石油和天然氣行業(yè)由許多不同的復(fù)雜過程組成，包括鉆井、提高石油采收率，管道運(yùn)輸和煉油廠加工等。

原油開采中，與表面相互作用過程有關(guān)的挑戰(zhàn)以及優(yōu)化主要有兩個(gè)：第一個(gè)是提高原油采收率，另一個(gè)是新的方法來處理和防止管道結(jié)垢。

這個(gè)星球上僅有的石油可供使用，這使得研究從現(xiàn)有油田中盡可能多地提取原油并提高生產(chǎn)工藝的手段非常必要。一種方法是優(yōu)化回收過程，從油藏中獲得更多的油。 這可以通過提高了解油藏中礦物原油釋放過程來促進(jìn)。另一種增加油量的方法是通過從水和其他物質(zhì)中有效分離原油。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是發(fā)生在石油生產(chǎn)不同階段的結(jié)垢，這會(huì)導(dǎo)致傳輸效率降低，消耗過多能源和增加成本。引起這方面問題主要因素是瀝青質(zhì)，它傾向于在石油生產(chǎn)的每個(gè)階段的界面上吸附。瀝青質(zhì)會(huì)在各種加工條件下聚集和沉積，這種高趨勢(shì)的沉積是讓人頭痛的，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致沉淀物堆積和堵塞，例如熱交換器堆積和管道堵塞。

提高石油采收率

在采油階段，可以使用如表面活性劑或二氧化碳驅(qū)油等不同的優(yōu)化采收方法提高采收率。 在將表面活性劑或二氧化碳注入油藏之后，它們與油藏接觸并與其相互作用，從而改變?cè)推胶鈼l件和流體性質(zhì)。 這可能導(dǎo)致重有機(jī)固體主要是瀝青質(zhì)的沉降和積淀。 這些現(xiàn)象導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石的潤濕性改變和滲透率降低，從而導(dǎo)致采收率下降。

原油和驅(qū)油劑之間的界面張力是一個(gè)重要的參數(shù)。界面張力值越低，驅(qū)油劑對(duì)原油的溶解度越好。二氧化碳和原油之間的界面張力已被深入研究，這是因?yàn)槎趸际亲钣星巴镜尿?qū)油劑之一。

二氧化碳與原油之間的界面張力VS壓力的函數(shù)關(guān)系圖表。使用Attansion Theta高壓模塊測試得到。

應(yīng)用文摘：使用二氧化碳提高原油采收率

QSense QCM-D可以在分子層面上模擬表面活性劑吸附來實(shí)時(shí)優(yōu)化采油過程。 在實(shí)驗(yàn)中使用聚合物進(jìn)行模擬吸附，這種在納米級(jí)別上重現(xiàn)提高原油采收率，也是可以實(shí)現(xiàn)的。

瀝青質(zhì)在固體表面的吸附

除了可以穩(wěn)定油水界面外，瀝青質(zhì)還可以吸附在石油回收和轉(zhuǎn)移過程不同階段的固體表面上。為了理解瀝青質(zhì)沉積的機(jī)理，需要對(duì)瀝青質(zhì) - 固體相互作用有基本的了解。QSense QCM-D可用于表征不同溶劑條件下各種表面上的瀝青質(zhì)吸附和結(jié)垢。

瀝青質(zhì)的沉降和積淀會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石的潤濕性改變和滲透率降低，從而導(dǎo)致采收率下降。通過接觸角測量可以研究原油、流體和巖石之間的潤濕性和界面張力關(guān)系。接觸角測量也可以在模擬油藏條件的高壓和高溫下進(jìn)行。

[表面活性劑和乳液/表面活性劑行為]

幾乎所有的工業(yè)產(chǎn)品都會(huì)用到表面活性劑，從清潔劑到油漆，化妝品到食品。 表面活性劑根據(jù)它們所應(yīng)用的系統(tǒng)可以作為清潔劑，潤濕劑，乳化劑，發(fā)泡劑和分散劑。天然存在的表面活性劑也可能導(dǎo)致不必要的產(chǎn)品性能。表面活性劑的表征對(duì)于確保產(chǎn)品和工藝的最佳性能至關(guān)重要。

