姬泽敏 1,2，秦积舜 1,2，陈兴隆 1,2，刘晓蕾 3，韩海水 1,2，廉黎明 1,2
（1. 中国石油勘探开发研究院；2. 提高石油采收率国家重点实验室；3. 中国科学院渗流流体力学研究所） 基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目“孔隙介质中相态实验与理论研究”（2011CB707304）；
国家科技重大专项（2011ZX05016-001）
摘要：以多种烃类-CO 2 体系界面张力室内实验数据和文献中的相关实验数据为基础，研究不同类型烃类-CO 2 体系界 面张力的变化规律，分析不同饱和链烃-CO 2 体系界面张力的差异及由单环烃类、环状链状混合结构烃类、双环烃类 与 CO 2 构成的 3 类二元体系界面张力与饱和链烃-CO 2 体系界面张力的差异。分析结果表明，分子形态结构是影响烃 类-CO 2 体系界面张力的主要因素；在碳数相同条件下，界面张力由大到小依次为：多环结构烃类、环状与链状混合 结构烃类、单环结构烃类、饱和链烃。在对比结果的基础上，分压力段构建了不同类型环状烃类-CO 2 体系与饱和链 烃-CO 2 体系在界面张力上的等效碳数换算关系。图 5 表 2 参 19
关键词：饱和链烃；环状烃类；CO 2；界面张力；等效碳数；换算关系 中图分类号：TE357.45
文献标识码：A
Conversion in equivalent carbon number between interfacial
tensions of chain/cyclic hydrocarbon-CO 2 system
Ji Zemin 1,2, Qin Jishun 1,2, Chen Xinglong 1,2, Liu Xiaolei 3, Han Haishui 1,2, Lian Liming 1,2
(1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development , Beijing 100083, China ; 2. State Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery , Beijing 100083, China ; 3. Institute of Porous Flow & Fluid Mechanics ,
Chinese Academy of Sciences , Langfang 065007, China )
Abstract: A great number of published data and our experimental results of interfacial tensions between hydrocarbon compounds and
CO 2 were collected and screened. Based on these experimental data, the changing laws of interfaci
al tensions between different kinds of hydrocarbon compounds and CO 2 were o btained, interfacial tensions between different kinds of saturated chain hydrocarbons and CO 2 were compared with each other, and interfacial tensions of three different binary system (monocyclic hydrocarbon compounds-CO 2 system, hydrocarbon compounds combined both of monocyclic and chain structure-CO 2 system and dicyclic hydrocarb on compounds-CO 2 system) were compared with those of saturated chain hydrocarbon compounds-CO 2 system. It is found that molecular structure is the main factor to affect the sizes of interfacial tensions between hydrocarbon compounds and CO 2; when carbon numbers of different kinds of hydrocarbon compounds are equal, their proper order from big to small in interfacial tension is: polycyclic hydrocarbon, hydrocarbon combined both monocyclic and chain structure, monocyclic hydrocarbon, saturated chain hydrocarbon. The comparison results at different pressure conditions were respectively used to establish the conversion relations in equivalent carbon number between interfacial tensions of cyclic hydrocarbon-CO 2 systems and those of saturated chain hydrocarbon-CO 2 systems.
