石油和天然气

石油和天然气行业由许多不同的复杂过程组成，包括钻井、提高石油采收率，管道运输和炼油厂加工等。

原油开采中，与表面相互作用过程有关的挑战以及优化主要有两个：第一个是提高原油采收率，另一个是新的方法来处理和防止管道结垢。

这个星球上仅有的石油可供使用，这使得研究从现有油田中尽可能多地提取原油并提高生产工艺的手段非常必要。一种方法是优化回收过程，从油藏中获得更多的油。 这可以通过提高了解油藏中矿物原油释放过程来促进。另一种增加油量的方法是通过从水和其他物质中有效分离原油。

另一个挑战是发生在石油生产不同阶段的结垢，这会导致传输效率降低，消耗过多能源和增加成本。引起这方面问题主要因素是沥青质，它倾向于在石油生产的每个阶段的界面上吸附。沥青质会在各种加工条件下聚集和沉积，这种高趋势的沉积是让人头痛的，因为它可能导致沉淀物堆积和堵塞，例如热交换器堆积和管道堵塞。

提高石油采收率

在采油阶段，可以使用如表面活性剂或二氧化碳驱油等不同的优化采收方法提高采收率。 在将表面活性剂或二氧化碳注入油藏之后，它们与油藏接触并与其相互作用，从而改变原油平衡条件和流体性质。 这可能导致重有机固体主要是沥青质的沉降和积淀。 这些现象导致储层岩石的润湿性改变和渗透率降低，从而导致采收率下降。

原油和驱油剂之间的界面张力是一个重要的参数。界面张力值越低，驱油剂对原油的溶解度越好。二氧化碳和原油之间的界面张力已被深入研究，这是因为二氧化碳是最有前途的驱油剂之一。

二氧化碳与原油之间的界面张力VS压力的函数关系图表。使用Attansion Theta高压模块测试得到。

应用文摘：使用二氧化碳提高原油采收率

QSense QCM-D可以在分子层面上模拟表面活性剂吸附来实时优化采油过程。 在实验中使用聚合物进行模拟吸附，这种在纳米级别上重现提高原油采收率，也是可以实现的。

沥青质在固体表面的吸附

除了可以稳定油水界面外，沥青质还可以吸附在石油回收和转移过程不同阶段的固体表面上。为了理解沥青质沉积的机理，需要对沥青质 - 固体相互作用有基本的了解。QSense QCM-D可用于表征不同溶剂条件下各种表面上的沥青质吸附和结垢。

沥青质的沉降和积淀会导致储层岩石的润湿性改变和渗透率降低，从而导致采收率下降。通过接触角测量可以研究原油、流体和岩石之间的润湿性和界面张力关系。接触角测量也可以在模拟油藏条件的高压和高温下进行。

[表面活性剂和乳液/表面活性剂行为]

几乎所有的工业产品都会用到表面活性剂，从清洁剂到油漆，化妆品到食品。 表面活性剂根据它们所应用的系统可以作为清洁剂，润湿剂，乳化剂，发泡剂和分散剂。天然存在的表面活性剂也可能导致不必要的产品性能。表面活性剂的表征对于确保产品和工艺的最佳性能至关重要。

表面活性剂通常是两亲的有机化合物，这意味着它们同时含有亲水性（水溶性）和疏水性（水不溶性）部分。 由于它们的两亲性质，表面活性剂吸附在界面上，从而降低了两相之间的表面和界面张力。

在许多工业过程中，可添加表面活性剂以改善产品的性能。 例如，表面活性剂用于清洁剂以提高清洁产品的效率，也可以作为食品产品中的油漆或乳化剂中的润湿剂。表面活性剂的另一个方面是作为表面活性剂的天然化合物。这些包括在重质原油中发现的沥青质，可能会在原油生产中引起各种问题。

表面活性剂在气-液或液-液界面的吸附

通过测量其降低表面或界面张力和稳定乳液的能力以及通过研究其亲水-亲油平衡（HLB）来测定表面活性剂的效率。

通过测量表面和界面张力与浓度的关系函数，可以确定给定表面活性剂或表面活性剂混合物能够产生的表面张力或界面张力下降的最大值。 从经济角度来看这也是重要的，因为使用的表面活性剂的量对产品的成本有直接影响。就表面活性剂浓度和表面活性剂的毒性而言，也需要考虑环境因素。 临界胶束浓度测量通常用于确定制剂中表面活性剂的最佳量。

[下载表面和界面张力—它是什么以及如何测量它？]

表面活性剂在固体表面吸附

了解表面活性剂在固体表面的吸附，例如在油漆制造、水过滤或原油生产等过程中非常重要。 以涂料为例，这是一种复杂的水基混合物，包括颜料颗粒、聚合物和表面活性剂等不同组分。 颜料颗粒是赋予涂料所需的颜色，聚合物增加粘度和表面活性剂，以增加涂料的稳定性和润湿性。 如果在颜料表面上优先吸附聚合物而不是表面活性剂，则会出现问题。 这会导致干膜的颜色外观和粘合性能下降。