表面活性劑通常是兩親的有機(jī)化合物，這意味著它們同時(shí)含有親水性（水溶性）和疏水性（水不溶性）部分。 由于它們的兩親性質(zhì)，表面活性劑吸附在界面上，從而降低了兩相之間的表面和界面張力。

在許多工業(yè)過程中，可添加表面活性劑以改善產(chǎn)品的性能。 例如，表面活性劑用于清潔劑以提高清潔產(chǎn)品的效率，也可以作為食品產(chǎn)品中的油漆或乳化劑中的潤濕劑。表面活性劑的另一個(gè)方面是作為表面活性劑的天然化合物。這些包括在重質(zhì)原油中發(fā)現(xiàn)的瀝青質(zhì)，可能會(huì)在原油生產(chǎn)中引起各種問題。

表面活性劑在氣-液或液-液界面的吸附

通過測量其降低表面或界面張力和穩(wěn)定乳液的能力以及通過研究其親水-親油平衡（HLB）來測定表面活性劑的效率。

通過測量表面和界面張力與濃度的關(guān)系函數(shù)，可以確定給定表面活性劑或表面活性劑混合物能夠產(chǎn)生的表面張力或界面張力下降的最大值。 從經(jīng)濟(jì)角度來看這也是重要的，因?yàn)槭褂玫谋砻婊钚詣┑牧繉?duì)產(chǎn)品的成本有直接影響。就表面活性劑濃度和表面活性劑的毒性而言，也需要考慮環(huán)境因素。 臨界膠束濃度測量通常用于確定制劑中表面活性劑的最佳量。

[下載表面和界面張力—它是什么以及如何測量它？]

表面活性劑在固體表面吸附

了解表面活性劑在固體表面的吸附，例如在油漆制造、水過濾或原油生產(chǎn)等過程中非常重要。 以涂料為例，這是一種復(fù)雜的水基混合物，包括顏料顆粒、聚合物和表面活性劑等不同組分。 顏料顆粒是賦予涂料所需的顏色，聚合物增加粘度和表面活性劑，以增加涂料的穩(wěn)定性和潤濕性。 如果在顏料表面上優(yōu)先吸附聚合物而不是表面活性劑，則會(huì)出現(xiàn)問題。 這會(huì)導(dǎo)致干膜的顏色外觀和粘合性能下降。

原油生產(chǎn)中瀝青質(zhì)的吸附造成的問題

由于許多最近發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)量中含有瀝青質(zhì)（油砂，重油），瀝青質(zhì)引起的興趣越來越大。 瀝青質(zhì)是原油的高分子量組分，其確切的分子結(jié)構(gòu)未知，通常被歸類為不溶于烷烴，如正戊烷和正庚烷，但可溶于甲苯。  瀝青質(zhì)傾向于吸附在界面上，從而增加油水乳液的穩(wěn)定性（與乳液穩(wěn)定性相關(guān)）并改變油藏的潤濕行為。原油加工過程中瀝青質(zhì)的吸附也會(huì)造成管道污染等問題。

為了了解瀝青質(zhì)沉積的機(jī)理，需要對(duì)瀝青質(zhì) - 固體相互作用有基本的了解。 QSense QCM-D可用于表征不同溶劑條件下各種表面上的瀝青質(zhì)吸附和污染。

瀝青質(zhì)的沉淀和沉積會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石的潤濕性改變和滲透率降低，從而導(dǎo)致采油率下降。 通過接觸角測量可以研究油、流體和巖石之間的潤濕性和界面張力測量。接觸角測量也可以在的高壓和高溫下模擬油藏條件進(jìn)行。

