管道内壁转化膜表面水膜对水油固三相界面蜡结晶析出的作用机制

According to the pipeline blockage due to wax in crude oil, the research has been focused on functional coating owing hydrophilic and oleophobic properties and the mechanism of anti-wax. During the previous work, conversion coating possessing a bit anti-wax property was prepared by electrochemical method, and the stable water film on the coating was considered to play an important role on improving anti-wax of conversion coating..In this application, the rapid formation mechanism of water film and its governing factor will be thoroughly studied. Besides, the wax crystallization and precipitation on oil, water and solid interface will be deeply researched, the internal relation of water film and wax crystallization and precipitation will be hopeful to be obtained..During the studies, hydrophilic and oleophobic conversion coating should be prepared on pipeline inwall firstly. Secondly, the research work would include, the transformation law of adhesive power and stability of water film on conversion coating surface, and contact angle and roll position of water on conversion coating surface, and the effect of composition and structure of conversion coating and component of crude oil on water film forming and stability, and nucleation rate, nucleation number and deposition rate of wax on water, oil and solid interface, and the effect of water film on wax crystallization and precipitation. Finally, the water film on oil, water and solid interface could be controllably prepared, and wax precipitation could be steerable. The research would be theoretical support for solving the anti-wax problem in pipelines.

针对原油中蜡会堵塞集输油管道等问题，研究具有亲水疏油特性的功能膜层并探究其防结蜡机制成了该领域的研究热点。在前期研究中，采用电化学方法在碳钢表面制备了防结蜡性能较好的转化膜层，其表面形成的稳定水膜对于提高转化膜层的防结蜡性能具有重要作用。.本申请的关键问题在于了解水膜在管道内壁表面的快速形成机制及其受控因素；分析蜡在水油固三相界面处的结晶析出行为，探讨水膜与蜡结晶析出行为的内在联系。.在研究过程中，需要在管道内壁表面构建亲水疏油型转化膜层，研究水膜在转化膜表面的粘附力、稳定性及其变化特点，探讨水相在转化膜表面的接触角、滚动角等因素，了解转化膜的成分、结构、原油的组成对水膜形成及其稳定性的作用机制；探讨蜡在水油固三相界面处的形核速率、形核数量、沉积量等特征，分析水膜对于蜡结晶析出行为的作用原理，最终实现水膜的可控构建、三相界面处蜡的可控沉积，为解决集输油管道的防结蜡问题提供理论支持。

针对国内外一些油气田的原油含蜡量高，易在集输油管道系统中结蜡的实际问题，本项目在碳钢镀锌表面成功的设计并构建出了润湿可控的不同种类转化膜层，其中仿生复合膜层和植酸转化膜层具有优异的防结蜡性能，单位面积结蜡量分别为0.125g/dm2和0.087g/dm2，且膜层具有良好的耐腐蚀和高温稳定性，有望应用于提高集输油管道的防结蜡性能。. 在电化学转化过程中，在不同转化时间下得到的具有不同结构和粗糙度的表面可以实现水滴在表面上从高粘附力的Wenzel状态到低粘附力的Cassie状态的过渡，进而实现（超）疏水表面粘附力的可调控。通过热处理破坏低表面能物质和再修饰则可以实现超亲水-超疏水的快速可逆转变。. 利用设计的模拟装置，研究了原油含水量、流速、使用时间等对所制备膜层表面蜡结晶析出的作用特点，结果表明，原油含水量的增加、原油流速的加快、使用时间的延长，均可有效抑制蜡晶的析出。. 所制备的超亲水植酸转化膜的主要成分为植酸与Zn的螯合产物。由于特殊的亲水物质组成及多孔的结构，植酸转化膜表面在空气中超亲水（水接触角为0o），且液滴可迅速在膜层表面铺展形成一层水膜。该膜层在水下超疏油（油滴接触角为163o），且油滴在膜层表面可快速滚动（滚动角约为2o）。. 分析所制备的转化膜层的润湿特性发现，液滴在膜层上的快速润湿（超亲水）与油滴的快速滚动（超疏油）是转化膜层具有优异防结蜡性能的关键；基于蜡晶形核理论 与膜层界面润湿行为规律，探讨了不同润湿特性膜层的结蜡行为，分析提出了“水膜法”防结蜡机理模型，认为水滴的快速润湿特性使得油水体系中的水相可优先在膜层表面快速铺展并形成稳定的水膜，这层水膜可阻止溶解在油相中的蜡晶与膜层表面的接触，溶有蜡晶的油滴可在油压的作用下快速滚走，防止了蜡晶的聚集沉积，实现了防结蜡的效果。. 所提出的“水膜法”防结蜡机理模型，可为更深入研究或者解决油气田系统集输油管道的防结蜡问题提供理论支持。