原油膠體分散體系理論

原油膠體分散體系理論該理論以膠體理論為基礎：膠體之間既存在著斥力勢能也存在著引力勢能［69］。前者是由于帶電膠粒相互靠攏時形成雙電層交疊產(chǎn)生的靜電排斥力，后者是由于長程范德華引力形成的。膠粒之間的總勢能u可用其斥力勢能UR和引力勢能UA來表示。斥力勢能和引力勢能的相對大小決定了膠體的穩(wěn)定性?？倓菽躑、斥力勢能UR和引力勢能UA隨粒子間距的變化如圖4-2所示。在總勢能曲線上有一個勢能峰值和兩個勢能最小值。兩個勢能最小值中，距離原點較近且深的稱為第一最小值；距離原點較遠而且淺的稱為第二最小值。峰值的大小構成了阻礙膠粒聚結的勢壘（Umax）,如果膠粒要發(fā)生聚結，則必須要越過這一勢壘才能實現(xiàn)。通常情況下膠粒在第一最小值處聚結，形成結構、性質較為穩(wěn)定的物質，但對于較大的粒子，特別是形狀不對稱的粒子如片狀粒子或者棒狀粒子，則很容易在第二最小值處聚結，形成結構松散的物質。當原油的溫度低于蠟的結晶溫度時，液態(tài)的蠟質從原油中析出，由于原油中所含有的膠質和瀝青質等物質的存在，使得析出的蠟質膠體具有膠粒的性質。這種蠟質晶體膠粒本身的性質，使得位能上有較深的第二最小值的存在。在外磁場作用下，膠粒間的范德華引力勢能的增加導致蠟質的聚結在第一和第二最小值處同時發(fā)生。蠟質在第一最小值處聚結生成結構致密的晶體，但是在聚結速率較大的條件下，生成的蠟晶結構與蠟晶膠粒在第二最小值處生成的蠟晶聚集體有相似之處，蠟晶間距較大，吸引力不強，結構松散。另外，原油粘度的大小與原油中所含輕餾分的濃度有關。磁處理前原油中蠟晶膠粒體積小，相對來說表面積較大，有較多的輕餾分油吸附在蠟晶表面，因而游離的輕餾分油的濃度較低，原油的粘度大。而磁處理原油中蠟晶膠粒聚結成為較大蠟晶或蠟晶聚集體，將吸附的輕餾分油完全或部分釋放出來，從而增加了輕餾分油的濃度，降低了原油的粘度［70,71］石油膠體分散體系理論”為“DLVO理論”在磁處理機理探討中的應用提供了必要的理論前提［72］。原油的膠凝過程也就是石蠟等物質的結晶析出并結成網(wǎng)絡的過程。對于非極性分子而言，色散力是物質分子間相互吸引的主要原因。長程范德華力是分子間色散力的宏觀表現(xiàn)。根據(jù)DLVO理論，影響蠟晶顆粒能否發(fā)生凝聚的一個重要因素就是蠟晶顆粒的長程范德華引力的作用。在原油管道輸運中，采用磁處理來防蠟、降粘增輸，正是利用了磁場對于分子間色散力的影響。磁處理的原油是具有相變趨勢的原油，此時原油中已經(jīng)析出大量蠟晶顆粒，它們的表面吸附著輕餾分油懸浮于原油中。從梁長青等的試驗結論可知，磁場均勻性對磁處理效果的影響是至關重要的，用永磁體的磁場處理原油，沿軸向分布的均勻磁場可以獲得最好的效果[73]磁場影響分子體系瞬時偶極矩在垂直于磁場方向上的漲落，使分子在垂直于磁場方向上產(chǎn)生＜7振動。根據(jù)景輝對低維色散能的研究結果，在低維情況下，色散作用能不僅與電偶極矩漲落的大小有關，還與漲落的相對取向有關。對于二維色散作用能，瞬時電偶極矩在同一平面內（縱向）的兩個分子較不在同一平面內的其它情況色散作用能大?？v向、橫向、以及混合型二維色散三作用能之比為1:0.4:0.7[74]。磁場方向與原油流向正交并且沿軸向均勻分布，保證了蠟晶分子瞬時電偶極矩的漲落在同一平面內，最強的色散作用發(fā)生在原油流動的方向上。均勻的磁場對蠟晶分子的影響相同，保證了在外加磁場作用下，蠟晶分子瞬時偶極矩能夠精確的同位相，從而分子間產(chǎn)生較強的色散作用。分子間的色散作用在均勻磁場作用下增強，蠟晶顆粒間的范德華力引力勢能也相應的隨之增強。于是蠟晶顆粒在無磁場時尚不能聚結的條件下聚結，并釋放出吸附的液態(tài)輕餾分油，這種聚結發(fā)生在原油內部并且形成的蠟晶懸浮于原油中，因而防止了其網(wǎng)絡化以及在輸油管壁上的聚結。由于色散作用的累加效應，磁場對高分子量石蠟分子的影響顯著于液態(tài)輕餾分油的影響，在流經(jīng)磁場作用的區(qū)域后，由于磁處理效應的暫態(tài)性，輕餾分又很快恢復到原來的狀態(tài)，而磁場對石蠟顆粒的影響卻在輸油管道持續(xù)降溫的背景條件下保