固液界面表面活性劑吸附動(dòng)力學(xué)表征

正如我們所看到的，在固液界面上表面活性劑和它們的行為是許多領(lǐng)域的核心，從生物學(xué)應(yīng)用到去污和清潔到提高石油采收率。 QSense QCM-D技術(shù)能夠根據(jù)界面上的動(dòng)力學(xué)和行為對(duì)表面活性劑、表面活性劑體系以及表面活性劑混合物進(jìn)行表征。利用這種表面敏感技術(shù)，可以研究表面活性劑對(duì)不同表面的吸附和解吸動(dòng)力學(xué)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測吸附動(dòng)態(tài)。表面可以容易地變化，這使得規(guī)劃出表面材料、表面官能度和親水性或疏水性的影響成為可能。還可以確定吸附表面活性劑的層厚度，并根據(jù)各種表面活性劑濃度、pH值、鹽濃度和溫度來追蹤吸附膜的形態(tài)變化。該技術(shù)還能夠探索和表征表面活性劑與例如脂質(zhì)囊泡或聚合物和聚電解質(zhì)層之間的相互作用。

[表面活性劑和乳液/乳液穩(wěn)定性]

乳液是兩種或兩種以上液體的混合物，它們通常是互不相容的。從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來看，乳液是一個(gè)不穩(wěn)定的體系，因?yàn)橐?液系統(tǒng)有分離和降低它的界面能的自然趨勢(shì)。

乳液的穩(wěn)定性可以被定義為體系抵抗其物理化學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間變化的能力。乳液的穩(wěn)定性在許多工業(yè)應(yīng)用中非常重要，包括涂料、食品、農(nóng)業(yè)配方，個(gè)人護(hù)理和石油。乳化、絮凝和聚集等幾種機(jī)制會(huì)導(dǎo)致破乳。

雖然乳液穩(wěn)定性在大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品和工藝中是必需的，但也有一些加工過程不需要乳液的穩(wěn)定性。例如，原油回收需要在運(yùn)輸前將原油從水中分離出來，或者廢水處理也不需要油水乳狀液。

界面流變學(xué)測試預(yù)測乳狀液的穩(wěn)定性

界面流變學(xué)是一個(gè)特殊的流變學(xué)分支，它涉及研究在界面上形成的特別的二維體系。正如流變學(xué)是研究流體流動(dòng)，界面流變學(xué)是研究流體界面流動(dòng)特性。

食品和飲料中的界面流變學(xué)

蛋白質(zhì)可以作為食品中的表面活性劑，但也可以添加其他穩(wěn)定劑以提高穩(wěn)定性。卵磷脂是為數(shù)不多的天然表面活性劑之一。隨著環(huán)境和健康問題受到關(guān)注，天然表面活性劑越來越引起人們的興趣。

應(yīng)用文摘下載：蛋白質(zhì)在氣液和油水界面上的吸附和界面凝膠化

應(yīng)用文摘下載：在氣液界面上單分子層的界面流變學(xué)

觀看網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)：界面流變學(xué)：從基礎(chǔ)到應(yīng)用

工業(yè)級(jí)非離子乳化劑的表面表征

聚氧乙烯表面活性劑被廣泛用于工業(yè)應(yīng)用，如涂料、食品、農(nóng)業(yè)配方、個(gè)人護(hù)理和石油，其中乳液和泡沫穩(wěn)定性是重要的。 醇乙氧基化物正在取代傳統(tǒng)上在許多應(yīng)用中作為乳化劑的更有毒的烷基酚乙氧基化物。 然而，直鏈醇乙氧基化物沒有表現(xiàn)出與烷基酚乙氧基化物一樣良好的乳化劑性能，這主要是由于后者有更龐大的尾部。 這是由于極性頭和碳?xì)浠衔镂驳拇笮〔煌璧K了界面上緊密堆積的薄膜的形成。

已經(jīng)研究了兩種基于EO基團(tuán)數(shù)量不同的C10-Guerbet醇工業(yè)級(jí)非離子表面活性劑的吸附和表面流變性質(zhì)。，它們是C10EO6和C10EO14。

