稠油熱采井含油污泥調(diào)剖技術(shù)研究與應(yīng)用*

楊 洋 王 哲 鄭賽男 魏 巍

(1.中國(guó)石油遼河油田公司曙光采油廠; 2.中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司；3.中國(guó)石油遼河油田公司質(zhì)量安全環(huán)保部)

0 引 言

曙光油田是國(guó)內(nèi)重要的稠油熱采生產(chǎn)基地，目前已進(jìn)入中后期高含水開(kāi)發(fā)階段，其集輸和污水處理系統(tǒng)日產(chǎn)含油污泥約350 t，缺乏高效低成本的處理手段，儲(chǔ)存能力已達(dá)極限。稠油含油污泥成分復(fù)雜、分離困難，含有苯類、酚類、蒽類等物質(zhì)，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[1-4]，且含油污泥含有泥質(zhì)、原油，無(wú)論從環(huán)境保護(hù)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(shù)對(duì)含油污泥進(jìn)行減量化、資源化、無(wú)害化處理[5-10]。目前國(guó)內(nèi)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(wèn)題，難以滿足企業(yè)的實(shí)際需求，簡(jiǎn)化工藝流程、降低處理成本、滿足環(huán)保要求是含油污泥處理技術(shù)的發(fā)展方向。稠油含油污泥中的固體成分對(duì)高滲儲(chǔ)層具有物理堵塞作用[11-12]，具有顆粒調(diào)剖的可行性。曙光稠油油藏非均質(zhì)性強(qiáng)，經(jīng)過(guò)多年熱采開(kāi)發(fā)，油層動(dòng)用不均、汽竄問(wèn)題嚴(yán)重，年均調(diào)剖措施規(guī)模大、投入高，含油污泥調(diào)剖技術(shù)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(píng)價(jià)

1.1 組分及含量

曙光采油廠含油污泥主要來(lái)自污水處理系統(tǒng)，成分較為復(fù)雜，大致分為水相、油相和固相，不同來(lái)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(cè)定其組分及含量，結(jié)果見(jiàn)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(guī)顆粒調(diào)剖劑中固相含量通常為10%～30%，樣品具有制成顆粒調(diào)剖劑的可行性；含水均超過(guò)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(qiáng)度[13]。激光粒度儀對(duì)含油污泥固相成分粒度分布測(cè)定結(jié)果見(jiàn)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(diào)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(jīng)過(guò)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(diào)剖劑須具備良好的懸浮性能，避免在輸送至目的層過(guò)程中出現(xiàn)沉降，影響后續(xù)注入。將樣品按不同摻水比例稀釋后，觀察其分散性、懸浮穩(wěn)定性，含油污泥分散懸浮狀態(tài)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 含油污泥分散懸浮狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，活性污泥穩(wěn)定性最好，稀釋后不分層，可單獨(dú)作為調(diào)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)分層，需要加入一定量的稠化劑，提高懸砂性能及穩(wěn)定性，以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求[14]。

1.3 流動(dòng)性

圖2 不同摻水比例含油污泥黏度曲線

為保證調(diào)剖劑正常流動(dòng)及管輸，其黏度需≤600 mPa·s。將樣品按不同摻水比例稀釋后測(cè)定其黏度，結(jié)果見(jiàn)圖2。當(dāng)各類含油污泥摻水率達(dá)到75%以上，黏度<600 mPa·s，具有較好的流動(dòng)性，能夠順利泵入地層。但是含水率過(guò)高，會(huì)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(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，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(píng)價(jià)

組分及特性分析表明，含油污泥具備制成調(diào)剖劑的可行性，通過(guò)物理模型與數(shù)值模擬對(duì)含油污泥封堵機(jī)理進(jìn)行研究。

2.1 物模實(shí)驗(yàn)

將實(shí)際地層砂篩析后制成不同滲透率級(jí)別填砂管模型，注入1.0 PV含油污泥。

單填砂管封堵實(shí)驗(yàn)(1 PV)結(jié)果見(jiàn)表3；串聯(lián)填砂管封堵實(shí)驗(yàn)(1 PV)結(jié)果見(jiàn)表4。實(shí)驗(yàn)表明，不同含水率含油污泥在不同溫度下對(duì)3 000～4 000 mD填砂模型的封堵率均超過(guò)98%，含水率和溫度對(duì)效果影響不大；串聯(lián)填砂管模型封堵實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)兩個(gè)填砂管串聯(lián)注入1 PV含油污泥時(shí)，前填砂管封堵率達(dá)到99.90%，后填砂管封堵率僅25.13%，產(chǎn)出液為清澈的水。

