含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系的研制與性能評價*

楊佳旺，葛紅江，鐘立國，朱 宇，欒政宣

（1.中國石油大學（北京）非常規(guī)油氣科學技術(shù)研究院，北京 102249；2.中國石油大港油田分公司采油工藝研究院，天津大港 300280）

0 前言

在石油開采過程中，含油污泥被采出液從地層攜帶到地面［1-2］，其組成成分繁多、復(fù)雜，含有黏土顆粒、乳化油、有機質(zhì)、礦物以及大量化學藥劑等［3-5］。含油污泥氣味惡臭、油氣揮發(fā)污染空氣，堆放在地面污染土壤、地表水甚至地下水［6-7］。但含油污泥來源于地層，與地層具有很好的配伍性，具有一定的回收利用價值，因此需要對含油污泥進行合理處置［8-9］。

國內(nèi)外對含油污泥的處理方法有資源回收處理、無害化處理、綜合利用處理技術(shù)，如萃取法［10］、超聲處理法［11］、回注調(diào)剖法［12］。回注調(diào)剖法以含油污泥為原料進行化學處理，加入分散劑、表面活性劑、稠化劑等，形成的含油污泥調(diào)剖劑可封堵大孔道，提高注水波及體積和原油采收率［13-14］。滕立勇等［15］研究了含油污泥在地層中的運移規(guī)律。在含油污泥粒徑主要分布小于地層最大孔吼直徑時，含油污泥能大量運移進入地層。陳國福等［16］在大慶油田將6526 m3聚合物質(zhì)量濃度為0.6～1.2 g/L、含油污泥質(zhì)量分數(shù)小于6%的調(diào)剖劑注入地層，處理含油污泥267.2 t，平均壓力升高1.5 MPa，累積增油1135.2 t。鐘立國等［17］通過填砂管并聯(lián)實驗證實注入含油污泥可以封堵高滲填砂管從而改善蒸汽剖面，并在曙光油田45 口蒸汽井中注入13.32 萬噸含油污泥進行調(diào)堵，累積增產(chǎn)20%。唐金龍等［18］在河南油田3口井中累積注入調(diào)剖劑9024 m3，其中含油污泥調(diào)剖劑5309 m3，平均壓力上升2.1 MPa，半年累積增油815 t。這些方法取得了一定的效果，但也存在不足，如含油污泥粒徑與孔吼直徑不匹配導(dǎo)致不易注入、含油污泥含量過高不耐沖刷、達不到預(yù)期的效果等。另外，需要對含油污泥的粒徑進行篩選，不能充分回收利用含油污泥。

將微納米顆粒與表面活性劑結(jié)合，可以通過楔形擠壓效應(yīng)、降低油水間界面張力、改變巖石表面潤濕性提高采收率［19-22］。張宗勛［23］將不同尺寸的納米SiO2顆粒進行表面處理，與水驅(qū)相比，注入納米顆粒可提高采收率5.3%，泡沫體系攜帶納米SiO2驅(qū)替可提高采收率24.2%。張娜［24］研制的CQ-III型納米智能驅(qū)油劑的粒徑中值約為33 nm，可以隨著驅(qū)替液流動到小孔隙中，增大波及體積，室內(nèi)驅(qū)油實驗的采收率增幅為1.07%～10.23%。陶曉賀［25］制備的含有SiO2顆粒的納米分散液在質(zhì)量濃度為2 g/L時可提高采收率達26.0%。由此可見，微納米顆粒能強化表面活性劑的驅(qū)油效果。本文將含油污泥經(jīng)球磨處理成微納米顆粒，然后與表面活性劑結(jié)合，通過攪拌、超聲、離心形成穩(wěn)定的含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系；研究了該體系的粒徑分布、乳化能力和驅(qū)油能力。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

含油污泥，含水率為65.48%，含油率為11.63%，固含量為22.89%，大港油田含油污泥處理廠；石油磺酸鹽類表面活性劑，大港油田公司；石油醚，天津市津東天正精細化學試劑廠；無水乙醇，東莞市勛業(yè)化學試劑有限公司；低黏原油，在室溫（25 ℃，后同）下的黏度為800 mPa·s，大港油田產(chǎn)出油；高黏原油，在室溫下的黏度為10 Pa·s，大港油田產(chǎn)出油；煤油，在室溫下的黏度為2.21 mPa·s，密度為0.8 g/mL；石英砂，粒徑為0.125～0.850 mm，大港油田公司；去離子水，自制。

