污油泥在地層中運移規律研究

滕立勇，宋 華，蔣肇標，周煜航，鐘立國

(1.東北石油大學，黑龍江 大慶 163118；2.中國石油大學(北京)，北京 102200)

0 引 言

在石油生產過程中會產生大量的污油泥，根據相關資料統計，2014年中國原油總產量約為2.1×108t，產生的污油泥約為420×104t[1]。目前已有的污油泥處理技術主要包括焚燒處理技術、熱裂解處理技術、微生物降解法、溶劑萃取技術和固化處理技術等[1-6]。

污油泥調剖技術在中國已經進行了十多年的研究與應用，針對各油田實際油藏條件，開發出了不同類型的含油污泥調剖體系，取得了較好的應用效果[5， 7-17]。然而，現有的污油泥調剖研究主要偏向于現場實際應用效果，對污油泥在地層的運移規律缺乏系統深入的研究，而污油泥在地層中運移規律的認識對污油泥調剖技術的發展具有非常重要的理論指導性。

1 污油泥運移規律物理模擬實驗研究

1.1 實驗樣品

實驗選取遼河油田曙光采油廠污油泥為樣品。污油泥三相分析結果顯示，污油泥水相含量為84%，油相含量為8%，固相含量為8%。油相組分中飽和烴和芳香烴含量最高，其中，飽和烴含量達到50%以上。污油泥水相的總礦化度為4 000～6 000 mg/L，水相中的礦物離子主要為硫酸鹽、氯化物、鈉離子和重碳酸鹽，且其中的重碳酸鹽含量最高，污油泥水相pH值為7.76～8.32。污油泥固相主要由非黏土礦物組成，其在固相礦物的含量達到90%以上，非黏土礦物中，礦物含量最多的是非晶質組分， 其含量達到非黏土礦物總含量的46.4%～83.3%。當污油泥溫度為40～120 ℃時，其黏度為828～2 154 mPa·s。實驗所用填砂管的長度為14.8 cm，直徑為2.1 cm，實驗所用砂樣為遼河油田地層砂。

1.2 實驗原理及方法

由于單填砂管封堵實驗難以研究污油泥在地層深部的運移規律，因此，采用污油泥串聯填砂管封堵實驗進行研究。串聯模型中前后2個填砂管的初始滲透率相同，用以模擬污油泥注入直井并進入水平均質地層的現場實際條件，通過測量計算串聯模型中前后填砂管的滲透率和封堵率來研究污油泥對地層的封堵規律。其中，封堵率=(封堵前滲透率-封堵后滲透率)/封堵前滲透率。

實驗裝置流程如圖1所示。實驗方法及步驟如下：①按實驗條件填砂制作填砂管，填砂管初始滲透率分別為5 000.0×10-3、10 000.0×10-3、20 000.0×10-3、25 000.0×10-3μm2；②將2個填砂管組成串聯模型(前后2個填砂管的初始滲透率相同)并置于一定溫度的恒溫箱中；③按順序累計注入0.5、1.0、2.0、4.0倍孔隙體積污油泥到串聯模型中，分別測量串聯模型中前后2個填砂管的滲透率，并計算串聯模型中2個填砂管的封堵率。

圖1 污油泥串聯封堵實驗流程

1.3 實驗結果及分析

1.3.1 注入少量污油泥條件下填砂管封堵率結果分析

在污油泥串聯封堵實驗中，當注入0.5倍孔隙體積污油泥后，串聯模型中的前填砂管封堵率已經達到98.00%，甚至99.00%以上(前填砂管滲透率基本下降到200.0×10-3μm2以下)，但由于注入串聯模型中污油泥量較少，只有很少量的污油泥組分進入到后填砂管，此時后填砂管的封堵率一般只有30.00%左右。

1.3.2 不同滲透率條件下污油泥封堵變化規律

因串聯模型在注入0.5倍孔隙體積污油泥后，串聯模型中前填砂管的封堵率已經基本達到99.00%以上，因此，將不再分析前填砂管的封堵率變化，主要對后填砂管的封堵率變化進行分析。

圖2為注入不同量污油泥時后填砂管滲透率和封堵率的變化結果。由圖2可知，隨著污油泥累計注入量的增加，后填砂管的滲透率逐漸下降，封堵率逐漸上升。當累計注入4.0倍孔隙體積污油泥后，初始滲透率為25 000.0×10-3μm2時，后填砂管封堵率達到99.97%(即后填砂管滲透率從初始條件下的25 000.0×10-3μm2下降至6.7×10-3μm2)，初始滲透率為20 000.0×10-3μm2時，后填砂管封堵率達到93.10%(后填砂管的滲透率下降至1 242.0×10-3μm2)，初始滲透率為10 000.0×10-3、5 000.0×10-3μm2時，后填砂管的封堵率也分別達到80.00%(后填砂管滲透率下降至2 213.0×10-3μm2)、71.00%(后填砂管滲透率下降至1627.0×10-3μm2)。

