含油污泥調剖體系的制備及調剖性能評價*

戴彩麗，徐忠正，劉佳偉，孫 雯，陳 佳，趙 光，李 琳

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；2.山東省油田化學重點實驗室，山東青島 266580）

含油污泥已經成為開發過程中一種主要的伴生污染物。油田每年產生的含油污泥總量巨大，若污泥中含有的苯系物、酚類、蒽類等有毒物質未經處理直接排放，會對大氣、土壤、水體等生態環境造成破壞［1—3］。因此，無論從環境保護還是資源回收的角度考慮，油田亟需對含油污泥進行無害清潔化處理。目前，含油污泥的處理方法主要有調制-機械處理技術［4］、熱處理技術［5—6］、溶劑萃取技術［7］和污泥調剖技術［8—9］。雖然部分實現了含油污泥的無害清潔化處理，但仍存在能耗高、易造成二次污染的問題。含油污泥調剖技術投入較低，為含油污泥的無害化處理和資源化利用提供了新的途徑［10—11］。含油污泥調剖體系與地層具有良好的配伍性，可以對高滲透層段進行有效封堵，改善吸水剖面，提高注入水波及體積以及驅油效率，從而獲得顯著的經濟效益［12—13］。目前常用的含油污泥調剖技術處理工藝包括“熱水沖洗+藥物破乳+重力除油+離心脫水”的含油污泥預處理過程［14］，同時為了將污泥輸送到調剖目的層，避免攜帶液中污泥顆粒沉降速度過快，必須采取添加懸浮劑、乳化劑等措施提高污泥的懸浮性能［12，15—16］。

實際生產過程中經常存在含油污泥的含油量較高，且工程現場不具備除油除水設備條件的情況。為解決這一問題，本文分析了東風港油田現場含油污泥的組分特征和固相粒徑，采用機械篩分、乳化分散、懸浮降黏的方法，提高含油污泥的懸浮穩定性能，同時針對含油污泥的固液比、機械篩分轉速、攪拌時間等進行優化。對研發的體系進行注入性能、封堵性能、調驅效果等綜合性能評價，為含油污泥的現場處理及再利用試驗奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

乳化劑烷基酚聚氧乙烯醚羧酸鹽APEC-20、APEC-10（20、10 表示聚醚數），工業級（＞95%），山東臨沂市綠森化工有限公司；乳化劑吐溫20（Tween-20）、辛基苯基聚氧乙烯醚（X-100）、吐溫80（Tween-80）和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），分析純，國藥集團化學試劑有限公司；丙烯酸酯共聚物懸浮劑（SF）、纖維素類懸浮劑（SX）以及三乙醇胺單硬脂酸酯乳化劑（FM-20），工業級（＞95%），上海銀聰新材料科技有限公司；含油污泥樣品，東風港油田現場；清水，礦化度為400 mg/L；填砂管內徑為2.5 cm，長度分別為100、20 cm；模擬油，將油田區塊現場原油和煤油按質量比1∶10配制，25℃下的黏度為2.15 mPa·s、密度為0.785 g/cm3。

Waring-LB20E 變速研磨機，美國Waring 公司；Bettersize 2000激光粒度分析儀，丹東百特儀器有限公司；JSM-7500型SEM掃描電鏡，日本電子株式會社（JEOL）；Bruker-D8 Advance型XRD衍射儀，布魯克（北京）儀器有限公司；長填砂管多孔測壓實驗裝置、單管填砂管驅替實驗裝置，北京永瑞達公司。

1.2 實驗方法

（1）含油污泥組分分析

先用鋼絲網過濾去除含油污泥中的大體積固相，主要組成成分為油、水和固相顆粒，然后稱取少量的混合物置于坩堝中，放入110℃烘箱約24 h，損失的質量為水分質量，繼續500℃高溫處理4 h，損失的質量為油相質量，剩余質量為固相質量。實驗結果取5組實驗平均值。

