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(yùn)送到環(huán)保單位進(jìn)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(hù)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(jì)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(qiáng)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(jī)酚醛為交聯(lián)劑，形成了一種懸浮性好、封堵性強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(jī)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(qiáng)度進(jìn)行了評價，并進(jìn)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(tuán)有限公司；有機(jī)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(jī)，山東濟(jì)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(jìn)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?？梢钥闯隽皆?4～106 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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)度見圖2。隨著交聯(lián)劑加量的增大，體系的成膠強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度19.3 Pa·s；隨著含泥量的增大，體系的成膠強(qiáng)度略有增加，含泥量達(dá)到40%時，成膠強(qiáng)度最高，達(dá)26.1 Pa·s；繼續(xù)增大含泥量，成膠強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度大于20 Pa·s，具有較高的封堵強(qiáng)度。

圖3 含泥量對成膠強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度基本穩(wěn)定，在火燒山油層溫度55 ℃時，體系的成膠強(qiáng)度為26.8 Pa·s。該體系的耐溫性能好，成膠強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度呈降低趨勢。在礦化度0～50 g/L范圍內(nèi)，體系的成膠強(qiáng)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(qiáng)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?；馃接吞锏V化度只有11 g/L，在此礦化度下體系的成膠強(qiáng)度在25 Pa·s以上，成膠強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度緩慢下降，210 d 出現(xiàn)明顯拐點，但此時的成膠強(qiáng)度仍能達(dá)到原有強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的影響不大。這表明含油污泥凍膠體系具有較強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(yùn)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(yùn)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(jì)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(qiáng)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。