基于半導體應變計測量原油的表面張力系數(shù)

寶日瑪 吳航 趙昆

[摘要]利用高精度半導體應變計測量了兩種不同性質原油的表面張力系數(shù)，分析了液膜拉脫過程的受力情況，比較了樣品的拉脫液膜狀態(tài)。所用實驗儀器簡單，易操作，測量誤差小，實驗結果符合其他儀器所測量的結果。本實驗可以直接觀察原油的流動性，引導學生思考表面張力與采油的關系，有助于提高學生的分析能力和創(chuàng)新能力。

[關鍵詞]半導體應變計 原油 表面張力

一、引言

原油的表面張力是表征原油性質的一個重要參數(shù)，原油表面層內的分子所處的環(huán)境與其內部的分子不同，由于與空氣接觸，表面層分子的平均間距大于內部分子的平均間距，使得處于表面層的分子之間的引力大于斥力，造成原油表面有收縮的趨勢，這種由于表面收縮而產(chǎn)生于原油液面切線方向的力即為原油的表面張力。一般采用表面張力系數(shù)來描述原油的這一性質，即設想原油液體表面有一分界線，分界線兩邊的分子相互吸引，計算單位長度分界線上分子間的相互吸引力大小。原油的表面張力系數(shù)與原油的粘度、酸值、組成等因素有關，一般在研究提高石油采收率的有效性時用表面張力這一物理性質表征[1]。

本文將半導體應變計（硅壓阻式力敏傳感器）應用于原油表面張力系數(shù)的測量中，計算了兩種不同性質原油的表面張力系數(shù)，并通過實驗現(xiàn)象分析了液膜拉脫過程的受力情況，比較了樣品的拉脫液膜狀態(tài)。本實驗操作簡單，測量誤差小，儀器簡便，實驗結果符合用其他儀器所測量的結果，并且可以直接觀察原油的流動性，能夠幫助學生進一步理解原油性質，同時可以從物質結構的角度分析原油的表面張力，引導學生思考表面張力與采油的關系，對石油專業(yè)領域的研究有一定意義。

二、材料與方法

（一）實驗儀器

本文使用了FD-NST-Ⅰ型液體表面張力系數(shù)測定儀，儀器示意圖如圖1所示，本儀器的優(yōu)點為：采用了硅壓阻力敏傳感器（又稱半導體應變計），其靈敏度高，線性和穩(wěn)定性好，以數(shù)字式電壓表輸出顯示，誤差小，重復性好。

（二）實驗原理

半導體應變計由彈性梁和貼在梁上的傳感器芯片組成，其中芯片由四個硅擴散電阻集成一個非平衡電橋。當外界壓力作用于金屬梁時，在壓力作用下，電橋失去平衡，此時將有電壓信號輸出，輸出電壓大小與所加外力成正比[2]。即

U=KF （1）

式中，F(xiàn)為外力的大小，K為半導體應變計的靈敏度，U為傳感器輸出電壓的大小。

金屬圓環(huán)吊片沿豎直方向離開油面時，由于液面收縮而產(chǎn)生的沿切線方向的表面張力f，角θ為接觸角，金屬環(huán)脫離液體前各力的平衡條件為：

F=mg+fcosθ （2）

隨著金屬環(huán)的提起，θ→0，如圖2所示，則有：

F=mg+f （3）

式中F是向上的拉力，mg為環(huán)形金屬環(huán)的重量（粘附在金屬環(huán)上樣品重量遠小于金屬環(huán)的重量，可忽略），f為表面張力。f的值與接觸面的周界長成正比，即

f=α·π（D1+D2） （4）

式中，D1、D2分別為圓環(huán)的外徑和內徑，α為液體的表面張力系數(shù)，由公式（1）～（4）可計算出液體表面張力系數(shù)