兩種表面活性劑的表面壓力等溫線符合重新取向模型。 但是，表面流變學(xué)數(shù)據(jù)有不同的解釋。 它表明，C10EO6可以在擴(kuò)散弛豫過程的模型框架中解釋，而C10EO14偏離擴(kuò)散弛豫過程，其表面流變反應(yīng)接近于非離子聚合物表面活性劑。 圖1（C10EO6）和圖2（C10EO14）顯示了兩種表面活性劑在兩個(gè)頻率（0.02 Hz和0.5 Hz）下振蕩擾動(dòng)得到的儲(chǔ)能模量（E'）和損耗模量（E“）。 實(shí)線和虛線是從擴(kuò)散模型獲得的適合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 結(jié)果表明，只有C10EO6表面活性劑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與所提出的模型有良好的一致性。

圖1. C10EO6表面活性劑在兩個(gè)頻率（0.02Hz-三角形）和（0.5Hz-菱形）下儲(chǔ)存模量（E'，空心符號(hào)）和損失模量（E“，實(shí)心符號(hào)）與表面活性劑本體濃度的關(guān)系函數(shù)。 實(shí)線和虛線是擴(kuò)散模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最佳擬合曲線。

圖2. C10EO14表面活性劑在兩個(gè)頻率（0.02Hz-三角形）和（0.5Hz-菱形）下的儲(chǔ)存模量（E'，空心符號(hào)）和損耗模量（E“，實(shí)心符號(hào)）與表面活性劑本體濃度的關(guān)系函數(shù)。 實(shí)線和虛線是擴(kuò)散模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最佳擬合曲線。

兩種表面活性劑的表面流變性質(zhì)表明它們?cè)诳諝?水界面處形成了粘彈性層，然而由于氧乙烯基團(tuán)的數(shù)量不同，吸附膜表現(xiàn)出不同行為。對(duì)于較小的表面活性劑，吸附和流變數(shù)據(jù)符合擴(kuò)散模型，而較大的C10EO14表面活性劑表現(xiàn)出更接近于聚合物表面活性劑的表面行為。而且，兩種表面活性劑的膨脹彈性和粘度的比較表明通過增加EO基團(tuán)的數(shù)量可增加彈性。吸附的表面活性劑膜的彈性與泡沫和乳液穩(wěn)定性直接相關(guān)。因此，與較短的C10EO6表面活性劑相比，C10EO14表面活性劑可能形成更穩(wěn)定的抗聚結(jié)層。盡管如此，由于前者表面活性劑的擴(kuò)散性較高，因此使用C10EO6比C10EO14泡沫形成能力更強(qiáng)。因此，這些結(jié)果可能會(huì)發(fā)現(xiàn)有趣的應(yīng)用，以便通過使用含有氧乙烯基團(tuán)的非離子表面活性劑合理地開發(fā)穩(wěn)定的泡沫和乳液。

文獻(xiàn)依據(jù): P. Ramírez, L.M. Pérez-Mosqueda, L.A. Trujillo-Cayado, M. Ruiz, J. Munoz, R.Miller, Equilibrium and surface rheology of two polyoxyethylene surfactants (CiEOj) differing in the number of oxyethylene groups, Colloids Surf., A 375(2011) 130–135.

瀝青質(zhì)穩(wěn)定油 - 水乳液

當(dāng)油被回收時(shí)，形成了復(fù)雜的油-水乳液。 在油-水界面吸附的瀝青質(zhì)傾向于增加這些乳液的穩(wěn)定性。通常不需要穩(wěn)定的油-水乳液，因?yàn)檫@增加了泵送和運(yùn)輸費(fèi)用并且會(huì)腐蝕管道，泵和蒸餾塔。

瀝青質(zhì)的表面活性可以用光學(xué)張力儀通過簡單的界面張力測量來評(píng)估。通過將高壓腔體組合到系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)在高壓和高溫下進(jìn)行測量。

另一種廣泛應(yīng)用的方法是研究油水界面的界面流變性。界面的彈性與油水乳狀液的穩(wěn)定性有關(guān)。吸附瀝青質(zhì)層的界面流變性可以用振蕩液滴法研究。另一種方法是采用基于浮針流變儀的界面剪切流變（ISR）表征瀝青質(zhì)堆積密度的關(guān)系函數(shù)。

