楊 博，李 鶴，李 杰

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院， 陜西 西安 710075）

原油/水/壁面界面吸附特性及應(yīng)用研究

楊 博，李 鶴，李 杰

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院， 陜西 西安 710075）

原油/水/壁面三相界面特性存在于接觸式傳感器測量原油含水率當(dāng)中，通過探針與原油的接觸時間與原油掠過探針的速度，及Langmuir等溫吸附模型得出特性吸附曲線，表明溫度是影響含水率傳感器測量精度的主導(dǎo)因素，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，根據(jù)溫度影響趨勢，對傳感器標(biāo)定可減小傳感器的測量誤差。

界面特性；吸附；含水率；傳感器

原油/水/壁面界面特性體系在石油、煉化等行業(yè)隨處可見，三者之間的吸附行為又廣泛存在于石油天然氣的開采、集輸以及檢測等各個領(lǐng)域中[1]。原油/水/壁面吸附行為在檢測領(lǐng)域也很普遍，以接觸式傳感器[2]測量原油含水率（是指油水兩相中水的體積分?jǐn)?shù)）為例，接觸式傳感器在測量原油的含水率時，探頭部分與流體長時間接觸，原油會在探頭表面形成吸附層，當(dāng)井口中原油含水率發(fā)生改變時，探頭感應(yīng)部件就不能準(zhǔn)確感應(yīng)出含水的變化，嚴(yán)重時可導(dǎo)致測量裝置失效[3]。探究各類因素對三者之間吸附行為的影響規(guī)律，并將研究結(jié)果應(yīng)用于含水率的在線檢測裝置中，提高其測量的可靠性和準(zhǔn)確性。

1 吸附機(jī)理

當(dāng)表面有聚四氟乙烯涂層的探針與原油接觸時，會形成界面層[4]。界面層上的分子分別為聚四氟乙烯分子與原油分子，二者性質(zhì)差異較大，受力不均勻，因此存在界面能[5]。界面自由能越低，體系就越穩(wěn)定，因此物質(zhì)總有使其界面能趨于最小的趨勢[6]。這種趨勢表現(xiàn)為界面面積減小，或者吸附與其相鄰的物質(zhì)分子來實(shí)現(xiàn)[7]。探針表面的涂層主要成分是聚四氟乙烯，固體分子不能在表面自由移動，界面面積不易減小。因此只能靠吸附與之接觸的原油分子來降低表面能[8]。

2 實(shí)驗(yàn)方法

將帶有涂層的探針直立于裝有水的燒杯中，電容測量儀的一端豎直插入水中，另一端與探針頂端不帶涂層的不銹鋼絲相連接，根據(jù)電容形成的原理，電容測量儀的讀數(shù)即是浸沒在水中的帶有涂層的探針部分所形成的電容值。靈敏度系數(shù)k即是該實(shí)驗(yàn)中每毫米浸入水中的探針涂層所形成的輸出電容值。

把不同油水體積比的介質(zhì)進(jìn)行混合，以模擬在實(shí)際輸油管道中，油水混合物在一定的速度下掠過探針表面這一過程。實(shí)驗(yàn)測量方法是將不同體積比的油水混合物在磁力攪拌器的作用下混合均勻，然后將該油水混合物加熱到指定溫度（加熱的目的是等效加熱絲對探針表面加熱這一過程，由于在實(shí)際測量過程中，加熱絲對探針表面吸附的原油仍然有加熱作用，因此需考慮不同的原油溫度），然后在一定轉(zhuǎn)速下使探針浸入到油水混合物中，最后觀測油膜在探針表面的分布形態(tài)及水膜高度與輸出電容的關(guān)系。

3 接觸時間及攪拌速度的影響

3.1 接觸時間的影響

探針與油水混合物的接觸時間與探針表面對原油吸附量的關(guān)系如圖1所示。

圖1 接觸時間與原油吸附量的關(guān)系Fig.1 Relationship between contact time and the adsorption quantity

在同一含水率下，吸附量會隨著溫度的增加而降低，從圖中可以看出，在含水率分別為90%，80%，70%時，44 ℃下的吸附量都要明顯小于 42℃下的吸附量。這是因?yàn)椋瑢τ谝合鄟碚f溫度升高時，原油分子運(yùn)動較為劇烈，增加了分子之間的距離，減小了分子間的作用力，原油的粘度會降低，從而導(dǎo)致原油分子在探針表面的吸附量會減小。對于在同一溫度下，不同的含水率下的吸附量，也有一定的規(guī)律，從圖中還可以看出，在同一溫度下，含水率高的探針吸附量要略小于含水率低的探針吸附量。在溫度為44 ℃時，含水率為90%時，探針表面對油水混合物的吸附量在0.006 g附近波動，而含水率為70%時，吸附量在0.01 g附近波動。這是由于在同樣的溫度下，含水率較高時，油水混合物中原油的濃度的較低，使得該油水混合物整體的粘度較低，會導(dǎo)致油水混合物在探針表面的吸附量略微減小。

