海上油田含油污泥對污泥-聚合物混合液性能的影響

陳文娟，靖 波，胡 科，張 健

（1. 海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100028；2. 中海油研究總院，北京 100028）

固廢處理

海上油田含油污泥對污泥-聚合物混合液性能的影響

陳文娟1，2，靖 波1，2，胡 科1，2，張 健1，2

（1. 海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100028；2. 中海油研究總院，北京 100028）

為了回注處理海上油田含油污泥，將其與聚合物溶液混合，制備聚合物驅(qū)調(diào)剖體系。系統(tǒng)評價了含油污泥對污泥-聚合物混合液的溶液性能、使用性能及驅(qū)油效果的影響。實驗結(jié)果表明：當(dāng)含油污泥濃度小于300 mg/ L時，油泥顆粒的粒徑范圍為0.1～100 μm，d90為40～60 μm，污泥-聚合物混合液的黏度、抗剪切及抗老化穩(wěn)定性均得到增強，注入性不受顯著影響，阻力系數(shù)及殘余阻力系數(shù)略有增加；當(dāng)采用油泥濃度為100 mg/L的污泥-聚合物混合液進(jìn)行驅(qū)油實驗時，聚驅(qū)采收率增幅為7.26百分比，然而含油污泥濃度的進(jìn)一步升高對提高采收率并不利。

海上油田；含油污泥；聚合物驅(qū)；回注；采收率

海上油田生產(chǎn)平臺空間有限，無法存放大量含油污泥。含油污泥目前的處理方法存在運輸成本高且受海況天氣影響等問題。另外，為克服空間及承載的限制，海上油田含油污泥處理方法應(yīng)滿足簡單高效、設(shè)備占地小、不產(chǎn)生二次污染的要求，并可最大程度地實現(xiàn)減量化、無害化、穩(wěn)定化和資源化。

含油污泥的處理技術(shù)主要包括調(diào)質(zhì)-機械分離、熱處理、溶劑萃取、超聲處理、熱解、微波處理、電動力學(xué)處理、生物處理、冷凍熔融及回注調(diào)剖等方法［1-5］。含油污泥來自地層，與地層間配伍性良好，且抗剪切、抗熱降解及抗鹽性能優(yōu)良，價格相對低廉，可回注地層［6］。含油污泥基調(diào)剖體系主要包括含油污泥乳化、固化、體膨顆粒及聚合物溶液體系等［7-10］。各種含油污泥調(diào)剖體系雖然成本相對較低，具有一定的封堵效果，但是配方研制及工藝處理方面都比較復(fù)雜，最簡單的調(diào)剖體系就是將含油污泥顆粒采用聚合物溶液進(jìn)行攜帶，注入地層深部進(jìn)行調(diào)剖［11-13］。

本工作將海上油田罐底含油污泥與聚合物溶液進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)配，研究了含油污泥-聚合物混合液的顆粒粒徑分布及含油污泥對聚合物溶液黏度、剪切穩(wěn)定性、老化穩(wěn)定性、注入壓力、阻力與殘余阻力系數(shù)、驅(qū)油能力的影響，為探索海上油田含油污泥回注利用技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

含油污泥：渤海A油田現(xiàn)場罐底含油污泥，經(jīng)原油回收及膠體磨細(xì)化處理。含油率約為5.0%，含水率約為92.6%，固含量約為2.4%，固體顆粒的d90（粒徑累積分布達(dá)90%所對應(yīng)的顆粒直徑）小于7 μm。

聚合物：部分水解聚丙烯酰胺，工業(yè)品，固體粉末，固含量為93.0%，相對分子質(zhì)量為（1.0～1.3）× 107，水解度為25%。配制水模擬渤海A油田實際配制水，離子組成見表1。

表1 模擬配制水的離子組成

1.2 實驗方法

1.2.1 含油污泥-聚合物混合液的配制

根據(jù)設(shè)定含油污泥質(zhì)量濃度（簡稱油泥濃度，mg/L）分別稱取一定量含油污泥，使之完全分散在蒸餾水中，將聚合物母液（質(zhì)量濃度5 000 mg/L）加入上述含油污泥分散混合液中，使混合液中聚合物濃度為1 750 mg/L，用攪拌器攪拌以使含油污泥在聚合物中均勻分散。

