含油污泥調剖劑的制備與性能評價

杜潔,謝磊,謝輝,魏婷,趙勇,王鳳清

(1.中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司實驗檢測研究院,新疆 克拉瑪依 834000;2.中國石油天然氣集團公司礫巖油氣藏勘探開發重點實驗室,新疆 克拉瑪依 834000;3.中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司石西油田作業區,新疆 克拉瑪依 834000)

含油污泥是石油生產過程中排出的固體廢物,主要來源于污水沉降罐底、三相分離器底及現場儲罐等[1],其主要成分為水、泥沙、膠質和細菌、重金屬、苯系物等有毒有害物質[2-3]。據統計,我國每年產生的含油污泥量約5×106t[4-6]。因此,從環境保護和資源回收的角度考慮,油田亟需對含油污泥進行無害化處理[7-8]。

常用于處理含油污泥的技術有熱處理、溶劑萃取和調制-機械處理等[9-12],存在處理成本較高、易造成二次污染等問題。含油污泥來源于地層,與地層的配伍性良好,將其作為調剖材料,具有取材方便、處理含油污泥量大、實現降本增效等優勢[13-14]。因此,將含油污泥制成調剖劑是一種行之有效的綠色無害化處理方式。

本文分析了新疆油田采油二廠81號聯合站含油污泥的組分特征、礦物含量及粒徑分布,采用懸浮乳化、凝膠增黏的方式對懸浮劑、交聯劑等配方進行優化,制備出性能良好的懸浮型、凝膠型兩種含油污泥調剖體系。

1 實 驗

1.1 主要原料及儀器

懸浮劑(D-1、H-1、Y-1、F-1、H-Y、J-2、Z-2、B-P、P-R、H-J)、部分水解聚丙烯酰胺、酚醛交聯劑,工業級,克拉瑪依市正誠有限公司;乳化劑(LAB-35、DHSB-35、HSB1214-40、HHSB-40、AOE9-99、OP10-99、APG0814-50、TX-99、L100、SLTZ-70)、氫氧化鈉,分析純,國藥集團化學試劑;膨潤土,工業級,新疆油田采油二廠。人造巖心(直徑2.5 cm,長5～7 cm),實驗用水為現場地層水,礦化度為10 mg/L,主要離子類型(mg/L):Na2CO3,3.165;NaCl,1.110;Na2SO4,0.240;NaHCO3,0.082;CaCl2,2.566;MgCl2,0.091。

MCR301流變儀,上海安東帕商貿有限公司;Zetasizer-ZS粒徑分析儀,西安明克斯檢測設備有限公司;X射線衍射儀,北京西潤斯儀器儀表有限公司。

1.2 含油污泥成分測定

含水率測定:使用蒸餾法測試含水率。將5 g含油污泥試樣置于蒸餾裝置中加熱,試樣中的水分被蒸發出來,通過冷凝管儲存到接收器的刻度管中,待刻度管中的水量不變時,得到含油污泥的含水量,計算含水率。

含固率測定:將剩余試樣進行減壓抽濾,除去溶劑油及雜質。放入100 ℃烘箱中至試樣干燥完全,稱量,計算含固率及含油率。

采用X射線衍射儀分析含油污泥中的礦物組成;采用Zetasizer-ZS粒徑分析儀分析含油污泥固相顆粒粒徑。

1.3 巖心滲透率對含油污泥注入性影響測定

實驗步驟:1)制作不同滲透率的巖心;2)水測巖心滲透率;3)注入含油污泥并在巖心出口接流出液至注入壓力到9.0 MPa,記錄壓力變化情況。

1.4 含油污泥調剖劑的選擇性封堵能力測定

制備高低滲透率巖心,分別獨立測定巖心的水相滲透率;采用平行并聯裝置模擬有層間夾層的油藏,注入含油污泥調剖劑至壓力9.0 MPa;從裝置中取出巖心,清除端面污泥;分別獨立測定兩塊巖心的水測滲透率;將巖心端面截去0.5 cm,再次水測巖心滲透率。

