海上油田含油污泥对污泥-聚合物混合液性能的影响

陈文娟，靖 波，胡 科，张 健

（1. 海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100028；2. 中海油研究总院，北京 100028）

固废处理

海上油田含油污泥对污泥-聚合物混合液性能的影响

陈文娟1，2，靖 波1，2，胡 科1，2，张 健1，2

（1. 海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100028；2. 中海油研究总院，北京 100028）

为了回注处理海上油田含油污泥，将其与聚合物溶液混合，制备聚合物驱调剖体系。系统评价了含油污泥对污泥-聚合物混合液的溶液性能、使用性能及驱油效果的影响。实验结果表明：当含油污泥浓度小于300 mg/ L时，油泥颗粒的粒径范围为0.1～100 μm，d90为40～60 μm，污泥-聚合物混合液的黏度、抗剪切及抗老化稳定性均得到增强，注入性不受显著影响，阻力系数及残余阻力系数略有增加；当采用油泥浓度为100 mg/L的污泥-聚合物混合液进行驱油实验时，聚驱采收率增幅为7.26百分比，然而含油污泥浓度的进一步升高对提高采收率并不利。

海上油田；含油污泥；聚合物驱；回注；采收率

海上油田生产平台空间有限，无法存放大量含油污泥。含油污泥目前的处理方法存在运输成本高且受海况天气影响等问题。另外，为克服空间及承载的限制，海上油田含油污泥处理方法应满足简单高效、设备占地小、不产生二次污染的要求，并可最大程度地实现减量化、无害化、稳定化和资源化。

含油污泥的处理技术主要包括调质-机械分离、热处理、溶剂萃取、超声处理、热解、微波处理、电动力学处理、生物处理、冷冻熔融及回注调剖等方法［1-5］。含油污泥来自地层，与地层间配伍性良好，且抗剪切、抗热降解及抗盐性能优良，价格相对低廉，可回注地层［6］。含油污泥基调剖体系主要包括含油污泥乳化、固化、体膨颗粒及聚合物溶液体系等［7-10］。各种含油污泥调剖体系虽然成本相对较低，具有一定的封堵效果，但是配方研制及工艺处理方面都比较复杂，最简单的调剖体系就是将含油污泥颗粒采用聚合物溶液进行携带，注入地层深部进行调剖［11-13］。

本工作将海上油田罐底含油污泥与聚合物溶液进行稳定复配，研究了含油污泥-聚合物混合液的颗粒粒径分布及含油污泥对聚合物溶液黏度、剪切稳定性、老化稳定性、注入压力、阻力与残余阻力系数、驱油能力的影响，为探索海上油田含油污泥回注利用技术奠定基础。

1 实验部分

1.1 实验材料

含油污泥：渤海A油田现场罐底含油污泥，经原油回收及胶体磨细化处理。含油率约为5.0%，含水率约为92.6%，固含量约为2.4%，固体颗粒的d90（粒径累积分布达90%所对应的颗粒直径）小于7 μm。

聚合物：部分水解聚丙烯酰胺，工业品，固体粉末，固含量为93.0%，相对分子质量为（1.0～1.3）× 107，水解度为25%。配制水模拟渤海A油田实际配制水，离子组成见表1。

表1 模拟配制水的离子组成

1.2 实验方法

1.2.1 含油污泥-聚合物混合液的配制

根据设定含油污泥质量浓度（简称油泥浓度，mg/L）分别称取一定量含油污泥，使之完全分散在蒸馏水中，将聚合物母液（质量浓度5 000 mg/L）加入上述含油污泥分散混合液中，使混合液中聚合物浓度为1 750 mg/L，用搅拌器搅拌以使含油污泥在聚合物中均匀分散。

1.2.2 含油污泥-聚合物混合液颗粒粒径及分布的测定

使用英国Malvern Instruments有限公司马尔文激光粒度仪分别测试含油污泥-聚合物混合液的颗粒粒径及分布。因混合液中的原油干扰测试，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 溶液性能评价

采用Brookfield公司 DV-Ⅲ型黏度计测定含油污泥-聚合物混合液的黏度。0～100 mPa·s黏度范围采用0#转子，转速为6.0 r/min（剪切速率7.34 s-1）；100～320 mPa·s黏度范围采用61#转子，转速为18.5 r/min。测试温度为65 ℃。

取含油污泥-聚合物混合液，用美国Waring 公司800S/800G型搅拌器 1档剪切20 s，测定其剪切前后的表观黏度，计算剪切后黏度保留率，以评价体系的抗剪切稳定性。