1.2.2 含油污泥-聚合物混合液顆粒粒徑及分布的測定

使用英國Malvern Instruments有限公司馬爾文激光粒度儀分別測試含油污泥-聚合物混合液的顆粒粒徑及分布。因混合液中的原油干擾測試，故在配制分散混合液前用石油醚洗去含油污泥中的原油。

1.2.3 溶液性能評價

采用Brookfield公司 DV-Ⅲ型黏度計測定含油污泥-聚合物混合液的黏度。0～100 mPa·s黏度范圍采用0#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為6.0 r/min（剪切速率7.34 s-1）；100～320 mPa·s黏度范圍采用61#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為18.5 r/min。測試溫度為65 ℃。

取含油污泥-聚合物混合液，用美國Waring 公司800S/800G型攪拌器 1檔剪切20 s，測定其剪切前后的表觀黏度，計算剪切后黏度保留率，以評價體系的抗剪切穩(wěn)定性。

取含油污泥-聚合物混合液，放置在65 ℃的恒溫烘箱中，每隔10 d測定黏度，計算老化后黏度保留率，以評價混合液的抗老化穩(wěn)定性。

1.2.4 使用性能評價

將含油污泥-聚合物混合液用攪拌器1檔剪切20 s，在65 ℃條件下，參照標(biāo)準(zhǔn)Q/HS 2032—2012［14］的方法，評價混合液的注入性、阻力及殘余阻力系數(shù)。試驗用巖心滲透率約為1 500 mD（1 mD=0.987×10-3μm2），孔隙度為32%，孔徑分布范圍為20～70 μm。

1.2.5 驅(qū)油效果評價

采用三層非均質(zhì)巖心，尺寸為45 mm×45 mm× 300 mm，三層的氣測滲透率分別為500，2 000，5 000 mD，先后進(jìn)行水驅(qū)、含油污泥-聚合物混合液驅(qū)、后續(xù)水驅(qū)試驗，計算各階段原油采收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 含油污泥-聚合物混合液的顆粒大小及分布

含油污泥-聚合物混合液的顆粒粒徑見表2。

表2 含油污泥-聚合物混合液的顆粒粒徑

由表2可見，當(dāng)含油污泥濃度小于300 mg/L時，含油污泥-聚合物混合液中粒徑分布范圍為0.1～100.0 μm，d90為40.0～60.0 μm，當(dāng)含油污泥濃度大于300 mg/L時，粒徑分布范圍為0.1～500.0 μm，混合液d90顯著增大至80.0～120.0 μm。

2.2 含油污泥-聚合物混合液的溶液性能

2.2.1 含油污泥對混合液黏度的影響

含油污泥-聚合物混合液黏度隨含油污泥濃度的變化曲線見圖1。由圖1可見：含油污泥-聚合物混合液的黏度隨含油污泥濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，適宜的含油污泥加入量對聚合物溶液具有增黏作用；未加入含油污泥時，聚合物溶液的黏度為107.1 mPa·s；含油污泥濃度升高至100 mg/L時，混合液的黏度增加至最大值133.9 mPa·s；含油污泥濃度繼續(xù)增加時，混合液的黏度繼而隨之下降，含油污泥濃度為500 mg/L時，基本下降至與未加入含油污泥時持平；含油污泥濃度高于500 mg/L時，混合液的黏度比未加入含油污泥時有所下降。

圖1 含油污泥-聚合物混合液黏度隨含油污泥濃度的變化曲線

2.2.2 含油污泥對混合液剪切穩(wěn)定性的影響

含油污泥-聚合物混合液剪切后黏度保留率隨含油污泥濃度的變化曲線見圖2。

圖2 含油污泥-聚合物混合液剪切后黏度保留率隨油泥濃度的變化曲線

由圖2可見：未加入含油污泥時，聚合物溶液的黏度保留率為30.3%；含油污泥濃度為50 mg/L時，混合液的黏度保留率為最大值32.2%；含油污泥濃度繼續(xù)增大時，混合液的黏度保留率有所下降，含油污泥濃度高于300 mg/L后均低于未加入含油污泥時。