圖2 串聯封堵實驗后填砂管滲透率和封堵率變化(污油泥注入溫度為80℃)

由上述研究結果可知，填砂管滲透率對污油泥的傳輸性能影響很大，填砂管滲透率越大，越有利于污油泥的傳輸，尤其是當填砂管初始滲透率達到20 000.0×10-3μm2以上時，污油泥不再僅僅堆積在前填砂管，而是能夠通過前填砂管向后填砂管大幅運移傳輸，污油泥出現“滲流”現象。由此可知，當初始滲透率大于20 000.0×10-3μm2時，污油泥能夠進行大量傳輸運移。

1.3.3 污油泥注入溫度對污油泥封堵性能影響

圖3為污油泥在不同注入溫度下的封堵結果。由圖3可知，污油泥注入溫度對污油泥封堵性能影響較大，污油泥注入溫度過高其封堵性能會出現很大程度的下降，如在60～150 ℃的注入溫度范圍內，100 ℃時污油泥封堵性最好，此時后填砂管封堵率達到99.75%；而當污油泥注入溫度超過100 ℃后，污油泥封堵率開始大幅降低，當注入溫度達到150 ℃時，后填砂管的封堵率只有50.12%，下降程度非常明顯。

污油泥注入溫度對污油泥封堵性能影響的原因：從上述污油泥組分分析實驗可知，污油泥是一個含有油相、固相和水相的不穩定混合體系，污油泥在溫度不高的條件下穩定性較好，傳輸性也相對較好；而當溫度過高時，污油泥穩定性急劇下降，在填砂管里傳輸運移時因受到地層砂的剪切作用等，污油泥中水相、油相及固相組分有相互分離的趨勢，結果導致油相、固相組分主要堆積在前填砂管，而最終到達后填砂管的污油泥組分主要是水相，從而對后填砂管難以造成有效的封堵，導致后填砂管封堵率不高。

圖3 后填砂管封堵率變化(填砂管初

圖4為污油泥在填砂管砂樣中的分布。由圖4a可知，污油泥主要分布在前填砂管靠近污油泥注入口的前半段，污油泥基本沒有進入后填砂管；由圖4b可知，填砂管初始滲透率提高至20 000.0×10-3μm2時，污油泥進入前填砂管的深度比初始滲透率為10 000.0×10-3μm2的填砂管要深，有部分污油泥進入后填砂管注入口附近；由圖4c可知，填砂管初始滲透率提高至25 000.0×10-3μm2時，污油泥不僅大量注入到前填砂管的后半段，并且大量進入到后填砂管中。因此，當填砂管初始滲透率達到20 000.0×10-3μm2時，污油泥能夠注入到地層深部層位。

圖4 注入污油泥在填砂管砂樣中分布照片

遼河油田某蒸汽吞吐井在累計注入17 000 m3污油泥后，污油泥注入井的注入壓力仍然沒有大幅上升，表明污油泥沒有在近井地帶形成有效的封堵，初步認為可能是之前熱采過程中蒸汽注入壓力過高，導致地層出現裂縫以及地層巖石產生擴張作用(當注入壓力過高時，地層巖石因為擴張作用而導致近井地帶的地層滲透率大幅上升[18-19])，導致近井地帶地層滲透率達到20 000.0×10-3μm2甚至更大，從而導致注入的污油泥沒有聚集在近井地帶，而是通過高滲通道(滲透率大于20 000.0×10-3μm2層位)進入地層深部，導致污油泥注入壓力沒有大幅上升，污油泥的封堵效果變差。

2 污油泥運移規律理論計算研究

通過激光粒度分析儀測得不同類型污油泥固相粒徑范圍，整理后得到不同類型污油泥固相顆粒粒徑累計分布曲線(圖5)。由圖5可知，不同類型污油泥固相粒徑累計分布規律基本相同，對4種污油泥的粒徑累計分布曲線分別進行趨勢擬合，可知污油泥固相顆粒粒徑累計分布曲線基本符合y=Alnx+B的對數趨勢(x為固相顆粒粒徑，μm；y為粒徑累計分布百分比；A、B為常數)。

