污油泥在地層中運(yùn)移規(guī)律研究

滕立勇，宋 華，蔣肇標(biāo)，周煜航，鐘立國(guó)

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163118；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102200)

0 引 言

在石油生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的污油泥，根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，2014年中國(guó)原油總產(chǎn)量約為2.1×108t，產(chǎn)生的污油泥約為420×104t[1]。目前已有的污油泥處理技術(shù)主要包括焚燒處理技術(shù)、熱裂解處理技術(shù)、微生物降解法、溶劑萃取技術(shù)和固化處理技術(shù)等[1-6]。

污油泥調(diào)剖技術(shù)在中國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了十多年的研究與應(yīng)用，針對(duì)各油田實(shí)際油藏條件，開發(fā)出了不同類型的含油污泥調(diào)剖體系，取得了較好的應(yīng)用效果[5， 7-17]。然而，現(xiàn)有的污油泥調(diào)剖研究主要偏向于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果，對(duì)污油泥在地層的運(yùn)移規(guī)律缺乏系統(tǒng)深入的研究，而污油泥在地層中運(yùn)移規(guī)律的認(rèn)識(shí)對(duì)污油泥調(diào)剖技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的理論指導(dǎo)性。

1 污油泥運(yùn)移規(guī)律物理模擬實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)選取遼河油田曙光采油廠污油泥為樣品。污油泥三相分析結(jié)果顯示，污油泥水相含量為84%，油相含量為8%，固相含量為8%。油相組分中飽和烴和芳香烴含量最高，其中，飽和烴含量達(dá)到50%以上。污油泥水相的總礦化度為4 000～6 000 mg/L，水相中的礦物離子主要為硫酸鹽、氯化物、鈉離子和重碳酸鹽，且其中的重碳酸鹽含量最高，污油泥水相pH值為7.76～8.32。污油泥固相主要由非黏土礦物組成，其在固相礦物的含量達(dá)到90%以上，非黏土礦物中，礦物含量最多的是非晶質(zhì)組分， 其含量達(dá)到非黏土礦物總含量的46.4%～83.3%。當(dāng)污油泥溫度為40～120 ℃時(shí)，其黏度為828～2 154 mPa·s。實(shí)驗(yàn)所用填砂管的長(zhǎng)度為14.8 cm，直徑為2.1 cm，實(shí)驗(yàn)所用砂樣為遼河油田地層砂。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理及方法

由于單填砂管封堵實(shí)驗(yàn)難以研究污油泥在地層深部的運(yùn)移規(guī)律，因此，采用污油泥串聯(lián)填砂管封堵實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。串聯(lián)模型中前后2個(gè)填砂管的初始滲透率相同，用以模擬污油泥注入直井并進(jìn)入水平均質(zhì)地層的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，通過測(cè)量計(jì)算串聯(lián)模型中前后填砂管的滲透率和封堵率來研究污油泥對(duì)地層的封堵規(guī)律。其中，封堵率=(封堵前滲透率-封堵后滲透率)/封堵前滲透率。

實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)方法及步驟如下：①按實(shí)驗(yàn)條件填砂制作填砂管，填砂管初始滲透率分別為5 000.0×10-3、10 000.0×10-3、20 000.0×10-3、25 000.0×10-3μm2；②將2個(gè)填砂管組成串聯(lián)模型(前后2個(gè)填砂管的初始滲透率相同)并置于一定溫度的恒溫箱中；③按順序累計(jì)注入0.5、1.0、2.0、4.0倍孔隙體積污油泥到串聯(lián)模型中，分別測(cè)量串聯(lián)模型中前后2個(gè)填砂管的滲透率，并計(jì)算串聯(lián)模型中2個(gè)填砂管的封堵率。

圖1 污油泥串聯(lián)封堵實(shí)驗(yàn)流程

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.3.1 注入少量污油泥條件下填砂管封堵率結(jié)果分析

在污油泥串聯(lián)封堵實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)注入0.5倍孔隙體積污油泥后，串聯(lián)模型中的前填砂管封堵率已經(jīng)達(dá)到98.00%，甚至99.00%以上(前填砂管滲透率基本下降到200.0×10-3μm2以下)，但由于注入串聯(lián)模型中污油泥量較少，只有很少量的污油泥組分進(jìn)入到后填砂管，此時(shí)后填砂管的封堵率一般只有30.00%左右。