NewClassic MF 型天平，北京聯(lián)合科力科技有限公司；多聯(lián)磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；Olympus BX53 型熒光顯微鏡，奧林巴斯株式會社；Sigma500/VP 型高分辨場發(fā)射掃描電鏡，卡爾蔡司（上海）管理有限公司；Topsizer型激光粒度分析儀，珠海歐美克儀器有限公司；XQM-2 型球磨機，浩鑫礦山機械制造廠；PS-30T 型超聲波清洗機，廣東佛衡儀器有限公司；HC-20C型醫(yī)用臺式高速離心機，江蘇正基儀器有限公司；TX-500C 型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，北京哈科試驗儀器廠；一維驅(qū)替實驗裝置，直徑為3 cm、長度為45 cm 的填砂管，大港油田研究院自制。

1.2 實驗方法

1.2.1 含油污泥性能表征

通過對含油污泥進行顯微鏡觀察、脫油油泥掃描電鏡分析、含油污泥粒徑分析，確定含油污泥中油相、水相、泥砂的存在狀態(tài)、含油污泥顆粒的大小、形貌及粒徑分布。

（1）含油污泥熒光顯微鏡分析：量取5 mL 含油污泥，加入45 mL 蒸餾水稀釋，用玻璃棒攪拌均勻，然后取一滴稀釋后的含油污泥置于載玻片上，首先用低倍鏡觀察，需要進一步觀察的區(qū)域轉(zhuǎn)換為高倍鏡。

（2）脫油油泥掃描電鏡分析：取10 mL 含油污泥，加入25 mL 石油醚，攪拌均勻后將上層液體濾出，剩余固體再次加入25 mL石油醚，重復(fù)上述步驟3 次后完成脫油。將導(dǎo)電膠粘在樣品臺上，再將干凈的銅片粘在導(dǎo)電膠上，然后用膠頭滴管將少量脫油油泥滴在銅片上，等待液體完全揮發(fā)干燥后進行噴鍍處理，最后使用掃描電鏡觀察其形貌。

（3）含油污泥粒徑分析：將含油污泥用蒸餾水稀釋至適當濃度，達到激光粒度分析儀的測量標準（遮光度達到10%～20%）。遮光度超標會使測量粒徑結(jié)果偏大。

1.2.2 含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系的制備

通過球磨改變含油污泥顆粒粒徑大小，將球磨后的含油污泥與表面活性劑結(jié)合，再經(jīng)過攪拌、超聲、離心處理，完成含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系的制備。

（1）含油污泥球磨處理：用球磨機處理含油污泥，在容積為500 mL的氧化鋯球磨罐中加入100 mL含油污泥和400 g氧化鋯磨球，再加入100 mL乙醇，在500 r/min 的轉(zhuǎn)速下球磨2 次，每次球磨15 min。第1次球磨結(jié)束后，停止10 min，防止反應(yīng)過熱。

（2）攪拌、超聲、離心處理：在室溫下，用蒸餾水將表面活性劑配制成50 mL 9‰的溶液，然后與10 mL球磨處理過的含油污泥混合，在2000 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌20 min、在40 kHz 的頻率下超聲處理10 min，再次在2000 r/min 的轉(zhuǎn)速下攪拌20 min、在40 kHz 的頻率下超聲處理10 min，得到分散均勻的混合物。將混合物在3000 r/min 的轉(zhuǎn)速下離心15 min，分離其中可能存在的大顆粒，制得含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系。

1.2.3 含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系性能測試

（1）懸浮性測試：將30 mL含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系放入試劑瓶中，在室溫下靜置，觀察靜置不同時間后體系中顆粒的沉降情況。

（2）界面張力測試：在不同溫度（20～80 ℃）下，使用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測試含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系、9‰表面活性劑與煤油之間的界面張力。

（3）乳化性能測試：將15 mL 9‰含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系放入25 mL具塞量筒中，加入5 mL油樣，將具塞量筒置于60 ℃（地層溫度）恒溫水浴中恒溫1 h，取出具塞量筒用手均勻震蕩100 次，室溫靜置，記錄油水完全分離的時間。

