含油污泥調(diào)剖體系的制備及調(diào)剖性能評價*

戴彩麗，徐忠正，劉佳偉，孫 雯，陳 佳，趙 光，李 琳

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；2.山東省油田化學重點實驗室，山東青島 266580）

含油污泥已經(jīng)成為開發(fā)過程中一種主要的伴生污染物。油田每年產(chǎn)生的含油污泥總量巨大，若污泥中含有的苯系物、酚類、蒽類等有毒物質(zhì)未經(jīng)處理直接排放，會對大氣、土壤、水體等生態(tài)環(huán)境造成破壞［1—3］。因此，無論從環(huán)境保護還是資源回收的角度考慮，油田亟需對含油污泥進行無害清潔化處理。目前，含油污泥的處理方法主要有調(diào)制-機械處理技術［4］、熱處理技術［5—6］、溶劑萃取技術［7］和污泥調(diào)剖技術［8—9］。雖然部分實現(xiàn)了含油污泥的無害清潔化處理，但仍存在能耗高、易造成二次污染的問題。含油污泥調(diào)剖技術投入較低，為含油污泥的無害化處理和資源化利用提供了新的途徑［10—11］。含油污泥調(diào)剖體系與地層具有良好的配伍性，可以對高滲透層段進行有效封堵，改善吸水剖面，提高注入水波及體積以及驅(qū)油效率，從而獲得顯著的經(jīng)濟效益［12—13］。目前常用的含油污泥調(diào)剖技術處理工藝包括“熱水沖洗+藥物破乳+重力除油+離心脫水”的含油污泥預處理過程［14］，同時為了將污泥輸送到調(diào)剖目的層，避免攜帶液中污泥顆粒沉降速度過快，必須采取添加懸浮劑、乳化劑等措施提高污泥的懸浮性能［12，15—16］。

實際生產(chǎn)過程中經(jīng)常存在含油污泥的含油量較高，且工程現(xiàn)場不具備除油除水設備條件的情況。為解決這一問題，本文分析了東風港油田現(xiàn)場含油污泥的組分特征和固相粒徑，采用機械篩分、乳化分散、懸浮降黏的方法，提高含油污泥的懸浮穩(wěn)定性能，同時針對含油污泥的固液比、機械篩分轉(zhuǎn)速、攪拌時間等進行優(yōu)化。對研發(fā)的體系進行注入性能、封堵性能、調(diào)驅(qū)效果等綜合性能評價，為含油污泥的現(xiàn)場處理及再利用試驗奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

乳化劑烷基酚聚氧乙烯醚羧酸鹽APEC-20、APEC-10（20、10 表示聚醚數(shù)），工業(yè)級（＞95%），山東臨沂市綠森化工有限公司；乳化劑吐溫20（Tween-20）、辛基苯基聚氧乙烯醚（X-100）、吐溫80（Tween-80）和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），分析純，國藥集團化學試劑有限公司；丙烯酸酯共聚物懸浮劑（SF）、纖維素類懸浮劑（SX）以及三乙醇胺單硬脂酸酯乳化劑（FM-20），工業(yè)級（＞95%），上海銀聰新材料科技有限公司；含油污泥樣品，東風港油田現(xiàn)場；清水，礦化度為400 mg/L；填砂管內(nèi)徑為2.5 cm，長度分別為100、20 cm；模擬油，將油田區(qū)塊現(xiàn)場原油和煤油按質(zhì)量比1∶10配制，25℃下的黏度為2.15 mPa·s、密度為0.785 g/cm3。

Waring-LB20E 變速研磨機，美國Waring 公司；Bettersize 2000激光粒度分析儀，丹東百特儀器有限公司；JSM-7500型SEM掃描電鏡，日本電子株式會社（JEOL）；Bruker-D8 Advance型XRD衍射儀，布魯克（北京）儀器有限公司；長填砂管多孔測壓實驗裝置、單管填砂管驅(qū)替實驗裝置，北京永瑞達公司。

1.2 實驗方法

（1）含油污泥組分分析

先用鋼絲網(wǎng)過濾去除含油污泥中的大體積固相，主要組成成分為油、水和固相顆粒，然后稱取少量的混合物置于坩堝中，放入110℃烘箱約24 h，損失的質(zhì)量為水分質(zhì)量，繼續(xù)500℃高溫處理4 h，損失的質(zhì)量為油相質(zhì)量，剩余質(zhì)量為固相質(zhì)量。實驗結果取5組實驗平均值。