2 結果與討論

2.1 含油污泥成分分析

污泥池的中部含油污泥呈黑色低黏度液體,底部含油污泥呈黑色黏稠膏體,常溫下與水不互溶。含油污泥組成見表1,主要礦物成分見表2,固相粒徑分布見表3。

表1 含油污泥組成

表2 含油污泥X射線衍射結果

表3 含油污泥固相粒徑

由表2和表3可見,含油污泥的主要礦物成分包含CaCO3、MgO、SiO2等。固相顆粒的粒徑主要分布在1～100 μm,粒徑為10～50 μm顆粒的質量分數為61.23%,且粒徑分布較為集中。因此,該含油污泥適用于注水井調剖,封堵水竄通道。

2.2 含油污泥懸浮體系的制備因素考察

2.2.1 懸浮劑與分散劑篩選

懸浮劑可懸浮乳狀液中的顆粒物質,減緩顆粒沉降速度。為使含油污泥懸浮體系具有良好性能,實驗篩選了10種不同懸浮劑,并通過分層時間和黏度對其進行評價(懸浮劑質量分數均為0.2%),結果見圖1?？梢钥闯鯠-1、Z-2、H-J的加入使含油污泥懸浮體系的分層時間在18 h以上?？紤]到現場泵送條件及成本,最終選用Z-2作為含油污泥懸浮體系的懸浮劑。

圖1 懸浮劑與體系分層時間和黏度的關系

分散劑可降低油、水、固三相界面張力,使其形成均一穩定的乳狀液。實驗篩選了質量分數為0.2%的10種分散劑。如圖2所示,TX-99、L100、SLTZ-70的分層時間均為2 h,TX-99的降黏效果更好。因此,選擇TX-99作為分散劑。

圖2 分散劑與體系分層時間及黏度的關系

2.2.2 含油污泥懸浮體系質量分數的確定

為最大程度的處理含油污泥,在確定含油污泥調剖懸浮劑及分散劑時,首先要確定含油污泥的攜帶量,而攜帶量根據黏度來確定。據此,研究了含油污泥質量分數30%～60%、懸浮劑質量分數0.1%和0.2%、分散劑質量分數0.05%～0.2%配方下的調剖體系分層時間及黏度。由表4可見,隨著含油污泥質量分數的增加,該懸浮體系分層時間、黏度逐漸增大。當加入0.1%分散劑時,體系黏度約為105 mPa·s(圖3)。綜合分析,含油污泥懸浮體系的最佳配方為30%含油污泥+0.1%Z-2懸浮劑+0.1%TX-99分散劑。

圖3 不同分散劑質量分數下含油污泥懸浮體系的黏度

表4 不同配比下含油污泥懸浮體系各個指標變化

2.2.3 注入性能評價

考察了含油污泥在不同滲透率巖心中的注入性,結果見表5。

表5 不同滲透率污泥調剖物模實驗

由表5可見,當巖心滲透率小于3.0 μm2時,含油污泥堆積在巖心的端面注不進去,出口端只有清水流出,注入壓力在很短時間內增加至9.0 MPa;當滲透率在3.0～8.3 μm2時,含油污泥能夠注入,但含油污泥在巖心中運移能力差,巖心出口端有含油污泥流出但流出含油污泥量少,注入壓力在較短時間內增加至9.0 MPa;當滲透率大于8.3 μm2,含油污泥很容易注入巖心,注入含油污泥到出口端流出含油污泥時間很短,注入壓力呈曲折上升趨勢。綜上所述,含油污泥的注入性與滲透率有很大的關系,存在含油污泥能夠注入的最小滲透率。滲透率越大,含油污泥越容易注入巖心,因此該體系適合于高滲透的儲集層條件。

2.3 含油污泥凝膠體系評價

優選的含油污泥懸浮體系,雖然能起到填充裂縫的作用,但耐沖刷性較弱,無法實現在裂縫中長期穩定存在。因此,在此基礎上加入脲醛交聯體系以制得穩定的含油污泥脲醛凝膠體系,滿足封堵要求。