1.3.2 不同滲透率條件下污油泥封堵變化規(guī)律

因串聯(lián)模型在注入0.5倍孔隙體積污油泥后，串聯(lián)模型中前填砂管的封堵率已經(jīng)基本達(dá)到99.00%以上，因此，將不再分析前填砂管的封堵率變化，主要對(duì)后填砂管的封堵率變化進(jìn)行分析。

圖2為注入不同量污油泥時(shí)后填砂管滲透率和封堵率的變化結(jié)果。由圖2可知，隨著污油泥累計(jì)注入量的增加，后填砂管的滲透率逐漸下降，封堵率逐漸上升。當(dāng)累計(jì)注入4.0倍孔隙體積污油泥后，初始滲透率為25 000.0×10-3μm2時(shí)，后填砂管封堵率達(dá)到99.97%(即后填砂管滲透率從初始條件下的25 000.0×10-3μm2下降至6.7×10-3μm2)，初始滲透率為20 000.0×10-3μm2時(shí)，后填砂管封堵率達(dá)到93.10%(后填砂管的滲透率下降至1 242.0×10-3μm2)，初始滲透率為10 000.0×10-3、5 000.0×10-3μm2時(shí)，后填砂管的封堵率也分別達(dá)到80.00%(后填砂管滲透率下降至2 213.0×10-3μm2)、71.00%(后填砂管滲透率下降至1627.0×10-3μm2)。

圖2 串聯(lián)封堵實(shí)驗(yàn)后填砂管滲透率和封堵率變化(污油泥注入溫度為80℃)

由上述研究結(jié)果可知，填砂管滲透率對(duì)污油泥的傳輸性能影響很大，填砂管滲透率越大，越有利于污油泥的傳輸，尤其是當(dāng)填砂管初始滲透率達(dá)到20 000.0×10-3μm2以上時(shí)，污油泥不再僅僅堆積在前填砂管，而是能夠通過前填砂管向后填砂管大幅運(yùn)移傳輸，污油泥出現(xiàn)“滲流”現(xiàn)象。由此可知，當(dāng)初始滲透率大于20 000.0×10-3μm2時(shí)，污油泥能夠進(jìn)行大量傳輸運(yùn)移。

1.3.3 污油泥注入溫度對(duì)污油泥封堵性能影響

圖3為污油泥在不同注入溫度下的封堵結(jié)果。由圖3可知，污油泥注入溫度對(duì)污油泥封堵性能影響較大，污油泥注入溫度過高其封堵性能會(huì)出現(xiàn)很大程度的下降，如在60～150 ℃的注入溫度范圍內(nèi)，100 ℃時(shí)污油泥封堵性最好，此時(shí)后填砂管封堵率達(dá)到99.75%；而當(dāng)污油泥注入溫度超過100 ℃后，污油泥封堵率開始大幅降低，當(dāng)注入溫度達(dá)到150 ℃時(shí)，后填砂管的封堵率只有50.12%，下降程度非常明顯。

污油泥注入溫度對(duì)污油泥封堵性能影響的原因：從上述污油泥組分分析實(shí)驗(yàn)可知，污油泥是一個(gè)含有油相、固相和水相的不穩(wěn)定混合體系，污油泥在溫度不高的條件下穩(wěn)定性較好，傳輸性也相對(duì)較好；而當(dāng)溫度過高時(shí)，污油泥穩(wěn)定性急劇下降，在填砂管里傳輸運(yùn)移時(shí)因受到地層砂的剪切作用等，污油泥中水相、油相及固相組分有相互分離的趨勢(shì)，結(jié)果導(dǎo)致油相、固相組分主要堆積在前填砂管，而最終到達(dá)后填砂管的污油泥組分主要是水相，從而對(duì)后填砂管難以造成有效的封堵，導(dǎo)致后填砂管封堵率不高。

