关系[J].石油与天然气化工，2002（01）：37-40+1-0.
[4]王玉伟.三次采油用表面活性剂的合成与应用[J].化工设计通讯，2019，45（04）：89-90.
[5]蒋平，张贵才，葛际江，王东方，马涛.表面活性剂剥离固体表面原油机理[J].石油学报（石油加工），2008（02）：222-226.
[6]张健，向问淘，韩明，李敏，姜伟.乳化原油的化学破乳作用[J].油田化学，2005（03）：283-288.
（中国石油大学（华东） 山东省青岛市 266580）
关键词：表面化学;油田化学;石油化工
引言：油田化学，被称为石油科学中最年轻的学科，由钻井化学、采油化学和集输化学三部分组成，主要研究石油工业中上游作业中的化学问题;作为我国支柱产业部门之一的石油化工，是一门以石油和天然气为原料、以石油产品和石油化工产品为成品的加工工业。而作为物理化学一个重要分支的表面化学（主要研究固体和液体表面或相界面的物理和化学性质），在油田化学和石油化工中都得到了广泛的应用，并渐渐成为以上两者的重要组成部分。
1.表面化学在油田化学中的应用
1.1油田化学专用药剂
作为表面物理化学的一个重要组成部分，同时被誉为油田化学工作液体系中的核心组分，表面活性剂的应用技术研究在油田化学中占有重要的地位。在油田化学的研究中，各类油田化学专用药剂发挥着重要作用，这些药剂与表面活性剂关系密切，与油田化学息息相关。表面活性剂技术的开发和应用技术水平在一定程度上可以作为一个评判油田化学专用药剂好坏的标准;同时，它们也映射了油田化学工作液体系的性能、功能的优劣。油田化学工作液体系有常规酸体系、压裂液体系、胶凝酸体系、乳化酸体系、胶束酸体系和滤失控制酸体系等，究其源头，它们都是表面活性剂直接或间接发挥作用而生成的某种产品。
1.2表面活性剂
表面活性剂是一类加入少量到某溶液中就能明显降低该溶液表面张力的物质。从微观角度来说，亲水基和亲油基，作为两个关键结构构成了表面活性剂。这两种基团分别对水有亲和性和疏远性，它们具有不同的作用与性质，并且分布在表面活性剂的两端;并且由于这两种基团存在形态差异，表面活性剂具有了不对称结构。表面活性剂大体可以分为离子型表面活性剂（包括阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂）、非离子型表面活性剂，以及复配表面活性剂、两性表面活性剂、其他表面活性剂等。
1.3应用
1.3.1三次采油技术与驱油剂
（1）相关内容简介
石油开采有一次采油、二次采油等方式，但这两者开采出的油品的产量并不足以满足市场需求， 为了提高石油开采效率、提升石油产量， 通常采用三次采油技术。三次采油是一种常见的、用来提高油田原油采收率的技术，三次采油过程中用到的一种重要的复配表面活性剂——驱油剂，则运用了表面化学原理。
表面活性剂具有降低油-水界面张力的能力，因而能提高原油采收率，这也被作为筛选驱油用表面活性剂的根据，由于单纯使用活性剂降低界面张力的作用有限，所以它往往与盐或碱同时使用作为驱油剂，从而可大幅度降低油-水界面张力。
（2）表面化学原理：表面活性剂的润湿作用与增溶作用。
润湿作用是指改变两相的结合力（表面性能）来调节润湿性能的能力。三次采油过程中用到的驱油剂应用性能和效果的影响因素主要是亲水基。从砂石角度来说，原本亲油的砂石在加入表面活性剂后，与驱油剂（表面活性剂）的亲油基紧密连接，亲水基便指向水中，这使得亲油的砂石被转化为亲水的砂石，油水界面张力能够得到显著的降低，表面性能被改变，润湿性能大大增强， 因此油可以被驱干净，原油的采收率能够得到显著提高。