2.3.1 基液黏度

體系基液黏度受含油污泥質量分數與交聯劑質量分數影響較大,不同含油污泥及交聯劑質量分數對基液黏度的影響見圖4、圖5。

圖4 不同含油污泥質量分數對體系基液黏度的影響

圖5 交聯劑質量分數對體系基液黏度的影響

由圖4可見,隨著含油污泥質量分數的增大,基液黏度先增加后減少,這是由于含油污泥質量分數越大,體系中細菌等雜質越多,不利于交聯體系成膠。當含油污泥質量分數為40%時,基液黏度可達130.3 mPa·s。隨著交聯劑質量分數的增加,基液黏度逐漸增加;當其質量分數為0.2%時,體系達到平衡。

2.3.2 含油污泥凝膠體系成膠性能

控制含油污泥質量分數為30%,加入質量分數0.05%～0.25%的PA-1交聯劑,在50 ℃考察不同質量分數交聯劑對體系成膠的影響結果見圖6。由圖6可見,隨著交聯劑質量分數增大,體系黏度逐漸增加且成膠時間逐漸減小。當質量分數為0.2%時,該體系成膠強度基本穩定。

圖6 交聯劑質量分數對體系成膠時間及成膠強度的影響

保持交聯體系配方質量分數不變,改變含油污泥質量分數(10%～50%)制備含油污泥脲醛凝膠體系。如圖7所示,隨著含油污泥質量分數的增大,黏度呈現先上升后下降趨勢,且成膠時間縮短,當含油污泥質量分數為30%時,體系黏度最大(15.9 Pa·s)。綜上所述,含油污泥脲醛凝膠配方體系優化配方為30%含油污泥+0.3%聚合物+0.2%交聯劑+0.03%促進劑+0.03%穩定劑。

圖7 含油污泥質量分數對體系成膠時間及成膠強度的影響

2.3.3 含油污泥凝膠體系性能評價

溫度對含油污泥凝膠體系的成膠時間的影響見圖8。由圖8可見,溫度越高,成膠時間越短,且凝膠強度受到影響。所以在溶液成膠后,考察其長期穩定性至關重要。以黏度變化作為穩定性的評價指標,黏度值波動越小,說明含油污泥凝膠體系越穩定。150 d內含油污泥凝膠體系的黏度隨時間的增大,總體變化不大,基本維持在15 Pa·s左右(圖9)。說明該配方體系在地層溫度為50 ℃的條件下穩定性良好,可以起到延長含油污泥顆粒停滯時間,實現封堵的目的。

圖8 溫度對成膠時間及成膠強度的影響

圖9 含油污泥凝膠體系長期穩定性

注入含油污泥過程中,含油污泥能夠容易進入高滲層,但隨著高滲層被含油污泥封堵后,注入壓力增加,迫使部分含油污泥進入低滲層,對低滲層造成污染。通過并聯巖心的選擇性封堵效果評價實驗,考察了高低滲透率并存的條件下,在高滲層被封堵的同時,低滲層被含油污泥污染的情況,結果見表6。

表6 并聯巖心封堵實驗結果

由表6可見,高滲透率巖心在未切除端面時的封堵率為96%,切除端面后封堵率為40%,而低滲透率巖心在未切除端面時的封堵率為41%,切除端面后封堵率為12%,因此含油污泥脲醛凝膠體系具有較好的選擇性封堵能力。

3 結 論

a.以底部含油污泥為主的懸浮體系,在50 ℃條件下,懸浮時間為12 h,體系黏度為105 mPa·s,該懸浮體系具有良好的注入性。

b.以中部含油污泥為主的脲醛凝膠體系。具有成膠時間可控,初始黏度低、耐溫性好、封堵率較高等優勢。

c.通過室內分析驗證了含油污泥用于調剖劑配制的可行性。該法不僅解決了常規方法處理含油污泥帶來的環境污染等問題,也實現了其無害化利用。