表面化學在油田化學、石油化工中的應用

張珺

摘 要：表面化學作為物理化學的一個重要分支，在油田化學和石油化工中都得到了廣泛應用。本文從與二者中相關的應用出發，簡要介紹了三次采油、原油破乳、活性炭吸附、芳烴抽提等過程中涉及到的表面化學過程，并具體分析了其中的表面化學原理。

關鍵詞：表面化學;油田化學;石油化工

引言：油田化學，被稱為石油科學中最年輕的學科，由鉆井化學、采油化學和集輸化學三部分組成，主要研究石油工業中上游作業中的化學問題;作為我國支柱產業部門之一的石油化工，是一門以石油和天然氣為原料、以石油產品和石油化工產品為成品的加工工業。而作為物理化學一個重要分支的表面化學（主要研究固體和液體表面或相界面的物理和化學性質），在油田化學和石油化工中都得到了廣泛的應用，并漸漸成為以上兩者的重要組成部分。

1.表面化學在油田化學中的應用

1.1油田化學專用藥劑

作為表面物理化學的一個重要組成部分，同時被譽為油田化學工作液體系中的核心組分，表面活性劑的應用技術研究在油田化學中占有重要的地位。在油田化學的研究中，各類油田化學專用藥劑發揮著重要作用，這些藥劑與表面活性劑關系密切，與油田化學息息相關。表面活性劑技術的開發和應用技術水平在一定程度上可以作為一個評判油田化學專用藥劑好壞的標準;同時，它們也映射了油田化學工作液體系的性能、功能的優劣。油田化學工作液體系有常規酸體系、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揮作用而生成的某種產品。

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。從微觀角度來說，親水基和親油基，作為兩個關鍵結構構成了表面活性劑。這兩種基團分別對水有親和性和疏遠性，它們具有不同的作用與性質，并且分布在表面活性劑的兩端;并且由于這兩種基團存在形態差異，表面活性劑具有了不對稱結構。表面活性劑大體可以分為離子型表面活性劑（包括陽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，以及復配表面活性劑、兩性表面活性劑、其他表面活性劑等。

1.3應用

1.3.1三次采油技術與驅油劑

（1）相關內容簡介

石油開采有一次采油、二次采油等方式，但這兩者開采出的油品的產量并不足以滿足市場需求， 為了提高石油開采效率、提升石油產量， 通常采用三次采油技術。三次采油是一種常見的、用來提高油田原油采收率的技術，三次采油過程中用到的一種重要的復配表面活性劑——驅油劑，則運用了表面化學原理。

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，這也被作為篩選驅油用表面活性劑的根據，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使用作為驅油劑，從而可大幅度降低油-水界面張力。

（2）表面化學原理：表面活性劑的潤濕作用與增溶作用。

潤濕作用是指改變兩相的結合力（表面性能）來調節潤濕性能的能力。三次采油過程中用到的驅油劑應用性能和效果的影響因素主要是親水基。從砂石角度來說，原本親油的砂石在加入表面活性劑后，與驅油劑（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，潤濕性能大大增強， 因此油可以被驅干凈，原油的采收率能夠得到顯著提高。

增溶作用是指當水溶液中非表面活性劑的濃度達到臨界膠束濃度時，難溶或不溶于水的有機物的溶解度大大增加的現象。宏觀上表現為溶解度增加，但其在水中溶解度卻并未增加。在上述提到的三次采油過程中，從原油角度來講，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，油珠表面將會不斷收緊，致使油珠縮小，此外，表面活性劑對吸附在油-固界面上的膠質和瀝青質成分將會產生滲透增溶作用，體積較小的油珠無需繼續收縮，直接從固體表面完全脫落，而體積較大的油珠會被拉伸，部分脫落，剩余部分繼續收縮，最終達到完全脫落。

1.3.2原油破乳

（1）相關內容簡介

原油是一種多組分的混合物，主要由不同分子量和結構的烴類以及非烴類組成，同時混有部分雜質。油水分離狀態是原油在地層中的主要存在狀態，穩定性各不相同的乳化原油在開采和集輸過程中形成，這歸因于開采和集輸過程中原油與水的強烈混合。由此可見，原油破乳對開采、集輸等過程來說意義重大。

作為一種表面活性劑，破乳劑能夠破壞乳狀液以發揮作用，其主要通過部分取代穩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被脫除出來，使含水量符合行業標準;而用于油井中可降低原油粘度，降低油井堵塞的風險。

（2）表面化學原理

破乳過程涉及更多的是膠體化學原理，但其中也不乏與表面化學相關的內容。例如上課過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、碳鏈短的小分子會吸附于界面而頂替部分乳化劑，由于不能形成堅固的界面膜而導致破乳。一種好的原油破乳劑應具有界面膜彈性低、粘彈性界面的松弛時間短、膜擴散性強、界面活性高、動態膜張力低、油水界面的膨脹彈性和粘度低等特性。

2.表面化學在石油化工中的應用

2.1 活性炭吸附輕質油

2.1.1 相關內容簡介

輕質油是煤在低溫干餾過程中所生成的產物（氣態碳氫化合物），它是飽和烴、不飽和烴和芳香烴三種烴類的混合物。在石油化工工業中，工廠會提煉相當數量的輕質油，在合成尾氣中，這種輕質油大多數是通過活性炭吸附法來進行回收;在石油加工廠中也經常使用活性炭來回收天然氣和加工后氣體中的輕質油，以增加輕質油的產量。在活性炭吸附輕質油這一過程中，就體現了表面化學的原理。

2.1.2表面化學原理

吸附是指物質在相界面上發生自動濃集的現象。活性炭既可以進行物理吸附，又可以進行化學吸附，前者的吸附力為范德華力（小），后者的吸附力為化學鍵力（大），這兩種吸附具有不同的特點，所以兼具物理吸附與化學吸附的活性炭自身可以彌補這兩種吸附的限制性因素;此外，活性炭細孔結構發達，內部有很多微孔、中孔和大孔，使其具有巨大的比表面積，表面吉布斯函數高，而吸附是降低固體表面吉布斯自由能的自發過程，活性炭的極高的表面能則為吸附輕質油提供了有利條件。基于以上表面化學原理，輕質油可被有效獲得。

2.2芳烴萃取

2.2.1相關內容簡介

芳烴萃取又稱芳烴抽提，是石油煉制中的一個重要過程，是指用萃取劑從烴類混合物中分離芳烴的液液萃取過程，主要用于從催化重整和烴類裂解汽油中回收輕質芳烴或從催化裂化柴油回收萘。

2.2.2表面化學原理

在芳烴萃取的過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的頻繁活動、相互交換位置，以及引發了一系列化學反應，而使得芳烴可以被萃取出來，達到回收的目的。

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（中國石油大學（華東） ?山東省青島市 ?266580）