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共有记录91条1 改性聚四氟乙烯膜在油田含油污水处理中的动电现象 蔺爱国 石油学报(石油加工) 2007/06 2 高浓度含氟含油污水处理 徐波 内蒙古科技与经济 2007/21 3 玻璃钢罐应用于含油污水处理站 戴颂周 油气田地面工程 2007/11 4 含油污水处理自动化技术 王向阳 油气田地面工程 2007/11 5 叶轮气浮机在含油污水处理中的应用 于振民 工业水处理 2007/09 6 含油污水处理中回收水池的设计 满秀红 油气田地面工程 2007/07 7 国内油田含油污水处理现状与展望 陈斌 科技信息(科学教研) 2007/17 8 含油污水处理技术 李波 辽宁化工 2007/01 9 克拉玛依油田高含硫含油污水处理技术试验研究 李凡修 石油天然气学报(江汉石油学院学报) 2006/06 10 化学助剂对含油污水处理效果的影响研究 郭春昱 石油规划设计 2006/05 11 塔中联合站含油污水处理 王钦平 油气田地面工程 2006/07 12 用于含油污水处理的气浮旋流耦合技术研究 白志山 环境污染治理技术与设备 2006/08 13 连铸机含油污水处理新工艺及其应用 葛平 工业水处理 2006/06 14 浅析含油污水处理工程改造 白生禄 铁道劳动安全卫生与环保 2006/03 15 油轮压舱含油污水处理技术分析 王兰菊 石油化工环境保护 2006/01 16 油田含油污水处理中膜技术的研究与应用 陈兰 精细石油化工进展 2006/02 17 连铸含油污水处理新工艺的研究 潘冠英 工业水处理 2006/03 18 膜分离技术在油田含油污水处理中的应用研究进展 蔺爱国 工业水处理 2006/01 19 电气浮含油污水处理工艺工业性试验研究 张登庆 环境污染治理技术与设备 2005/11 20 铁路某机务段含油污水处理站改造工程的技术措施 朱立鹏 地下工程与隧道 2005/04 含油污水处理技术摘 要: 介绍常用的含油废水处理技术的原理、特点及其除油设备,综述含油污水的处理方法。关 键 词: 含油废水; 技术; 污水处理方法含油污水的产量大,涉及的范围广,例如石油开采、石油炼制、石油化工、油品贮运、油轮事故、轮船航运、车辆清洗、机械制造、食品加工等过程中均会产生含油污水。油污染作为一种常见的污染,对环境保护和生态平衡危害极大。当今油水分离技术较多,常用的方法有重力分离法、空气浮选法、粗粒化法、过滤法、吸附法、超声波法等技术,并且新的除油技术还在不断的研发中。本文从除油器的原理及方法方面加以介绍。1 重力分离法重力分离法是典型的初级处理方法,是利用油和水的密度差及油和水的不相溶性,在静止或流动状态下实现油珠、悬浮物与水分离。分散在水中的油珠在浮力作用下缓慢上浮、分层,油珠上浮速度取决于油珠颗粒的大小,油与水的密度差,流动状态及流体的粘度。它们之间的关系可用stokes 和Newton 等定律来描述。1. 1 横向流除油器[1 ]横向流含油污水除油设备是在斜板除油器的基础上发展起来的,它由含油污水的聚结区和分离区两部分组成。含油污水首先经过交叉板型的聚结器,使小分散油珠聚并成大油珠,小颗粒固体物质絮凝成大颗粒,然后聚结长大的油珠和固体物质通过具有独特通道的横向流分离板区,而从水中分离出来。在进行油水、固体物质分离的同时,还可以进行气体(天然气) 的分离。1. 2 波纹板聚结油水分离器[2 ]波纹板除油原理主要是利用油、水的密度差,使油珠浮集在板的波峰处而分离去除,其关键是在于借助哈真浅池沉淀原理,制成波纹板变间距变水流流线,过水断面是变化的,水流呈扩散、收缩状态交替流动,产生了脉动(正弦) 水流,使油珠之间增加了碰撞机率,促使小油珠变大,加快油珠的上浮速度,达到油水分离的目的。1. 3 聚集型油水分离器[3 ]奥地利费雷公司在世界上率先开发了CPS一体化波纹板式重力加速聚集型油水分离器。该波形板是费雷公司的专利产品,以聚丙烯为基础材料,内含多种添加剂,使其具有亲油而不粘油、抗老化是特点。波纹板一块一块地叠加起来的,间距一般为6 mm(当水中悬浮物含量较高时,可采用间距12 mm 的设计) 。1. 4 高效仰角式游离水分离器[4 ]将卧式和立式游离水分离器相结合,采用仰角设计,克服了立式容器内油水界面覆盖面积小和卧式容器油水界面与水出口距离短,分离时间不充分的缺点。来液进口位于管式容器的上行端,水中油珠能聚结并爬高上行至顶端油出口,而水下沉至底端水出口排出。该设备仰角小于12°,长18. 3 m ,直径为1 372 mm和914 mm两种规格。2 过滤法过滤法是将废水通过设有孔眼的装置或通过由某种颗粒介质组成的滤层,利用其截留、筛分、惯性碰撞等作用使废水中的悬浮物和油分等有害物质得以去除。常用的过滤方法有3 种:分层过滤、隔膜过滤和纤维介质过滤。膜过滤法又称为膜分离法[5 ] ,是利用微孔膜将油珠和表面活性剂截留,主要用于除去乳化油和某些溶解油。滤膜包括超滤膜、反渗透膜和混合滤膜等。膜材料包括有机膜和无机膜两种,常见的有机膜有醋酸纤维膜、聚砜膜、聚丙烯膜等,常用的无机膜有陶瓷膜、氧化铝、氧化钴、氧化钛等。乳化油处于稳定状态,用物理方法或者化学方法很难将其分离。随着膜科学的飞速发展,膜过程处理乳化油污水已逐步被人们接受并在工业中应用。3 离心分离法离心分离法是使装有含油废水的容器高速旋转,形成离心力场,因固体颗粒、油珠与废水的密度不同,受到的离心力也不同,达到从废水中去除固体颗粒、油珠的方法。常用的设备是水力旋流分离器。旋流分离器在液固分离方面的应用始于19 世纪40 年代,现在较为成熟,但在油/ 水分离领域的研究要晚得多。