布魯斯特角度顯微鏡可以在空氣-水界面上對(duì)瀝青質(zhì)進(jìn)行可視化的形態(tài)學(xué)研究。

應(yīng)用文摘下載：蛋白質(zhì)在空氣-水和油-水界面處的界面凝膠化吸附

下應(yīng)用文摘下載：薄膜結(jié)構(gòu)的成像：布魯斯特角顯微鏡

觀看網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)：界面流變學(xué)：從基礎(chǔ)到應(yīng)用

[表面活性劑和乳液/破乳]

與乳液穩(wěn)定性在許多工業(yè)過程和產(chǎn)品中很重要一樣，破乳在其他環(huán)境中也是至關(guān)重要的。

反乳化作用或破乳，在原油生產(chǎn)和廢水處理中尤為重要。 在原油生產(chǎn)中，通常會(huì)生產(chǎn)油包水乳液。由于許多原油中天然存在的瀝青質(zhì)和樹脂，這些乳液可能非常穩(wěn)定。 原油和水的有效分離在原油質(zhì)量方面至關(guān)重要，同時(shí)也要確保以低的成本分離出高質(zhì)量的水相。

破乳劑用于使油包水乳液不穩(wěn)定

從工藝角度來看，破乳有兩個(gè)方面：分離發(fā)生的速率和原油中剩余的水量。生產(chǎn)的石油通常必須符合公司和管道規(guī)格。 通常，從潮濕的原油處理裝置裝船的油可能每千桶原油含有不超過0.2％的BS＆W（基本沉淀物和水）或4.5千克鹽。這種相當(dāng)?shù)偷臐舛纫笫菫榱藴p少腐蝕和鹽的沉積。

乳狀液分離成油和水的過程涉及水滴周圍乳化膜的失穩(wěn)。有幾種方法可以用來破壞乳液的穩(wěn)定性，如加入化學(xué)破乳劑、增加乳液的溫度、施加電場促進(jìn)乳液的聚集和物理特性的改變。化學(xué)破乳劑的加入是目前常用的方法。

破乳劑是具有表面活性的試劑，用于油水界面的遷移和中和乳化劑的影響。在破乳過程中，選擇合適的破乳劑至關(guān)重要。由于原油中各種成分的種類繁多，根據(jù)原油類型選擇破乳劑十分重要。界面流變參數(shù)，特別是界面膨脹彈性，與乳液穩(wěn)定性有關(guān)。通過測量在添加破乳劑存在時(shí)油水界面的界面流變可得到破乳劑的有效性。

[表面活性劑和乳液/泡沫]

泡沫在許多工業(yè)產(chǎn)品和工藝中非常重要。在身體護(hù)理和食品中通常需要泡沫，但在如印刷，泵送和潤滑等某些工業(yè)過程中，泡沫是不需要的，并且需要使用消泡劑。 而浮選和提高石油采收率等許多工藝都利用泡沫。

泡沫可以被認(rèn)為是空氣-水乳液。正如在油水乳液中一樣，需要表面活性劑分子來降低氣-水界面之間的表面張力以形成泡沫。

提高石油采收率的泡沫

注氣（如二氧化碳，甲烷或氮?dú)猓┏Ｓ糜谔岣咴筒墒章省?然而，由于氣體與水和油相比具有較低的粘度和密度，因此會(huì)出現(xiàn)諸如氣體通道通過高滲透率區(qū)域和氣體遷移到多孔介質(zhì)上部的問題。因此，氣驅(qū)的容積掃描效率往往較差。為了提高氣驅(qū)的效率，建議使用泡沫注射。

泡沫提供了一種降低氣體流動(dòng)性以提高排量和吹掃效率的方法。 基于泡沫的EOR方法的一個(gè)主要問題是泡沫穩(wěn)定性。必須在多孔結(jié)構(gòu)中保持泡沫穩(wěn)定以成為有效的回收劑。表面活性劑在泡沫穩(wěn)定性方面處于關(guān)鍵地位。例如，為了生產(chǎn)穩(wěn)定的水包二氧化碳泡沫塑料（研究最多的泡沫體系之一），在儲(chǔ)藏條件下開發(fā)可穩(wěn)定二氧化碳-水界面的表面活性劑至關(guān)重要。