（2）含油污泥懸浮實驗

將含油污泥加入水中，再加入不同的懸浮劑及乳化劑，使用變速研磨機攪拌，在常溫（25℃）和模擬地層溫度（90℃）條件下靜置，記錄懸浮時間。

（3）注入性能評價實驗

采用單管模型考察不同滲透率條件下的含油污泥調剖體系注入性能。用填砂管模擬目標地層，裝置示意圖見圖1。在90℃下，利用帶有攪拌功能的中間容器將處理后的含油污泥調剖體系（1 PV）注入填砂管中，測定封堵前后的壓力；建立長填砂管實驗模型，借助多孔測壓裝置，以各點壓降研究含油污泥調剖體系在地層深部的注入性能。填砂管（長100 cm）進口端為第1個測壓點，第2—5處測壓點依次相隔20 cm。在90℃下，先注入清水至壓力穩定，使填砂管充分飽和水；注入1 PV 含油污泥調剖體系，繼續水驅，記錄多點測壓裝置數據［17］。

圖1 長填砂管多孔測壓實驗流程示意圖

（4）封堵性能評價實驗

采用單管模型，用填砂管模擬儲層目標地層，在90℃條件下，水驅測定初始水測滲透率K1；利用帶有攪拌功能的中間容器將處理后的含油污泥調剖體系注入填砂管（長度為20 cm），測定封堵后的水測滲透率K2。按E=（K1-K2）/K1×100%計算封堵率E［18］。

（5）驅替潛力評價實驗

在90℃油藏條件下，采用單管填砂管模型評價含油污泥調剖體系封堵后的后續水驅驅油潛力。用填砂管模型模擬目標地層，裝置示意圖見圖2。在90℃下，遵循“由低泵入速度到高泵入速度”的原則將填砂管模型飽和模擬油，并將飽和油后的填砂管模型置于90℃恒溫箱中老化24 h；以0.5 mL/min的泵速水驅至產液含水率達到90%以上，記錄過程中的壓力、產水量和產油量；利用帶有攪拌功能的中間容器以0.5 mL/min 的泵速注入1 PV 含油污泥調剖體系對目標地層進行封堵，記錄注入過程中的壓力、產水量和產油量；再次水驅至產液含水率達到90%以上，記錄過程中的壓力、產水量和產油量，計算采收程度增值。

圖2 單管填砂管驅替實驗流程示意圖

2 結果與討論

2.1 含油污泥的基礎性質

2.1.1 外觀形貌

含油污泥樣品目測外觀為黑褐色，呈現為黏稠膏狀，其中含有石塊、布條、樹枝等大體積固相雜質，pH 值為7.4～7.8，表觀黏度約213 mPa·s。實驗室可用濾網除去大體積固相，施工現場可用高壓水沖洗并破壞油泥中的包體，利用振動篩網去除大體積固相雜質。

2.1.2 含油污泥組分

由5 組平行實驗結果可得，含油污泥平均油相含量為59.42%，平均水相含量為5.38%，平均固相含量為35.2%。

2.1.3 固相顆粒表觀形貌及粒徑

通過室內分離實驗，將含油污泥內的油相以及雜質濾去，通過變速搗碎機進行粒徑控制，采用粒度分析儀分析固相顆粒搗碎前后的粒徑分布，結果如表1、表2所示。固相顆粒搗碎前的固相粒徑主要集中分布在15～54 μm，經過變速搗碎機處理后的固相粒徑分布均勻，粒徑主要分布在2～13 μm。

