化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

樊澤霞, 王杰祥, 王業(yè)飛, 劉德新, 趙修太

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

儀器設(shè)備研制與應(yīng)用

化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

樊澤霞, 王杰祥, 王業(yè)飛, 劉德新, 趙修太

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

介紹了化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)與完善，以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的管理模式。探索了提高學(xué)生知識(shí)運(yùn)用與創(chuàng)新實(shí)踐能力的具體方法,介紹了所取得的教學(xué)效果。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 平臺(tái)構(gòu)建； 原油采收率； 化學(xué)法

石油作為核心能源,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建設(shè)中占有重要地位。提高原油采收率是石油工業(yè)界最為關(guān)心的問(wèn)題,是石油工業(yè)永恒不變的主題。提高原油采收率可用化學(xué)驅(qū)和混相驅(qū)、注水井調(diào)剖和油井堵水等化學(xué)方法[1]。以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ) 是研究化學(xué)法提高原油采收率的重要工具和有效途徑。中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)室是其重要組成部分。為了適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)對(duì)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的需求,2010年石油工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革增加了綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)[2-3]。如何利用現(xiàn)有教學(xué)與科研資源,構(gòu)建化學(xué)法提高原油采收率的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),對(duì)于開(kāi)拓石油工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生視野和向社會(huì)輸送具有實(shí)踐能力的創(chuàng)新人才具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建內(nèi)容

為了加強(qiáng)大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng),石油工程學(xué)院根據(jù)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo),充分利用現(xiàn)有教學(xué)與科研等有效資源,對(duì)化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革,在內(nèi)容上縮減了部分驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),加強(qiáng)了綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),增加了研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。依托石油工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,構(gòu)建了化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)構(gòu)建內(nèi)容見(jiàn)圖1。

圖1 提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建內(nèi)容

化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置以演示型實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐,強(qiáng)化教學(xué)過(guò)程中教與學(xué)的互動(dòng),充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性,多層次培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維及能力。平臺(tái)由3個(gè)層次構(gòu)成:第1個(gè)層次為演示、驗(yàn)證和基本操作,目的是鞏固課堂理論教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?；?個(gè)層次是綜合型實(shí)驗(yàn),通過(guò)學(xué)生的自主設(shè)計(jì),培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)、科學(xué)分析和解決問(wèn)題，學(xué)生能運(yùn)用已掌握的知識(shí)自主完成實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程并對(duì)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)分析和探討；第3個(gè)層次是創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)內(nèi)容的自主性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的未知性和實(shí)驗(yàn)方法的探索性。學(xué)生經(jīng)過(guò)不斷探索和實(shí)踐,加強(qiáng)自身研究和學(xué)習(xí),逐步提高創(chuàng)新思維和科學(xué)研究能力[4-5]。這3個(gè)層次設(shè)置的內(nèi)容,能使學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握做到前后融會(huì)貫通,創(chuàng)新實(shí)踐能力得到不斷提升。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)與完善

為了培養(yǎng)和提高學(xué)生理論與實(shí)際結(jié)合的能力,我校加大了化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)的硬件投入,購(gòu)買(mǎi)了一些比較先進(jìn)的科學(xué)儀器，如購(gòu)買(mǎi)的流變性測(cè)定儀(見(jiàn)圖2),可以用于測(cè)定聚合物溶液的黏彈性。聚合物驅(qū)是一種重要的 EOR 方法,在傳統(tǒng)理論教學(xué)中,普遍認(rèn)為聚合物驅(qū)提高原油采收率的重要原因是聚合物溶液黏度很大,能在油層中改善油水流度比,增加驅(qū)油劑的波及系數(shù)。但近些年有學(xué)者提出“聚合物溶液提高原油采收率不僅與其黏性相關(guān),也與其彈性相關(guān)”的新觀點(diǎn)。為了讓學(xué)生及時(shí)了解和準(zhǔn)確接受相關(guān)領(lǐng)域的新觀點(diǎn),在聚合物性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)流變性測(cè)定儀測(cè)定聚合物溶液的黏性和彈性,進(jìn)而判別該條件下的黏性與彈性究竟哪個(gè)因素在 EOR中占主要地位,以加深學(xué)生對(duì)聚合物驅(qū)提高原油采收率機(jī)理的新認(rèn)識(shí)。黏彈性測(cè)定實(shí)驗(yàn),使學(xué)生對(duì)聚合物提高原油采收率有了全面正確的認(rèn)識(shí)。另外,化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還增加了激光粒度分析儀(見(jiàn)圖3)。激光粒度分析儀可用于測(cè)定物質(zhì)的粒徑大小及分布狀況。注水井調(diào)剖和油井堵水是重要的提高原油采收率技術(shù),同時(shí)也是其他提高原油采收率技術(shù)(如化學(xué)驅(qū)、混相驅(qū)、熱采和微生物驅(qū)等)不可缺少的配套技術(shù)。調(diào)剖堵水效果關(guān)鍵靠堵劑性能。堵劑粒徑大小及分布是優(yōu)選堵劑的重要指標(biāo)。通過(guò)對(duì)不同堵劑粒徑及分布的測(cè)定,結(jié)合調(diào)剖堵水動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn),學(xué)生認(rèn)識(shí)到堵劑粒徑與地層孔喉結(jié)構(gòu)匹配才會(huì)產(chǎn)生良好的調(diào)堵效果。學(xué)生會(huì)自覺(jué)地去進(jìn)一步探討：如粒徑與地層孔喉怎樣匹配堵水效果好，堵劑在地層中以怎樣的形式進(jìn)行封堵等問(wèn)題，創(chuàng)新思維及實(shí)踐能力隨之得以提升。

