2實(shí)驗結果與討論

實(shí)驗選用3滴圖像作為計算依據，是因為液滴在滴落過(guò)程中需要時(shí)間，界面張力會(huì )隨液滴體積變化略有變化。

圖2為40℃、6.5 MPa時(shí)，液滴形成至落下的2 s內液滴體積和測得的界面張力隨時(shí)間的變化。由圖2可看出，在落下過(guò)程中體積逐漸變大，界面張力誤差在0.3 mN/m之內，雖然浮動(dòng)不是很大，但任取一點(diǎn)不能較好地體現整體。因此，選擇在懸滴完全形成開(kāi)始計算，到完全落下以幀為間隔，因為液滴完全形成時(shí)可以較清晰地得到液滴的最大曲率半徑，批量計算這段時(shí)間內的界面張力值，最后得到其平均值。為避免液滴的隨機性，在每種環(huán)境下選取3個(gè)連續滴落的液滴的平均界面張力值作為最終結果。減少了實(shí)驗的偶然性，使得到的結果更加可信。

實(shí)驗后得到的直接數據是一系列的懸滴錄像，圖片示例如圖3所示。根據錄像計算不同溫壓下混合烷烴和CO2的界面張力。

2.1預測最小混相壓力

Kazemzadeh Y等的研究表明，平衡的CO2氣-油系統的界面張力通常隨著(zhù)壓力線(xiàn)性降低，直到界面張力-壓力趨勢發(fā)生變化時(shí)，這時(shí)的壓力稱(chēng)為臨界壓力，但界面張力為零的瞬間很難捕捉到。本實(shí)驗中，在溫度為40℃、壓力為8.5 MPa時(shí)，可以觀(guān)察到滴液針管中的混合烷烴不再形成橢圓形液滴，直接和CO2發(fā)生混溶而無(wú)斷續地流入釜中，所以無(wú)法通過(guò)實(shí)驗測量準確地得到CO2和混合烷烴界面張力為0時(shí)的對應壓力，即最小混相壓力。因此，采用外推法預測最小混相壓力。以橫軸為壓力值，縱軸為混合烷烴在被鹽水飽和的CO2環(huán)境下界面張力值的坐標系中分別繪制40℃和60℃壓力和界面張力的散點(diǎn)圖，如圖4。從圖4可看出，隨著(zhù)壓力的升高，界面張力呈線(xiàn)性降低的趨勢。

Dandina N.Rao通過(guò)繪制界面張力相對于自變量(壓力或富集)的曲線(xiàn)圖，然后通過(guò)外推至零界面張力獲得最小混相壓力。其通過(guò)VIT技術(shù)外推法測MMP獲得4個(gè)實(shí)驗結果有3個(gè)與細管實(shí)驗法相吻合，另外一個(gè)不匹配的實(shí)驗結果被發(fā)現是瀝青質(zhì)沉淀所致。由此可見(jiàn)，通過(guò)線(xiàn)性外推得到的MMP具有一定的可靠性，外推后的曲線(xiàn)如圖4所示。

從圖4可以看到，壓力與界面張力值在整個(gè)測試壓力范圍內都呈現較好的線(xiàn)性擬合關(guān)系，并沒(méi)有出現分段現象，即在高壓范圍內，與低壓區間相比，IFT降低的斜率更平緩。根據相關(guān)文獻分析，在高壓范圍內，盡管CO2溶解降低了界面張力值，但瀝青質(zhì)在油相和CO2的界面上會(huì )積聚，這導致界面張力增加。當粒子的表面覆蓋度超過(guò)閾值(例如超過(guò)60%表面覆蓋度)時(shí)，IFT數據的趨勢被嚴重放大。本實(shí)驗所模擬的阿瓦茲-班吉斯坦(Ahwaz-Bangestan)原油中含有質(zhì)量分數為5.5%的瀝青質(zhì)，但在本實(shí)驗所用的測試液體中未予考慮。由此可見(jiàn)，界面張力在6 MPa之后發(fā)生分段現象很有可能是瀝青質(zhì)沉淀的結果。因此，外推法用于本實(shí)驗是適用的。

