三元復(fù)合驅(qū)采出水穩(wěn)定性及過(guò)濾反沖洗技術(shù)可視化研究進(jìn)展

中圖分類號(hào) TQ028.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 0254-6094（2025）04-0535-07

三元采出水體系呈現(xiàn)油粒和懸浮物分散微細(xì)、界面穩(wěn)定性強(qiáng)及體系脫穩(wěn)困難等特點(diǎn)，導(dǎo)致油田現(xiàn)有沉降-過(guò)濾技術(shù)水質(zhì)差、精度低，難以滿足復(fù)雜化學(xué)驅(qū)采出水處理的要求[1]。亟需闡明三元采出水體系穩(wěn)定機(jī)制與脫穩(wěn)行為規(guī)律，揭示深床過(guò)濾的主導(dǎo)機(jī)制和分離行為，構(gòu)建復(fù)雜采出水高效脫穩(wěn)新方法和快速成床深度過(guò)濾新模式，形成三元采出水高效脫穩(wěn)和深度過(guò)濾關(guān)鍵技術(shù)，使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

分子模擬技術(shù)利用計(jì)算機(jī)基于分子模型來(lái)模擬分子的結(jié)構(gòu)與行為，進(jìn)而模擬體系的微觀物理、化學(xué)性質(zhì)及宏觀特性。分子模擬自20世紀(jì)50年代開始逐漸成為研究多尺度和跨尺度的科學(xué)工具，主要用于解決物質(zhì)模型問(wèn)題、解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。高速顯微攝像技術(shù)是對(duì)微細(xì)顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行直觀研究的有效手段，由于乳液內(nèi)微液滴之間的排液和聚并可在瞬間完成，因此常采用高速攝像技術(shù)清晰地研究乳液的穩(wěn)定性、評(píng)判界面膜的穩(wěn)定性。近年來(lái)，對(duì)油水微觀界面新興可視化技術(shù)的研究日漸增多，均可在微觀尺度下對(duì)油水界面的結(jié)構(gòu)和行為進(jìn)行更加深入的研究，為復(fù)雜采出水的界面穩(wěn)定性與油水分離工藝提質(zhì)增效提供理論指導(dǎo)。

1三元采出水穩(wěn)定性機(jī)制研究

三元采出水穩(wěn)定性研究由宏觀走向微觀和可視化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)表面活性劑、聚合物、無(wú)機(jī)顆粒、原油組分等三元采出水的基本組分進(jìn)行較多研究，以確定影響體系穩(wěn)定性的關(guān)鍵組分，并探究其作用機(jī)制。但多數(shù)研究局限于研究單一物質(zhì)對(duì)于界面膜性質(zhì)的影響，對(duì)多種物質(zhì)的協(xié)同作用及其微觀機(jī)理研究不夠深入，無(wú)法很好地進(jìn)行油水界面微觀行為的動(dòng)態(tài)觀測(cè)和調(diào)控。