圖2 流變性測(cè)定儀

圖3 激光粒度分析儀

為了培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力,我校對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備根據(jù)需要進(jìn)行了集成、升級(jí)和改造。圖4是升級(jí)改造后的動(dòng)態(tài)驅(qū)替模擬裝置。這套裝置根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際主要進(jìn)行了如下改造:一是把套在巖心夾持器上的膠皮材料全部用石墨條替換下來(lái),加強(qiáng)了巖心夾持器的密封性和抗溫性，裝置改造后可以進(jìn)行對(duì)溫度和壓力等條件要求較高的蒸汽驅(qū)、泡沫驅(qū)等模擬實(shí)驗(yàn),擴(kuò)大了適用范圍；二是用細(xì)長(zhǎng)管代替原來(lái)的短巖心,細(xì)管的長(zhǎng)度可達(dá)30 m或更長(zhǎng),以利于更好地模擬和分析地層深部調(diào)堵過(guò)程。我校還整合集成現(xiàn)有科研資源,將部分用于科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)學(xué)生開(kāi)放,形成了6個(gè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn):調(diào)剖可視化平板模擬實(shí)驗(yàn)、堵水可視化平板模擬實(shí)驗(yàn)、聚合物驅(qū)可視化平板模擬實(shí)驗(yàn)、表活劑驅(qū)可視化平板模擬實(shí)驗(yàn)、復(fù)合驅(qū)可視化平板模擬實(shí)驗(yàn)、技術(shù)結(jié)合提高采收率可視化平板模擬實(shí)驗(yàn)?？梢暬桨迥M裝置見(jiàn)圖5。該裝置由攝取臺(tái)、錄像機(jī)、監(jiān)視器、計(jì)算機(jī)等部分組成。

圖4 動(dòng)態(tài)驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 可視化模擬實(shí)驗(yàn)裝置