虽然液固分离与液液分离的基本原理相同,但二者设备的几何结构却差别较大。脱油型旋流分离器起源于英国。从20 世纪60 年代末开始,由英国南安普顿大学MartinThe w 教授领导的多相流与机械分离研究室开始水中除油旋流分离器的研究,发明了双锥双入口型液- 液旋流分离器。在试验过程中取得满意效果。随后,Young GAB 等人设计出的与双锥型旋流器具有相同分离性能但处理量要高出1 倍的单锥型旋流分离器。经过几何优化设计,Conoco 公司提出了K型旋流分离器,对于直径小于10μm的油滴分离性能提高更加明显。由于旋流分离器具有许多独特的优点,旋流脱油技术在发达国家含油废水处理特别是在海上石油开采平台上已成为不可替代的标准设备。4 浮选法浮选法,又称气浮法,是国内外正在深入研究与不断推广的一种水处理技术。该法是在水中通入空气或其他气体产生微细气泡,使水中的一些细小悬浮油珠及固体颗粒附着在气泡上,随气泡一起上浮到水面形成浮渣(含油泡沫层) ,然后使用适当的撇油器将油撇去。该法主要用于处理隔油池处理后残留于水中粒经为10～60μm 的分散油、乳化油及细小的悬浮固体物,出水的含油质量浓度可降至20～30 mg/ L 。根据产生气泡的方式不同,气浮法又分为加压气浮、鼓气气浮、电解气浮等,其中应用最多的是加压溶气气浮法。5 生物氧化法生物氧化法是利用微生物的生物化学作用使废水得到净化的一种方法。油类是一种烃类有机物,可以利用微生物的新陈代谢等生命活动将其分解为二氧化碳和水。含油废水中的有机物多以溶解态和乳化态,BOD5 较高,利于生物的氧化作用。对于含油质量浓度在30～50 mg/ L 以下、同时还含有其他可生物降解的有害物质的废水,常用生化法处理,主要用于去除废水中的溶解油。含油废水常见的生化处理法有活性污泥法、生物过滤法、生物转盘法等。活性污泥法处理效果好,主要用于处理要求高而水质稳定的废水。生物膜法与活性污泥法相比,生物膜附着于填料载体表面,使繁殖速度慢的微生物也能存在,从而构成了稳定的生态系统。但是,由于附着在载体表面的微生物量较难控制,因而在运转操作上灵活性差,而且容积负荷有限。6 化学法化学法又称药剂法,是投加药剂由化学作用将废水中的污染物成分转化为无害物质,使废水得到净化的一种方法。常用的化学方法有中和、沉淀、混凝、氧化还原等。对含油废水主要用混凝法。混凝法是向含油废水中加入一定比例的絮凝剂,在水中水解后形成带正电荷的胶团与带负电荷的乳化油产生电中和,油粒聚集,粒径变大,同时生成絮状物吸附细小油滴,然后通过沉降或气浮的方法实现油水分离。常见的絮凝剂有聚合氯化铝(PAC) 、三氯化铁、硫酸铝、硫酸亚铁等无机絮凝剂和丙烯酰胺、聚丙烯酰胺( PAM) 等有机高分子絮凝剂,不同的絮凝剂的投加量和pH 值适用范围不同。此法适合于靠重力沉降不能分离的乳化状态的油滴和其他细小悬浮物。7 吸附法吸附法是利用亲油性材料,吸附废水中的溶解油及其他溶解性有机物。最常用的吸油材料是活性炭,可吸附废水中的分散油、乳化油和溶解油。由于活性炭的吸附容量有限(对油一般为30～80 mg/ g) ,成本高,再生困,一般只用作含油废水多级处理的最后一级处理,出水含油质量浓度可降至0. 1～0. 2 mg/ L 。1976 年湖南长岭炼油厂在废水处理中就采用了活性碳吸附进行深度处理。国内外对于新型吸附剂的研制也取得了一些有益的成果。研究发现,片状石墨能吸附由海上油轮漏油事件释放的重油并易于与水分离。吸附树脂是近年来发展起来的一种新型有机吸附材料,吸附性能好,再生容易,有逐步取代活性炭的趋势,有越来越多的业内人士研究高效吸油树脂的合成与应用[6 ] 。有研究表明,采用丙纶吸油材料从油工业废水中吸附分离和回收油类物质,可根据废水的初始状况、最终要求、水流流量等因素,选用合适的净化方法。此外,煤灰、改性膨润土、磺化煤、碎焦碳、有机纤维、吸油毡、陶粒、石英砂、木屑、稻草等也可用作吸油材料。吸油材料吸油饱和后,根据具体情况,再生重复使用或直接用作燃料。8 粗粒化法粗粒化法是利用油、水两相对聚结材料亲和力相差悬殊的特性,油粒被材料捕获而滞留于材料表面和孔隙内形成油膜,油膜增大到一定厚度时时,在水力和浮力等作用下油膜脱落合并聚结成较大的油粒。由斯托克斯公式可知,油粒在水中的浮升速度与油粒直径的平方成正比。聚结后粒经较大的油珠则易于从水中被分离。经过粗粒化的废水,其含油量及污油性质并无变化,只是更容易用重力分离法将油除去。8. 1 新型高效除油器[7 ]旋流除油、粗粒化除油及斜板除油技术,是当今普遍认为高效的除油技术。高效除油器是将上述多种高效除油技术于一体的高效合一除油器,其总体结构设计成卧式,由旋流(涡流段) 粗粒化段及斜板除油段组成。它不仅可提高除油效率,且方便操作、减少占地。根据江汉油田采出水特性,采用两段粗粒化及两段斜板除油,在进口ρ(油) ≤1 000 mg/ L 时, 出口达到后续处理设备(过滤器) 的进口要求ρ(油) ≤30 mg/ L 。8. 2 EPS 油水分离技术[8 ]EPS 油水分离器是一种高效、先进的油水分离装置。它融合了当今先进的板式除油和粗粒化聚结技术,集污水的预处理、油水分离以及二次沉淀和油的回收于一体;具有安装运行费用省、油水分离效果好,操作维护容易等特点,是立式除油罐、斜板除油装置(如美国石油协会的除油装置(API) 、波纹板斜板除油装置(CPI) 、平行斜板除油装置( PPI) 等的更新替代产品。EPS 油水分离器目前已在韩国、美国、波兰、印度、泰国、中国等国家有了实际的应用,污水处理效果普遍良好。