文獻(xiàn)[2，3]提出帶電膠體粒子穩(wěn)定的理論，認(rèn)為膠體穩(wěn)定性是由靜電力和范德華力相互作用達(dá)到平衡形成的。ELEYDD等研究了瀝青質(zhì)對(duì)于乳狀液穩(wěn)定性的影響，明確了瀝青質(zhì)提高乳狀液穩(wěn)定性的途徑是增加界面膜厚度和粘彈性[4]。TAMBEDE和SHARMAMM研究了細(xì)小顆粒對(duì)油水界面流變性和乳狀液體系的影響，結(jié)果表明細(xì)小顆粒能夠通過(guò)提供空間位阻改變界面的流變性能[5]。SALOUM等基于DLVO理論，研究了瀝青質(zhì)對(duì)于乳狀液穩(wěn)定性的影響，提出瀝青質(zhì)通過(guò)分散在油水界面影響體系的穩(wěn)定性。DENGS等研究了聚合物和表面活性劑對(duì)采出水穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明表面活性劑是影響三元復(fù)合驅(qū)采出水穩(wěn)定性的主要原因，能夠降低油水界面張力和油滴表面的Zeta電位[7]。MABD等研究了油滴粒徑、聚合物濃度對(duì)聚驅(qū)采出水穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明聚驅(qū)采出水穩(wěn)定性主要取決于油滴的粒徑分布，聚合物能夠增強(qiáng)油滴間的空間位阻，降低油滴的碰撞效率，使油滴粒徑減小[8]。CHENHX等研究了聚合物對(duì)采出水中油水界面性質(zhì)的影響，PAM體系的粘度和界面擴(kuò)張粘彈性增大，提高了乳液的穩(wěn)定性[9]。GAWELB等研究了油水體系中懸浮顆粒對(duì)體系穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明油滴聚結(jié)的效率與顆粒在油水界面的覆蓋程度有關(guān)[I0]。AYMANMA等研究了不同類型的表面活性劑和納米顆粒對(duì)原油乳狀液穩(wěn)定性的影響，陽(yáng)離子表面活性劑的乳化效果最好，納米顆粒可以附著在油水界面，進(jìn)一步提高體系的穩(wěn)定性[1]。HUANGB等研究了不同濃度石英砂顆粒對(duì)采出水含油量、Zeta電位、界面張力和油滴粒徑的影響，結(jié)果表明帶負(fù)電荷的石英砂顆粒能夠吸附原油中的活性物質(zhì)和水相中的表面活性劑分子，降低了油水界面張力，從而增強(qiáng)了采出水的穩(wěn)定性[12]。LIXQ等研究了驅(qū)油劑對(duì)富含瀝青質(zhì)三元復(fù)合驅(qū)采出水穩(wěn)定性的影響，對(duì)穩(wěn)定性影響最大的是十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），其次是聚丙烯酰胺（PAM）和NaOH，瀝青質(zhì)與驅(qū)油劑組分之間的相互作用降低了油水界面張力，增強(qiáng)了油水界面的電負(fù)性和界面膜的穩(wěn)定性，不利于油水分離過(guò)程[13]。

綜上所述，聚合物使體系粘度增大，在油滴表面形成空間位阻，影響油水沉降速率；瀝青質(zhì)和膠質(zhì)對(duì)于復(fù)雜采出水的穩(wěn)定性影響，類似于表面活性劑的作用，降低了油水界面張力。所以三元采出水穩(wěn)定性的主要原因是各種組分使油水界面的性質(zhì)發(fā)生了改變。但上述學(xué)者對(duì)于油水界面的研究不夠深入，僅是從界面電性和張力的角度進(jìn)行研究，不能揭示油水界面微觀上的行為機(jī)制，所以對(duì)于三元采出水油水界面的可視化研究日趨增多。

2 三元采出水油水微界面可視化研究

XIEYQ等利用核磁共振技術(shù)分析了乳狀液膜微觀結(jié)構(gòu)對(duì)油水乳狀液穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明當(dāng)乳化劑有序地排列成單層或雙層乳狀膜時(shí)，體系的穩(wěn)定性會(huì)增強(qiáng)。當(dāng)乳化劑在油水界面無(wú)序排列時(shí)，體系的穩(wěn)定性會(huì)降低[14]。SHIP等用分子模擬技術(shù)研究了乳狀液的作用機(jī)理。結(jié)果表明瀝青質(zhì)分子和水分子間氫鍵是瀝青質(zhì)能夠在油-水界面吸附的主要原因，瀝青質(zhì)分子之間的氫鍵和π-π 作用使得瀝青質(zhì)構(gòu)成超分子結(jié)構(gòu)，此超分子結(jié)構(gòu)將水分子包圍在內(nèi)，阻止了水滴的聚并[15]。