Key words: saturated chain hydrocarbon; cyclic hydrocarbon; CO 2; interfacial tension; equivalent carbon number; conversion relation
0 引言
以原油-CO 2 体系为研究对象，只能反映特定油藏原油 样品与 CO 2 的界面张力特性，无法直接应用于其他油 藏，限制了实验研究结果的应用范围。为解决该问题， 其他学者针对不同类型的烃类组分-CO 2 体系的界面张 力进行研究，探索了以烃类组分-CO 2 体系为基础构建 原油-CO 2 体系界面张力预测关系式的方法[15-18]。笔者 在文献[19]中介绍了 13 种不同类型的原油组分-CO 2 体系界面张力的测试结果，是目前文献报道的、对原 油组分覆盖程度较高的实验结果，提高了相关实验数
据的实用价值。
无论是低渗透油田的有效开发，还是高含水老油 田的深度开发，较高毛管力的存在都会使大量的剩余 油被束缚在地层中，无法采出[1-4]。降低体系界面张力 是减小毛管力的有效手段，早在 20 世纪 70 年代， Ros man 等就将原油-CO 2 体系的界面张力研究与 CO 2 驱油实验相结合，获取了驱替采收率与界面张力的联 系[5 ] 。之后许多学者先后采用实验或者预测方法对原 油-CO 2 体系的界面张力进行了研究[6-14]。但以上研究均
224
石油勘探与开发·油气田开发 V ol. 41 No.2
本文从提高界面张力预测方法的准确性和效率出 发，在对比室内实验数据与文献报道实验数据的基础
上，分析了不同类型环状烃类-CO 2 体系界面张力与饱 和链 烃 -CO 2 体 系界面张力 的差异，提 出了可用于 烃 类-CO 2 体系界面张力预测的不同类型环状烃类与饱和 链烃的等效碳数换算关系，为建立烃类混合物-CO 2 体 系界面张力的计算模型提供了新的思想方法。
对称液滴分析方法（ADSA 方法）测试得到的典型原 油组分（饱和链烃、单环烃类、环状与链状混合结构 [19] 烃类、双环烃类）-CO 2 体系界面张力实验数据 。为 了证明这些实验数据的可靠性，收集了一批国外学者 [15-18] 发表的采用相似原理测试得到的相关实验数据
[19] （见表 1）。对比发现，笔者实验 与文献[15-18]在实
验测量体系上覆盖程度不同，但存在交集，相同体系 的实验结果具有可比性。将笔者实验结果[19]与文献[16] 中相同体系的实验结果进行对比，数据吻合程度较高 （见图 1），笔者实验数据[19]与文献[15-18]的数据具有 较高的可靠性，且可以联合使用，以分析原油组分-CO 2 体系界面张力随组分、温度、压力的变化规律。
1 原油组分-CO
噶是噶非
2 体系界面张力的获取
为了研究不同类型原油组分-CO 2 体系间界面张力 的变化规律，本文首先整理和分析了在实验室通过
轴 表 1 原油组分-CO 2 体系界面张力获取条件汇总
实验温度/℃ 组分类型
组分 实验压力/MP a 参考文献 正丁烷 正癸烷 正十四烷
正己烷，正壬烷，正十二烷，正十四烷，正十六烷
正十八烷，正二十烷
46.15、71.15、104.45
71.15、104.45 71.15
30、50、70、90、110 50、70、90、110 2.18～7.97 6.94～16.45 11.03～16.27 1.95～19.87 1.99～25.77 [15] [17] [18] [19] [19] 饱和链烃
苯，环己烷 6.87～10.93 71.15
[16] 单环结构烃类 苯，环己烷 30、50、70、90、110 1.99～11.97 [19] 环状链状 混合结构烃类 丙基环己烷 正己基环己烷 30、50、70、90、110 30、50、70、90、110 2.01～13.89 2.04～17.00 [1
9] [19] 苯基环己烷 联环己烷
30、50、70、90、110 30、50、70、90、110
2.00～20.78 2.02～22.90
[19] [19]
双环结构烃类
构烷烃-CO 2 体系的界面张力具有较好的规律性，因而 可以采用差分的方式获得中间组分与 CO 2 组成的二元 体系的界面张力（见图 2）。由图 2 可见，在特定温度 下，正构烷烃-CO 2 体系界面张力随压力升高而下降； 在相同温压条件下，正构烷烃的碳数越高，体系的界 面张力越高。由于正构烷
