含油污泥調(diào)剖體系在裂縫性油藏的應(yīng)用*

謝建勇，石 彥，武建明，韓慧玲，崔容占

（中國石油新疆油田分公司準(zhǔn)東采油廠，新疆阜康 831511）

0 前言

含油污泥主要來源于油田聯(lián)合站系統(tǒng)排污、井下作業(yè)排污、管線泄露污染和清罐污泥等，是油田開發(fā)過程中產(chǎn)生的廢棄物。新疆油田準(zhǔn)東采油廠每年產(chǎn)生大約4500 m3含油污泥，歷史遺留存量約3×104m3污泥急需處理。這些含油污泥通常采用汽車運送到環(huán)保單位進行處理，路途遠(yuǎn)且存在二次污染，現(xiàn)有技術(shù)處理難度大、費用高，給環(huán)境保護帶來很大壓力。近年來很多油田開展了關(guān)于污泥調(diào)剖技術(shù)的研究，通過化學(xué)處理將污泥制備成調(diào)剖劑用于注水井調(diào)剖，可同時實現(xiàn)處理含油污泥和改善注水開發(fā)效果的作用，是一種經(jīng)濟有效的污泥處理方法［1-9］。但是由于含油污泥顆粒粒徑不均、懸浮性差、封堵強度低等因素導(dǎo)致現(xiàn)場實際應(yīng)用效果較差［10-11］。舒政等［12］研發(fā)了一種適合聚合物驅(qū)的回注體系，但含油污泥的利用率不高。賴南君［13］、易永根等［14］以新型疏水締合聚合物為稠化劑、有機酚醛為交聯(lián)劑，形成了一種懸浮性好、封堵性強的污泥凍膠體系。但是對于裂縫發(fā)育區(qū)域，單一的凍膠體系不能滿足要求，需要高強度的固化體系才能實現(xiàn)更有效的封堵［15-16］。由于污泥成分復(fù)雜，且不同油田的油藏狀況不同，對調(diào)剖劑的性能需求有差異，因此污泥調(diào)剖劑與地層存在適應(yīng)性問題。

本文針對準(zhǔn)東裂縫性油藏四套層系開發(fā)，各層裂縫發(fā)育程度及分布范圍差異較大，需要不同強度調(diào)剖劑實現(xiàn)有效封堵的特點，同時為了盡可能多地就地處理污泥，首先對含油污泥的組成及粒徑進行分析，確定了油藏溫度、壓力、流體性質(zhì)與含油污泥堵劑的適應(yīng)性，采用常用的部分水解聚丙烯酰胺為稠化劑、有機鉻為交聯(lián)劑并添加固化劑，制備了適宜封堵不同裂縫的污泥懸浮體系、凍膠體系和固化體系，以懸浮體系為填充段塞、凍膠體系為主體段塞、固化體系為封口段塞組合使用，提高含油污泥調(diào)剖措施的針對性，對體系的懸浮性、耐溫耐鹽耐剪切性、長期穩(wěn)定性、封堵性能以及固化強度進行了評價，并進行了現(xiàn)場規(guī)模應(yīng)用及評價，以期在滿足裂縫性油藏調(diào)剖堵水生產(chǎn)需要的同時實現(xiàn)污泥的無害化處理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

聚丙烯酰胺，相對分子質(zhì)量2500×104，水解度20%～30%，固含量≥88%，北京恒聚化工集團有限公司；有機鉻交聯(lián)劑，有效含量≥95%，新疆正誠化學(xué)股份有限公司；固化劑間苯二胺，工業(yè)純，上海染料化工廠有限公司；實驗用水分別為清水和地層水，其中地層水為NaHCO3型，礦化度8073.9 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：Na++K+2632.2、Ca2+15.66、Mg2+9.49、Cl-1961.45、SO42-108.65、HCO3-3135.6、CO32-210.85；耐鹽性實驗使用由NaCl配制的標(biāo)準(zhǔn)鹽水；含油污泥取自準(zhǔn)東采油廠火燒山油田污泥池；膨潤土，新疆中非夏子街膨潤土有限責(zé)任公司；人造巖心，采用石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)，尺寸為φ3.5 cm×30 cm，滲透率1.245 μm2。

