石油工業中的表界面相互作用

隨著新能源材料和技術取得長足進步，可再生能源已占世界能源總消耗的20%，而化石燃料仍占據80%。盡管石油工業在一個多世紀以來取得了重大的發展，但石油生產過程仍然存在具有挑戰性的問題，例如復雜的油水乳液的不穩定，管道和其他設施上的結垢現象以及水處理。這些問題受到相關過程中涉及的油/水/固體/天然氣界面處的分子力的影響。

瀝青與周圍流體介質中的礦物固體或氣泡之間的相互作用力決定了油砂生產中的瀝青釋放和浮選效率。復合油/水乳液的穩定性取決于乳液滴之間的力，特別是界面活性物質（例如瀝青質）之間的力。各種油成分和乳液滴與不同的基材表面（例如管道）相互作用，影響結垢現象、油水分離和廢水處理。量化這些分子間和界面力促進了對這些界面相互作用的機理理解，促進了先進材料和技術的發展，以解決相關的挑戰性問題并改進石油生產過程。

表面力儀(SFA)和原子力顯微鏡(AFM)已被廣泛用于測量復雜流體中各種分子，顆粒，乳液滴和氣泡的相互作用力，從分子水平到納米和微米尺度。相關研究有助于量化原油中不同物質之間的相互作用，例如瀝青質，礦物顆粒，瀝青，氣泡和化學添加劑（絮凝劑和防污劑）。

使用納米力學工具從實驗測量中獲得的力-距離分布通常需要通過膠體相互作用模型進行理論分析。在典型的石油生產過程中，許多相互作用力，如范德華力(VDW)，雙電層排斥(EDL)和疏水相互作用，可以影響所涉及的不同組分的相互作用行為。VDW和EDL相互作用通常由經典的DLVO理論描述。

一、石油開采

根據油藏的地質條件和油特性，石油工業使用各種方法提取或回收石油。 常規原油在大氣條件下呈液態，一般通過鉆井抽取從地下油藏中提取。相比之下，使用傳統的鉆井和泵送技術通常不容易提取重質瀝青。即粗瀝青（非常重的原油）、礦物固體（例如硅砂和粘土礦物）和水的混合物。油砂行業一直使用露天采礦技術開采（包括大規模挖掘、破碎、與溫水混合、水力運輸、浮選和泡沫處理工藝）；或者使用原位提取方法，將高溫蒸汽注入油砂礦床的回收。

基于溫水的露天采礦方法導致棘手的尾礦廢水問題，石油工業也探索了其他提取技術的可行性，例如涉及有機溶劑的非水提取方法。在水基瀝青提取工藝中，瀝青、礦物固體、氣泡和周圍流體介質（即水和有機溶劑）之間的相互作用顯著決定了上述大規模工業界面工藝的效率。因此，量化這些相互作用力并了解潛在的界面相互作用機制對于開發更有效和可控的石油開采過程和技術具有根本和實際意義。

瀝青和礦物固體之間的相互作用會受到周圍溶劑的顯著影響。在瀝青曝氣或所謂的瀝青浮選過程中，釋放的瀝青被曝氣以漂浮到流體的上部區域，這是收集瀝青產品和確定瀝青回收率和產品質量的非常重要的步驟。因此，確定各種溶液條件下氣泡與瀝青之間的相互作用機理并研究環境條件的影響非常重要。一些研究使用SFA和AFM技術表征了涉及瀝青，瀝青質，固體表面和氣泡的相互作用力。發現在很大程度上取決于溶液條件（pH，鹽類型和水介質中的鹽度）。

二、乳液處理

油包水、水包油甚至更復雜的乳液通常存在于各種石油生產過程中。在石油工業中通常不需要穩定的乳液，因為它們會導致技術挑戰，例如難以分離油和水、結垢和腐蝕問題（由于存在氯離子）。了解乳液在石油生產中的相互作用機理對于開發有效的破乳和增強油水分離的方法非常重要。

在石油工程中，直接量化涉及乳液相互作用的不同物體的分子/表面力長期以來一直是實驗上的困難，特別是在分子或納米尺度上。實驗困難主要是由于原油化學成分復雜，以及乳液的油水界面高度變形。在乳液相互作用過程中，通過實驗將力、表面變形和分離距離關聯起來是非常具有挑戰性的。氣泡/液滴探針AFM技術的發展及其與反射干涉對比顯微鏡(RICM)的耦合使得在實驗上可行，可以同時以優于納米牛頓尺度的分辨率探測表面力，并測量薄到納米級厚度的受限薄膜的時空演變（即排水動力學）高度可變形的乳液滴和氣泡的相互作用。

三、防污

原油和生產流體介質中的各種成分在提取、運輸和其他過程中可能與不同的基材表面相互作用，可能會導致結垢現象和環境問題。因此，表征與結垢/防污問題和水處理相關的現象所涉及的相互作用力具有重要意義。油滴與具有各種界面活性物質的不同固體基質之間的相互作用力可以通過液滴探頭AFM技術定量測量。SFA實驗通過削弱潛在污染物與模型基材表面之間的粘附，證明了防污劑具有優異的防污性能。進而揭示了與污垢和防污現象相關的潛在分子間相互作用機制，促進了石油工業和相關工程過程的高效防污劑的開發。

石油工藝用水和尾礦廢水在循環用于石油生產或排放到環境中之前，應進行適當的處理。為此可以使用各種技術，例如膜過濾、絮凝和通過添加化學添加劑（例如絮凝劑或混凝劑）進行混凝，以及溶解氣浮（用于去除油殘留物和一些疏水性固體）。這些水處理工藝的效率高度依賴于分子、顆粒、油滴和氣泡在水介質中的相互作用方式。

四、展望

表征復雜石油組分的分子結構并擴展相關數據庫是石油工程中非常重要的研究方向，未來的研究將更多地集中在實際石油生產過程中具有明確結構物質的界面力與其特性和性質的關聯上。SFA和AFM等許多工具允許在高溫條件下(~60-80°C)進行力測量。然而，在實際生產中常見的高溫(>100°C)、高壓甚至高腐蝕性溶液條件下，測量組分的分子間和表面力在實驗上通常很困難。進一步開發能夠在上述惡劣環境條件下進行力測量的納米力學技術和配件，將能夠探索實際石油生產過程中的分子力和界面相互作用。