化學(xué)法提高原油采收率研究是一個(gè)由實(shí)踐到理論的不斷升華過(guò)程。通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn),學(xué)生不但可以直觀清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程和細(xì)節(jié),還能通過(guò)生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及圖像進(jìn)一步從理論上去理解、分析和總結(jié)各種化學(xué)法提高原油采收率的技術(shù)原理,有利于科學(xué)指導(dǎo)后期的實(shí)踐活動(dòng),激發(fā)學(xué)生進(jìn)行更多創(chuàng)新。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)第3個(gè)層次的設(shè)置,使學(xué)生在掌握了各項(xiàng)化學(xué)法提高原油采收率技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的協(xié)同效用進(jìn)一步提高原油采收率,目的在于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新。如通過(guò)“技術(shù)結(jié)合提高采收率可視化平板模擬實(shí)驗(yàn)”,學(xué)生能直接通過(guò)平臺(tái)觀察到稠油降黏與油井堵水結(jié)合技術(shù)實(shí)施的整個(gè)過(guò)程(見(jiàn)圖6 — 圖9)。圖6模擬的是注入水沿高滲透層突進(jìn)到油井(白色部分是水)。通過(guò)這部分實(shí)驗(yàn)的觀察,學(xué)生會(huì)認(rèn)識(shí)到:由于地層不均質(zhì),注入水容易沿高滲透層突進(jìn)到油井,導(dǎo)致采出液含水量升高,故應(yīng)采取堵水措施。另外,低滲透層中稠油因?yàn)轲ざ却蟛蝗菀妆凰?qū)出,生產(chǎn)時(shí)需要對(duì)稠油降黏才能采出低滲透層中的稠油。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行深入分析,結(jié)合所學(xué)理論知識(shí),順理成章地提出“稠油降黏與油井堵水結(jié)合”的EOR技術(shù)。圖7模擬的是將降黏劑從油井注入到高滲透層,降黏劑儲(chǔ)存在高滲透層中(藍(lán)色部分是降黏劑)。圖8模擬的是從油井注入堵劑,堵劑將降黏劑封堵在高滲透層,避免降黏劑在恢復(fù)注水時(shí)隨水突入到油井(綠色部分是堵劑)。圖9是注入堵劑后恢復(fù)注水,降黏劑被水帶到低滲透層,低滲透層中的稠油被含有降黏劑的水驅(qū)出。然后通過(guò)圖像分析軟件對(duì)水驅(qū)過(guò)程、結(jié)合技術(shù)實(shí)施過(guò)程的采收率進(jìn)行比較,結(jié)果一目了然,稠油降黏與油井堵水結(jié)合技術(shù)可以有效開(kāi)采稠油,從而很大程度地提高稠油采收率?？梢暬桨迥M實(shí)驗(yàn)把看不見(jiàn)摸不著的復(fù)雜地層通過(guò)清晰的圖像生動(dòng)地展示在學(xué)生面前,計(jì)算機(jī)分析軟件根據(jù)圖像能自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并計(jì)算出原油最終采收率。這些先進(jìn)的技術(shù)手段使學(xué)生對(duì)科學(xué)研究產(chǎn)生了濃厚的興趣,促使他們產(chǎn)生更多、更深的思考，比如提高采收率的化學(xué)方法與技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用會(huì)不會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效用？物理法和化學(xué)法結(jié)合提高采收率效果會(huì)不會(huì)更好？……在學(xué)生帶著這些疑問(wèn)進(jìn)一步去思考和探究,必要時(shí)教師適當(dāng)加以引導(dǎo),學(xué)生的創(chuàng)新能力一定會(huì)被進(jìn)一步提高。

圖6 注入水沿高滲透層突進(jìn)

圖7 降黏劑優(yōu)先進(jìn)入高滲透層

圖8 堵劑優(yōu)先進(jìn)入高滲透層

圖9 稠油被含降黏劑的水驅(qū)出

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的管理模式及成效

化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革除了在內(nèi)容上縮減了部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、加強(qiáng)了綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和增加了研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)外,在形式上還實(shí)行了開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)[6]。實(shí)行開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生有了更多的靈活選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間的機(jī)會(huì),但對(duì)指導(dǎo)教師提出了更高的要求,教師工作量隨之大大增加。為了調(diào)動(dòng)教師對(duì)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的積極性,保證開(kāi)放實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行,學(xué)校根據(jù)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的工作量及成果情況對(duì)指導(dǎo)教師給以相應(yīng)的補(bǔ)貼,并在年終評(píng)優(yōu)、職稱(chēng)評(píng)定時(shí)予以優(yōu)先考慮。另外,還通過(guò)聘請(qǐng)研究生做實(shí)驗(yàn)助理,來(lái)解決實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍不足的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)助理主要參與實(shí)驗(yàn)室的日常管理。采用實(shí)驗(yàn)助理的管理模式,解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍數(shù)量暫時(shí)不足的問(wèn)題,同時(shí)培養(yǎng)了研究生的管理能力。另外,學(xué)校根據(jù)實(shí)際情況,及時(shí)補(bǔ)充師資加入到實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)隊(duì)伍中。新增教師責(zé)任心要強(qiáng)、業(yè)務(wù)素質(zhì)要高,以保障化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利進(jìn)行。