DV-Ⅲ型旋轉(zhuǎn)黏度計，美國Brookfield 公司；XRD-TERRAⅡ型X 射線衍射儀，日本Olympus 公司；DCN-1型多功能巖心驅(qū)替實驗儀，石油大學(xué)（華東）石油儀器科技實業(yè)發(fā)展公司；YE-300 型壓力試驗機，山東濟南試金責(zé)任有限公司。

1.2 實驗方法

（1）含油污泥組成測定：采用馬弗爐烘干法測定含油污泥的油、水、固相含量。將恒重的坩堝和油泥放入105 ℃的烘箱內(nèi)干燥2 h，稱重并計算含油污泥的含水率；再放入馬弗爐中，在450 ℃下烘燒2 h，稱重計算含油污泥的含油率和固含量。

（2）粒徑分析：采用篩分法測定固相顆粒的粒徑分布。將200 g 烘干的樣品倒入標(biāo)準(zhǔn)篩內(nèi)搖振，分別稱出各篩上的固體重量，計算各粒徑范圍內(nèi)固相顆粒的相對含量。

（3）礦物組成：采用X-射線衍射儀測定含油污泥中固相顆粒的礦物組成。

（4）含油污泥固相顆粒制備：將含油污泥離心過濾進行固液分離，40 目過篩分選出粒徑小于425 μm的固相顆粒用于評價實驗。

（5）懸浮性評價：在充分溶脹的聚丙烯酰胺溶液中加入定量的含油污泥固相顆粒，攪拌均勻后靜置于50 ℃（油藏溫度）水浴鍋中，觀測體系中固相顆粒的沉降時間，以此確定合適的懸浮劑濃度。

（6）含油污泥交聯(lián)凍膠實驗：向質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的HPAM溶液中加入30%的含油污泥固相顆粒，混合均勻后，加入不同量的交聯(lián)劑，攪拌10 min 后靜置于50 ℃的烘箱中，觀察成膠情況，并在室溫（25℃）下，使用4 號轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速10 r/min 的條件下測定凍膠體系的黏度。

（7）封堵性能評價：采用φ3.5 cm×30 cm人造巖心在多功能巖心驅(qū)替實驗儀上進行驅(qū)替實驗。首先在50 ℃條件下，水驅(qū)測定封堵前的初始水相滲透率K1，向巖心中以1 mL/min 的注入速率注入0.25 PV的污泥凍膠體系，置于50 ℃烘箱中候凝72 h后，以1 mL/min的注入速率注入50 PV水，測定含油污泥調(diào)剖體系封堵后的巖心滲透率K2和突破壓力，由（K1-K2）/K1×100%計算巖心封堵率［17］。

（8）含油污泥固化強度測定：在配制好的30%含油污泥+0.3%稠化劑+0.2%交聯(lián)劑的體系中，添加質(zhì)量濃度分別為0.2%～1.0%的固化劑，攪拌10 min后置于標(biāo)準(zhǔn)模具中，于50 ℃的烘箱中待體系完全固化后，取出放于壓力試驗機上，加壓使樣塊產(chǎn)生形變時顯示的壓力值即為該體系的固化強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 含油污泥的成分及粒度分析

含油污泥樣品外觀為黑色硬膏狀，經(jīng)測定，含油污泥的固含量為66.09%、含水率為26.61%、含油率7.3%。對含油污泥中的固相顆粒進行礦物成分分析可知，固相顆粒主要包括占比75%的巖屑、11.3%的石英、13.9%的長石，此外還有少量的雜質(zhì)以及膠結(jié)物。固相顆粒的粒徑分布見表1。可以看出粒徑在94～106 μm 之間的固相顆粒約占比為34%，小于150 μm 的顆粒約占比80%，固相顆粒的粒徑分布相對比較集中，適合用于制備調(diào)剖劑。