1.2.4 一維驅(qū)替實驗

通過一維驅(qū)替實驗，評價含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系的注入能力與驅(qū)油效果，并與表面活性劑驅(qū)進行對比，最后對注入量、注入速度和滲透率等參數(shù)進行優(yōu)選。實驗步驟如下：（1）填制填砂管（直徑3 cm、長度45 cm），飽和注入水，測定填砂管孔隙度、滲透率；（2）以1.0 mL/min 的注入速度飽和低黏原油，直至油驅(qū)水至無水產(chǎn)出為止，在60 ℃恒溫箱中老化24 h；（3）注水測試實驗裝置的密封性；（4）以不同的注入速度注水，直到出口端含水率達到98%且穩(wěn)定一段時間，期間記錄產(chǎn)出液體積、產(chǎn)出油體積和注入壓力；（5）以不同的注入速度注入驅(qū)替液，記錄產(chǎn)出液體積、產(chǎn)出油體積和注入壓力；（6）以不同的注入速度進行后續(xù)注水，直到產(chǎn)出液的含水率穩(wěn)定在98%以上，記錄產(chǎn)出液體積、產(chǎn)出油體積和注入壓力，計算驅(qū)油效率增值和壓力變化。實驗溫度為60 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 含油污泥性能

由稀釋后含油污泥的熒光顯微鏡照片（圖1）可見，在顯微鏡下觀察到含油污泥顆粒的尺寸為2～10 μm，顆粒大小不均，在油相和水相中均有分布，而且部分含油污泥顆粒被原油、瀝青質(zhì)等黏連包裹，團聚形成較大顆粒，粒徑在10 μm以上。

圖1 含油污泥的熒光顯微鏡照片

由脫油含油污泥的掃描電鏡照片（圖2）可見，含油污泥顆粒形狀不規(guī)則，粒徑較大，由很多小顆粒團聚在一起；表面十分粗糙、磨圓度低、比表面積大，導(dǎo)致油相易與顆粒黏連。這些是造成含油污泥固相顆粒容易沉降，不易與油相分離的原因。

圖2 脫油含油污泥的掃描電鏡照片

含油污泥的粒徑范圍為0.358～279.500 μm，粒徑中值為22.243 μm。含油污泥中存在尺寸為幾百納米的顆粒，粒徑在1 μm 以下的顆粒占總體的8.29%，粒徑在10 μm以下的顆粒占總體的34.27%，粒徑在10～100 μm的顆粒占總體的52.19%。

2.2 含油污泥驅(qū)油體系粒徑分布

含油污泥球磨后呈現(xiàn)糊狀，基本無大顆粒。球磨后的油泥加水攪拌均勻后，在10 min 內(nèi)完全沉降。球磨處理后含油污泥的粒徑為0.308～131.100 μm，粒徑中值為8.063 μm。經(jīng)過攪拌、超聲、再攪拌、再超聲、離心處理后，含油污泥粒徑范圍為0.043～39.060 μm，粒徑中值為0.158 μm。其中，0.1 μm 以下的粒徑占總體的28.23%，1 μm 以下的粒徑占總體的89.37%。含油污泥處理前后的粒徑變化如圖3 所示。可以看出，含油污泥經(jīng)過處理后，粒徑范圍逐漸縮小，粒徑中值逐漸變小，顆粒更均勻。

圖3 含油污泥處理前后的粒徑變化

2.3 含油污泥驅(qū)油體系乳化能力

將含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系在室溫下靜置，觀察體系的懸浮狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)9‰表面活性劑處理后的混合體系在靜置96 h后仍未完全沉降，與球磨后的含油污泥在10 min內(nèi)即已完全沉降相比較，含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系具有較好的懸浮性，說明表面活性劑可明顯增強含油污泥的懸浮性。

含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系與煤油間的界面張力（IFT）如圖4所示。在20、40 ℃下，雖然含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系降低界面張力的能力不如表面活性劑，但油水界面張力為10-2mN/m 數(shù)量級，具有一定降低界面張力的能力。在60～80 ℃時，含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系降低界面張力的能力與表面活性劑相近，60 ℃下的油水界面張力為7.4×10-3mN/m，80 ℃下為9×10-3mN/m，均為10-3mN/m數(shù)量級，降低界面張力的能力較強。因此，使用含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系最適宜的溫度為60～80 ℃。