原油生产中沥青质的吸附造成的问题

由于许多最近发现的储量中含有沥青质（油砂，重油），沥青质引起的兴趣越来越大。 沥青质是原油的高分子量组分，其确切的分子结构未知，通常被归类为不溶于烷烃，如正戊烷和正庚烷，但可溶于甲苯。  沥青质倾向于吸附在界面上，从而增加油水乳液的稳定性（与乳液稳定性相关）并改变油藏的润湿行为。原油加工过程中沥青质的吸附也会造成管道污染等问题。

为了了解沥青质沉积的机理，需要对沥青质 - 固体相互作用有基本的了解。 QSense QCM-D可用于表征不同溶剂条件下各种表面上的沥青质吸附和污染。

沥青质的沉淀和沉积会导致储层岩石的润湿性改变和渗透率降低，从而导致采油率下降。 通过接触角测量可以研究油、流体和岩石之间的润湿性和界面张力测量。接触角测量也可以在的高压和高温下模拟油藏条件进行。

固液界面表面活性剂吸附动力学表征

正如我们所看到的，在固液界面上表面活性剂和它们的行为是许多领域的核心，从生物学应用到去污和清洁到提高石油采收率。 QSense QCM-D技术能够根据界面上的动力学和行为对表面活性剂、表面活性剂体系以及表面活性剂混合物进行表征。利用这种表面敏感技术，可以研究表面活性剂对不同表面的吸附和解吸动力学，并实时监测吸附动态。表面可以容易地变化，这使得规划出表面材料、表面官能度和亲水性或疏水性的影响成为可能。还可以确定吸附表面活性剂的层厚度，并根据各种表面活性剂浓度、pH值、盐浓度和温度来追踪吸附膜的形态变化。该技术还能够探索和表征表面活性剂与例如脂质囊泡或聚合物和聚电解质层之间的相互作用。

[表面活性剂和乳液/乳液稳定性]

乳液是两种或两种以上液体的混合物，它们通常是互不相容的。从热力学的观点来看，乳液是一个不稳定的体系，因为液-液系统有分离和降低它的界面能的自然趋势。

乳液的稳定性可以被定义为体系抵抗其物理化学性质随时间变化的能力。乳液的稳定性在许多工业应用中非常重要，包括涂料、食品、农业配方，个人护理和石油。乳化、絮凝和聚集等几种机制会导致破乳。

虽然乳液稳定性在大多数工业产品和工艺中是必需的，但也有一些加工过程不需要乳液的稳定性。例如，原油回收需要在运输前将原油从水中分离出来，或者废水处理也不需要油水乳状液。

界面流变学测试预测乳状液的稳定性

界面流变学是一个特殊的流变学分支，它涉及研究在界面上形成的特别的二维体系。正如流变学是研究流体流动，界面流变学是研究流体界面流动特性。

食品和饮料中的界面流变学

蛋白质可以作为食品中的表面活性剂，但也可以添加其他稳定剂以提高稳定性。卵磷脂是为数不多的天然表面活性剂之一。随着环境和健康问题受到关注，天然表面活性剂越来越引起人们的兴趣。

应用文摘下载：蛋白质在气液和油水界面上的吸附和界面凝胶化

应用文摘下载：在气液界面上单分子层的界面流变学

观看网络研讨会：界面流变学：从基础到应用

工业级非离子乳化剂的表面表征

聚氧乙烯表面活性剂被广泛用于工业应用，如涂料、食品、农业配方、个人护理和石油，其中乳液和泡沫稳定性是重要的。 醇乙氧基化物正在取代传统上在许多应用中作为乳化剂的更有毒的烷基酚乙氧基化物。 然而，直链醇乙氧基化物没有表现出与烷基酚乙氧基化物一样良好的乳化剂性能，这主要是由于后者有更庞大的尾部。 这是由于极性头和碳氢化合物尾的大小不同，阻碍了界面上紧密堆积的薄膜的形成。

已经研究了两种基于EO基团数量不同的C10-Guerbet醇工业级非离子表面活性剂的吸附和表面流变性质。，它们是C10EO6和C10EO14。

两种表面活性剂的表面压力等温线符合重新取向模型。 但是，表面流变学数据有不同的解释。 它表明，C10EO6可以在扩散弛豫过程的模型框架中解释，而C10EO14偏离扩散弛豫过程，其表面流变反应接近于非离子聚合物表面活性剂。 图1（C10EO6）和图2（C10EO14）显示了两种表面活性剂在两个频率（0.02 Hz和0.5 Hz）下振荡扰动得到的储能模量（E'）和损耗模量（E“）。 实线和虚线是从扩散模型获得的适合实验数据。 结果表明，只有C10EO6表面活性剂的实验数据与所提出的模型有良好的一致性。

图1. C10EO6表面活性剂在两个频率（0.02Hz-三角形）和（0.5Hz-菱形）下储存模量（E'，空心符号）和损失模量（E“，实心符号）与表面活性剂本体浓度的关系函数。 实线和虚线是扩散模型实验数据的最佳拟合曲线。

图2. C10EO14表面活性剂在两个频率（0.02Hz-三角形）和（0.5Hz-菱形）下的储存模量（E'，空心符号）和损耗模量（E“，实心符号）与表面活性剂本体浓度的关系函数。 实线和虚线是扩散模型实验数据的最佳拟合曲线。