2.2.3 含油污泥對混合液抗老化性能的影響

含油污泥-聚合物混合液老化后黏度保留率隨老化時間的變化曲線見圖3。由圖3可見：未加入含油污泥時，混合液的黏度保留率隨老化時間的延長逐漸降低，70 d后基本保持不變，90 d時黏度保留率為34.4%；當(dāng)含油污泥濃度小于300 mg/L時，黏度保留率呈現(xiàn)先增大后緩慢降低的趨勢，90 d后黏度保留率維持在80%左右，此時含油污泥-聚合物溶液混合液的老化穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于純聚合物溶液；當(dāng)含油污泥濃度大于300 mg/L時，黏度保留率急速下降，遠(yuǎn)低于未加入含油污泥時，90 d后含油污泥濃度為1 500 mg/L的混合液的黏度保留率僅維持在10%左右。

圖3 含油污泥-聚合物混合液老化后黏度保留率隨老化時間的變化曲線

2.2.4 現(xiàn)象分析

產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因可能是：一方面，含油污泥中的細(xì)小泥沙顆粒具有較大的比表面積，表面帶有負(fù)電荷，可在其表面形成雙電層［15］。聚合物分子上含有羧基基團(tuán)，與泥沙顆粒雙電層上的正電荷相互作用，從而吸附于顆粒表面。同時聚合物因自身的疏水性相互作用而發(fā)生聚集，鏈狀分子產(chǎn)生分子內(nèi)締合與分子間締合。當(dāng)濃度達(dá)到一定值后，聚合物和泥沙顆粒相互作用可形成粒徑較小的“聚泥團(tuán)?！保ㄒ妶D4a）。聚泥團(tuán)粒懸浮于聚合物分子的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，流體力學(xué)體積增加，一定程度上增強了溶液的黏度、抗剪切及抗老化性能。另一方面，配制水中的陽離子可屏蔽泥沙顆粒表面的負(fù)電荷，使電位下降，擴散雙電層變薄，泥沙顆粒之間作用力增強，從而產(chǎn)生絮凝作用，形成粒徑較大的“聚泥絮團(tuán)”（見圖4b），加速泥沙顆粒沉降。因此，過高濃度的含油污泥會加劇絮凝，導(dǎo)致體系黏度、抗剪切及抗老化穩(wěn)定性降低［15］。

圖4 聚泥團(tuán)粒（a）及聚泥絮團(tuán)（b）結(jié)構(gòu)示意

2.3 含油污泥-聚合物混合液的使用性能

2.3.1 含油污泥對混合液注入性的影響

不同含油污泥濃度的含油污泥-聚合物混合液的注入壓力曲線見圖5。由圖5可見：當(dāng)含油污泥濃度為100 mg/L時，在注入量為0～25 PV（PV為注入溶液體積占地層孔隙總?cè)莘e的倍數(shù)）范圍內(nèi)含油污泥-聚合物混合液的注入壓力與純聚合物溶液相當(dāng)，證明混合液可順利注入；當(dāng)含油污泥濃度為300 mg/L時，在注入量為0～25 PV范圍內(nèi)注入壓力稍有波動且有所升高；當(dāng)含油污泥濃度大于300 mg/L時，混合液在注入過程中壓力波動較大，說明有污泥顆粒已經(jīng)注入巖心并且在巖心內(nèi)部發(fā)生了運移。從注入實驗結(jié)束后的巖心也可明顯看出，含油污泥濃度較高時，污泥在巖心端面的滯留比較明顯，注入性能下降。這可能是因為，當(dāng)含油污泥濃度大于300 mg/L時，粒徑分布范圍為0.1～500 μm，d90顯著增大至80～120 μm，大于巖心的最大孔徑（70 μm），從而導(dǎo)致混合液的注入能力下降及污泥在巖心斷面的滯留。

圖5 不同含油污泥濃度含油污泥-聚合物混合液的注入壓力曲線

2.3.2 含油污泥對混合液阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)的影響

含油污泥-聚合物混合液的阻力系數(shù)及殘余阻力系數(shù)見表3。由表3可見：含油污泥的加入對聚合物溶液阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)有較大的影響，含油污泥濃度小于500 mg/L時，與純聚合物溶液相比，阻力系數(shù)變化不大（均在150左右），殘余阻力系數(shù)略有增加；含油污泥濃度大于500 mg/L時，阻力系數(shù)及殘余阻力系數(shù)均大幅增加。這是因為，含油污泥隨聚合物溶液注入至巖心后，更容易在巖心中吸附滯留，因而造成殘余阻力系數(shù)顯著增大。