圖3 后填砂管封堵率變化(填砂管初

圖4為污油泥在填砂管砂樣中的分布。由圖4a可知，污油泥主要分布在前填砂管靠近污油泥注入口的前半段，污油泥基本沒有進(jìn)入后填砂管；由圖4b可知，填砂管初始滲透率提高至20 000.0×10-3μm2時(shí)，污油泥進(jìn)入前填砂管的深度比初始滲透率為10 000.0×10-3μm2的填砂管要深，有部分污油泥進(jìn)入后填砂管注入口附近；由圖4c可知，填砂管初始滲透率提高至25 000.0×10-3μm2時(shí)，污油泥不僅大量注入到前填砂管的后半段，并且大量進(jìn)入到后填砂管中。因此，當(dāng)填砂管初始滲透率達(dá)到20 000.0×10-3μm2時(shí)，污油泥能夠注入到地層深部層位。

圖4 注入污油泥在填砂管砂樣中分布照片

遼河油田某蒸汽吞吐井在累計(jì)注入17 000 m3污油泥后，污油泥注入井的注入壓力仍然沒有大幅上升，表明污油泥沒有在近井地帶形成有效的封堵，初步認(rèn)為可能是之前熱采過程中蒸汽注入壓力過高，導(dǎo)致地層出現(xiàn)裂縫以及地層巖石產(chǎn)生擴(kuò)張作用(當(dāng)注入壓力過高時(shí)，地層巖石因?yàn)閿U(kuò)張作用而導(dǎo)致近井地帶的地層滲透率大幅上升[18-19])，導(dǎo)致近井地帶地層滲透率達(dá)到20 000.0×10-3μm2甚至更大，從而導(dǎo)致注入的污油泥沒有聚集在近井地帶，而是通過高滲通道(滲透率大于20 000.0×10-3μm2層位)進(jìn)入地層深部，導(dǎo)致污油泥注入壓力沒有大幅上升，污油泥的封堵效果變差。

2 污油泥運(yùn)移規(guī)律理論計(jì)算研究

通過激光粒度分析儀測(cè)得不同類型污油泥固相粒徑范圍，整理后得到不同類型污油泥固相顆粒粒徑累計(jì)分布曲線(圖5)。由圖5可知，不同類型污油泥固相粒徑累計(jì)分布規(guī)律基本相同，對(duì)4種污油泥的粒徑累計(jì)分布曲線分別進(jìn)行趨勢(shì)擬合，可知污油泥固相顆粒粒徑累計(jì)分布曲線基本符合y=Alnx+B的對(duì)數(shù)趨勢(shì)(x為固相顆粒粒徑，μm；y為粒徑累計(jì)分布百分比；A、B為常數(shù))。

由于不同的砂樣具有不同的粒徑，因此，通過圖6可求出不同目數(shù)砂樣的最大孔喉直徑(表1)。由圖5可知，污油泥固相顆粒粒徑累計(jì)分布趨勢(shì)呈對(duì)數(shù)分布趨勢(shì)，通過擬合函數(shù)關(guān)系式可計(jì)算出不同粒徑下的的污油泥固相顆粒累計(jì)分布百分比。由于污油泥的固相組分難以運(yùn)移通過填砂管模型，因此，只要污油泥固相顆粒直徑小于填砂管模型的最大孔喉直徑，則污油泥就能通過填砂管模型，而由污油泥固相顆粒粒徑累計(jì)分布百分比即可得出污油泥固相顆粒通過最大孔喉的累計(jì)百分比。通過計(jì)算得出的結(jié)果如表1所示，表中列出了4種污油泥樣品在對(duì)應(yīng)目數(shù)砂樣中能通過最大孔喉的累計(jì)百分比。

實(shí)驗(yàn)過程中不同滲透率填砂管模型由不同目數(shù)的砂樣填充得到，如表2左側(cè)2列所示，以20 000.0×10-3μm2填砂管模型為例，以40～60目砂樣填充，所對(duì)應(yīng)砂樣粒徑為250～380 μm，從而可計(jì)算出填砂管模型中最大孔喉直徑為59 μm，查表1內(nèi)容可計(jì)算出污油泥固相顆粒累計(jì)通過孔隙百分比，計(jì)算結(jié)果如表2右側(cè)4列所示。