MAZK等利用圖像數(shù)字處理系統(tǒng)研究了表面活性劑、聚合物等驅(qū)油劑對(duì)水包油乳液O/W界面減薄性能的影響，結(jié)果表明表面活性劑對(duì)于界面膜變薄的影響最大[16]。GOUALL等首次利用透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)油水乳狀液穩(wěn)定性的薄膜進(jìn)行了納米級(jí)表征，成功測(cè)量出了油水界面膜厚度[17]。ZHENGL等利用界面張力儀和高速攝像裝置，測(cè)量了不同溶液中兩液滴的相互作用力，結(jié)果表明只有當(dāng)表面活性劑濃度超過(guò)臨界膠束濃度時(shí)，才有足夠的表面活性劑分子吸附在油水界面上，形成高強(qiáng)度的界面膜，從而防止液滴聚結(jié)，提高體系穩(wěn)定性[18]。YANGY等利用分子模擬的方法，對(duì)SDBS表面活性劑的吸附行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明SDBS有效降低了表面張力，增加了油水界面膜厚度[19]

可視化研究方法極大地促進(jìn)了乳狀液穩(wěn)定性機(jī)理的研究進(jìn)展，逐漸從宏觀層次發(fā)展到微觀層次，例如核磁共振法、高速攝像系統(tǒng)、原子力顯微鏡等[20]

文獻(xiàn)[21～23]通過(guò)核磁共振法測(cè)定乳狀液滴的大小進(jìn)而推測(cè)肉眼無(wú)法觀察的乳狀液滴聚并是否發(fā)生，以確定乳狀液滴穩(wěn)定性是否發(fā)生變化。YANGSJ等使用激光粒度分析儀測(cè)定了乳狀液滴的粒徑，對(duì)乳液的穩(wěn)定性變化趨勢(shì)進(jìn)行了準(zhǔn)確的判斷[24]。文獻(xiàn)[25，26]采用掃描顯微鏡對(duì)乳液中的液滴大小變化進(jìn)行了觀察，為乳液穩(wěn)定性研究提供了數(shù)據(jù)支撐。馬澤坤和季曉慶均采用微流控高速攝像方法研究了三元驅(qū)采出水的穩(wěn)定性機(jī)理，發(fā)現(xiàn)復(fù)合體系中聚合物和表面活性劑具有協(xié)同效應(yīng)，作用機(jī)理復(fù)雜[27，28]。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1高速攝像技術(shù)研究乳狀液穩(wěn)定性

LUOXM等使用高速攝像設(shè)備統(tǒng)計(jì)了油滴聚結(jié)的接觸角范圍，在對(duì)于接觸角的統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)油滴在小接觸角 （5-25^° ）和大接觸角（ 50～ 80°下容易聚結(jié)[29]

隨著各種檢測(cè)手段的發(fā)展，針對(duì)油水乳液穩(wěn)定性的研究越來(lái)越趨向于微觀層面可視化。同時(shí)，新型的檢測(cè)手段能與分子模擬等方法進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)乳狀液穩(wěn)定性的宏觀與微觀結(jié)合，加深對(duì)乳狀液穩(wěn)定性機(jī)制的理解。

綜上所述，這些技術(shù)可以在不同層面獲取油水界面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)信息，對(duì)界面行為的研究有很大幫助，但這些技術(shù)在動(dòng)態(tài)、原位及多元化的信息檢測(cè)中仍存在局限性。如TEM技術(shù)難以對(duì)復(fù)雜采出水中油水界面進(jìn)行原位觀測(cè)，高速攝像技術(shù)難以得到界面膜的微觀結(jié)構(gòu)，所以利用多種技術(shù)相耦合，多角度、多層面及多視角地獲取界面膜相關(guān)信息是今后的研究重點(diǎn)。

因此，開展多種關(guān)鍵組分對(duì)復(fù)雜采出水穩(wěn)定性協(xié)同作用的研究，通過(guò)多種技術(shù)耦合從微觀層面研究油水界面結(jié)構(gòu)，從介觀層面研究界面膜流變性和穩(wěn)定性，明確各類物質(zhì)與界面的相互作用，并調(diào)控油田采出水復(fù)雜體系的微觀界面行為，建立復(fù)雜采出水微觀動(dòng)態(tài)演變的穩(wěn)定與脫穩(wěn)模型是研究之關(guān)鍵。