教育心理學(xué)研究表明,任何知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程都包含著一系列復(fù)雜的心理活動(dòng),學(xué)習(xí)效果如何,與這些心理活動(dòng)的發(fā)展水平有關(guān)[7-8]。學(xué)生學(xué)習(xí)是處于被動(dòng)狀態(tài)、依賴性強(qiáng),還是主動(dòng)積極、獨(dú)立性強(qiáng),在較大程度上制約了學(xué)習(xí)的成效?；瘜W(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)模式是以教師為主體,通常由教師提前準(zhǔn)備好,學(xué)生只要按照實(shí)驗(yàn)步驟完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)程序,最后寫(xiě)一份報(bào)告交給教師就完事。這種模式不僅使學(xué)生缺乏自主思考的時(shí)間和空間,影響學(xué)生動(dòng)手操作能力的提高,而且還制約了學(xué)生自主能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革后,實(shí)驗(yàn)主要以學(xué)生為主,學(xué)生可以選擇自己比較感興趣的實(shí)驗(yàn)題目,然后自行設(shè)計(jì)方案、自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中,學(xué)生提出的許多問(wèn)題,教師要善于用引導(dǎo)和啟發(fā)的教學(xué)方式,讓學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)去進(jìn)行研究,而不是直接告訴他答案,授人以漁而非魚(yú)。這個(gè)過(guò)程同時(shí)也是教師不斷豐富和完善自我,與學(xué)生共同提高的過(guò)程[7-8]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,除學(xué)生自主地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題外,教師更要通過(guò)各種途徑創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題。教師還要耐心地傾聽(tīng)學(xué)生對(duì)問(wèn)題的討論和見(jiàn)解,以體現(xiàn)對(duì)學(xué)生的尊重和信任。采用啟發(fā)式和互動(dòng)式教學(xué)方法,有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性,突出其主體地位,在化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)中獲得了理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[9-10]。

高等教育信息化建設(shè)是國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的重要內(nèi)容,石工學(xué)院依托石油工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)中心,建立了化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化子平臺(tái)。該信息化管理平臺(tái)將實(shí)驗(yàn)教學(xué)、管理、考核等功能有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放式、分散式、預(yù)約式、自助式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化能夠滿足實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放和師生互動(dòng)交流的要求,保障了化學(xué)法提高原油采收率開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行,提高了實(shí)驗(yàn)管理效率。

化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建立以來(lái),通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和學(xué)校對(duì)優(yōu)勢(shì)學(xué)科創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)經(jīng)費(fèi)投入的逐步加大,學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)明顯有了提高。近3年來(lái),在平臺(tái)上開(kāi)展國(guó)家級(jí)和校院級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共252項(xiàng),獲得全國(guó)大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”一等獎(jiǎng)8人次,參加全國(guó)大學(xué)生“節(jié)能減排”一等獎(jiǎng)6人次,申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利8項(xiàng),發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文12篇。這些成績(jī)的取得都是對(duì)化學(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與建設(shè)的充分肯定。

4 結(jié)束語(yǔ)

高等素質(zhì)教育的核心是創(chuàng)造性培養(yǎng)。要培養(yǎng)出有創(chuàng)造性的人才,就要優(yōu)化創(chuàng)造環(huán)境、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造欲望、發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造思維[11-12]?；瘜W(xué)法提高原油采收率實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在提高大學(xué)生創(chuàng)新培養(yǎng)方面邁出了可喜的一步,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)還需要進(jìn)一步發(fā)展和完善,以滿足社會(huì)對(duì)創(chuàng)新人才的更高要求。

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Constrction of EOR experimental teaching platform by using chemical methods

Fan Zexia, Wang Jiexiang, Wang Yefei, Liu Dexin, Zhao Xiutai

(College of Petroleum Engineering ,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China)

The experimental teaching plays an important role in the cultivation of students’ autonomous learning bility and the ability of innovation and practice.The laboratory of EOR enhanced oil recovery by chemical methods is one of the important experimental teaching platform of the Petroleum Engineering Experimental Teaching Center of China University of Petroleum(East China),which is a national experimental teaching demonstration center.The specific means and methods to improve the students’ knowledge application and innovative ability are explored from the constrction content of EOR experimental teaching platform,improvement and perfection of the experimental devices, the management mode of experimental platform, the teaching methods, the teaching effect,etc.

experimental teaching； constrction of platform； enhanced oil recovery(EOR)； chemical method

2015- 02- 20 修改日期：2015- 04- 07

山東省教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目“打造優(yōu)質(zhì)資源平臺(tái)，提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力”(2013017)

樊澤霞(1966—)，女，山東青島,博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事油田化學(xué)方面的教學(xué)與科研工作.

E-mail：fanzexia@upc.edu.cn

G484；TE327

A

1002-4956(2015)10- 0070- 04