圖4 兩種驅(qū)油體系在不同溫度下的油水界面張力

天津大港油田濱港集團博弘石油化工有限公司企業(yè)產(chǎn)品標準Q/12DGY 3703—2016《提高采收率用表面活性劑磺酸鹽類BHS-01》中對磺酸鹽類表面活性劑乳化性能的技術(shù)要求為：地層溫度下，油水完全分離的時間≥5 min。含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系的乳化性能測試結(jié)果表明，在地層溫度下靜置1 h，震蕩后再在室溫下靜置5 min，油水還未完全分離，說明含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系的乳化能力符合石油磺酸鹽類表面活性劑的技術(shù)要求。

2.4 含油污泥驅(qū)油體系驅(qū)油能力

在注入量為0.5 PV、注入速度為1 mL/min的條件下，含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系與表面活性劑的驅(qū)替實驗結(jié)果如表1 所示，實驗過程中的含水率和驅(qū)油效率變化如圖5 所示，注入壓力變化如圖6所示。含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系的驅(qū)油效率為19.23%，較表面活性劑提高了7.73 百分點。表面活性劑后續(xù)水驅(qū)的壓力為0.279 MPa，壓力沒有提升；而含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系后續(xù)水驅(qū)的壓力為1.03 MPa，水驅(qū)平穩(wěn)壓力為0.5 MPa，壓力提高了0.53 MPa。由此可見，含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系不僅具有乳化作用，還具有一定的封堵作用。

表1 兩種驅(qū)油體系的驅(qū)替效果

圖5 兩種驅(qū)油體系的驅(qū)油效率與含水率隨注入量的變化

圖6 兩種驅(qū)油體系的注入壓力隨注入量的變化

在60 ℃、注入速度為1 mL/min的條件下，注入量對含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系驅(qū)油效果的影響如表2 所示。驅(qū)油效率隨著注入量的增加而增加。雖然注入1.0 PV 的驅(qū)油效率比注入0.5 PV 的高，但僅提高了2.11百分點，從經(jīng)濟角度考慮，推薦適宜的注入量為0.5 PV。

表2 注入量對含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系驅(qū)替效果的影響

在60 ℃、注入量為0.5 PV 的條件下，注入速度對含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系驅(qū)油效果的影響如表3所示。注入速度為1.5 mL/min時的驅(qū)油效率比1.0 mL/min 的降低2.50 百分點。當注入速度較小時，剪切作用較弱，不利于乳狀液的形成，壓力提升幅度小；當注入速度較大時，驅(qū)油體系與低黏原油的有效作用時間不充分，影響驅(qū)油效率的提高。推薦適宜的注入速度為1.0 mL/min。

表3 注入速度對含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系驅(qū)替效果的影響

在60 ℃、注入速度為1 mL/min、注入量為0.5 PV的條件下，滲透率對含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系驅(qū)油效果的影響如表4 所示。在滲透率為1436.0×10-3μm2時，驅(qū)油效率提高了10.36 百分點，后續(xù)水驅(qū)的注入壓力僅僅提高了0.002 MPa，壓力未明顯提升，說明顆粒尺寸與吼道大小不匹配，封堵能力較弱。含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系中的微納米顆粒對滲透率為84.3×10-3～321.7×10-3μm2的填砂管具有一定的封堵能力。由此可見，含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系發(fā)揮了乳化與調(diào)剖的共同作用，適用于中低滲透油藏。

表4 滲透率對含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系驅(qū)替效果的影響

3 結(jié)論

提供了用含油污泥制備含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系的方法：在室溫下，將含油污泥球磨處理成微納米顆粒，并與表面活性劑結(jié)合，通過攪拌、超聲、離心處理形成一種穩(wěn)定的驅(qū)油體系。該體系的粒徑中值為0.158 μm，粒徑為0.1 μm 以下的顆粒累積占比為28.23%，粒徑為1 μm 以下的顆粒累積占比為89.37%。含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系的懸浮性良好，60 ℃下與煤油的油水界面張力為7.4×10-3mN/m，具有較強的乳化能力。在一維填砂管模擬實驗中，含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系最優(yōu)的注入量為0.5 PV、注入速度為1 mL/min，適用于中低滲透油藏。在乳化與封堵的雙重作用下，驅(qū)油效率較水驅(qū)提高15%～20%，較表面活性劑驅(qū)提高7.73%。該體系將含油污泥顆粒尺寸降至微納米級，同時獲得了較高的驅(qū)油效率，實現(xiàn)了含油污泥的充分回收利用。