表3 單填砂管封堵實(shí)驗(yàn)(1 PV)

表4 串聯(lián)填砂管封堵實(shí)驗(yàn)(1 PV)

2.2 數(shù)值模擬

以曙光油田曙D1油藏作為目標(biāo)油藏，開(kāi)展熱采井含油污泥調(diào)堵數(shù)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(shù)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(guò)程中，流向高滲區(qū)域，經(jīng)過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)固相和油質(zhì)會(huì)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(jiàn)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(diào)剖后高滲區(qū)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(dòng)用狀況。

2.3 機(jī)理分析

注入含油污泥通過(guò)砂樣介質(zhì)時(shí)，含油污泥中水與油、泥質(zhì)發(fā)生分離，泥質(zhì)和油在孔隙介質(zhì)中吸附滯留，產(chǎn)生封堵效果；數(shù)值模擬顯示，注入含油污泥可明顯降低高滲區(qū)或出砂產(chǎn)生空洞區(qū)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(dòng)用狀況。

3 含油污泥調(diào)剖技術(shù)研究

3.1 含油污泥調(diào)剖劑研制

稠油油藏經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期蒸汽吞吐，其孔隙度、滲透率等地層參數(shù)與原始狀況已有很大差別，需針對(duì)不同含油污泥加入適合的改性化學(xué)劑和添加劑，制成有一定強(qiáng)度和耐沖刷能力的調(diào)剖劑。

1)含油污泥顆粒調(diào)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(shí)，添加合適種類和大小的固相顆粒，提高封堵強(qiáng)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(rùn)土，能保持體系有較高懸浮性和強(qiáng)度；固相顆粒選擇200目以上有一定膨脹系數(shù)的樹(shù)脂顆粒，產(chǎn)生橋架作用，對(duì)孔道進(jìn)行封堵；分散劑為一種有機(jī)電解質(zhì)，主要是降低含油污泥調(diào)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(fù)合調(diào)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(tuán)與聚丙烯酰胺分子的—NH2基團(tuán)結(jié)合形成氫鍵，大量氫鍵作用使聚合物能穩(wěn)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(chǎn)生封堵作用。體系成膠時(shí)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(wú)機(jī)凝膠、固化劑、增強(qiáng)劑、活化劑、懸浮劑等，按適當(dāng)比例復(fù)配而成。通過(guò)控制反應(yīng)溫度和活化劑用量，調(diào)節(jié)成膠速度和強(qiáng)度。體系在成膠前黏度低，利于泵注；成膠后，強(qiáng)度高，耐溫性好，能滿足熱采條件下耐熱、耐沖刷要求，并長(zhǎng)期有效。體系封堵率≥95%，突破壓力>20 MPa，耐溫超過(guò)300℃。

3.2 調(diào)剖劑封堵性能評(píng)價(jià)

含油污泥調(diào)剖劑應(yīng)用于稠油熱采井，對(duì)耐溫、耐沖刷、封堵強(qiáng)度要求較高，在室內(nèi)采用填砂管模型(300℃)進(jìn)行封堵實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 含油污泥調(diào)剖劑封堵率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)表明，3種含油污泥調(diào)剖劑巖心封堵率75.8%～95.2%，可通過(guò)段塞優(yōu)化組合滿足不同類型儲(chǔ)層封堵需求。

3.3 調(diào)剖方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

采用CMG油藏模擬軟件進(jìn)行稠油熱采井含油污泥調(diào)剖數(shù)值模擬，模擬結(jié)果用來(lái)指導(dǎo)含油污泥調(diào)剖方案設(shè)計(jì)。處理半徑取1～10 m，模擬計(jì)算不同劑量下封堵效果。不同熱采輪次調(diào)剖數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖4；不同非均質(zhì)系數(shù)調(diào)剖數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 不同熱采輪次調(diào)剖數(shù)值模擬結(jié)果

由圖4可以看出，對(duì)非均質(zhì)系數(shù)1.82的模型，生產(chǎn)15周期時(shí)進(jìn)行封堵，封堵后周期增油量最高75 t；生產(chǎn)20周期時(shí)進(jìn)行封堵，封堵后周期增油量最高為297 t，最優(yōu)封堵半徑8 m。對(duì)于非均質(zhì)系數(shù)為1.90，1.94和1.95的3個(gè)模型，同樣第20周期封堵效果好于15周期。

圖5 不同非均質(zhì)系數(shù)調(diào)剖數(shù)值模擬結(jié)果

圖5顯示，封堵后原油產(chǎn)量上升，含水量下降，周期增油量并非簡(jiǎn)單地隨封堵半徑的增大而增多，而是存在一個(gè)最優(yōu)的封堵半徑。對(duì)于非均質(zhì)系數(shù)為2.5的模型，最優(yōu)封堵半徑為7 m，封堵后的周期含水率為70.3%，對(duì)比下降10%。