（2）含油污泥懸浮實驗

將含油污泥加入水中，再加入不同的懸浮劑及乳化劑，使用變速研磨機攪拌，在常溫（25℃）和模擬地層溫度（90℃）條件下靜置，記錄懸浮時間。

（3）注入性能評價實驗

采用單管模型考察不同滲透率條件下的含油污泥調(diào)剖體系注入性能。用填砂管模擬目標地層，裝置示意圖見圖1。在90℃下，利用帶有攪拌功能的中間容器將處理后的含油污泥調(diào)剖體系（1 PV）注入填砂管中，測定封堵前后的壓力；建立長填砂管實驗模型，借助多孔測壓裝置，以各點壓降研究含油污泥調(diào)剖體系在地層深部的注入性能。填砂管（長100 cm）進口端為第1個測壓點，第2—5處測壓點依次相隔20 cm。在90℃下，先注入清水至壓力穩(wěn)定，使填砂管充分飽和水；注入1 PV 含油污泥調(diào)剖體系，繼續(xù)水驅(qū)，記錄多點測壓裝置數(shù)據(jù)［17］。

圖1 長填砂管多孔測壓實驗流程示意圖

（4）封堵性能評價實驗

采用單管模型，用填砂管模擬儲層目標地層，在90℃條件下，水驅(qū)測定初始水測滲透率K1；利用帶有攪拌功能的中間容器將處理后的含油污泥調(diào)剖體系注入填砂管（長度為20 cm），測定封堵后的水測滲透率K2。按E=（K1-K2）/K1×100%計算封堵率E［18］。

（5）驅(qū)替潛力評價實驗

在90℃油藏條件下，采用單管填砂管模型評價含油污泥調(diào)剖體系封堵后的后續(xù)水驅(qū)驅(qū)油潛力。用填砂管模型模擬目標地層，裝置示意圖見圖2。在90℃下，遵循“由低泵入速度到高泵入速度”的原則將填砂管模型飽和模擬油，并將飽和油后的填砂管模型置于90℃恒溫箱中老化24 h；以0.5 mL/min的泵速水驅(qū)至產(chǎn)液含水率達到90%以上，記錄過程中的壓力、產(chǎn)水量和產(chǎn)油量；利用帶有攪拌功能的中間容器以0.5 mL/min 的泵速注入1 PV 含油污泥調(diào)剖體系對目標地層進行封堵，記錄注入過程中的壓力、產(chǎn)水量和產(chǎn)油量；再次水驅(qū)至產(chǎn)液含水率達到90%以上，記錄過程中的壓力、產(chǎn)水量和產(chǎn)油量，計算采收程度增值。

圖2 單管填砂管驅(qū)替實驗流程示意圖

2 結果與討論

2.1 含油污泥的基礎性質(zhì)

2.1.1 外觀形貌

含油污泥樣品目測外觀為黑褐色，呈現(xiàn)為黏稠膏狀，其中含有石塊、布條、樹枝等大體積固相雜質(zhì)，pH 值為7.4～7.8，表觀黏度約213 mPa·s。實驗室可用濾網(wǎng)除去大體積固相，施工現(xiàn)場可用高壓水沖洗并破壞油泥中的包體，利用振動篩網(wǎng)去除大體積固相雜質(zhì)。

2.1.2 含油污泥組分

由5 組平行實驗結果可得，含油污泥平均油相含量為59.42%，平均水相含量為5.38%，平均固相含量為35.2%。

2.1.3 固相顆粒表觀形貌及粒徑

通過室內(nèi)分離實驗，將含油污泥內(nèi)的油相以及雜質(zhì)濾去，通過變速搗碎機進行粒徑控制，采用粒度分析儀分析固相顆粒搗碎前后的粒徑分布，結果如表1、表2所示。固相顆粒搗碎前的固相粒徑主要集中分布在15～54 μm，經(jīng)過變速搗碎機處理后的固相粒徑分布均勻，粒徑主要分布在2～13 μm。