表1 含油污泥固體顆粒粒徑分布圖

由于準(zhǔn)東火燒山油田裂縫廣泛分布，注入水容易沿裂縫竄流，導(dǎo)致油井含水快速上升，示蹤劑顯示最大水推速率達(dá)289.68 m/d，因此對大裂縫進行有效封堵是穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵［18］。該區(qū)基質(zhì)滲透率1.8×10-3μm2，裂縫滲透率為252.5×10-3～9000×10-3μm2，巖心觀察裂縫最長達(dá)19.6 m，以高角度（大于79°）直劈縫為主，計算裂縫開度100～300 μm，裂縫長度56.25～94.62 m，歷次調(diào)剖中大量使用粒徑50 μm～1 mm范圍內(nèi)的顆粒來封堵不同級別的裂縫，比較常用的是粒徑約為75 μm的膨潤土。含油污泥固相顆粒與之相比粒徑接近，可用于替代膨潤土封堵裂縫。

2.2 污泥懸浮體系的確定

污泥固相顆粒的密度平均為2.667 g/cm3，在清水中加入10%的含油污泥固相顆粒，靜置15 min后顆粒就會完全沉降，無法滿足施工泵入條件。選擇調(diào)剖常用聚丙烯酰胺作為懸浮劑來提高顆粒的懸浮性，使污泥顆粒能夠穩(wěn)定攜帶注入油層。分別在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%、0.15%、0.2%、0.3%的聚合物溶液中加入不同量的含油污泥固相顆粒進行懸浮性評價實驗，確定合理的懸浮劑濃度，實驗結(jié)果如圖1 所示。按照沉降時間大于60 min 為滿足現(xiàn)場施工的標(biāo)準(zhǔn)，由圖1 可知，在相同懸浮劑濃度下，隨含油污泥固相顆粒加量的增大，沉降時間縮短；在相同含油污泥固相顆粒加量下，沉降時間隨懸浮劑濃度的增大而延長，含油污泥固相顆粒加量在10%～30%之間，懸浮劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.3%時沉降時間均在60 min 以上。當(dāng)含油污泥固相顆粒加量達(dá)到40%時，懸浮劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%以上時沉降時間也在60 min以上。

圖1 不同懸浮劑濃度下含泥量對沉降時間的影響

采用篩分出的不同粒徑的污泥固相顆粒分別開展懸浮性評價，以沉降時間60 min 為界限，得到了不同粒徑的顆粒在不同含泥量時所對應(yīng)的稠化劑濃度，具體見表2。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的懸浮劑可以將粒徑小于425 μm 的含油污泥固相顆粒有效懸浮，懸浮體系最高含泥量可以達(dá)到40%。充分考慮懸浮體系的注入性和現(xiàn)場施工安全，優(yōu)化后確定懸浮體系的配方為：0.3%稠化劑+30%含油污泥固相顆粒，粒徑小于425 μm的含油污泥固相顆粒占污泥總量的90%以上，可以最大程度地處理含油污泥。

表2 不同粒徑的含油污泥固相顆粒的懸浮實驗

2.3 含油污泥凍膠體系

2.3.1 交聯(lián)劑濃度的確定

含油污泥固相顆粒和聚丙烯酰胺形成的懸浮體系強度較弱，可以起到填充裂縫的作用，但不耐注水沖刷，無法實現(xiàn)在裂縫中長期有效地穩(wěn)定存在，需要加入交聯(lián)劑制備成具有較高強度的凍膠體系，滿足封堵需要。