增溶作用是指当水溶液中非表面活性剂的浓度达到临界胶束浓度时，难溶或不溶于水的有机物的溶解度大大增加的现象。宏观上表现为溶解度增加，但其在水中溶解度却并未增加。在上述提到的三次采油过程中，从原油角度来讲，原油中加入表面活性剂后，如果遇到亲水的固体表面（其所具有的原始性能已被表面活性剂改变），在气-液、气-固、液-固三相界面张力的综合作用下，油珠表面将会不断收紧，致使油珠缩小，此外，表面活性剂对吸附在油-固界面上的胶质和沥青质成分将会产生渗透增溶作用，体积较小的油珠无需继续收缩，直接从固体表面完全脱落，而体积较大的油珠会被拉伸，部分脱落，剩余部分继续收缩，最终达到完全脱落。
1.3.2原油破乳
（1）相关内容简介
原油是一种多组分的混合物，主要由不同分子量和结构的烃类以及非烃类组成，同时混有部分杂质。油水分离状态是原油在地层中的主要存在状态，稳定性各不相同的乳化原油在开采和集输过程中形成，这归因于开采和集输过程中原油与水的强烈混合。由此可见，原油破乳对开采、集输等过程来说意义重大。
作为一种表面活性剂，破乳剂能够破坏乳状液以发挥作用，其主要通过部分取代稳定膜的作用使乳状液破坏;如果将其用作脱水剂，原油及重油中的水分将会被脱除出来，使含水量符合行业标准;而用于油井中可降低原油粘度，降低油井堵塞的風险。
（2）表面化学原理
破乳过程涉及更多的是胶体化学原理，但其中也不乏与表面化学相关的内容。例如上课过程中提到的一种破乳方法：顶替法。加入高表面活性的小分子表面活性剂后，这些表面活性大、碳链短的小分子会吸附于界面而顶替部分乳化剂，由于不能形成坚固的界面膜而导致破乳。一种好的原油破乳剂应具有界面膜弹性低、粘弹性界面的松弛时间短、膜扩散性强、界面活性高、动态膜张力低、油水界面的膨胀弹性和粘度低等特性。
2.表面化学在石油化工中的应用
2.1 活性炭吸附轻质油
2.1.1 相关内容简介
轻质油是煤在低温干馏过程中所生成的产物（气态碳氢化合物），它是饱和烃、不饱和烃和芳香烃三种烃类的混合物。在石油化工工业中，工厂会提炼相当数量的轻质油，在合成尾气中，这种轻质油大多数是通过活性炭吸附法来进行回收;在石油加工厂中也经常使用活性炭来回收天然气和加工后气体中的轻质油，以增加轻质油的产量。在活性炭吸附轻质油这一过程中，就体现了表面化学的原理。
2.1.2表面化学原理
吸附是指物质在相界面上发生自动浓集的现象。活性炭既可以进行物理吸附，又可以进行化学吸附，前者的吸附力为范德华力（小），后者的吸附力为化学键力（大），这两种吸附具有不同的特点，所以兼具物理吸附与化学吸附的活性炭自身可以弥补这两种吸附的限制性因素;此外，活性炭细孔结构发达，内部有很多微孔、中孔和大孔，使其具有巨大的比表面积，表面吉布斯函数高，而吸附是降低固体表面吉布斯自由能的自发过程，活性炭的极高的表面能则为吸附轻质油提供了有利条件。基于以上表面化学原理，轻质油可被有效获得。
2.2芳烃萃取
2.2.1相关内容简介
芳烃萃取又称芳烃抽提，是石油炼制中的一个重要过程，是指用萃取剂从烃类混合物中分离芳烃的液液萃取过程，主要用于从催化重整和烃类裂解汽油中回收轻质芳烃或从催化裂化柴油回收萘。
2.2.2表面化学原理
在芳烃萃取的过程中同样用到了表面活性剂，由于表面活性剂分子在膜相内的频繁活动、相互交换位置，以及引发了一系列化学反应，而使得芳烃可以被萃取出来，达到回收的目的。
参考文献：
[1]范延臻，王宝贞.活性炭表面化学[J].煤炭转化，2000（04）：26-30.
[2]陈美莱，张桢.煤气中轻质油的测定[J].化肥工业，1988（03）：29-31.
[3]周效全，范波.试论油田化学药剂与表面活性剂的关系[J].石油与天然气化工，2002（01）：37-40+1-0.
[4]王玉伟.三次采油用表面活性剂的合成与应用[J].化工设计通讯，2019，45（04）：89-90.
[5]蒋平，张贵才，葛际江，王东方，马涛.表面活性剂剥离固体表面原油机理[J].石油学报（石油加工），2008（02）：222-226.
[6]张健，向问淘，韩明，李敏，姜伟.乳化原油的化学破乳作用[J].油田化学，2005（03）：283-288.
（中国石油大学（华东） 山东省青岛市 266580）