3快速過(guò)濾反沖洗技術(shù)可視化研究進(jìn)展

快速過(guò)濾起源于19世紀(jì)80年代的美國(guó)，在過(guò)去的幾十年里，已經(jīng)開發(fā)了各種類型的快速過(guò)濾器、新型過(guò)濾介質(zhì)和濾床結(jié)構(gòu)。隨著深床過(guò)濾理論的發(fā)展，唯象模型和軌跡模型的建立對(duì)過(guò)濾介質(zhì)攔截雜質(zhì)的機(jī)理有了新的認(rèn)識(shí)。IWASAKIT等經(jīng)典的宏觀（唯象）過(guò)濾理論認(rèn)為，減小濾料粒徑采用精細(xì)濾床能增大濾床的表面積，提高濾床的納污容量[30]。 YAOKM 將軌跡理論方法應(yīng)用于廢水中膠體顆粒的過(guò)濾，建立了濾料粒徑和過(guò)濾效能的函數(shù)關(guān)系，從理論上證實(shí)了精細(xì)濾床高效過(guò)濾的可行性[31]。

精細(xì)濾床尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的原因是濾料自重小，在單一重力場(chǎng)作用下，傳統(tǒng)的反沖洗模式對(duì)濾料表面做功和速度梯度小，無(wú)法充分利用重力場(chǎng)中的能量，反洗效果差，亟需新型水力強(qiáng)化反沖洗技術(shù)的出現(xiàn)，

1890年，英國(guó)學(xué)者用空氣吹洗濾料后再用水進(jìn)行反沖洗的方法在當(dāng)時(shí)取得了良好的效果，氣水反沖洗技術(shù)逐漸形成。1900年，美國(guó)學(xué)者用空氣攪動(dòng)代替了攪動(dòng)耙子，氣水反沖洗技術(shù)開始進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用[32]。1960年以后，由于氣水反沖洗技術(shù)具有過(guò)濾周期較長(zhǎng)、濾速較高以及截污能力較強(qiáng)等優(yōu)越性，受到許多學(xué)者的關(guān)注，YAOKM[33]CLEASBYJL[34，35]、FITZPATRICKC SB[36～38]、AMIRTHARAJAHA[39-41]等學(xué)者就氣水反沖洗的機(jī)理過(guò)程等相關(guān)問(wèn)題展開了一系列的科學(xué)研究。

FAIRGM等認(rèn)為雜質(zhì)被清洗的主要因素是顆粒間的碰撞摩擦作用，而水流的剪切作用是次要因素4]；AMIRTHARAJAHA認(rèn)為反沖洗主要作用機(jī)制是流體動(dòng)力剪切，顆粒間的碰撞摩擦作用是次要的[39；李圭白和劉俊新認(rèn)為反沖洗是水流剪切力與顆粒碰撞摩擦力的共同作用結(jié)果，并提出了反沖洗高效區(qū)的概念，進(jìn)一步完善了反沖洗理論[43-46]

在大多數(shù)反沖洗試驗(yàn)研究中采用“黑箱法”，且反沖洗體系濾床呈流態(tài)化、離散式分布，具有隨機(jī)性、無(wú)序性，經(jīng)典的解析方法很難描述流態(tài)化濾床本構(gòu)特征。因此需要一種微觀可視化的有效手段，闡明反沖洗過(guò)程單（群）體顆粒的微觀行為，揭示反沖洗濾床限域傳質(zhì)行為和濾料再生途徑。

文獻(xiàn)[47，48]通過(guò)內(nèi)窺鏡觀測(cè)法提出氣流和亞流態(tài)化水流同時(shí)產(chǎn)生的時(shí)刻稱為脈沖塌陷時(shí)刻，并推導(dǎo)建立了脈沖塌陷方程。FITZPATRICKCSB和IVESKJ使用內(nèi)窺鏡觀察到流體剪切、顆粒碰撞和氣泡通過(guò)后的脈沖坍塌等現(xiàn)象，并對(duì)局部流體剪切應(yīng)力進(jìn)行了初步分析，由于氣泡與水流共同產(chǎn)生的剪切力和高效碰撞區(qū)產(chǎn)生的碰撞摩擦力更大，能夠產(chǎn)生更高水力速度梯度，濾料顆粒再生效率更高[37.49]。文獻(xiàn)[37]通過(guò)內(nèi)窺鏡實(shí)驗(yàn)裝置觀測(cè)到了這種脈沖塌陷現(xiàn)象。當(dāng)氣水同時(shí)通入濾床時(shí)，空氣以脈動(dòng)的方式穿過(guò)床層，其中介質(zhì)一般向下和向內(nèi)移動(dòng)，朝向形成和坍塌的氣穴，形成脈沖塌陷現(xiàn)象。