向懸浮體系（30%含油污泥固相顆粒+0.3%稠化劑）中加入一定量（0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%）的有機鉻交聯(lián)劑，不同交聯(lián)劑濃度下體系的成膠時間及成膠強度見圖2。隨著交聯(lián)劑加量的增大，體系的成膠強度增大，成膠時間縮短。當(dāng)交聯(lián)劑加量大于0.2%后，體系的成膠強度達(dá)到25 Pa·s以上并保持基本穩(wěn)定，此時成膠時間大于15 h，能滿足施工泵入要求。因此交聯(lián)劑加量確定為0.2%。

圖2 交聯(lián)劑濃度對成膠強度的影響

2.3.2 污泥固相顆粒用量的確定

按照配比（10%～60%）含油污泥固相顆粒+0.3%稠化劑+0.2%交聯(lián)劑配制不同含泥量的凍膠體系，測定含泥量對體系成膠強度的影響，結(jié)果如圖3 所示。含泥量在10%時，凍膠體系成膠強度19.3 Pa·s；隨著含泥量的增大，體系的成膠強度略有增加，含泥量達(dá)到40%時，成膠強度最高，達(dá)26.1 Pa·s；繼續(xù)增大含泥量，成膠強度略有下降，但降幅不大。含泥量在10%～60%范圍內(nèi)，體系的成膠強度均在20 Pa·s以上，結(jié)合含油污泥固相顆粒的懸浮性能和成膠時間，最終確定的含油污泥凍膠體系配方為：30%含油污泥固相顆粒+0.3%稠化劑+0.2%交聯(lián)劑。含油污泥凍膠體系的初始黏度在50 mPa·s以下，泵入性能好，成膠時間可調(diào)，成膠強度大于20 Pa·s，具有較高的封堵強度。

圖3 含泥量對成膠強度的影響

2.3.3 含油污泥凍膠體系的性能評價

（1）耐溫性能

含油污泥凍膠體系（30%含油污泥固相顆粒+0.3%稠化劑+0.2%交聯(lián)劑）在不同溫度下的成膠強度和成膠時間如圖4所示。在40～90 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，體系的成膠時間縮短，成膠強度基本穩(wěn)定，在火燒山油層溫度55 ℃時，體系的成膠強度為26.8 Pa·s。該體系的耐溫性能好，成膠強度受溫度的影響較小，能夠滿足火燒山油層裂縫油藏的封堵需求。

圖4 溫度對含油污泥凍膠強度的影響

（2）抗鹽性能

采用不同濃度的NaCl 溶液配制含油污泥凍膠體系，在不同礦化度條件下體系的成膠強度和成膠時間見圖5。隨著礦化度從0增至80 g/L，體系成膠強度呈降低趨勢。在礦化度0～50 g/L范圍內(nèi)，體系的成膠強度隨礦化度的增加緩慢降低，但降幅不大；當(dāng)?shù)V化度達(dá)到50 g/L 以上時，成膠強度快速下降，說明該含油污泥凍膠體系的耐受礦化度界限為50 g/L。火燒山油田礦化度只有11 g/L，在此礦化度下體系的成膠強度在25 Pa·s以上，成膠強度基本不受礦化度的影響。

圖5 礦化度對污泥凍膠體系成膠強度的影響

（3）穩(wěn)定性

樣品測試在武漢綜合巖礦測試中心進行，采用的測試方法為等離子體發(fā)射光譜法、X射線熒光光譜法、原子熒光光譜法、發(fā)射光譜法、石墨爐原子吸收法、離子選擇性電極法、催化極譜法、化學(xué)發(fā)射光譜法等。樣品測試質(zhì)量采用了標(biāo)準(zhǔn)樣、密碼樣、監(jiān)控樣等多種監(jiān)控手段，并通過了中國地質(zhì)調(diào)查局區(qū)域地球化學(xué)分析質(zhì)量監(jiān)督檢查組的驗收，分析質(zhì)量為優(yōu)秀級。