α=f/π（D1+D2） （5）

（三）實驗樣品

實驗樣品采用了1#原油（密度為935.7kg·m-3（20℃），酸值為1.7064mgKOH·g-1，來源于巴西阿爾巴克拉地區(qū)）和2#原油（密度為920kg·m-3（20℃），酸值為2.1327mgKOH·g-1，來源于蘇丹達爾地區(qū)），并均經(jīng)過脫水處理。

三、結果與討論

（一）半導體應變計的定標

對半導體應變計定標的數(shù)據(jù)如表1所示，定標曲線如圖3所示，用最小二乘法擬合，得半導體應變計靈敏度為k=3.188V/N（北京地區(qū)重力加速度g=9.800m/S2），擬合結果的相關系數(shù)為0.9999，可見半導體應變計的輸出線性度較高。

（二）原油表面張力系數(shù)的測量

在室溫（20℃）條件下，分別對樣品進行了數(shù)據(jù)采集，記錄了拉脫模變化時數(shù)字電壓表的最大值讀數(shù)U1和拉斷瞬間數(shù)字電壓表的讀數(shù)U2值，吊環(huán)的內外徑分別為D1=3.496cm、D2=3.310cm，根據(jù)公式（5）可計算出兩種原油的表面張力系數(shù)，如表2所示。

另外，用BZY-1型自動表面張力儀對樣品進行了測量，所得結果（室溫20℃）分別為： 1#原油=24.3mN/m，2#原油=33.6mN/m，與半導體應變計所測量結果進行了比較，發(fā)現(xiàn)兩種儀器所測量結果比較吻合，相對誤差分別為2.06%（1#原油）和2.68%（2#原油），誤差主要來自于吊環(huán)的水平調節(jié)程度以及拉斷瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)U2值。

在兩種樣品中，2#原油的表面張力系數(shù)大值于1#原油的值，這與樣品的性質有關，表明樣品的密度越大，所含官能團及雜質越多，則 值也越小。一般來說，物質的極性越大，表面張力就越大，本文所用樣品的酸值不同，隨著各餾分酸值的增加，極性物質增多，則使2#原油的表面張力系數(shù)大于1#原油的表面張力系數(shù)[3]。

在測量過程中還觀察了吊環(huán)所拉脫的液膜狀態(tài)，可明顯看出液膜的收縮性，在液膜即將破裂的瞬間液膜最長。

三、結論

本文使用高精度的半導體應變計測量了兩種原油的表面張力系數(shù)，測量值與其他方法所測量值非常接近，且測量過程穩(wěn)定。 通過對不同液體液膜拉脫過程的分析，可使學生能更好地理解表面張力的意義，對原油性質的分析具有重要的指導與幫助，以此依據(jù)可以進一步探討在自然界條件下微生物降解原油的作用，為提高原油采收率的分析提供理論依據(jù)。本實驗儀器簡單，易操作，測量誤差小，現(xiàn)象顯著。能夠在教學現(xiàn)場實現(xiàn)原油表面張力的測量，對石油專業(yè)領域的研究有一定意義，不僅豐富了實驗內容，而且加強了學科聯(lián)系，有助于加深對原油表面張力系數(shù)概念的理解和認識，并且有助于提高學生的分析能力和創(chuàng)新能力。

基金資助：北京市自然科學基金（4122064）； 中國石油大學（北京）基礎科學研究基金（01JB0169）

[參考文獻]

[1]孔淑瓊，佘躍惠，易紹金，王正良.七個泉油田原油的生物降解及配伍條件選擇[J]. 石油天然氣學報（ 江漢石油學院學報） 2011， 33（1）：48-52

[2]孫為，唐軍杰，王愛軍，張國林.大學物理實驗[M]，中國石油大學出版社，2007：68-74

[3]師麗娟，沈本賢，汪恭群，尹曉麗. 北疆高酸原油直餾餾分脫酸前后的油-水界面性質比較[J]. 華東理工大學學報， 2009，35（2）：192-196

（作者單位：中國石油大學（北京）理學院 北京）