9 声波、微波和超声波脱水技术声波可加速水珠聚结,提高原油脱水效率;超声波可降低能耗和减少破乳剂用量;而微波在降低乳状液稳定性的同时,还可加热乳状液,进一步促进水滴的聚结,在解决我国东部老油田因三采等引起的原油性质复杂的深度脱水问题方面具有很好的应用前景。微波是指频率为300 MHz～300 GHz 的电磁波[9 ] 。微波水处理技术是把微波场对单相流和多相流物化反应的强烈催化作用、穿透作用、选择性供能及其杀灭微生物的功能用于水处理的一项新型技术。超声波是一种高频机械波,其频率一般2 ×104～5 ×108 Hz 之间,具有能量集中、穿透力强等特点。超声波在水中可以发生凝聚效应、空穴或空化效应[10 ] 。当超声波通过含有污水的溶液时,造成微小油滴与水一起振动。但由于大小不同的粒子具有不同的相对振动速度、油滴将会相互碰撞、粘合,使油滴的体积增大。随后,由于粒子已变大、不能随声波振动了,只作无规则运动。最后水中小油滴凝聚并上浮,油水分离效果良好。超声处理乳化油污水时,必须以先通过实验,以确定最佳的声波频率,否则可能出现超声粉碎效应,影响处理效果。目前,国内外学者利用超声波技术降解水中的污染物已多达几十种,但所研究的对象多为单组分模拟体系,而实际污水中常含有多种污染物,因此超声波技术在实际污水处理中的适用性如何还有待进一步的研究。此外,目前有关利用超声波技术降解水中污染物的研究大多属于实验室阶段,且由于声化学反应过程的降解机理、反应动力学及反应器的设计放大等方面的研究开展得很不充分,目前还难以实现工程化。10 超声/ 电化学联用技术[9 ]利用超声的空化效应,可在电化学反应中使电极不形成覆盖层,避免电极活性下降;超声空化效应还有利于协同电催化过程产生·OH ,而使污水中的污染物的分解加速;超声还可使有机物在水溶液中充分分散,从而大幅度提高反应器的处理能力。Mizera 等在电解氧化处理含酚废水时发现,无超声存在时,只有50 %的分解率,若使用25 kHz、104 W/ m2 的超声波处理时,酚的分解率会提高到80 %。刘静等利用超声/ 电化学联用技术对印染废水的处理表明,在超声波和电场的协同作用下,废水的脱色率大大高于单独使用超声波时的脱色率。
happybaozi
许关利
（中国石化石油勘探开发研究院提高采收率研究所，北京 100083）
摘 要 在大庆油田的油水条件下，评价了表面活性剂的界面和泡沫性能，并优化了泡沫配方和注入方式。筛选的双子表活剂的表面张力约为25mN/m，能在表活剂浓度为％～％的范围内与原油达到超低界面张力，具有较好的泡沫稳定性。泡沫体系配方中气液比对泡沫驱采收率的影响最大，其次是聚合物浓度，优选的泡沫体系配方为表面活性剂浓度％，聚合物浓度2000mg/L，气液比为3：1。气体和表面活性剂/聚合物二元液混合注入的压力升幅最大，耗时最短，泡沫驱采收率也较高。气体、表面活性剂与聚合物3种物质完全分开交替分段塞注入时压力升幅最小，耗时最长，采收率最小。气体与二元液交替注入时的压力和采收率居中。结合现场实施工艺，优选气体与表面活性剂/聚合物二元液交替注入的方式，交替周期越短泡沫驱采收率越高。
关键词 表面活性剂 超低界面张力 泡沫驱 提高采收率 注入方式
Research on the Performance of Ultra-low Interfacial TensionFoam and Optimization of Core Flooding Project
XU Guanli
（SINOPEC Exploration ＆ Production Research Institute，Beijing 100083，China）
Abstract The interfacial property，foam stability of selected surfactant were investigated in this formula and injection mode were optimized under reservoir condition of Daqing experiment shows that the surface tension of the Gemini surfactant is approximate 25mN/m（ 25℃），which indicating super surface ultra-low interfacial tension（ ＜）is acquired between oil and surfactant solution with the surfactant concentration range of ％ and ％.Its foam stability is better than those of sodium α- olefin sulfonate and sodium heavy alkyl benzene sulfonate according to the disintegration half-time of foam the ultra-low interracial tension foam，gas liquid ratio has the most obvious influence on the EOR of foam after polymer flooding，and polymer concentration preferential surfactant concentration is ％，with polymer concentration of 2000 mg/L and gas liquid ratio of 3： the