稠油熱采井含油污泥調剖技術研究與應用*

楊 洋 王 哲 鄭賽男 魏 巍

(1.中國石油遼河油田公司曙光采油廠; 2.中國石油潤滑油公司；3.中國石油遼河油田公司質量安全環保部)

0 引 言

曙光油田是國內重要的稠油熱采生產基地，目前已進入中后期高含水開發階段，其集輸和污水處理系統日產含油污泥約350 t，缺乏高效低成本的處理手段，儲存能力已達極限。稠油含油污泥成分復雜、分離困難，含有苯類、酚類、蒽類等物質，會對環境造成污染[1-4]，且含油污泥含有泥質、原油，無論從環境保護還是從資源回收的角度考慮，都亟需研究一種行之有效的處理技術對含油污泥進行減量化、資源化、無害化處理[5-10]。目前國內外含油污泥處理主要有焚燒法、熱洗法、生物處理法、溶劑萃取法等，但普遍存在處理成本高、效率低、二次污染的問題，難以滿足企業的實際需求，簡化工藝流程、降低處理成本、滿足環保要求是含油污泥處理技術的發展方向。稠油含油污泥中的固體成分對高滲儲層具有物理堵塞作用[11-12]，具有顆粒調剖的可行性。曙光稠油油藏非均質性強，經過多年熱采開發，油層動用不均、汽竄問題嚴重，年均調剖措施規模大、投入高，含油污泥調剖技術是降低措施成本、解決含油污泥處理難題的有效途徑。

1 含油污泥組分分析及特性評價

1.1 組分及含量

曙光采油廠含油污泥主要來自污水處理系統，成分較為復雜，大致分為水相、油相和固相，不同來源的含油污泥各組分含量差別較大。分別取底泥、浮渣、活性污泥3種含油污泥，用蒸餾灼燒法測定其組分及含量，結果見表1。

表1 污水處理廠含油污泥組分分析

樣品固相含量14.63%～22.69%，浮渣、底泥固相含量較高，常規顆粒調剖劑中固相含量通常為10%～30%，樣品具有制成顆粒調剖劑的可行性；含水均超過50%，泵送性良好；活性污泥固相含量稍低，需在體系中添加一定量固相成分，增加其封堵強度[13]。激光粒度儀對含油污泥固相成分粒度分布測定結果見圖1。

圖1 含油污泥固相成分粒度分布曲線

圖1顯示，其粒度主要在10～100 μm，以中小顆粒為主，且分布較均勻，粒徑最頻值為5～100 μm，約占80%。調剖用顆粒粒徑一般要求為孔隙喉徑的1/9～1/3，稠油油藏高滲透層孔喉半徑經過多輪蒸汽吞吐后，一般在200～500 μm，因此含油污泥固相粒徑與地層配伍性良好，滿足孔隙喉徑的要求。

1.2 分散懸浮性

顆粒調剖劑須具備良好的懸浮性能，避免在輸送至目的層過程中出現沉降，影響后續注入。將樣品按不同摻水比例稀釋后，觀察其分散性、懸浮穩定性，含油污泥分散懸浮狀態結果見表2。

表2 含油污泥分散懸浮狀態

實驗結果表明，活性污泥穩定性最好，稀釋后不分層，可單獨作為調剖劑使用；浮渣和底泥由于固相成分含量較高，摻水比例較高時，會出現分層，需要加入一定量的稠化劑，提高懸砂性能及穩定性，以滿足現場施工要求[14]。

1.3 流動性

圖2 不同摻水比例含油污泥黏度曲線

為保證調剖劑正常流動及管輸，其黏度需≤600 mPa·s。將樣品按不同摻水比例稀釋后測定其黏度，結果見圖2。當各類含油污泥摻水率達到75%以上，黏度<600 mPa·s，具有較好的流動性，能夠順利泵入地層。但是含水率過高，會造成含油污泥固相含量和黏度下降，影響其封堵能力，所以在現場使用時，需要控制含油污泥含水率為75%～80%。

2 含油污泥封堵效果模擬評價

組分及特性分析表明，含油污泥具備制成調剖劑的可行性，通過物理模型與數值模擬對含油污泥封堵機理進行研究。

2.1 物模實驗

將實際地層砂篩析后制成不同滲透率級別填砂管模型，注入1.0 PV含油污泥。

單填砂管封堵實驗(1 PV)結果見表3；串聯填砂管封堵實驗(1 PV)結果見表4。實驗表明，不同含水率含油污泥在不同溫度下對3 000～4 000 mD填砂模型的封堵率均超過98%，含水率和溫度對效果影響不大；串聯填砂管模型封堵實驗表明，當兩個填砂管串聯注入1 PV含油污泥時，前填砂管封堵率達到99.90%，后填砂管封堵率僅25.13%，產出液為清澈的水。