表1 機械搗碎前的固相粒徑大小及分布

表2 機械搗碎后的固相粒徑大小及分布

通過SEM 掃描電鏡觀察固相（油污處理后）顆粒機械搗碎前后的表觀形貌。機械搗碎前，固相泥沙相互團聚形成形狀、體積不均勻的顆粒；機械搗碎后的顆粒變小，分布均勻。

圖3 固體顆粒機械搗碎前（a）后（b）的掃描電鏡照片

2.1.4 固相顆粒礦物成分

通過清洗、高溫處理固相顆粒，用XRD 衍射儀測得固相顆粒的礦物成分為：10.8% SiO2、29.5%CaSO4、24.4% CaCO3、6.1% MgFe2O4、5.1% Fe2O3、21.8%KAl2Si3AlO10（OH）2、2.2%BaSO4。脫水、脫油處理后的泥土是由不同粒徑顆粒組成的混合物，這些泥土顆粒來自地層，泥質(zhì)主要礦物成分為CaSO4、CaCO3等，在復配體系中應避免添加劑與泥質(zhì)的反應。

2.2 含油污泥調(diào)剖配伍性

2.2.1 懸浮劑的篩選

初步選取了SF 和SX 兩種工業(yè)化的懸浮劑，在25℃、固液質(zhì)量比為8%的條件下，懸浮劑加量對含油污泥懸浮時間的影響如表3所示。為達到油田現(xiàn)場含油污泥回注實用要求，以懸浮時間10 h 為參考，在常溫25℃條件下，SX懸浮劑在0.4%的加量下仍未達到要求，而加入0.2%SF 懸浮劑即已滿足條件，故優(yōu)選SF懸浮劑開展后續(xù)研究。

表3 懸浮劑加量對含油污泥懸浮時間的影響

2.2.2 乳化劑的篩選

在SF 懸浮劑加量為0.2%時，初步選取了APEC-20、Tween-20、X-100、FM-20、APEC-10、Tween-80和SDBS 7種油田現(xiàn)場常用的乳化劑。在25℃下不同加量乳化劑對含油污泥懸浮時間的影響如表4所示。在常溫25℃條件下滿足懸浮性能技術指標（10 h）且未出現(xiàn)明顯分層的體系為：0.2%SF+0.2%FM-20 和0.2%SF+0.2%X-100。通常，溫度越高，顆粒體系穩(wěn)定性越差，導致體系沉降加速，懸浮時間減少。根據(jù)油田實際情況，在90℃下對以上兩個體系進一步篩選發(fā)現(xiàn)，0.2%SF+0.2%FM-20對污油的乳化能力更強，懸浮時間更長，故優(yōu)選0.2%SF+0.2%FM-20為調(diào)剖體系配方。

表4 不同加量乳化劑對含油污泥懸浮時間的影響

2.3 含油污泥調(diào)剖體系使用條件優(yōu)化

2.3.1 固液質(zhì)量比

固液比為加入原始（未經(jīng)機械搗碎）含油污泥和水的質(zhì)量比。優(yōu)化固液比能進一步提升含油污泥的處理效率，有效利用油田現(xiàn)場資源。在90℃下，采用配方為0.2%SF+0.2%FM-20 的調(diào)剖體系，考察固液比對含油污泥懸浮時間的影響，以懸浮時長達到10 h為評價標準。由表5可見，在90℃下，達到懸浮10 h 條件的固液比分別為4%和8%，且均未出現(xiàn)明顯的沉降現(xiàn)象，故適宜的固液比為4%～8%。固液比為4%和8%時，含油污泥調(diào)剖體系的中值粒徑（D50）較小，有利于調(diào)剖體系的運移。

表5 固液比對含油污泥懸浮時間的影響

2.3.2 剪切轉(zhuǎn)速及時間

在室內(nèi)實驗階段，使用高速剪切機控制體系粒徑和促進乳化劑的乳化作用。設置高速剪切機轉(zhuǎn)速為1600、3200、6400、9600、12800 r/min，在溫度為25℃、固液比8%、調(diào)剖體系配方為0.2% SF+0.2%FM-20 的條件下，以懸浮時間10 h 為評價指標。在優(yōu)化剪切轉(zhuǎn)速時，攪拌時間相同（3 min），隨著轉(zhuǎn)速的增加，出現(xiàn)少許分層的時間后移，故適宜的轉(zhuǎn)速約為6400 r/min。在優(yōu)化剪切時間時，在轉(zhuǎn)速相同的情況下，攪拌時間越長可增強懸浮性能，當攪拌時間達到2～3 min時即可滿足懸浮性能的要求。