3.2 攪拌速度的影響

磁力攪拌器對油水混合物的攪拌速度與原油吸附量的關(guān)系如圖2所示。

從圖2中還可以看出，當(dāng)溫度發(fā)生改變時，無論含水率是90%，80%還是70%的油水混合物，探針表面的吸附量都會發(fā)生明顯的變化，并且溫度越高，吸附量反而越小，無論從數(shù)據(jù)上對比，還是從變化趨勢上對比，與圖1的變化規(guī)律都趨于一致。值得注意的是，溫度對吸附量的影響要明顯大于濃度變化引起的吸附量的變化。在同一溫度下，濃度的增加會導(dǎo)致吸附量的增加；而在同一濃度下，溫度的升高會使吸附量減小。對于90%含水率的油水混合物，當(dāng)溫度從42 ℃增加至44 ℃時，吸附量會從0.016 g降至0.005 g，溫度變化為2 ℃，吸附量變化幅度為0.011 g；當(dāng)溫度為44 ℃時，原油含水率從90%降至70%時，才會引起吸附量0.003 g的變化。這說明溫度對吸附量的變化要遠(yuǎn)大于濃度及攪拌速度引起的變化，溫度是原油粘度變化最主要的因素。

圖2 攪拌速度與原油吸附量的關(guān)系Fig.2 Relationship between stirring speed and the adsorption quantity

4 等溫吸附曲線

采用Langmuir等溫吸附模型[9]，以Ce為橫軸，Ce/qe為縱軸得到一條等溫吸附線如圖3所示。

圖3 不同溫度下的Langmuir等溫吸附線Fig.3 Langmuir sorption isotherm of different temperatures

從圖3中可以看出，在不同的溫度下，直線之間的分界比較明顯，直線的位置有著一定的規(guī)律性。當(dāng)溫度為40 ℃時，由于吸附量較大，對于同樣的濃度，Ce/qe的值與吸附量成反比關(guān)系，因此直線位于最低端；當(dāng)溫度為44 ℃時，原油的粘度會減小，因此探針表面的原油吸附量會減小，對于同樣的濃度，Ce/qe的值與吸附量成反比關(guān)系，因此直線位于最上端。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對傳感器進(jìn)行校核標(biāo)定，并將結(jié)果應(yīng)用于陜北油田某區(qū)塊3口井，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差Table 1 The error of field experiment data

結(jié)果表明，進(jìn)行標(biāo)定后的傳感器誤差能控制在±8%范圍內(nèi)，滿足工業(yè)測量誤差要求。

6 結(jié) 論

（1）在同一含水率下及同一溫度下，攪拌速度及接觸時間對探針表面的原油吸附量沒有影響，不同溫度下，探針表面的吸附量不同，且含水率與溫度一一對應(yīng)。

（2）根據(jù)Langmuir等溫吸附曲線，在同一含水率下，探針表面原油的吸附量與溫度存在對應(yīng)關(guān)系，標(biāo)定每一溫度及含水率下的原油吸附量，可確定相應(yīng)的電容輸出值，提高傳感器測量精度。

（3）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，校正后含水率傳感器測量的準(zhǔn)確性提高至±8%范圍內(nèi)。

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Crude Oil/Water/Wall Interface Adsorption Characteristics and Application Research

YANG Bo，LI He，LI Jie
（Shaanxi Yanchang Petroleum(Group)Co.,Ltd. Research Institute, Shaanxi Xi’an 710075，China）

Crude oil/water/wall three-phase interface features exist in the contact type sensor for measuring moisture content. The adsorption curve can be obtained based on the contact time of crude oil and the probe, the speed of crude oil over the probe, and Langmuir adsorption isothermal adsorption model. It shows that the temperature is the dominant factor influencing the moisture content sensor measurement accuracy. Field application results show that, sensor calibration according to the temperature influence trend can reduce the measurement error of sensors.

Interface features; Adsorption; Moisture content; Sensor

TE 39

A

1671-0460（2014）12-2520-03

2014-11-07

楊博（1990-），男，陜西西安人，助理工程師，碩士學(xué)位，2013年畢業(yè)于西安交通大學(xué)熱能與動力工程專業(yè)，研究方向：地面集輸工程多相流。E-mail：351050653@qq.com。