目前，隨著科技的不斷發(fā)展與進(jìn)步，全球變暖現(xiàn)象愈加劇烈。碳捕集、CO2利用與封存(CCUS)是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)之一，可減少70%～82%的碳排放量。其中，CO2驅(qū)油技術(shù)(CO2enhanced oil recovery，CO2-EOR)是重要手段之一，可在提高原油采收率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的封存，常用于三次采油。CO2驅(qū)油技術(shù)分為混相驅(qū)和非混相驅(qū)，區(qū)分兩者的關(guān)鍵是最小混相壓力(minimum miscibility pressure，MMP)。當(dāng)壓力高于MMP時(shí)，CO2與原油間的界面消失，界面張力(interfacial tension，IFT)為零。通過(guò)對(duì)界面張力外推，則可得到CO2-原油體系的MMP。因此，對(duì)CO2-不同原油組分界面張力的測(cè)定具有重要意義。

原油中主要成分為飽和鏈烴，同時(shí)含有少量的環(huán)烷烴與芳香烴。Li等測(cè)定了CO2-正構(gòu)烷烴(n-C10～n-C20)的界面張力，并將比容平移后的P-T狀態(tài)方程與密度梯度理論結(jié)合起來(lái)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算，所有體系的平均絕對(duì)偏差為6.1%。Mutailipu測(cè)量了CO2-正構(gòu)烷烴(n-C11/C13/C14/C20)的界面張力，通過(guò)外推獲得MMP，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果較好。商巧燕測(cè)定了CO2-正構(gòu)烷烴(n-C9/C11/C13/C15/C17)的界面張力，并擬合了計(jì)算CO2-正構(gòu)烷烴界面張力的經(jīng)驗(yàn)公式，形式簡(jiǎn)單，計(jì)算的平均相對(duì)偏差為5.45%。綜上所述，CO2-正構(gòu)烷烴體系界面張力數(shù)據(jù)已較為全面，但CO2-環(huán)烷烴/芳香烴體系的界面張力數(shù)據(jù)比較缺乏，以往的學(xué)者將環(huán)烷烴組分等效為碳數(shù)相近的飽和鏈烴組分，造成了界面張力的預(yù)測(cè)誤差。因此對(duì)CO2-環(huán)烷烴/芳香烴組分界面張力的測(cè)定與預(yù)測(cè)十分必要。

本團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)高溫高壓界面張力測(cè)定裝置，并對(duì)CO2-正構(gòu)烷烴界面張力進(jìn)行了測(cè)定。本文對(duì)此實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了重新校驗(yàn)，采用懸滴法對(duì)CO2-環(huán)烷烴/芳香烴等體系的界面張力進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量范圍為40～120℃，0.27～14.70 MPa。探討了壓力、溫度、碳原子數(shù)及分子結(jié)構(gòu)對(duì)界面張力的影響。提出了關(guān)聯(lián)方程，將界面張力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)為溫度、壓力、碳原子數(shù)和偏心因子的函數(shù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，得出了方程參數(shù)。

本文提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及估算方法為CO2驅(qū)油技術(shù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可為工程上預(yù)測(cè)不同溫度、壓力下CO2-不同結(jié)構(gòu)原油組分的界面張力提供指導(dǎo)。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)試劑

CO2(純度99.999%)，天津市東祥特種氣體有限責(zé)任公司；環(huán)戊烷(純度96.0%)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；環(huán)己烷(純度99.7%)，天津市元立化工有限公司；環(huán)辛烷(純度99.0%)，凱瑪特(天津)化工科技有限公司；甲苯(純度99.5%)，天津市元立化工有限公司；乙苯(純度98.5%)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙基環(huán)己烷(純度99.0%)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；正十一烷(純度99.0%)，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

懸滴法是測(cè)量高溫高壓界面張力的常用方法。根據(jù)其原理本團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置可耐壓40 MPa。該裝置主要分為四個(gè)部分：氣體注入部分，液體注入部分，高溫高壓可視釜以及圖像的采集處理。詳細(xì)裝置內(nèi)容可參見(jiàn)文獻(xiàn)。

1.3實(shí)驗(yàn)流程

首先通入CO2排除釜內(nèi)空氣，壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)，設(shè)置溫度并加熱。待溫度、壓力穩(wěn)定后，向釜內(nèi)打入油品，在針頭處形成油滴。保持油滴懸停10 min，以達(dá)到平衡狀態(tài)，開(kāi)始采集圖像(圖1)。得到的圖像采用軸對(duì)稱(chēng)分析法(ADSA)進(jìn)行分析，其公式為

式中，γ為界面張力，mN/m；,Δρ為兩相密度差，kg/m3；g為重力加速度,g=9.80 m/s2；de為懸滴最大直徑，m。油滴尺寸如圖1標(biāo)注，ds為距油滴頂點(diǎn)垂直距離為de處油滴截面直徑，m。1H可由Andreas等建立的函數(shù)表得到。

圖1 ADSA分析法選面示意圖

目前，Δρ的獲得分為兩種方法，一種是測(cè)量出平衡時(shí)的汽液兩相密度，代入式(1)、式(2)中計(jì)算；另一種是由平衡時(shí)兩相的純相密度代替。本文采用第二種方法，CO2的密度由NIST查得，平衡時(shí)的烷烴密度則采用Mutailipu等提供的方法查得。

1.4裝置校驗(yàn)

為了測(cè)試并驗(yàn)證裝置和測(cè)量方法的可靠性，本研究選用CO2-正十一烷作為測(cè)試體系，用該裝置測(cè)定了其80℃下的界面張力，并與文獻(xiàn)值進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖2所示。從結(jié)果可以看出，本研究測(cè)定的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)具有很好的一致性。結(jié)果表明，該裝置可行。

壓力、溫度、碳原子數(shù)及分子結(jié)構(gòu)對(duì)CO2-正構(gòu)烷烴界面張力的影響——實(shí)驗(yàn)部分

壓力、溫度、碳原子數(shù)及分子結(jié)構(gòu)對(duì)CO2-正構(gòu)烷烴界面張力的影響——實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論