石油工业中的表界面相互作用

随着新能源材料和技术取得长足进步，可再生能源已占世界能源总消耗的20%，而化石燃料仍占据80%。尽管石油工业在一个多世纪以来取得了重大的发展，但石油生产过程仍然存在具有挑战性的问题，例如复杂的油水乳液的不稳定，管道和其他设施上的结垢现象以及水处理。这些问题受到相关过程中涉及的油/水/固体/天然气界面处的分子力的影响。

沥青与周围流体介质中的矿物固体或气泡之间的相互作用力决定了油砂生产中的沥青释放和浮选效率。复合油/水乳液的稳定性取决于乳液滴之间的力，特别是界面活性物质（例如沥青质）之间的力。各种油成分和乳液滴与不同的基材表面（例如管道）相互作用，影响结垢现象、油水分离和废水处理。量化这些分子间和界面力促进了对这些界面相互作用的机理理解，促进了先进材料和技术的发展，以解决相关的挑战性问题并改进石油生产过程。

表面力仪(SFA)和原子力显微镜(AFM)已被广泛用于测量复杂流体中各种分子，颗粒，乳液滴和气泡的相互作用力，从分子水平到纳米和微米尺度。相关研究有助于量化原油中不同物质之间的相互作用，例如沥青质，矿物颗粒，沥青，气泡和化学添加剂（絮凝剂和防污剂）。

使用纳米力学工具从实验测量中获得的力-距离分布通常需要通过胶体相互作用模型进行理论分析。在典型的石油生产过程中，许多相互作用力，如范德华力(VDW)，双电层排斥(EDL)和疏水相互作用，可以影响所涉及的不同组分的相互作用行为。VDW和EDL相互作用通常由经典的DLVO理论描述。

一、石油开采

根据油藏的地质条件和油特性，石油工业使用各种方法提取或回收石油。 常规原油在大气条件下呈液态，一般通过钻井抽取从地下油藏中提取。相比之下，使用传统的钻井和泵送技术通常不容易提取重质沥青。即粗沥青（非常重的原油）、矿物固体（例如硅砂和粘土矿物）和水的混合物。油砂行业一直使用露天采矿技术开采（包括大规模挖掘、破碎、与温水混合、水力运输、浮选和泡沫处理工艺）；或者使用原位提取方法，将高温蒸汽注入油砂矿床的回收。

基于温水的露天采矿方法导致棘手的尾矿废水问题，石油工业也探索了其他提取技术的可行性，例如涉及有机溶剂的非水提取方法。在水基沥青提取工艺中，沥青、矿物固体、气泡和周围流体介质（即水和有机溶剂）之间的相互作用显着决定了上述大规模工业界面工艺的效率。因此，量化这些相互作用力并了解潜在的界面相互作用机制对于开发更有效和可控的石油开采过程和技术具有根本和实际意义。

沥青和矿物固体之间的相互作用会受到周围溶剂的显着影响。在沥青曝气或所谓的沥青浮选过程中，释放的沥青被曝气以漂浮到流体的上部区域，这是收集沥青产品和确定沥青回收率和产品质量的非常重要的步骤。因此，确定各种溶液条件下气泡与沥青之间的相互作用机理并研究环境条件的影响非常重要。一些研究使用SFA和AFM技术表征了涉及沥青，沥青质，固体表面和气泡的相互作用力。发现在很大程度上取决于溶液条件（pH，盐类型和水介质中的盐度）。

二、乳液处理

油包水、水包油甚至更复杂的乳液通常存在于各种石油生产过程中。在石油工业中通常不需要稳定的乳液，因为它们会导致技术挑战，例如难以分离油和水、结垢和腐蚀问题（由于存在氯离子）。了解乳液在石油生产中的相互作用机理对于开发有效的破乳和增强油水分离的方法非常重要。

在石油工程中，直接量化涉及乳液相互作用的不同物体的分子/表面力长期以来一直是实验上的困难，特别是在分子或纳米尺度上。实验困难主要是由于原油化学成分复杂，以及乳液的油水界面高度变形。在乳液相互作用过程中，通过实验将力、表面变形和分离距离关联起来是非常具有挑战性的。气泡/液滴探针AFM技术的发展及其与反射干涉对比显微镜(RICM)的耦合使得在实验上可行，可以同时以优于纳米牛顿尺度的分辨率探测表面力，并测量薄到纳米级厚度的受限薄膜的时空演变（即排水动力学）高度可变形的乳液滴和气泡的相互作用。

三、防污

原油和生产流体介质中的各种成分在提取、运输和其他过程中可能与不同的基材表面相互作用，可能会导致结垢现象和环境问题。因此，表征与结垢/防污问题和水处理相关的现象所涉及的相互作用力具有重要意义。油滴与具有各种界面活性物质的不同固体基质之间的相互作用力可以通过液滴探头AFM技术定量测量。SFA实验通过削弱潜在污染物与模型基材表面之间的粘附，证明了防污剂具有优异的防污性能。进而揭示了与污垢和防污现象相关的潜在分子间相互作用机制，促进了石油工业和相关工程过程的高效防污剂的开发。

石油工艺用水和尾矿废水在循环用于石油生产或排放到环境中之前，应进行适当的处理。为此可以使用各种技术，例如膜过滤、絮凝和通过添加化学添加剂（例如絮凝剂或混凝剂）进行混凝，以及溶解气浮（用于去除油残留物和一些疏水性固体）。这些水处理工艺的效率高度依赖于分子、颗粒、油滴和气泡在水介质中的相互作用方式。

四、展望

表征复杂石油组分的分子结构并扩展相关数据库是石油工程中非常重要的研究方向，未来的研究将更多地集中在实际石油生产过程中具有明确结构物质的界面力与其特性和性质的关联上。SFA和AFM等许多工具允许在高温条件下(~60-80°C)进行力测量。然而，在实际生产中常见的高温(>100°C)、高压甚至高腐蚀性溶液条件下，测量组分的分子间和表面力在实验上通常很困难。进一步开发能够在上述恶劣环境条件下进行力测量的纳米力学技术和配件，将能够探索实际石油生产过程中的分子力和界面相互作用。