綜合數(shù)值模擬結(jié)果，認(rèn)為油層滲透率變異系數(shù)越大，含油污泥調(diào)剖效果越好；針對(duì)稠油高滲透油藏，最佳調(diào)剖半徑約7～8 m，最佳封堵時(shí)機(jī)>20輪。

3.4 調(diào)剖段塞組合優(yōu)化

針對(duì)不同稠油區(qū)塊地質(zhì)狀況和開(kāi)發(fā)矛盾，結(jié)合不同含油污泥調(diào)剖劑的性能進(jìn)行段塞最優(yōu)組合，目前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐了3種段塞組合方式的實(shí)施工藝，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 含油污泥調(diào)剖技術(shù)施工工藝及段塞組合

1)高強(qiáng)度含油污泥調(diào)剖工藝：主要針對(duì)井距較小、汽竄嚴(yán)重的超稠油油藏，以封堵汽竄通道、調(diào)整吸汽剖面為主要目的。前段塞采用強(qiáng)度較大的含油污泥聚合物體系+大顆粒對(duì)該井油層進(jìn)行“建墻”處理，建立前沿封堵強(qiáng)度；第二段塞采用含油污泥顆粒體系進(jìn)行“填縫處理”，填充高滲透層中遠(yuǎn)端細(xì)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(hù)段塞。

2)常規(guī)含油污泥調(diào)剖工藝：主要針對(duì)吸汽不均、汽竄相對(duì)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(xì)顆粒作為前置段塞，進(jìn)入地層深部起到保護(hù)后續(xù)段塞的作用；含油污泥凝膠調(diào)剖劑中間段塞，起到推送、加強(qiáng)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(diào)剖工藝：主要針對(duì)地層虧空嚴(yán)重、注汽壓力較低的普通稠油油藏，以補(bǔ)充地層能量為主。以含油污泥+中細(xì)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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在理論研究及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，在曙光油田D1區(qū)塊進(jìn)行含油污泥調(diào)剖現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)油藏儲(chǔ)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(dòng)用不均嚴(yán)重，適合開(kāi)展含油污泥調(diào)剖。

4.1 應(yīng)用效果

含油污泥調(diào)剖技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用32井次，累計(jì)使用含油污泥原料9.34×104t。與措施前對(duì)比，實(shí)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(gè)、汽竄影響產(chǎn)量降低4 338 t；與常規(guī)凝膠類調(diào)剖技術(shù)相比，單井投入減少6.7萬(wàn)元，單井增油增加106 t，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

按遼河油田常規(guī)含油污泥處理費(fèi)用1 000元/t、含油污泥調(diào)剖技術(shù)綜合成本480元/t計(jì)算，處理含油污泥9.34×104t，節(jié)約處理費(fèi)用4 856.8×104元；按稠油價(jià)格850元/t計(jì)算，措施增油6 849 t，增油創(chuàng)效582.1×104元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.3 典型實(shí)例

D1-1井措施前已熱采25輪，注汽壓力10.7 MPa，周期生產(chǎn)僅57 d，產(chǎn)油205 t，與周邊兩口井汽竄嚴(yán)重。該井實(shí)施高強(qiáng)度含油污泥調(diào)剖技術(shù)，注入含油污泥852 m3。措施后注汽壓力14.2 MPa，對(duì)比提高3.5 MPa；周期生產(chǎn)136 d，產(chǎn)油523 t，對(duì)比增油318 t；注汽期間周邊未出現(xiàn)明顯汽竄反應(yīng)，調(diào)剖后封竄增油效果明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)結(jié)合曙光油田油藏實(shí)際，通過(guò)組分及特性分析證明含油污泥具有顆粒調(diào)剖的可行性，其封堵機(jī)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(diào)剖劑體系，其封堵率75.8%～95.2%，通過(guò)不同的段塞組合能滿足中、低滲透油藏調(diào)剖封竄需求。

3)實(shí)際應(yīng)用表明，含油污泥調(diào)剖技術(shù)具有良好的封竄、增油效果，且施工簡(jiǎn)單、成本低，可擴(kuò)展應(yīng)用于火驅(qū)、SAGD(蒸汽輔助重力泄油技術(shù))、水驅(qū)等開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。

4)含油污泥調(diào)剖技術(shù)的成功應(yīng)用，在改善稠油油藏?zé)岵砷_(kāi)發(fā)效果的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了含油污泥的綠色、低成本、資源化利用。