表3 單填砂管封堵實驗(1 PV)

表4 串聯填砂管封堵實驗(1 PV)

2.2 數值模擬

以曙光油田曙D1油藏作為目標油藏，開展熱采井含油污泥調堵數值模擬，以CMG公司稠油熱采油藏模擬模塊STARS為模擬器建立數值模型，并考慮蒸汽吞吐后油藏物性變化。模擬含油污泥以流體形式注入過程中，流向高滲區域，經過多孔介質時固相和油質會與水相分離，起到堵塞作用。蒸汽吞吐熱采一輪油藏注入1 400 m3含水80%含油污泥后地層滲透率變化見圖3。

圖3 注入含油污泥前后縱向滲透率變化

由圖3可知，調剖后高滲區滲透率降低約70%，油藏滲透率分布更均勻，有助于改善吸汽剖面和動用狀況。

2.3 機理分析

注入含油污泥通過砂樣介質時，含油污泥中水與油、泥質發生分離，泥質和油在孔隙介質中吸附滯留，產生封堵效果；數值模擬顯示，注入含油污泥可明顯降低高滲區或出砂產生空洞區域的滲透率，使得油藏滲透率分布更加均勻，有助于改善蒸汽吞吐的吸汽剖面和油藏動用狀況。

3 含油污泥調剖技術研究

3.1 含油污泥調剖劑研制

稠油油藏經過長期蒸汽吞吐，其孔隙度、滲透率等地層參數與原始狀況已有很大差別，需針對不同含油污泥加入適合的改性化學劑和添加劑，制成有一定強度和耐沖刷能力的調剖劑。

1)含油污泥顆粒調剖劑

以污水廠活性污泥為原料，混配含量75%～85%，并加入一定量懸浮劑和分散劑，同時，添加合適種類和大小的固相顆粒，提高封堵強度。懸浮劑為與含油污泥配伍性較好，具有一定觸變性的鈉基膨潤土，能保持體系有較高懸浮性和強度；固相顆粒選擇200目以上有一定膨脹系數的樹脂顆粒，產生橋架作用，對孔道進行封堵；分散劑為一種有機電解質，主要是降低含油污泥調堵劑的界面張力，防止形成油、泥、水聚集體。該體系懸浮性>8 h，封堵率50%～90%。

2)含油污泥聚合物復合調剖劑

配方主要成分為底泥，混配含量60%～80%，并加入適量聚丙烯酰胺及絮凝劑，利用含油污泥微粒表面—OH基團與聚丙烯酰胺分子的—NH2基團結合形成氫鍵，大量氫鍵作用使聚合物能穩定地吸附在含油污泥微粒表面，使含油污泥絮凝成更大的顆粒，從而產生封堵作用。體系成膠時間12～24 h，黏度80～500 mPa·s，耐溫>200℃。

3)含油污泥改性高溫封口劑

以固相含量較高的浮渣為主料，混配含量50%～62%，并加入無機凝膠、固化劑、增強劑、活化劑、懸浮劑等，按適當比例復配而成。通過控制反應溫度和活化劑用量，調節成膠速度和強度。體系在成膠前黏度低，利于泵注；成膠后，強度高，耐溫性好，能滿足熱采條件下耐熱、耐沖刷要求，并長期有效。體系封堵率≥95%，突破壓力>20 MPa，耐溫超過300℃。

3.2 調剖劑封堵性能評價

含油污泥調剖劑應用于稠油熱采井，對耐溫、耐沖刷、封堵強度要求較高，在室內采用填砂管模型(300℃)進行封堵實驗，結果見表5。

表5 含油污泥調剖劑封堵率實驗數據

實驗表明，3種含油污泥調剖劑巖心封堵率75.8%～95.2%，可通過段塞優化組合滿足不同類型儲層封堵需求。

3.3 調剖方案設計優化

采用CMG油藏模擬軟件進行稠油熱采井含油污泥調剖數值模擬，模擬結果用來指導含油污泥調剖方案設計。處理半徑取1～10 m，模擬計算不同劑量下封堵效果。不同熱采輪次調剖數值模擬結果見圖4；不同非均質系數調剖數值模擬結果見圖5。