含油污泥凍膠體系在模擬地層溫度下的成膠強度隨靜置時間的變化見圖6。隨著時間的延長，體系的成膠強度緩慢下降，210 d 出現(xiàn)明顯拐點，但此時的成膠強度仍能達(dá)到原有強度的70%，說明凍膠體系的穩(wěn)定期能達(dá)到210 d，與油田現(xiàn)用常規(guī)調(diào)剖體系接近，穩(wěn)定性較好。靜置270 d時，雖然凍膠強度比初期的大幅度降低，但表觀黏度還有9 Pa·s，仍然能起到一定的封堵和驅(qū)油作用，表明含油污泥凍膠體系的有效期較長。

圖6 含油污泥凍膠體系的成膠強度隨放置時間的變化（55 ℃）

（4）抗剪切性能

在剪切速率100 s-1下，分別測定含油污泥凍膠體系經(jīng)不同時間剪切作用下的成膠強度和成膠時間，實驗結(jié)果，見表3。隨著剪切時間的延長，體系的成膠時間延長，但成膠強度變化不大，黏度保持率達(dá)85%以上，高速剪切作用對體系封堵強度的影響不大。這表明含油污泥凍膠體系具有較強的抗剪切能力。

表3 剪切時間對凍膠性能的影響

（5）對巖心的封堵性能

選取目標(biāo)區(qū)塊油藏巖心開展單管巖心驅(qū)替實驗，含油污泥凍膠體系對單管巖心的封堵性能測試結(jié)果見表4。注入相同量（0.25 PV）的污泥凍膠體系時，對于不同滲透率油層，污泥凍膠體系封堵率都在87.4%以上，突破壓力達(dá)到6.8 MPa 以上，封堵效果較好。對封堵后的巖心連續(xù)注入50 PV 清水，隨著注入水的不斷沖刷，巖心最終封堵率保持在85%以上，說明該體系的封堵性能、耐沖刷性能良好。

表4 含油污泥凍膠體系對單管巖心的封堵性能

采用3組不同滲透率極差的雙管并聯(lián)巖心開展流動實驗，結(jié)果（見表5）表明，注入相同量（0.3 PV）的污泥凍膠體系，對高滲透層的封堵率達(dá)到89.3%以上，且滲透率級差越大時，對高滲透層的封堵率越高，對低滲透層的封堵率越低。含油污泥凍膠體系的封堵效果好且具有優(yōu)先封堵高滲通道的特點，對于裂縫發(fā)育層間滲透率差異大的火燒山油田來說，具有選擇性的調(diào)剖劑尤為適用。

表5 含油污泥凍膠體系對雙管巖心的封堵性能

2.4 含油污泥固化體系

結(jié)合火燒山油田以往的調(diào)剖經(jīng)驗，為了更好地封堵顯性大裂縫，需要使用固化體系作為封口劑，保證封堵強度。按30%含油污泥固相顆粒+0.3%稠化劑+0.2%交聯(lián)劑配液，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～1.0%的固化劑，測定體系的固化時間及固化強度，實驗結(jié)果見圖7。隨著固化劑加量的增大，體系的固化速率增大，固結(jié)后的抗壓強度增大，當(dāng)固化劑加量大于0.5%后，體系固結(jié)體的抗壓強度增加幅度變緩，根據(jù)現(xiàn)場施工需要固化時間大于10 h的要求，固化劑加量應(yīng)低于0.7%，為使體系性能達(dá)到最優(yōu)，優(yōu)選固化劑加量為0.6%～0.7%，此時體系固化后的抗壓強度能達(dá)到4.4～4.6 MPa。因此確定固化體系配方為30%含油污泥固相顆粒+0.3%稠化劑+0.2%交聯(lián)劑+0.6%～0.7%固化劑。