两种表面活性剂的表面流变性质表明它们在空气/水界面处形成了粘弹性层，然而由于氧乙烯基团的数量不同，吸附膜表现出不同行为。对于较小的表面活性剂，吸附和流变数据符合扩散模型，而较大的C10EO14表面活性剂表现出更接近于聚合物表面活性剂的表面行为。而且，两种表面活性剂的膨胀弹性和粘度的比较表明通过增加EO基团的数量可增加弹性。吸附的表面活性剂膜的弹性与泡沫和乳液稳定性直接相关。因此，与较短的C10EO6表面活性剂相比，C10EO14表面活性剂可能形成更稳定的抗聚结层。尽管如此，由于前者表面活性剂的扩散性较高，因此使用C10EO6比C10EO14泡沫形成能力更强。因此，这些结果可能会发现有趣的应用，以便通过使用含有氧乙烯基团的非离子表面活性剂合理地开发稳定的泡沫和乳液。

文献依据: 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.

沥青质稳定油 - 水乳液

当油被回收时，形成了复杂的油-水乳液。 在油-水界面吸附的沥青质倾向于增加这些乳液的稳定性。通常不需要稳定的油-水乳液，因为这增加了泵送和运输费用并且会腐蚀管道，泵和蒸馏塔。

沥青质的表面活性可以用光学张力仪通过简单的界面张力测量来评估。通过将高压腔体组合到系统中，可以实现在高压和高温下进行测量。

另一种广泛应用的方法是研究油水界面的界面流变性。界面的弹性与油水乳状液的稳定性有关。吸附沥青质层的界面流变性可以用振荡液滴法研究。另一种方法是采用基于浮针流变仪的界面剪切流变（ISR）表征沥青质堆积密度的关系函数。

布鲁斯特角度显微镜可以在空气-水界面上对沥青质进行可视化的形态学研究。

应用文摘下载：蛋白质在空气-水和油-水界面处的界面凝胶化吸附

下应用文摘下载：薄膜结构的成像：布鲁斯特角显微镜

观看网络研讨会：界面流变学：从基础到应用

[表面活性剂和乳液/破乳]

与乳液稳定性在许多工业过程和产品中很重要一样，破乳在其他环境中也是至关重要的。

反乳化作用或破乳，在原油生产和废水处理中尤为重要。 在原油生产中，通常会生产油包水乳液。由于许多原油中天然存在的沥青质和树脂，这些乳液可能非常稳定。 原油和水的有效分离在原油质量方面至关重要，同时也要确保以低的成本分离出高质量的水相。

破乳剂用于使油包水乳液不稳定

从工艺角度来看，破乳有两个方面：分离发生的速率和原油中剩余的水量。生产的石油通常必须符合公司和管道规格。 通常，从潮湿的原油处理装置装船的油可能每千桶原油含有不超过0.2％的BS＆W（基本沉淀物和水）或4.5千克盐。这种相当低的浓度要求是为了减少腐蚀和盐的沉积。

乳状液分离成油和水的过程涉及水滴周围乳化膜的失稳。有几种方法可以用来破坏乳液的稳定性，如加入化学破乳剂、增加乳液的温度、施加电场促进乳液的聚集和物理特性的改变。化学破乳剂的加入是目前常用的方法。

破乳剂是具有表面活性的试剂，用于油水界面的迁移和中和乳化剂的影响。在破乳过程中，选择合适的破乳剂至关重要。由于原油中各种成分的种类繁多，根据原油类型选择破乳剂十分重要。界面流变参数，特别是界面膨胀弹性，与乳液稳定性有关。通过测量在添加破乳剂存在时油水界面的界面流变可得到破乳剂的有效性。

[表面活性剂和乳液/泡沫]

泡沫在许多工业产品和工艺中非常重要。在身体护理和食品中通常需要泡沫，但在如印刷，泵送和润滑等某些工业过程中，泡沫是不需要的，并且需要使用消泡剂。 而浮选和提高石油采收率等许多工艺都利用泡沫。

泡沫可以被认为是空气-水乳液。正如在油水乳液中一样，需要表面活性剂分子来降低气-水界面之间的表面张力以形成泡沫。

提高石油采收率的泡沫

注气（如二氧化碳，甲烷或氮气）常用于提高原油采收率。 然而，由于气体与水和油相比具有较低的粘度和密度，因此会出现诸如气体通道通过高渗透率区域和气体迁移到多孔介质上部的问题。因此，气驱的容积扫描效率往往较差。为了提高气驱的效率，建议使用泡沫注射。

泡沫提供了一种降低气体流动性以提高排量和吹扫效率的方法。 基于泡沫的EOR方法的一个主要问题是泡沫稳定性。必须在多孔结构中保持泡沫稳定以成为有效的回收剂。表面活性剂在泡沫稳定性方面处于关键地位。例如，为了生产稳定的水包二氧化碳泡沫塑料（研究最多的泡沫体系之一），在储藏条件下开发可稳定二氧化碳-水界面的表面活性剂至关重要。