取含油污泥-聚合物混合液，放置在65 ℃的恒温烘箱中，每隔10 d测定黏度，计算老化后黏度保留率，以评价混合液的抗老化稳定性。

1.2.4 使用性能评价

将含油污泥-聚合物混合液用搅拌器1档剪切20 s，在65 ℃条件下，参照标准Q/HS 2032—2012［14］的方法，评价混合液的注入性、阻力及残余阻力系数。试验用岩心渗透率约为1 500 mD（1 mD=0.987×10-3μm2），孔隙度为32%，孔径分布范围为20～70 μm。

1.2.5 驱油效果评价

采用三层非均质岩心，尺寸为45 mm×45 mm× 300 mm，三层的气测渗透率分别为500，2 000，5 000 mD，先后进行水驱、含油污泥-聚合物混合液驱、后续水驱试验，计算各阶段原油采收率。

2 结果与讨论

2.1 含油污泥-聚合物混合液的颗粒大小及分布

含油污泥-聚合物混合液的颗粒粒径见表2。

表2 含油污泥-聚合物混合液的颗粒粒径

由表2可见，当含油污泥浓度小于300 mg/L时，含油污泥-聚合物混合液中粒径分布范围为0.1～100.0 μm，d90为40.0～60.0 μm，当含油污泥浓度大于300 mg/L时，粒径分布范围为0.1～500.0 μm，混合液d90显著增大至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 含油污泥对混合液黏度的影响

含油污泥-聚合物混合液黏度随含油污泥浓度的变化曲线见图1。由图1可见：含油污泥-聚合物混合液的黏度随含油污泥浓度的增加呈现先增加后降低的趋势，适宜的含油污泥加入量对聚合物溶液具有增黏作用；未加入含油污泥时，聚合物溶液的黏度为107.1 mPa·s；含油污泥浓度升高至100 mg/L时，混合液的黏度增加至最大值133.9 mPa·s；含油污泥浓度继续增加时，混合液的黏度继而随之下降，含油污泥浓度为500 mg/L时，基本下降至与未加入含油污泥时持平；含油污泥浓度高于500 mg/L时，混合液的黏度比未加入含油污泥时有所下降。

图1 含油污泥-聚合物混合液黏度随含油污泥浓度的变化曲线

2.2.2 含油污泥对混合液剪切稳定性的影响

含油污泥-聚合物混合液剪切后黏度保留率随含油污泥浓度的变化曲线见图2。

图2 含油污泥-聚合物混合液剪切后黏度保留率随油泥浓度的变化曲线

由图2可见：未加入含油污泥时，聚合物溶液的黏度保留率为30.3%；含油污泥浓度为50 mg/L时，混合液的黏度保留率为最大值32.2%；含油污泥浓度继续增大时，混合液的黏度保留率有所下降，含油污泥浓度高于300 mg/L后均低于未加入含油污泥时。

2.2.3 含油污泥对混合液抗老化性能的影响

含油污泥-聚合物混合液老化后黏度保留率随老化时间的变化曲线见图3。由图3可见：未加入含油污泥时，混合液的黏度保留率随老化时间的延长逐渐降低，70 d后基本保持不变，90 d时黏度保留率为34.4%；当含油污泥浓度小于300 mg/L时，黏度保留率呈现先增大后缓慢降低的趋势，90 d后黏度保留率维持在80%左右，此时含油污泥-聚合物溶液混合液的老化稳定性远优于纯聚合物溶液；当含油污泥浓度大于300 mg/L时，黏度保留率急速下降，远低于未加入含油污泥时，90 d后含油污泥浓度为1 500 mg/L的混合液的黏度保留率仅维持在10%左右。

图3 含油污泥-聚合物混合液老化后黏度保留率随老化时间的变化曲线

2.2.4 现象分析

产生以上现象的原因可能是：一方面，含油污泥中的细小泥沙颗粒具有较大的比表面积，表面带有负电荷，可在其表面形成双电层［15］。聚合物分子上含有羧基基团，与泥沙颗粒双电层上的正电荷相互作用，从而吸附于颗粒表面。同时聚合物因自身的疏水性相互作用而发生聚集，链状分子产生分子内缔合与分子间缔合。当浓度达到一定值后，聚合物和泥沙颗粒相互作用可形成粒径较小的“聚泥团粒”（见图4a）。聚泥团粒悬浮于聚合物分子的网络结构中，流体力学体积增加，一定程度上增强了溶液的黏度、抗剪切及抗老化性能。另一方面，配制水中的阳离子可屏蔽泥沙颗粒表面的负电荷，使电位下降，扩散双电层变薄，泥沙颗粒之间作用力增强，从而产生絮凝作用，形成粒径较大的“聚泥絮团”（见图4b），加速泥沙颗粒沉降。因此，过高浓度的含油污泥会加剧絮凝，导致体系黏度、抗剪切及抗老化稳定性降低［15］。