表1 機械搗碎前的固相粒徑大小及分布

表2 機械搗碎后的固相粒徑大小及分布

通過SEM 掃描電鏡觀察固相（油污處理后）顆粒機械搗碎前后的表觀形貌。機械搗碎前，固相泥沙相互團聚形成形狀、體積不均勻的顆粒；機械搗碎后的顆粒變小，分布均勻。

圖3 固體顆粒機械搗碎前（a）后（b）的掃描電鏡照片

2.1.4 固相顆粒礦物成分

通過清洗、高溫處理固相顆粒，用XRD 衍射儀測得固相顆粒的礦物成分為：10.8% SiO2、29.5%CaSO4、24.4% CaCO3、6.1% MgFe2O4、5.1% Fe2O3、21.8%KAl2Si3AlO10（OH）2、2.2%BaSO4。脫水、脫油處理后的泥土是由不同粒徑顆粒組成的混合物，這些泥土顆粒來自地層，泥質主要礦物成分為CaSO4、CaCO3等，在復配體系中應避免添加劑與泥質的反應。

2.2 含油污泥調剖配伍性

2.2.1 懸浮劑的篩選

初步選取了SF 和SX 兩種工業化的懸浮劑，在25℃、固液質量比為8%的條件下，懸浮劑加量對含油污泥懸浮時間的影響如表3所示。為達到油田現場含油污泥回注實用要求，以懸浮時間10 h 為參考，在常溫25℃條件下，SX懸浮劑在0.4%的加量下仍未達到要求，而加入0.2%SF 懸浮劑即已滿足條件，故優選SF懸浮劑開展后續研究。

表3 懸浮劑加量對含油污泥懸浮時間的影響

2.2.2 乳化劑的篩選

在SF 懸浮劑加量為0.2%時，初步選取了APEC-20、Tween-20、X-100、FM-20、APEC-10、Tween-80和SDBS 7種油田現場常用的乳化劑。在25℃下不同加量乳化劑對含油污泥懸浮時間的影響如表4所示。在常溫25℃條件下滿足懸浮性能技術指標（10 h）且未出現明顯分層的體系為：0.2%SF+0.2%FM-20 和0.2%SF+0.2%X-100。通常，溫度越高，顆粒體系穩定性越差，導致體系沉降加速，懸浮時間減少。根據油田實際情況，在90℃下對以上兩個體系進一步篩選發現，0.2%SF+0.2%FM-20對污油的乳化能力更強，懸浮時間更長，故優選0.2%SF+0.2%FM-20為調剖體系配方。

表4 不同加量乳化劑對含油污泥懸浮時間的影響

2.3 含油污泥調剖體系使用條件優化

2.3.1 固液質量比

固液比為加入原始（未經機械搗碎）含油污泥和水的質量比。優化固液比能進一步提升含油污泥的處理效率，有效利用油田現場資源。在90℃下，采用配方為0.2%SF+0.2%FM-20 的調剖體系，考察固液比對含油污泥懸浮時間的影響，以懸浮時長達到10 h為評價標準。由表5可見，在90℃下，達到懸浮10 h 條件的固液比分別為4%和8%，且均未出現明顯的沉降現象，故適宜的固液比為4%～8%。固液比為4%和8%時，含油污泥調剖體系的中值粒徑（D50）較小，有利于調剖體系的運移。

表5 固液比對含油污泥懸浮時間的影響

2.3.2 剪切轉速及時間

在室內實驗階段，使用高速剪切機控制體系粒徑和促進乳化劑的乳化作用。設置高速剪切機轉速為1600、3200、6400、9600、12800 r/min，在溫度為25℃、固液比8%、調剖體系配方為0.2% SF+0.2%FM-20 的條件下，以懸浮時間10 h 為評價指標。在優化剪切轉速時，攪拌時間相同（3 min），隨著轉速的增加，出現少許分層的時間后移，故適宜的轉速約為6400 r/min。在優化剪切時間時，在轉速相同的情況下，攪拌時間越長可增強懸浮性能，當攪拌時間達到2～3 min時即可滿足懸浮性能的要求。