烃是原油中含量最高的组分， 大概占原油液相组分质量的 32.2%～59.2%，因而正构 烷烃混合物-CO 2 体系的界面特性对于原油-CO 2 体系界 面特性起主导作用，可以将正构烷烃-CO 2 体系的界面
张力作为其他类型烃类-CO 2 体系界面特性的基准值。
图 1 笔者室内实验结果（70 ℃）与文献[16]中
测试结果（71.15 ℃）对比
2 不同类型烃类-CO 2 体系界面张力对比
不同类型烃类在分子结构上存在差异，导致其与
CO 2 组成的二元体系的界面张力不同；同一类型的烃 类由于分子结构相似，其与 CO 2 组成的二元体系的界 面张力存在较好的规律性。 2.1 饱和链烃-CO 2 体系
饱和链烃是原油中最重要的组分，而正构烷烃在 饱和链烃中最具代表性。实验研究表明[19]，不同的正
图 2 90 ℃时不同饱和链烃-CO 2 体系界面张力变化曲线
2014 年4 月姬泽敏等：链/环状烃类-CO2 体系界面张力等效碳数换算225
2.2 单环烃类-CO2 体系与饱和链烃-CO2 体系
将相同温度下的苯-CO2 体系、环己烷-CO2 体系的
界面张力与碳数相近的饱和链烃-CO2 体系的界面张力
进行对比研究。由图3 可见，90 ℃时，苯-CO2 与环己
烷-CO2 体系的界面张力变化曲线几乎重合；这两种体
系界面张力明显高于具有相同碳数的饱和链烃（正己
烷-CO2 体系）。单环烃类与饱和链烃在分子结构上存在
较大差异，单环烃类-CO2 体系界面张力随压力下降速
度明显高于饱和链烃-CO2体系。2 MPa 时单环烃
类-CO2 体系的界面张力高于正十三烷-CO2 体系；11
MPa 时与正庚烷或正辛烷-CO2 体系相似。
图4 90 ℃时单环链状混合结构烃类-CO2 体系与
饱和链烃-CO2体系界面张力比较
图5 90 ℃时双环烃类-CO2 体系与饱和链烃-CO2 体系
界面张力比较图3 90 ℃时单环烃类-CO2 体系与饱和链烃-CO2 体系
界面张力比较
基环己烷和联环己烷与CO2 组成的二元体系的界面张
力十分相近。与具有相同碳数的饱和链烃相比，双环
烃类-CO2 体系的界面张力明显高于正十二烷-CO2 体
系。苯基环己烷-CO2 体系的界面张力在2 MPa 时明显
高于正二十烷-CO2 体系，22 MPa 时与正十七烷-CO2
体系相似；联环己烷-CO2 体系的界面张力在2 MPa 时
同样明显高于正二十烷-CO2 体系，24 MPa 时与正十八
烷-CO2 体系相似。
2.5 分析与探讨
造成环状烃类-CO2 体系与饱和链烃-CO2 体系界面
张力出现差异的主要原因是分子形态结构的不同。在相
同碳数下，与饱和链烃相比，单环烃类分子的排列更加
紧密，分子间的相互作用更强，在环状烃类-CO2 体系中，
处于界面层的环状烃类分子更难扩散到CO2 中，因而在
低压条件下，环状烃类-CO2 体系的界面张力明显高于饱
和链烃-CO2 体系。随着压力增大，环状烃类与饱和链烃
分子间距离均变小，相互作用强度均变大。但与环状烃
类相比，饱和链烃更容易被压缩（在低压下呈折线型，
在高压下趋于直线型）。随着压力的升高，与环状烃类
相比饱和链烃分子间的相互作用强度上升幅度更大。因2.3 环状与链状混合结构烃类-CO2 体系与饱和链
烃-CO2 体系
科学发展观的基本内涵是什么将相同温度下的丙基环己烷-CO2 体系、正己基环
己烷-CO2 体系与碳数相近的饱和链烃-CO2 体系的界面
张力进行对比研究。由图 4 可见，相同温度下正己基
环己烷-CO2 体系的界面张力明显高于丙基环己烷-CO2
体系。与具有相同碳数的饱和链烃相比，丙基环己
烷-CO2 体系的界面张力明显高于正壬烷-CO2 体系，正
己基环己烷-CO2 体系的界面张力明显高于正十二
烷-CO2 体系。与单环烃类-CO2 体系相似，单环链状混
合结构-CO2 体系的界面张力随压力的下降速度同样明
显高于饱和链烃。丙基环己烷-CO2 体系的界面张力在
2 MPa 时高于正十三烷-CO2 体系，在14 MPa 时介于正
癸烷和正十一烷-CO2 体系之间；正己基环己烷-CO2 体
系的界面张力在2 MPa 时高于正二十烷-CO2 体系，在
17 MPa 时与正十四烷-CO2 体系相似。
2.4 双环烃类-CO2 体系与饱和链烃-CO2 体系
将相同温度下的苯基环己烷-CO 2体系、联环己
烷-CO2 体系与碳数相近的饱和链烃-CO2 体系的界面张
力进行对比研究。由图 5 可见，同样是双环烃类的苯