表3 含油污泥-聚合物混合液的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)

2.4 含油污泥-聚合物混合液的驅(qū)油效果

含油污泥-聚合物混合液的驅(qū)油效果見表4。由表4可見：含油污泥濃度為0～500 mg/L時，水驅(qū)采收率均為25%左右；含油污泥濃度為0 mg/L時（即純聚合物溶液驅(qū)）的聚驅(qū)采收率為24.94%；含油污泥濃度為100 mg/L時，聚驅(qū)采收率為32.20%，比純聚合物驅(qū)采收率增加7.26百分點，總采收率也基本增加相近的百分點；然而當(dāng)含油污泥濃度增加至500 mg/L時，聚驅(qū)采收率反而有所下降，證明含油污泥濃度進(jìn)一步升高時，對提高采收率并不利，主要原因可能是含油污泥濃度過高造成聚合物溶液黏度及抗剪切性能下降。綜上所述，適量含油污泥的加入可以在一定程度上提高原油采收率。

表4 含油污泥-聚合物混合液的驅(qū)油效果

3 結(jié)論

a）當(dāng)含油污泥濃度小于等于300 mg/L時，含油污泥-聚合物混合液中顆粒的粒徑分布范圍為0.1～100 μm，d90為40～60 μm；當(dāng)含油污泥濃度大于300 mg/L時，粒徑分布范圍為0.1～500 μm，d90顯著增大至80～120 μm。

b）當(dāng)含油污泥濃度小于300 mg/L時，含油污泥-聚合物混合液的黏度、剪切穩(wěn)定性、老化穩(wěn)定性得到顯著增強。

c）當(dāng)含油污泥濃度小于100 mg/L時，在注入量為0～25 PV范圍內(nèi)含油污泥-聚合物混合液的注入壓力與純聚合物溶液相當(dāng)，且對阻力系數(shù)及殘余阻力系數(shù)的影響不大。

d）當(dāng)含油污泥濃度小于300 mg/L時，與未添加含油污泥相比，聚驅(qū)采收率增大。當(dāng)含油泥濃度為100 mg/L時，聚驅(qū)采收率增幅為7.26百分點。然而含油污泥濃度的進(jìn)一步升高對提高采收率并不利。

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（編輯 葉晶菁）

Effects of oliy sludge in offshore oilfield on performance of sludge-polymer mixture

Chen Wenjuan1，2，Jing Bo1，2，Hu Ke1，2，Zhang Jian1，2
（1. State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation，Beijing 100028，China；2. CNOOC Research Institute，Beijing 100028，China）

For reinjection of oily sludge in offshore oilfield，the sludge was mixed with polymer solution to prepare the profi le control system for polymer fl ooding. The effects of the oily sludge on solution property，application performance and oil-displacing ability of the sludge-polymer mixture were evaluated. When the mass concentration of oily sludge was less than 300 mg/L，the sludge particle size was in the range of 0.1-100 μm，d90was in the range of 40-60 μm；the viscosity，anti-shearing stability and anti-aging stability of the oily sludge-polymer mixture were enhanced；the injection ability was not signifi cantly affected；the resistance coeffi cient and residual resistance coeffi cient were increased slightly. When the oily sludge-polymer mixture with 100 mg/L of sludge mass concentration was used for polymer fl ooding，the oil recovery rate was 7.26 percentage point，however，a further increase of the mass concentration was not conducive for the oil recovery.

offshore oilfi eld；oliy sludge；polymer fl ooding；reinjection；oil recovery

X705

A

1006-1878（2017）02-0227-05

10.3969/j.issn.1006-1878.2017.02.018

2016 - 07 - 08；

2016 - 12 - 16。

陳文娟（1988—），女，山東省棗莊市人，博士，高級工程師，電話 010 - 84523756，電郵 chenwj4@cnooc.com.cn。

“十三五”國家科技重大專項（2016ZX05025-003）。