2.4 性能評價

2.4.1 注入性能

調剖體系配方為0.2%SF+0.2%FM-20，固液比8%，剪切轉速6400 r/min，剪切時間3 min，清水配液，溫度90℃（后續實驗均在此條件下進行）。由圖4可見，在填砂管滲透率不同的條件下，含油污泥調剖體系均具有良好的注入性能，但存在注入能力的差別，注入壓力的增幅不同。在滲透率較低的填砂管（＜1 μm2）中，注入壓力前期上升較緩、后期上升較快。這是由于注入初期粒徑較小的顆粒優先進入流動阻力小的大孔喉，含油污泥乳化懸浮液在到達地層一定深度后，受地層水沖釋及地層巖石的吸附作用，乳化懸浮體系分解，其中的泥質顆粒吸附膠質、瀝青質和蠟質，并通過它們粘連聚集形成較大粒徑的“團粒結構”并沉降在大孔道中，使大孔道通徑變小，造成堵塞，使得壓力上升。當滲透率較大時（＞2 μm2），孔喉半徑遠大于含油污泥調剖劑顆粒的粒徑，不易封堵。隨著注入量的增加，顆粒之間通過架橋形成一定的封堵，但是這種架橋封堵能力較弱，導致注入壓力增長緩慢。

圖4 填砂管滲透率對調剖體系注入性能的影響

在長填砂管實驗模型中，借助多孔測壓裝置，采用恒速注入的方法通過沿程壓力值的變化研究含油污泥調剖體系的注入性能。由圖5 可見，在不同的測量點均有明顯的壓力變化。在注入1 PV 含油污泥調剖體系后，測壓點1、2、3的壓力均上升，隨著后續水驅將含油污泥調剖體系顆粒向深部運移，測壓點4、5 出現壓力上升，說明該含油污泥調剖體系具有較好的注入性能。調剖完成后需停泵轉后續水驅，此時會出現壓力再平衡，導致壓力值突然下降。隨著后續水驅繼續進行，沿程壓力值升至峰值，注入水突破后沿程壓力值下降并逐漸趨于平衡。

圖5 長填砂管模型內各點壓力隨注入量的變化

2.4.2 封堵性能

攪拌處理后的含油污泥調剖體系注入地層后，對目標地層產生封堵作用。使用封堵率來表征含油污泥調剖體系的封堵性能。由表6 可見，含油污泥調剖體系具有較優的封堵性能，封堵率達到90%以上。

表6 含油污泥調剖體系對不同滲透率填砂管模型的封堵性能

2.4.3 調驅效果

在90℃油藏條件下，含油污泥調剖體系封堵后的后續水驅驅油潛力如圖6 所示。經過調剖改善后，后續水驅采出程度增值達25.01%。

圖6 含油污泥調剖體系的調驅效果

初始階段水驅后，優勢滲流通道形成，造成含水率不斷提升，水驅無效循環。此時，注入含油污泥調剖體系進行封堵，在注入壓力的作用下，注入的體系能優先進入填砂管模型高滲部位，通過顆粒的滯留、吸附或聚集對高滲部位進行有效的調控。注入壓力升高，迫使后續水流轉向中低滲層未波及區域，從而啟動中低滲部位，將其中的剩余油驅替出。

3 結論

東風港油田含油污泥的組成成分包括59.42%油相、5.38%水相和35.2%泥沙，礦物成分以CaSO4、CaCO3為主，初始粒徑集中在15～54 μm，黏度為213 mPa·s，pH值為7.4～7.8。機械搗碎處理可將含油污泥顆粒粒徑主要控制在2～13 μm。

在含油污泥中加入配方為0.2%丙烯酸酯共聚物懸浮劑（SF）+0.2%三乙醇胺單硬脂酸酯乳化劑（FM-20）的調剖體系，常溫和90℃下均可使懸浮時間大于10 h。建立以機械剪切法制備含油污泥調剖體系的工藝方法，含油污泥和水的質量比4%～8%，剪切轉速約6400 r/min，剪切時間約3 min。

含油污泥調剖體系的注入性和封堵性較好，對不同滲透率填砂管模型的封堵率大于90%。單管填砂管實驗模型經含油污泥調剖后，后續水驅的采出程度提高了25.01%。