same dosage of surfactant and polymer，the simultaneous injection of gas and the liquid which is composed of surfactant and polymer gives rise to the highest injection pressure and highest medium pressure and EOR result from the alternate injection of gas and consuming time of simultaneous injection is the shorter than that of alternate of gas and the alternate injection of individual surfactant，polymer and gas demands the longest injection with the injection technology of oilfield，the preferential injection method is alternate injection of gas and the liquid，and the shorter the alternate cycle is，the higher the EOR of foam after polymer flooding is.
Key words surfactant；ultra-low interfacial tension；foam flooding；enhance oil recovery；injection mode
泡沫是气体分散于起泡剂溶液中所组成的分散体系，起泡剂一般为表面活性剂。作为多相粘弹性流体，泡沫的密度低、黏度大，具有剪切稀释特性，这些特征使其具有了提高石油采收率的应用前景。国外已对泡沫用于控制气体流度、提高气驱的采收率进行了充分的研究［1～3］，现场试验也取得了一定的效果。国内的大庆油田和胜利油田也对泡沫驱油技术进行了多年研究［4］，其中大庆油田的泡沫复合驱技术最具代表性，试验取得了提高采收率20％以上的效果［5］，预示着泡沫驱油技术具有大幅度提高水驱油田采收率的潜力［6］。
大庆油田完成的泡沫复合驱试验使用表面活性剂、聚合物和强碱组成的三元体系，虽然取得了较好的驱油效果，但无法避免强碱带来的腐蚀、结垢、影响泡沫稳定性等负面问题。三元体系的一个主要技术特征是表面活性剂和碱协同作用产生超低油水界面张力，多年来复合驱研究的焦点也是合成在不需要加碱条件下能和原油达到超低界面张力的表面活性剂，并取得了一定的成果。本文对筛选的表面活性剂性能进行了研究，考察了聚合物驱后无碱的超低界面张力泡沫体系的驱油效果，优化了泡沫体系配方方式，为制定现场试验方案提供参考。
1 实验材料与方法
实验材料
实验用油为大庆油田井口脱水原油和模拟油，实验用水为油田现场注入污水，过滤后使用。聚合物为中国石油大庆炼化公司生产的分子量为3072万的聚丙烯酰胺。表面活性剂（DWS）为非离子双子表面活性剂，由大连戴维斯公司提供。重烷基苯磺酸盐（HABS）为大庆东昊投资有限公司生产，α-烯烃磺酸盐（AOS）购自浙江中轻物产化工公司。岩心为购自大庆石油学院的30cm长的人造3层非均质岩心，渗透率变异系数为，孔隙度为22％～25％。
实验方法
1）表面张力：表面张力仪k12（Kruss公司生产），吊片法测量；全自动表面张力仪Tracker（TECLIS公司生产），悬滴法测量。
2）油水界面张力：旋转滴界面张力仪，TX500C，45℃。
3）泡沫半衰期：泡沫扫描仪FoamScan（TECLIS公司生产），注气速度30mL/min，注气量300mL，温度45℃。
4）岩心驱替实验：岩心首先抽真空饱和水，然后饱和油，老化一天后进行水驱，含水大于98％后进行聚合物驱（包括后续水驱），最后进行超低界面张力泡沫复合驱及后续水驱。
2 实验结果
表面张力
表面张力是评价表面活性剂活性高低的一项重要指标。如表1所示，双子表面活性剂（DWS）的表面张力随温度的升高而降低，与常规表面活性剂的变化规律相同。常规表面活性剂的表面张力一般大于30mN/m，如重烷基苯磺酸盐的表面张力为［7］，α-烯基磺酸钠的表面张力为［8］。25℃时该双子表面活性剂的表面张力在25mN/m左右，已经接近碳氢表面活性剂理论上最低的表面张力值［9］，与有机硅表面活性剂的表面张力相当（20～30mN/m），说明该双子表面活性剂的活性非常好。
表1 双子表面活性剂（DWS）的表面张力
选用Tracker全自动表面张力仪测定了25℃时不同浓度表面活性剂溶液的动态表面张力（图1）。各个浓度的表面活性剂溶液的表面张力随测试的进行逐渐降低，表面活性剂浓度越高，其表面张力越低。根据表面张力随浓度的变化趋势判断，该表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）在％附近，25℃时表面张力值约为25 mN/m。
图1 双子表面活性剂（DWS）的动态表面张力
油水界面张力
油水界面张力是驱油用表面活性剂的一个重要指标，不同浓度的表面活性剂/聚合物二元体系（聚合物浓度1000mg/L）的界面张力测试结果（图2）表明，该双子表面活性剂的油水界面张力随测试的进行逐渐降低，20min后界面张力即小于 mN/m，达到超低界面张力。双子表面活性剂能在％～％的较宽浓度范围内达到超低的油水界面张力。重烷基苯磺酸盐需要在有碱存在的条件下才能达到超低界面张力［10］，而α-烯基磺酸钠即使加碱也无法达到超低界面张力。
