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。
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)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
2.1.1 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。
2.2.1 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
2.3.1 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。
2.4.1 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。
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%。