圖4 不同熱采輪次調剖數值模擬結果

由圖4可以看出，對非均質系數1.82的模型，生產15周期時進行封堵，封堵后周期增油量最高75 t；生產20周期時進行封堵，封堵后周期增油量最高為297 t，最優封堵半徑8 m。對于非均質系數為1.90，1.94和1.95的3個模型，同樣第20周期封堵效果好于15周期。

圖5 不同非均質系數調剖數值模擬結果

圖5顯示，封堵后原油產量上升，含水量下降，周期增油量并非簡單地隨封堵半徑的增大而增多，而是存在一個最優的封堵半徑。對于非均質系數為2.5的模型，最優封堵半徑為7 m，封堵后的周期含水率為70.3%，對比下降10%。

綜合數值模擬結果，認為油層滲透率變異系數越大，含油污泥調剖效果越好；針對稠油高滲透油藏，最佳調剖半徑約7～8 m，最佳封堵時機>20輪。

3.4 調剖段塞組合優化

針對不同稠油區塊地質狀況和開發矛盾，結合不同含油污泥調剖劑的性能進行段塞最優組合，目前現場實踐了3種段塞組合方式的實施工藝，結果見表6。

表6 含油污泥調剖技術施工工藝及段塞組合

1)高強度含油污泥調剖工藝：主要針對井距較小、汽竄嚴重的超稠油油藏，以封堵汽竄通道、調整吸汽剖面為主要目的。前段塞采用強度較大的含油污泥聚合物體系+大顆粒對該井油層進行“建墻”處理，建立前沿封堵強度；第二段塞采用含油污泥顆粒體系進行“填縫處理”，填充高滲透層中遠端細小地層孔喉；第三段塞使用含油污泥高溫封口劑，體系固化后形成耐高溫蒸汽沖刷的保護段塞。

2)常規含油污泥調剖工藝：主要針對吸汽不均、汽竄相對較輕的稠油、超稠油油藏，以改善吸汽剖面為主要目的。采用含油污泥+微細顆粒作為前置段塞，進入地層深部起到保護后續段塞的作用；含油污泥凝膠調剖劑中間段塞，起到推送、加強封堵的作用；最后以含油污泥高溫封口劑封口。

3)大劑量含油污泥調剖工藝：主要針對地層虧空嚴重、注汽壓力較低的普通稠油油藏，以補充地層能量為主。以含油污泥+中細顆粒作為主段塞，劑量大于5 000 m3，含油污泥封口劑封口。

4 現場應用效果

在理論研究及室內實驗基礎上，在曙光油田D1區塊進行含油污泥調剖現場試驗。試驗油藏儲層物性好，高孔、高滲，平均滲透率為2.37 μm2，有效孔隙度32.6%，汽竄、動用不均嚴重，適合開展含油污泥調剖。

4.1 應用效果

含油污泥調剖技術現場應用32井次，累計使用含油污泥原料9.34×104t。與措施前對比，實施井注汽壓力平均提高2.6 MPa、增油6 849 t，汽竄方向減少43個、汽竄影響產量降低4 338 t；與常規凝膠類調剖技術相比，單井投入減少6.7萬元，單井增油增加106 t，技術優勢明顯。

4.2 經濟效益

按遼河油田常規含油污泥處理費用1 000元/t、含油污泥調剖技術綜合成本480元/t計算，處理含油污泥9.34×104t，節約處理費用4 856.8×104元；按稠油價格850元/t計算，措施增油6 849 t，增油創效582.1×104元，經濟效益顯著。

4.3 典型實例

D1-1井措施前已熱采25輪，注汽壓力10.7 MPa，周期生產僅57 d，產油205 t，與周邊兩口井汽竄嚴重。該井實施高強度含油污泥調剖技術，注入含油污泥852 m3。措施后注汽壓力14.2 MPa，對比提高3.5 MPa；周期生產136 d，產油523 t，對比增油318 t；注汽期間周邊未出現明顯汽竄反應，調剖后封竄增油效果明顯。

5 結束語

1)結合曙光油田油藏實際，通過組分及特性分析證明含油污泥具有顆粒調剖的可行性，其封堵機理是吸附、滯留為主的物理堵塞作用。

2)以含油污泥為主要原料研制的調剖劑體系，其封堵率75.8%～95.2%，通過不同的段塞組合能滿足中、低滲透油藏調剖封竄需求。

3)實際應用表明，含油污泥調剖技術具有良好的封竄、增油效果，且施工簡單、成本低，可擴展應用于火驅、SAGD(蒸汽輔助重力泄油技術)、水驅等開發領域。

4)含油污泥調剖技術的成功應用，在改善稠油油藏熱采開發效果的同時，實現了含油污泥的綠色、低成本、資源化利用。