图2 双子表面活性剂DWS的油水界面张力
泡沫稳定性
泡沫的稳定性可以用半衰期来表征，半衰期分为两种，一种是体积衰减半衰期（泡沫体积衰减一半所需要的时间），另一种是析液半衰期（从泡沫中排出一半液体所需要的时间）。表2为用泡沫扫描仪（FoamScan）测得的表面活性剂溶液的泡沫体积衰减半衰期。不同浓度的双子表面活性剂的半衰期都大于60min，比重烷基苯磺酸盐和α-烯烃磺酸盐的稳定性好。
表2 不同表面活性剂的泡沫半衰期
超低油水界面张力是对驱油用表面活性剂的基本要求，目前市场上常见的表面活性剂的油水界面张力都比较高，达不到超低界面张力。界面张力高的原因是这些表面活性剂的亲水性太强，因此要获得较低的界面张力，就要增加表面活性剂疏水基团的长度或个数。疏水基团长度或个数的增加，有利于提高表面活性剂分子间的疏水缔合作用，增加泡沫中表面活性剂液膜的强度，增大液膜的界面粘弹性，泡沫的稳定性将得到提高。因此，在一定程度上获得超低界面张力与提高泡沫稳定性对表面活性剂分子结构的要求方向是一致的。双子表面活性剂（DWS）的两个疏水基团增加了其亲油性，能够与原油达到超低的油水界面张力，同时又具有较好的泡沫稳定性，是驱油用超低界面张力泡沫体系的最好选择。
泡沫体系配方优化
驱油用泡沫由双子表面活性剂、聚合物和气体组成，表面活性剂、聚合物浓度的高低和气体的多少（气液比）对泡沫的驱油性能有重要影响。为了确定最佳的泡沫体系配方，针对表面活性剂浓度、聚合物浓度和气液比开展了三因素、三水平的正交实验来优化泡沫体系配方。各次实验的实验条件及驱油结果见表3。
表3 正交实验条件与驱油结果
按照极差分析方法对表3中的数据进行分析，分析方法参考文献［11］。把泡沫驱采收率作为评价指标，表3 “表面活性剂浓度” 列中Ⅱ最大，说明表面活性剂浓度的水平％比较好；“泡沫聚合物浓度” 列中Ⅲ最大，说明聚合物浓度水平2000mg/L比较好；“气液比” 列中Ⅲ最大，说明气液比的水平3：1比较好。因此根据泡沫驱采收率得到的最佳驱油条件为表面活性剂浓度％，聚合物浓度2000mg/L，气液比为3：1。级差中 “气液比” 最大，其次为 “聚合物浓度”，说明气液比对泡沫驱采收率的影响幅度最大，其次为聚合物浓度。
注入方式对泡沫驱采收率的影响
泡沫体系包括双子表面活性剂、聚合物和气体，驱油时可组合成多种注入方式。第一种为气液同时混合注入，先把表面活性剂和聚合物混合成二元液，然后和气体按照一定的气液比同时注入岩心；第二种为气体和液体交替注入（气液分段塞注入），一是表面活性剂、聚合物混合成二元发泡液与气体按照确定的气液比和交替周期交替注入，二是表面活性剂、聚合物和气体分别单独交替注入，即按照确定的交替周期和气液比，先注一个聚合物段塞，再注一个表面活性剂段塞，再注气体段塞，按这样的顺序重复注入。通过岩心驱油实验考察各种注入方式对驱油效果的影响。实验中表面活性剂浓度为％，聚合物浓度为2000mg/L，表面活性剂注入量为。岩心水驱后进行不同注入方式的泡沫驱油，实验结果见表4。
表4 不同注入方式下泡沫驱油结果
表4中编号为1、2、3的实验为聚合物、表活剂和气体完全分开注的岩心驱油实验，交替周期为 PV和，即驱替时先注 PV聚合物，再注 PV的表面活性剂，再按气液比注入气体，重复以上步骤直至注完聚合物、表面活性剂各，最后跟的聚合物保护段塞和后续水。在表4所示的交替周期和气液比条件下，采用3种物质完全分开注入的方式，泡沫驱可在聚驱后平均提高采收率％。表4中编号为4、5的实验为气体和表面活性剂、聚合物组成的二元发泡液交替注入，在发泡液用量与实验1 、2、3相同的条件下，气体与二元液交替注入时的泡沫驱采收率比完全分开注入时的效果好。实验6的注入方案为先注 PV聚合物前置段塞，然后气体和表面活性剂溶液（含200mg/L中分聚合物）同时注入，最后注入聚合物保护段塞。与前几个实验相比，在节省聚合物用量的条件下，混合注入的泡沫驱采收率接近18％，比气体与二元液交替注入的效果相当。图3为3种不同注入方式所对应的压力曲线。第一条曲线为气体和表面活性剂溶液（含200 mg/L中分聚合物）同时注入的压力曲线，在注聚合物前置段塞和气液同时混合注入阶段注入压力一直持续上升，注后续聚合物保护段塞时压力上升不明显，显示了泡沫具有很好的封堵岩心孔隙的能力。第二条曲线为气体和二元液（聚合物和表面活性剂混合）交替注入的压力曲线，注二元体系时压力上升，转注气体后压力先上升，然后开始下降，随着实验的进行，整体注入压力呈阶梯式上升，但注化学剂结束时的最高压力比气液同时注入的低。第三条曲线为聚合物、表面活性剂和气体完全分开交替注入的压力曲线，注聚合物时压力上升，注表面活性剂时压力略有下降，注气体时压力下降，虽然整体的注入压力在逐渐升高，但是比气体和二元液交替注入时压力要低。驱替时间是气液混合同时注入时耗时最短，3种物质完全分开交替注入的耗时最长，气体与二元液交替注入时居中。
这些结果表明，对于泡沫驱油，气液同时混合注入是最好的注入方式，其次是气体与二元液交替注入。目前现场试验时，工艺上难以实现气体和液体同时注入，因此推荐选用气体和表面活性剂/聚合物二元液交替注入的方式。
图3 不同注入方式下的泡沫驱压力曲线
交替注入周期对泡沫驱采收率的影响
泡沫驱油时，现场选择的是气体和二元液（表面活性剂＋聚合物）交替注入，这就涉及一个交替周期或交替频率的问题。通过评价不同交替周期下的岩心泡沫驱油效果来优选气液交替周期。水驱、聚驱条件与前面相同，泡沫液中表面活性剂浓度为％，聚合物浓度为2000mg/L，发泡液注入量为，气液比为3：1。注完泡沫体系后，再注入的聚合物保护段塞。聚驱后无碱超低界面张力泡沫体系在人造3层非均质岩心上交替注入时的驱油效果见表5。