由于不同的砂樣具有不同的粒徑，因此，通過圖6可求出不同目數砂樣的最大孔喉直徑(表1)。由圖5可知，污油泥固相顆粒粒徑累計分布趨勢呈對數分布趨勢，通過擬合函數關系式可計算出不同粒徑下的的污油泥固相顆粒累計分布百分比。由于污油泥的固相組分難以運移通過填砂管模型，因此，只要污油泥固相顆粒直徑小于填砂管模型的最大孔喉直徑，則污油泥就能通過填砂管模型，而由污油泥固相顆粒粒徑累計分布百分比即可得出污油泥固相顆粒通過最大孔喉的累計百分比。通過計算得出的結果如表1所示，表中列出了4種污油泥樣品在對應目數砂樣中能通過最大孔喉的累計百分比。

實驗過程中不同滲透率填砂管模型由不同目數的砂樣填充得到，如表2左側2列所示，以20 000.0×10-3μm2填砂管模型為例，以40～60目砂樣填充，所對應砂樣粒徑為250～380 μm，從而可計算出填砂管模型中最大孔喉直徑為59 μm，查表1內容可計算出污油泥固相顆粒累計通過孔隙百分比，計算結果如表2右側4列所示。

Hands N等[20]在“理想充填理論”基礎上提出了d90經驗規則：當暫堵劑顆粒在其粒徑累計分布曲線上的d90 值(指90.00%的顆粒粒徑小于該值)與地層的最大孔喉直徑或最大裂縫寬度相等時，可取得理想的暫堵效果(即暫堵劑固相顆粒累計通過最大孔喉直徑)的累計百分比大于90.00%時，污油泥才會大量運移到地層深部層位)。d90經驗規則主要用于優選鉆井液中暫堵劑顆粒，此經驗是否適用于篩選污油泥還有待驗證。由上述實驗結果可知，當填砂管初始滲透率達到20 000.0×10-3μm2時，污油泥能夠通過前填砂管并大量進入后填砂管中，出現污油泥“滲流”現象。由表2可知，污油泥固相顆粒能通過20 000.0×10-3μm2的填砂管的百分比是64.26%，按照d90經驗規則，因為64.26%遠小于90.00%，則污油泥只會堆積在污油泥注入口附近而不會出現污油泥“滲流”現象，因此，d90經驗規則不能用于判斷污油泥是否能夠有效封堵地層。

圖5 不同污油泥樣品固相顆粒粒徑累計分布趨勢

圖6 污油泥固相顆粒通過巖石孔喉示意圖

由表1、2可知，如果污油泥粒徑主要分布范圍值小于地層的最大孔喉直徑，污油泥能夠大量進入到地層中。污油泥固相顆粒的主要粒徑為10～50 μm，其所占百分比為40%～50%，初始滲透率為20 000.0×10-3μm2的填砂管模型的最大孔喉直徑為59 μm，污油泥固相顆粒主要粒徑范圍小于最大孔喉直徑，因而，污油泥能夠大量進入填砂管模型中；而初始滲透率為10 000.0×10-3μm2的填砂管模型的最大孔喉直徑為39 μm，處于10～50 μm這個范圍之內，因而，污油泥不能夠大量傳輸進入初始滲透率為10 000.0×10-3μm2的填砂管模型中。由此可知，如果污油泥粒徑主要分布范圍值小于地層最大孔喉直徑，污油泥能夠大量進入到地層中。

綜上所述，在注入污油泥過程中，污油泥中的固相顆粒經過運移和地層剪切作用后再次分散成小顆粒，而小顆粒污油泥能夠較順利通過巖石孔喉；

表1 理論計算下污油泥固相顆粒通過填砂管巖心最大孔喉的累計百分比

表2 不同滲透率條件下污油泥固相顆粒通過填砂管巖心最大孔喉累計百分比

此外，在注入污油泥過程中，井底附近的地層壓力增幅較大，地層壓力的增加使巖石孔喉直徑出現一定程度的上升(如果地層巖石出現擴張現象，孔喉大小增幅會更加明顯)，這也有利于粒徑較大的污油泥固相顆粒通過地層。

3 結 論

(1) 污油泥串聯封堵實驗顯示，填砂管的滲透率越大越有利于污油泥在填砂管中進行傳輸運移，進入后填砂管的污油泥量也越多。當滲透率高于20 000.0×10-3μm2時，污油泥能夠進行大量傳輸運移，并出現“滲流”現象。

(2) 污油泥注入溫度對污油泥封堵性能影響很大，污油泥注入溫度過高其封堵性能會出現很大程度的下降。如在60～150 ℃溫度范圍內，100 ℃污油泥注入溫度的封堵性最好，但是當污油泥注入溫度超過100 ℃時，污油泥封堵效果會大幅變差。

(3)實驗分析和理論計算表明，如果污油泥粒徑主要分布范圍值小于地層最大孔喉直徑，污油泥能夠大量運移進入到地層中。