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：第一個是提高原油采收率，另一個是新的方法來處理和防止管道結(jié)垢。

這個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。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。

另一個挑戰(zhàn)是發(fā)生在石油生產(chǎn)不同階段的結(jié)垢，這會導(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)的每個階段的界面上吸附。瀝青質(zhì)會在各種加工條件下聚集和沉積，這種高趨勢的沉積是讓人頭痛的，因為它可能導(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，從而改變原油平衡條件和流體性質(zhì)。 這可能導(dǎo)致重有機固體主要是瀝青質(zhì)的沉降和積淀。 這些現(xiàn)象導(dǎo)致儲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重要的參數(shù)。界面張力值越低，驅(qū)油劑對原油的溶解度越好。二氧化碳和原油之間的界面張力已被深入研究，這是因為二氧化碳是最有前途的驅(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時優(yōu)化采油過程。 在實驗中使用聚合物進行模擬吸附，這種在納米級別上重現(xiàn)提高原油采收率，也是可以實現(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)沉積的機理，需要對瀝青質(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)的沉降和積淀會導(dǎo)致儲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化合物，這意味著它們同時含有親水性（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)濟角度來看這也是重要的，因為使用的表面活性劑的量對產(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，則會出現(xiàn)問題。 這會導(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)的吸附也會造成管道污染等問題。

為了了解瀝青質(zhì)沉積的機理，需要對瀝青質(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)的沉淀和沉積會導(dǎo)致儲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行。

固液界面表面活性劑吸附動力學(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)界面上的動力學(xué)和行為對表面活性劑、表面活性劑體系以及表面活性劑混合物進行表征。利用這種表面敏感技術(shù)，可以研究表面活性劑對不同表面的吸附和解吸動力學(xué)，并實時監(jiān)測吸附動態(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)的觀點來看，乳液是一個不穩(wěn)定的體系，因為液-液系統(tǒng)有分離和降低它的界面能的自然趨勢。

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，個人護理和石油。乳化、絮凝和聚集等幾種機制會導(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，界面流變學(xué)是研究流體界面流動特性。

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：界面流變學(xué)：從基礎(chǔ)到應(yīng)用

工業(yè)級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、個人護理和石油，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氫化合物尾的大小不同，阻礙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基團數(shù)量不同的C10-Guerbet醇工業(yè)級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可以在擴散弛豫過程的模型框架中解釋，而C10EO14偏離擴散弛豫過程，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頻率（0.02 Hz和0.5 Hz）下振蕩擾動得到的儲能模量（E'）和損耗模量（E“）。 實線和虛線是從擴散模型獲得的適合實驗數(shù)據(jù)。 結(jié)果表明，只有C10EO6表面活性劑的實驗數(shù)據(jù)與所提出的模型有良好的一致性。

圖1. C10EO6表面活性劑在兩個頻率（0.02Hz-三角形）和（0.5Hz-菱形）下儲存模量（E'，空心符號）和損失模量（E“，實心符號）與表面活性劑本體濃度的關(guān)系函數(shù)。 實線和虛線是擴散模型實驗數(shù)據(jù)的最佳擬合曲線。

圖2. C10EO14表面活性劑在兩個頻率（0.02Hz-三角形）和（0.5Hz-菱形）下的儲存模量（E'，空心符號）和損耗模量（E“，實心符號）與表面活性劑本體濃度的關(guān)系函數(shù)。 實線和虛線是擴散模型實驗數(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)表明它們在空氣/水界面處形成了粘彈性層，然而由于氧乙烯基團的數(shù)量不同，吸附膜表現(xiàn)出不同行為。對于較小的表面活性劑，吸附和流變數(shù)據(jù)符合擴散模型，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散性較高，因此使用C10EO6比C10EO14泡沫形成能力更強。因此，這些結(jié)果可能會發(fā)現(xiàn)有趣的應(yīng)用，以便通過使用含有氧乙烯基團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，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，因為這增加了泵送和運輸費用并且會腐蝕管道，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估。通過將高壓腔體組合到系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)在高壓和高溫下進行測量。

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-水界面上對瀝青質(zhì)進行可視化的形態(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：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，甲烷或氮氣）常用于提高原油采收率。 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。