实验结果表明，无论采取何种注入方式，聚驱后泡沫驱采收率均能提高16个百分点以上。在其他条件相同时，随交替次数的增多，聚驱后泡沫驱采收率呈增加趋势。同混合注入方式相比，采用交替注入方式泡沫驱采收率略有降低。因此现场试验时，要尽可能缩短交替周期。
表5 不同交替周期聚驱后岩心驱油结果
3 结 论
1）25℃时双子表面活性剂（DWS）的表面张力约为25mN/m，接近于碳氢表面活性剂理论上的最低表面张力，显示了非常高的表面活性。能在较宽的浓度范围内与原油达到超低的油水界面张力，具有比烷基苯磺酸盐和α-烯烃磺酸盐更好的泡沫稳定性。
2）泡沫体系配方中，气液比对泡沫驱采收率的影响最大，其次是聚合物浓度，较好的泡沫体系配方为表面活性剂浓度％，聚合物浓度2000 mg/L，气液比3：1。
3）气体和表面活性剂/聚合物二元液混合注入的压力升幅最大，耗时最短，泡沫驱采收率最高。气体、表面活性剂与聚合物3种物质完全分开交替注入时压力升幅最小，耗时最长，采收率最小。气体与二元液交替注入时的压力和采收率居中。
4）泡沫驱现场试验选用气体与表面活性剂/聚合物二元液交替注入的方式，交替周期越短泡沫驱采收率越高。
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雯香识女人coco
康志江 张 允
（中国石油化工份有限公司石油勘探开发研究院，北京 100083）
摘 要：缝洞碳酸型盐岩油藏具有储集空间变化尺度大、介质复杂、流体流动形态多样等特点，无法利 用比较成熟的砂岩油藏数值模拟理论与技术，因此缝洞油藏数值模拟成了当前世界面临的难点和重点，其制 约着这类油藏的合理高效开发。为此，在缝洞油藏尺度上，依据连续性介质的思想框架，发展了双重介质，形成了等效多重介质理论，即将缝洞型油藏中的多相流动问题等效成为若干个连续介质中的多相流动问题，建立了包含溶洞、裂缝、溶孔的三重介质连续性模型，研究了表征单元体理论，提出了模型的建立准则；同 时针对缝洞型油藏大型溶洞中流体流动需要精细刻画的问题提出了耦合型数值模拟技术。主要包括建立了缝 洞型油藏数值模拟多孔介质区、洞穴区及其交界面的数学模型，实现了溶洞中Navier-Stokes流和基质中Darcy 流的耦合，解决了油水两相界面处理问题，形成了洞穴与多孔介质区的交界面条件，然后分别研究了等效多 重介质模型和耦合型数值模拟的数值算法。最后根据形成的缝洞型油藏数值模拟技术编制了的三维三相流体 数值模拟器，通过物理模拟实验和数值模拟实验模拟了一注水驱油过程，结果的一致性验证了方法的正确性。
关键词：缝洞型油藏；数值模拟；多重介质；流渗耦合
Study on Numerical Simulation Technology of Fractured-vuggy Carbonate Reservoir
Kang Zhijiang，Zhang Yun
（Exploration ＆ Production Research Institute，SINOPEC，Beijing 100083，China）
Abstract：Fractured-vuggy carbonate reservoir is characterized by different scales of reservoir space，medium complex，many fluid flow patterns， it can not make use of more mature sandstone reservoir simulation theory and the numerical simulation method of naturally fractured-vuggy carbonate reservoir is the world difficulty and emphasis，and it restricts efficient development of such according to the fractured-vuggy reservoir characteristics，the equivalent multi-media numerical simulation technology was formed based on dual media is，multiphase flow problems are equivalent to a number of multiphase flow problems in continuous medium in fractured- vuggy continuity medium of triple-medium model was established including caves，fractures and so then Representative Elementary Volume was studied，and the model rules were put in order to fine description fluid flow in the large cave of fractured-vuggy reservoir，coupled numerical simulation technology was article established the mathematical model that included porous media area，cave area，and their