2.4 性能評價

2.4.1 注入性能

調(diào)剖體系配方為0.2%SF+0.2%FM-20，固液比8%，剪切轉(zhuǎn)速6400 r/min，剪切時間3 min，清水配液，溫度90℃（后續(xù)實驗均在此條件下進行）。由圖4可見，在填砂管滲透率不同的條件下，含油污泥調(diào)剖體系均具有良好的注入性能，但存在注入能力的差別，注入壓力的增幅不同。在滲透率較低的填砂管（＜1 μm2）中，注入壓力前期上升較緩、后期上升較快。這是由于注入初期粒徑較小的顆粒優(yōu)先進入流動阻力小的大孔喉，含油污泥乳化懸浮液在到達地層一定深度后，受地層水沖釋及地層巖石的吸附作用，乳化懸浮體系分解，其中的泥質(zhì)顆粒吸附膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和蠟質(zhì)，并通過它們粘連聚集形成較大粒徑的“團粒結構”并沉降在大孔道中，使大孔道通徑變小，造成堵塞，使得壓力上升。當滲透率較大時（＞2 μm2），孔喉半徑遠大于含油污泥調(diào)剖劑顆粒的粒徑，不易封堵。隨著注入量的增加，顆粒之間通過架橋形成一定的封堵，但是這種架橋封堵能力較弱，導致注入壓力增長緩慢。

圖4 填砂管滲透率對調(diào)剖體系注入性能的影響

在長填砂管實驗模型中，借助多孔測壓裝置，采用恒速注入的方法通過沿程壓力值的變化研究含油污泥調(diào)剖體系的注入性能。由圖5 可見，在不同的測量點均有明顯的壓力變化。在注入1 PV 含油污泥調(diào)剖體系后，測壓點1、2、3的壓力均上升，隨著后續(xù)水驅(qū)將含油污泥調(diào)剖體系顆粒向深部運移，測壓點4、5 出現(xiàn)壓力上升，說明該含油污泥調(diào)剖體系具有較好的注入性能。調(diào)剖完成后需停泵轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)，此時會出現(xiàn)壓力再平衡，導致壓力值突然下降。隨著后續(xù)水驅(qū)繼續(xù)進行，沿程壓力值升至峰值，注入水突破后沿程壓力值下降并逐漸趨于平衡。

圖5 長填砂管模型內(nèi)各點壓力隨注入量的變化

2.4.2 封堵性能

攪拌處理后的含油污泥調(diào)剖體系注入地層后，對目標地層產(chǎn)生封堵作用。使用封堵率來表征含油污泥調(diào)剖體系的封堵性能。由表6 可見，含油污泥調(diào)剖體系具有較優(yōu)的封堵性能，封堵率達到90%以上。

表6 含油污泥調(diào)剖體系對不同滲透率填砂管模型的封堵性能

2.4.3 調(diào)驅(qū)效果

在90℃油藏條件下，含油污泥調(diào)剖體系封堵后的后續(xù)水驅(qū)驅(qū)油潛力如圖6 所示。經(jīng)過調(diào)剖改善后，后續(xù)水驅(qū)采出程度增值達25.01%。

圖6 含油污泥調(diào)剖體系的調(diào)驅(qū)效果

初始階段水驅(qū)后，優(yōu)勢滲流通道形成，造成含水率不斷提升，水驅(qū)無效循環(huán)。此時，注入含油污泥調(diào)剖體系進行封堵，在注入壓力的作用下，注入的體系能優(yōu)先進入填砂管模型高滲部位，通過顆粒的滯留、吸附或聚集對高滲部位進行有效的調(diào)控。注入壓力升高，迫使后續(xù)水流轉(zhuǎn)向中低滲層未波及區(qū)域，從而啟動中低滲部位，將其中的剩余油驅(qū)替出。

3 結論

東風港油田含油污泥的組成成分包括59.42%油相、5.38%水相和35.2%泥沙，礦物成分以CaSO4、CaCO3為主，初始粒徑集中在15～54 μm，黏度為213 mPa·s，pH值為7.4～7.8。機械搗碎處理可將含油污泥顆粒粒徑主要控制在2～13 μm。

在含油污泥中加入配方為0.2%丙烯酸酯共聚物懸浮劑（SF）+0.2%三乙醇胺單硬脂酸酯乳化劑（FM-20）的調(diào)剖體系，常溫和90℃下均可使懸浮時間大于10 h。建立以機械剪切法制備含油污泥調(diào)剖體系的工藝方法，含油污泥和水的質(zhì)量比4%～8%，剪切轉(zhuǎn)速約6400 r/min，剪切時間約3 min。

含油污泥調(diào)剖體系的注入性和封堵性較好，對不同滲透率填砂管模型的封堵率大于90%。單管填砂管實驗模型經(jīng)含油污泥調(diào)剖后，后續(xù)水驅(qū)的采出程度提高了25.01%。