而，高压下环状烃类-CO2 体系的界面张力虽仍高于饱和链烃-CO2 体系，但高出程度与低压时相比明显变小。
随着环状烃类环数的增多，双环烃类分子间的相互作用强度更强，其与CO2 组成的二元体系的界面张力更高。同时与单环烃类相比，双环烃类的压缩性有了一定程度的增强，但仍低于饱和链烃，因而双环烃类-CO2 体系界面张力随压力的下降速度高于饱和链烃，低于单环烃类。换算时，需要在实验数据的基础上根据压力的不同分段统计碳数换算关系。
3.2 换算方法的建立
以上研究表明，烃类-CO2 体系的界面张力主要受到烃类分子形态结构的影响，在碳数相同条件下，界面张力由大到小依次为：多环结构、环状与链状的混合结构、单环结构、链状结构。在实验数据的
基础上，分压力段将不同类型的环状烃类表示成界面张力相当的饱和链烃，其等效碳数换算关系见表2。
表2 中碳数增加幅度是指在特定压力下具有相同
3 链/环状烃类-CO2 体系界面张力等效
碳数换算方法
3.1 换算原则的选取
由于不同类型环状烃类-CO2 体系的界面张力随压力的下降速度与碳数相近的饱和链烃-CO2 体系存在明显差异，因而在进行环/链状烃类-CO2 体系界面张力的界面张力的环状烃类-CO 体系与饱和链烃-CO 体系中
2 2
环状烃类的碳数与饱和链烃的碳数之差，如压力为10～15 MPa，可能与环己烷-CO2 体系界面张力相等的饱和链烃-CO2 体系中的饱和链烃有正庚烷、正辛烷，即碳数增加幅度为1～2。
表2 环烃-CO2体系与饱和链烃-CO2 体系等效碳数换算表
不同压力范围碳数增加幅度
样品结构碳数
2～5 MPa 5～10 MPa 10～15 MPa 15～20 MPa >20 MPa
环己烷
苯丙基环己烷正己基环己烷苯基环己烷
联环己烷
单环
单环单环与链状
混合单环与链状
混合
双环
双环
6
6
9
12
12
12
5～8
5～8
4～5
>8
>8
>8
3～5
3～5
2～4
5～8
>8
>8
1～2
1～2
1～2
3～5
>8
>8
2～3
5～8
6～8
5
6
本文多环烃类仅测试到双环烃类，环状链状混合结构的烃类仅讨论到正己基环己烷，未对环数更多的环状烃类及支链更长的环状链状混合结构的烃类进行讨论。主要原因在于这些组分在原油中的含量相对较少，且这些样品的获取较为困难。因而对这部分烃类的相关规律主要靠推算获取，在今后的研究中，将对该部分组分进一步研究。参考文献：
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4 结语
[3]
分子形态结构是影响烃类-CO2 体系界面张力的主
要因素；在碳数相同条件下，界面张力由大到小依次
为：多环结构烃类、环状与链状混合结构烃类、单环结构烃类、饱和链烃。在对比室内实验数据与文献报道实验数据的基础上，提出了将环状烃类组分简化处理成等效碳数的饱和链烃组分的方法，给出了环状烃类-CO2 体系与饱和链烃-CO2 体系界面张力的等效碳数换算关系及应用条件，为建立烃类混合物-CO2 体系界面张力计算模型提供了新的方法。[4]
[5]
（下转第238 页）
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[16] [10] [17] [11] [12] 第一作者简介：周波（1987-），男，河南周口人，中国石油大学（北京） 石油工程学院在读博士研究生，主要从事海上钻完井技术研究工作。地址： 北京市昌平区府学路 18 号，中国石油大学（北京）石油工程学院，邮政编 码：102249。E-mail ：******************
[13] 收稿日期：2013-10-27
修回日期：2014-01-14
（编辑 胡苇玮 绘图 刘方方）
（上接第 226 页）
[6]
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[12] [13] 第一作者简介：姬泽敏（1985-），男，山东东营人，中国石油勘探开发 研究院在读博士研究生，现从事 CO 2 驱相态基础理论、注气提高采收率数 值模拟研究。地址：北京市海淀区学院路 20 号，中国石油勘探开发研究院 提高石油采收率重点实验室，： 100083 。 E-mail: ********************** [14] 收稿日期：2013-10-14
修回日期：2014-03-05
（编辑 郭海莉 绘图 刘方方）