將擬合直線(xiàn)向橫軸方向繼續延伸，與壓力軸會(huì )有一個(gè)交點(diǎn)，該交點(diǎn)的物理意義即界面張力為零時(shí)的壓力大小。根據CO2的驅油機理和最小混相壓力所表現的特征，該點(diǎn)的橫坐標值即為實(shí)驗對象在特定溫度下的MMP。表2列出了40℃和60℃下所測氣液之間的壓力與界面張力的關(guān)系式和相關(guān)系數，以及對最小混相壓力的預測。

表2不同溫度下預測的混合烷烴-CO2壓力與界面張力關(guān)系式、R2和MMP溫度/℃關(guān)系式R2MMP/MP

由表2可知，兩個(gè)溫度下得到的壓力-界面張力關(guān)系式的相關(guān)系數均在0.996以上，可認為二者線(xiàn)性相關(guān)。國內外迄今為止沒(méi)有相關(guān)的判斷標準，根據Zhang Kaiqiang,Gu Yongan的研究，當線(xiàn)性相關(guān)系數(LCC)值R2≥0.990時(shí)，可認為實(shí)驗所得到的最小混相壓力具有可靠性。本實(shí)驗壓力-界面張力相關(guān)系數遠高于文獻中的標準，可認為結果可靠。

2.2影響結果的因素分析

(1)烷烴組分。對比文獻的結果發(fā)現，40℃和60℃下所得到的MMP值均小于文獻值，其結果對比見(jiàn)表3。

假設RB乳化液-原油不考慮斜率變化部分，始終以低壓階段(小于6 MPa)的斜率表示界面張力的變化。將表中同一溫度下不同系統的關(guān)系式展現在曲線(xiàn)圖上(見(jiàn)圖5和圖6)。從圖5和圖6可知，不論在哪個(gè)溫度下，混合烷烴和RB乳化液的壓力-界面張力曲線(xiàn)都接近平行，即兩種油的界面張力隨著(zhù)壓力的升高幾乎以同樣的速度降低。計算得知，40℃和60℃下實(shí)驗混合烷烴和RB原油的壓力-界面張力關(guān)系式中的斜率誤差為6.0%和8.6%?？v觀(guān)兩種油的組成發(fā)現，本實(shí)驗所使用的混合烷烴中正十二烷的摩爾分數達71.07%，而RB原油中的C12+的摩爾分數達到57.66%。也就是說(shuō)，混合烷烴和原油的組分中占主導作用的是高碳數的正構烷烴。據姬澤敏等的大量實(shí)驗研究，界面張力在不同的正構烷烴-CO2體系中具有極好的規律性，在相同的溫度壓力條件下，正構烷烴的碳數和界面張力成正比關(guān)系。從文獻中RB原油組成分析得知，C12+的分子量高達366 g/mol，而本實(shí)驗中的混合烷烴的分子量?jì)H為156.74 g/mol。由此得知，實(shí)驗誤差的主要來(lái)源是高碳正構烷烴的組成不同。

據以往的實(shí)驗數據，正十二烷的壓力-界面張力關(guān)系在圖5中表示了出來(lái)，它的壓力-界面張力關(guān)系見(jiàn)表3。由圖5可看出，同一壓力下的混合烷烴的界面張力值小于單一正十二烷，可以得出相同溫度壓力下，含有低碳烷烴的界面張力更低。這可以用碳鏈越長(cháng)，界面張力越大的理論來(lái)解釋。從圖5還可以看出，含有低碳烷烴的混合烷烴界面張力隨壓力下降的速度高于單一的正十二烷，說(shuō)明壓力對低碳烷烴的界面張力影響更大一些。對比3種不同液體組成，可以定性地認為從RB原油、正十二烷到混合烷烴，低碳烷烴的組成增多；并且，從表3中可以看出，3種液體的壓力-界面張力關(guān)系的斜率依次增加。因此可以猜測，對于正構烷烴，低碳烷烴成分越多，界面張力值隨壓力下降得越快，預測得到的最小混相壓力越小。