interface，achieved the coupling of the Navier-Stokes flow in cave and Darcy flow in matrix，and solved the oil-water two- phase interface problem，and formed caves and porous area of the interface the numerical algorithm of the numerical simulation of multiple media model and coupled model was ，the fractured-vuggy reservoir numerical simulator was physical simulation and numerical simulation of a simulation process of water flooding was it was used to verify the correctness of the numerical simulation method.
Key words：fractured-vuggy reservoir；numerical simulation；multi-media；coupled flow
引言
世界上已发现的油气储量有一半以上来自碳酸盐岩油气储集层［1］，而缝洞型碳酸盐岩油藏作为 其中的一种特殊类型，也在我国乃至世界的油气资源中也占有很大的比重。缝洞型碳酸盐岩油藏属 于非常规油气藏类型，其储量规模大，可以形成大型油气藏，也是世界碳酸盐岩油藏生产的重要组 成部分。
近十多年来，研究对象为碎屑岩的油藏数值模拟，其相关的理论与技术研究均基于多孔介质理论，已经取得了巨大的发展，形成了工业化技术应用。但对于储层空间变化尺度大，介质复杂的碳酸盐岩缝 洞型储层，目前的理论与技术方法在很多方面都不能适用，为此开展了缝洞型碳酸盐岩油藏数值模拟研 究，主要为等效多重介质数值模拟技术［2～16］和耦合型数值模拟技术［17～20］。
1 数学模型的建立
模型建立准则
多重介质理论本质上是一种连续介质理论，而连续介质理论成立的前提是其表征单元体存在。目前 在单重介质表征单元体研究方面已有很多成果［21］，对于多重介质表征单元体理论方面的研究国内外还 很少，这是由于复杂介质中不同空隙类型的空间尺度差异很大、空隙中多相流体的流动形态也是多种多 样，因此在我们研究的尺度范围内复杂介质的表征单元体往往并不存在。为解决这一问题，我们提出了 复杂介质多重表征单元体的概念。
对于复杂介质油藏，设ΩK（x0）为复杂介质区域中的一个体积，x0是体积ΩK（x0）的质心，E为 该复杂介质的外延量（质量、空隙空间、单位时间通过的流体质量等）、e为该外延量对应的内涵量（密度、孔隙度、质量流量等）。E（ΩK（x0））表示体积ΩK（x0）内的外延量，eK（x）表示点x处的内涵 量，M、F、V为基质、裂缝、溶洞，如果满足：
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则，外延量EK相应的内涵量eK的表征单元体存在，连续介质方法可用，采用多重介质方法。否则 就要单独处理，即用离散方法（耦合方法）处理，式（1）和式（2）即是复杂介质的多重介质模型的 建立准则。
多孔介质中的控制方程
洞缝型油藏考虑为等温条件，并且包含油、水两相流体。复杂介质区域流体流动的方程为：
水相：
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油相：
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其中，当b相流体（w为水；o为油）为Darcy流动时，其速度根据Darcy定理如下定义：
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式中，ρβ是β相在油藏条件下的密度； 是在油藏条件下脱去溶解气的油相密度；φ是油层的有效孔 隙度；μβ是β相的黏度；Sβ是β相的饱和度；Pβ是β相的压力；qβ是地层β组分每单位体积汇点/源 点项；g是重力加速度；k是油层的绝对渗透率；krβ是β相的相对渗透率；D是深度。
洞穴中的控制方程
洞穴自由流动区控制方程采用Navier-Stokes方程。在自由流动区域油水不可混溶形成双流体。孔洞 内油水两种流体间有明显的界面，且可以明确表示出来。控制方程包括油区域的控制方程、水区域的控 制方程以及油水界面运动方程。
首先分别对油、水存在的区域给出质量守恒、动量守恒方程。
油相方程：
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水相方程：
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其中，fσ表示表面张力。
这就是微可压缩流体的两相流动方程。
作为特例，假设油水不可压缩，则密度为常数，此时在上述方程中消去密度常数可得：
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以及（8）式和（9）式是两组标准的N-S运动方程组。区别在于在交界面上，两相流体性质如密 度、黏性不同。另外还有交界面的运动方程。
下面考虑油水间界面的运动方程。关于界面有两种表达形式，针对不同的算法可以选取不同的 形式。
(1)界面用点集描述，