圖7 固化劑加量對固化體系固化時間和固結(jié)體抗壓強度的影響

2.5 含油污泥調(diào)剖設(shè)計

通過室內(nèi)評價，形成了含油污泥懸浮體系、凍膠體系和固化體系3 種污泥調(diào)剖體系，結(jié)合火燒山油田的儲層裂縫發(fā)育程度不同、多種滲流介質(zhì)并存的特征，根據(jù)儲層的實際需求選擇不同的體系，污泥懸浮體系用于裂縫填充，含油污泥凍膠體系用于封堵微小裂縫及深部調(diào)剖，含油污泥固化體系用于封堵顯性裂縫和封口。根據(jù)措施井實際情況，采用多段塞方式注入，將3種污泥調(diào)剖體系組合使用，段塞設(shè)計中凍膠體系與懸浮體系交替注入，以封堵深部高滲通道；固化體系為封口段塞，提高封堵劑的耐沖刷能力，最后用0.05%～0.1%的聚丙烯酰胺溶液作為頂替液，將主體段塞完全擠入油層，保證后續(xù)正常注水。

2.6 現(xiàn)場應(yīng)用效果

采用該工藝在火燒山油田3 年累計實施36 井次，實現(xiàn)了現(xiàn)場的大規(guī)模應(yīng)用，通過撬裝采收設(shè)備對污泥池中的含油污泥進行預(yù)處理，固液分離后，將分選出來的粒徑小于425 μm 的固體顆粒轉(zhuǎn)運至現(xiàn)場，經(jīng)過配液、熟化過程，由調(diào)堵泵泵注至目的層完成現(xiàn)場實施，整個過程安全密閉，不產(chǎn)生二次污染。累計地層注入堵劑77370 m3，處理含油污泥31186 m3，節(jié)約污泥外運處理費用1500萬元，實現(xiàn)了低成本處理含油污泥的目的。每年新增的污泥量可通過該工藝實現(xiàn)資源化利用，可以持續(xù)推廣應(yīng)用。

2.6.2 實施效果

污泥調(diào)剖與火燒山油田同期開展的常規(guī)調(diào)剖技術(shù)相對比，結(jié)果見表6。在注水量不變的情況下，污泥調(diào)剖注水壓力較調(diào)剖前平均上升0.8 MPa，視吸水指數(shù)平均下降1.2 m3/（d·MPa），常規(guī)調(diào)剖后注水壓力較調(diào)剖前平均上升1.0 MPa，視吸水指數(shù)平均下降1.1 m3/（d·MPa），二者相比對裂縫的封堵作用接近。對比措施后的增油效果，污泥調(diào)剖平均井組增油221 t，井組見效率為92.3%，與常規(guī)調(diào)剖相比增油效果略低，但差異不大。污泥調(diào)剖累計實現(xiàn)增油7956 t，起到明顯的穩(wěn)油控水作用。同時采用該技術(shù)將油田現(xiàn)存污泥池全部清理完畢，解決了安全環(huán)保問題，增加了原油產(chǎn)量，取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

表6 污泥調(diào)剖與同期常規(guī)調(diào)剖情況對比

3 結(jié)論

火燒山油田含油污泥粒徑主要分布在94～106 μm之間，粒徑分布較集中，油田裂縫開度100～300 μm，含油污泥適合用于封堵裂縫油藏。

懸浮體系（30%含油污泥固相顆粒+0.3%稠化劑）、凍膠體系（30%含油污泥固相顆粒+0.3%稠化劑+0.2%交聯(lián)劑）和固化體系（30%含油污泥固相顆粒+0.3%稠化劑+0.2%交聯(lián)劑+0.6%～0.7%固化劑）組合使用，具有較強的穩(wěn)定性和封堵性，能夠滿足不同裂縫發(fā)育程度的注水井調(diào)剖的需求，實現(xiàn)了低成本徹底處理含油污泥的目標(biāo)。含油污泥調(diào)剖技術(shù)將源于地層的含油污泥還于地層，避免了二次污染，實現(xiàn)了含油污泥從廢物處理到資源化利用的根本轉(zhuǎn)變，具有良好的推廣應(yīng)用價值。