表3測量結果的對比

(2)溫度。從圖4可以看出，在壓力為3.5 MPa之前，相同壓力下，40℃下的界面張力值大于60℃下的界面張力值；當壓力為3.5 MPa時(shí)，二者的大小發(fā)生逆轉。

一方面，高溫可以對液體分子之間的相互作用力產(chǎn)生削弱作用，加劇分子間的不規則運動(dòng)。此時(shí)，CO2氣體分子更容易與液相發(fā)生混溶，而定量表現出來(lái)的就是界面張力的降低。另一方面，根據混合烷烴和CO2的密度和二者的密度差數據，繪制出不同溫度下CO2氣體密度和氣液密度差隨壓力升高的變化曲線(xiàn)，如圖7～圖9所示。從密度差-壓力曲線(xiàn)(見(jiàn)圖9)來(lái)看，隨著(zhù)溫度升高，在可比較的實(shí)驗壓力范圍內，中低壓(3～6 MPa)下不同溫度的氣液密度差非常接近，可以忽略不計。但高于6 MPa后，高溫下氣液密度差逐漸加大。較高的密度差導致了氣液難以形成混相，同一壓力下界面張力更大。

從混合烷烴密度-壓力曲線(xiàn)(見(jiàn)圖8)來(lái)看，整個(gè)測試壓力區間內溫度對混合烷烴的密度影響不大，因此液體密度也不會(huì )造成界面張力的較大變化。從CO2密度-壓力曲線(xiàn)(見(jiàn)圖7)來(lái)看，溫度在中高壓下對CO2密度的影響較大。尤其是在3.5 MPa之后，60℃下的氣體密度隨著(zhù)壓力升高速率明顯高于40℃時(shí)的速率。在同一壓力下，氣體密度隨著(zhù)溫度升高顯著(zhù)降低。密度較低的CO2氣體分子分布越稀疏，與烷烴液面直接接觸的氣體分子越少，故降低了二者發(fā)生萃取和混溶的概率，間接地導致液體的界面張力值增加。

3結論

根據線(xiàn)性外推法得到了兩個(gè)溫度下混合烷烴的最小混相壓力，與文獻中的正十二烷和阿瓦茲-班吉斯坦原油的數據結果進(jìn)行了比較。得出以下結論：

(1)正構烷烴的界面張力隨分子量的增加而增大。實(shí)驗對比了阿瓦茲-班吉斯坦原油和本實(shí)驗所用的混合烷烴在溫度壓力條件和測試方法相近的條件下所得出的結果，前者主要成分是分子量為366 g/mol的C12+，后者主要成分是C12，平均分子量為156.74 g/mol。二者的壓力-界面張力曲線(xiàn)斜率誤差在10%之內，推斷出不同的截距是由分子量的不同所造成。

(2)實(shí)驗分析了加有正庚烷等低碳正構烷烴的混合烷烴和單一正十二烷在相同溫度壓力下的界面張力趨勢。在低壓范圍內，二者界面張力值相差不大；中高壓下，混合烷烴的界面張力越低，所呈現出的曲線(xiàn)斜率絕對值越大。

(3)溫度對界面張力隨壓力的影響存在一個(gè)關(guān)鍵壓力點(diǎn)。在實(shí)驗壓力為3.5 MPa之前，40℃的界面張力值要高一些；在3.5 MPa之后，60℃的界面張力值更高。通過(guò)分析得出，在關(guān)鍵壓力點(diǎn)之前，溫度的熱效應占主導作用；關(guān)鍵壓力點(diǎn)之后，溫度通過(guò)影響氣體密度和氣液密度差間接地影響界面張力值，取代溫度的熱效應而成為主導因素。