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这种情况下，界面上的点以流体速度按如下规律运动。
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(2)界面上的点用F（x，t）＝0方程确定
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此时F（x，t）满足
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其中u表示流体运动速度。
在油水两种流体的分界面上压力、速度等物理量都是连续的。而密度、黏性等表示流体特性的物理 量则不同。
洞穴与多孔介质区的交界面条件
界面条件包括浓度连续性、压力平衡、流通量平衡等。并考虑油藏实际情况，可以对交界面条件进 行简化。由于不论是多孔介质的压力pd还是洞穴的压力ps，都很大。相对于地层压力，速度和黏性都 很小，因此可以忽略。同时可以假设洞穴流动区域和多孔介质区域在边界切线方向上没有滑移。在这种 假设下，交界面条件可以表示为
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这组条件实际上表示在交界面上浓度、压力和速度的连续性。
实际计算过程中，交界面条件（12）一般要比较容易使用，特别是在使用有限差分和有限体积进 行离散时。但在使用有限元方法求解推导弱形式过程中，可以直接应用。
2 数值算法研究
等效多重介质模型数值模拟技术
油藏模型考虑为等温条件，并且包含油、气、水三相流体。水和油这两个液体组分分别存在于水相 中和油相中，而气体不仅存在于气相，而且可以溶解于油中。每一相的流体在压力、重力和毛细管力的 作用下按照Darcy定理流动；溶洞内和溶洞之间的流动为非Darcy流或管流。
采用有限体积法进行空间离散后，采用向后一阶差分进行时间离散，可得离散化后单元i内方 程为：
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其中，M是β相的质量；上标n表示是前一时刻的量；上标n＋1表示是当前时刻的量；Vi是单元 i（基质、裂缝或溶洞）的体积；△t是时间步长；ηi是同单元i相连接的单元j的集合；Fβ，ij是单元i同 单元j之间β相的质量流动项；Qβi是单元i内β相的源汇项。多重介质单元i、j之间的流动项Fβ，ij可表 示如下：
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其中，λβ，ij＋1/2是β相的流度，
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为了描述复杂介质中的多种流动形态，在复杂介质的多重介质模型中，单元间的流动分为渗流（达西流、非达西低速流或非达西高速流）、一维管流和裂缝面上的二维流动（非达西高速流）、无充填 溶洞内的三维“洞穴流”。
耦合型数值模拟技术
针对缝洞型油藏大型洞穴内流体流动问题，在Navies-Stokes方程的理论基础上，考虑动量守衡，创 建了油水两相不混溶、微可压缩流动的数学模型，实现了复杂介质油藏Navies-Stokes流和渗流耦合的数 值模拟技术。其数值模型的建立包含两个步骤：求解区域的离散和方程的离散。求解区域的离散产生求 解区域的数值描述，包括求解点的位置和边界描述。空间被分为有限的离散区域，称为控制体积或体 网格。而对瞬态问题，时间区间也被分为有限的时间步长。方程离散则将控制方程的项转化为代数 表达。
对任意的物理量φ，其传递方程可写为：
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有限体积方法要求满足以P为基础的控制体VP中控制方程的积分形式：
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由于扩散项是φ的二阶导数，为保证一致性，有限体积中离散的阶数必须等于或大于方程的阶数。
离散方法的精确性取决于在点P附近的时空位置上假定的变化函数φ＝φ（x，t）。
要获得传递方程的离散形式，关键在于交界面f上的值及其上的垂直梯度，即φf和S·（▽φ）f。对 位于区域边界上的面，其值由边界条件计算得到。
3 油藏数值模拟方法的验证
根据对油藏数值模拟方法研究结果，编制了相应的数值模拟软件，为了验证该数值模拟方法的正确 性，开展了注水驱替油物理实验，实验中充填物为右半部为5mm白色大理石，左半部为3mm白色大理 石，注入清水速度为，模型内部充满油，从左向右驱替油，实验结果如图1所示，采用相同 的参数进行数值模拟，结果如图2所示，通过比较可以得出数值模拟实验与物理实验趋势一致，从而验 证了方法的正确性。
图1 水驱油物理实验现象
图2 油藏数值模拟实验含油饱和度图
4 结论
（1）双重介质理论在裂缝型油藏广泛应用，较好地解决了基质与裂缝中流体流动差异性大的问题，对于小型溶蚀洞，也有的专家开展了三重介质数值模拟研究，对于具有洞穴的缝洞型油藏没有相关报 道，通过研究形成了一套能处理洞穴的基于多重介质缝洞油藏自适应隐式数值模拟方法；
（2）针对洞穴内两相流界面计算和洞穴多孔介质耦合计算两个关键问题开展了研究，结合洞穴内 油水两相流物理实验，解决了油水两相界面技术问题，形成了耦合油藏数值模拟方法，确定了数值 解法；
（3）根据形成的数值模拟方法编制了相应的数值模拟软件，并通过实验验证了方法的正确性。
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