Hands N等[20]在“理想充填理論”基礎(chǔ)上提出了d90經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：當(dāng)暫堵劑顆粒在其粒徑累計(jì)分布曲線上的d90 值(指90.00%的顆粒粒徑小于該值)與地層的最大孔喉直徑或最大裂縫寬度相等時(shí)，可取得理想的暫堵效果(即暫堵劑固相顆粒累計(jì)通過最大孔喉直徑)的累計(jì)百分比大于90.00%時(shí)，污油泥才會(huì)大量運(yùn)移到地層深部層位)。d90經(jīng)驗(yàn)規(guī)則主要用于優(yōu)選鉆井液中暫堵劑顆粒，此經(jīng)驗(yàn)是否適用于篩選污油泥還有待驗(yàn)證。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)填砂管初始滲透率達(dá)到20 000.0×10-3μm2時(shí)，污油泥能夠通過前填砂管并大量進(jìn)入后填砂管中，出現(xiàn)污油泥“滲流”現(xiàn)象。由表2可知，污油泥固相顆粒能通過20 000.0×10-3μm2的填砂管的百分比是64.26%，按照d90經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，因?yàn)?4.26%遠(yuǎn)小于90.00%，則污油泥只會(huì)堆積在污油泥注入口附近而不會(huì)出現(xiàn)污油泥“滲流”現(xiàn)象，因此，d90經(jīng)驗(yàn)規(guī)則不能用于判斷污油泥是否能夠有效封堵地層。

圖5 不同污油泥樣品固相顆粒粒徑累計(jì)分布趨勢(shì)

圖6 污油泥固相顆粒通過巖石孔喉示意圖

由表1、2可知，如果污油泥粒徑主要分布范圍值小于地層的最大孔喉直徑，污油泥能夠大量進(jìn)入到地層中。污油泥固相顆粒的主要粒徑為10～50 μm，其所占百分比為40%～50%，初始滲透率為20 000.0×10-3μm2的填砂管模型的最大孔喉直徑為59 μm，污油泥固相顆粒主要粒徑范圍小于最大孔喉直徑，因而，污油泥能夠大量進(jìn)入填砂管模型中；而初始滲透率為10 000.0×10-3μm2的填砂管模型的最大孔喉直徑為39 μm，處于10～50 μm這個(gè)范圍之內(nèi)，因而，污油泥不能夠大量傳輸進(jìn)入初始滲透率為10 000.0×10-3μm2的填砂管模型中。由此可知，如果污油泥粒徑主要分布范圍值小于地層最大孔喉直徑，污油泥能夠大量進(jìn)入到地層中。

綜上所述，在注入污油泥過程中，污油泥中的固相顆粒經(jīng)過運(yùn)移和地層剪切作用后再次分散成小顆粒，而小顆粒污油泥能夠較順利通過巖石孔喉；

表1 理論計(jì)算下污油泥固相顆粒通過填砂管巖心最大孔喉的累計(jì)百分比

表2 不同滲透率條件下污油泥固相顆粒通過填砂管巖心最大孔喉累計(jì)百分比

此外，在注入污油泥過程中，井底附近的地層壓力增幅較大，地層壓力的增加使巖石孔喉直徑出現(xiàn)一定程度的上升(如果地層巖石出現(xiàn)擴(kuò)張現(xiàn)象，孔喉大小增幅會(huì)更加明顯)，這也有利于粒徑較大的污油泥固相顆粒通過地層。

3 結(jié) 論

(1) 污油泥串聯(lián)封堵實(shí)驗(yàn)顯示，填砂管的滲透率越大越有利于污油泥在填砂管中進(jìn)行傳輸運(yùn)移，進(jìn)入后填砂管的污油泥量也越多。當(dāng)滲透率高于20 000.0×10-3μm2時(shí)，污油泥能夠進(jìn)行大量傳輸運(yùn)移，并出現(xiàn)“滲流”現(xiàn)象。

(2) 污油泥注入溫度對(duì)污油泥封堵性能影響很大，污油泥注入溫度過高其封堵性能會(huì)出現(xiàn)很大程度的下降。如在60～150 ℃溫度范圍內(nèi)，100 ℃污油泥注入溫度的封堵性最好，但是當(dāng)污油泥注入溫度超過100 ℃時(shí)，污油泥封堵效果會(huì)大幅變差。

(3)實(shí)驗(yàn)分析和理論計(jì)算表明，如果污油泥粒徑主要分布范圍值小于地層最大孔喉直徑，污油泥能夠大量運(yùn)移進(jìn)入到地層中。