此后，許多學(xué)者在反沖洗參數(shù)[50-53]、濾床膨脹特性[54]等方面進(jìn)行研究，豐富了濾床反沖洗理論，推動(dòng)了反沖洗技術(shù)的發(fā)展。鄒偉國(guó)和朱月海對(duì)氣水反沖洗的參數(shù)選擇、進(jìn)水進(jìn)氣壓力等問(wèn)題進(jìn)行研究，總結(jié)出了切實(shí)可行的解決方法[55]。張俊貞等闡明了氣水反沖洗作用機(jī)理，推導(dǎo)出深層濾床高效反洗速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式[56]。

氣水聯(lián)合反沖洗過(guò)程中出現(xiàn)的脈沖塌陷現(xiàn)象是一種弱脈沖形式，應(yīng)用于油田水處理精細(xì)濾床難以實(shí)現(xiàn)濾料徹底再生。另外，內(nèi)窺鏡技術(shù)幀數(shù)和精度有限，難以準(zhǔn)確捕捉更加微觀和高速狀態(tài)下的顆粒運(yùn)動(dòng)和污染物遷移脫附過(guò)程。因此，基于更加先進(jìn)的高速攝像與微流控技術(shù)闡明構(gòu)建快速成床深度過(guò)濾模型，闡明水力動(dòng)態(tài)反沖洗濾床再生行為及機(jī)制、濾床結(jié)構(gòu)和過(guò)濾精度的響應(yīng)關(guān)系等，使其物化工藝提質(zhì)增效滿足水質(zhì)達(dá)標(biāo)處理是今后重要研究方向[57.58]

4結(jié)束語(yǔ)

隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，油水乳液穩(wěn)定性研究逐漸采用微觀視域可視化技術(shù)，宏觀與微觀結(jié)合極大地促進(jìn)了機(jī)理研究的進(jìn)步。利用多種可視化技術(shù)相結(jié)合，多維度獲取界面膜信息是發(fā)展方向。三元采出水體系復(fù)雜，導(dǎo)致油田現(xiàn)有過(guò)濾工藝達(dá)標(biāo)困難，根本原因是反沖洗不徹底，傳統(tǒng)反沖洗模式已經(jīng)不適用于目前的三元驅(qū)采出水，基于可視化技術(shù)研發(fā)新型反沖洗技術(shù)，強(qiáng)化反洗過(guò)程的能量傳遞是解決這一問(wèn)題的必經(jīng)之路。

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（收稿日期：2024-07-03，修回日期：2025-07-10）

Research Progress in the Stability of Produced Water and the Visualization of Filtration and Backwashing Technology in ASP Compound Flooding

WANGYu-guo1，AO Lu'，WANG Fei'，MENG Liang'，LI Ke2

（1. Daqing Oilfield Water Utilities and Environmental Protection Company ; 2.School ofCivil EngineeringandArchitecture，NortheastPetroleumUniversity）

AbstractThe complexity and strong stability of the ASP compound flooding produced water system troubles theexisting setlement-filtration technology in reaching the target in the oilfield.In this paper，the application progress of the visualization technologies such as molecular simulation and high-speed camera in theoilfield produced water stability and filtration backwashing technologywas reviewed.In addition，with the help of emerging visualization technologies，both stability and destabilization behavior of the ASP compound flooding produced water system was discussed，including the filtration mechanism and separation behavior of the filter bed to produce a new efcient destabilization method for the produced water and a new rapid-deep bed filtration mode.Visualization technology is an important means to help the development of oilfield water treatment technology in the future.

Key Words oily water treatment，molecular simulation，high-speed camera，visualization，stability