图4 聚泥团粒（a）及聚泥絮团（b）结构示意

2.3 含油污泥-聚合物混合液的使用性能

2.3.1 含油污泥对混合液注入性的影响

不同含油污泥浓度的含油污泥-聚合物混合液的注入压力曲线见图5。由图5可见：当含油污泥浓度为100 mg/L时，在注入量为0～25 PV（PV为注入溶液体积占地层孔隙总容积的倍数）范围内含油污泥-聚合物混合液的注入压力与纯聚合物溶液相当，证明混合液可顺利注入；当含油污泥浓度为300 mg/L时，在注入量为0～25 PV范围内注入压力稍有波动且有所升高；当含油污泥浓度大于300 mg/L时，混合液在注入过程中压力波动较大，说明有污泥颗粒已经注入岩心并且在岩心内部发生了运移。从注入实验结束后的岩心也可明显看出，含油污泥浓度较高时，污泥在岩心端面的滞留比较明显，注入性能下降。这可能是因为，当含油污泥浓度大于300 mg/L时，粒径分布范围为0.1～500 μm，d90显著增大至80～120 μm，大于岩心的最大孔径（70 μm），从而导致混合液的注入能力下降及污泥在岩心断面的滞留。

图5 不同含油污泥浓度含油污泥-聚合物混合液的注入压力曲线

2.3.2 含油污泥对混合液阻力系数和残余阻力系数的影响

含油污泥-聚合物混合液的阻力系数及残余阻力系数见表3。由表3可见：含油污泥的加入对聚合物溶液阻力系数和残余阻力系数有较大的影响，含油污泥浓度小于500 mg/L时，与纯聚合物溶液相比，阻力系数变化不大（均在150左右），残余阻力系数略有增加；含油污泥浓度大于500 mg/L时，阻力系数及残余阻力系数均大幅增加。这是因为，含油污泥随聚合物溶液注入至岩心后，更容易在岩心中吸附滞留，因而造成残余阻力系数显著增大。

表3 含油污泥-聚合物混合液的阻力系数和残余阻力系数

2.4 含油污泥-聚合物混合液的驱油效果

含油污泥-聚合物混合液的驱油效果见表4。由表4可见：含油污泥浓度为0～500 mg/L时，水驱采收率均为25%左右；含油污泥浓度为0 mg/L时（即纯聚合物溶液驱）的聚驱采收率为24.94%；含油污泥浓度为100 mg/L时，聚驱采收率为32.20%，比纯聚合物驱采收率增加7.26百分点，总采收率也基本增加相近的百分点；然而当含油污泥浓度增加至500 mg/L时，聚驱采收率反而有所下降，证明含油污泥浓度进一步升高时，对提高采收率并不利，主要原因可能是含油污泥浓度过高造成聚合物溶液黏度及抗剪切性能下降。综上所述，适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-聚合物混合液的驱油效果

3 结论

a）当含油污泥浓度小于等于300 mg/L时，含油污泥-聚合物混合液中颗粒的粒径分布范围为0.1～100 μm，d90为40～60 μm；当含油污泥浓度大于300 mg/L时，粒径分布范围为0.1～500 μm，d90显著增大至80～120 μm。

b）当含油污泥浓度小于300 mg/L时，含油污泥-聚合物混合液的黏度、剪切稳定性、老化稳定性得到显著增强。

c）当含油污泥浓度小于100 mg/L时，在注入量为0～25 PV范围内含油污泥-聚合物混合液的注入压力与纯聚合物溶液相当，且对阻力系数及残余阻力系数的影响不大。

d）当含油污泥浓度小于300 mg/L时，与未添加含油污泥相比，聚驱采收率增大。当含油泥浓度为100 mg/L时，聚驱采收率增幅为7.26百分点。然而含油污泥浓度的进一步升高对提高采收率并不利。

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（编辑 叶晶菁）

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。

陈文娟（1988—），女，山东省枣庄市人，博士，高级工程师，电话 010 - 84523756，电邮 chenwj4@cnooc.com.cn。

“十三五”国家科技重大专项（2016ZX05025-003）。