含油污泥微納米顆粒驅油體系的研制與性能評價*

楊佳旺，葛紅江，鐘立國，朱 宇，欒政宣

（1.中國石油大學（北京）非常規油氣科學技術研究院，北京 102249；2.中國石油大港油田分公司采油工藝研究院，天津大港 300280）

0 前言

在石油開采過程中，含油污泥被采出液從地層攜帶到地面［1-2］，其組成成分繁多、復雜，含有黏土顆粒、乳化油、有機質、礦物以及大量化學藥劑等［3-5］。含油污泥氣味惡臭、油氣揮發污染空氣，堆放在地面污染土壤、地表水甚至地下水［6-7］。但含油污泥來源于地層，與地層具有很好的配伍性，具有一定的回收利用價值，因此需要對含油污泥進行合理處置［8-9］。

國內外對含油污泥的處理方法有資源回收處理、無害化處理、綜合利用處理技術，如萃取法［10］、超聲處理法［11］、回注調剖法［12］?；刈⒄{剖法以含油污泥為原料進行化學處理，加入分散劑、表面活性劑、稠化劑等，形成的含油污泥調剖劑可封堵大孔道，提高注水波及體積和原油采收率［13-14］。滕立勇等［15］研究了含油污泥在地層中的運移規律。在含油污泥粒徑主要分布小于地層最大孔吼直徑時，含油污泥能大量運移進入地層。陳國福等［16］在大慶油田將6526 m3聚合物質量濃度為0.6～1.2 g/L、含油污泥質量分數小于6%的調剖劑注入地層，處理含油污泥267.2 t，平均壓力升高1.5 MPa，累積增油1135.2 t。鐘立國等［17］通過填砂管并聯實驗證實注入含油污泥可以封堵高滲填砂管從而改善蒸汽剖面，并在曙光油田45 口蒸汽井中注入13.32 萬噸含油污泥進行調堵，累積增產20%。唐金龍等［18］在河南油田3口井中累積注入調剖劑9024 m3，其中含油污泥調剖劑5309 m3，平均壓力上升2.1 MPa，半年累積增油815 t。這些方法取得了一定的效果，但也存在不足，如含油污泥粒徑與孔吼直徑不匹配導致不易注入、含油污泥含量過高不耐沖刷、達不到預期的效果等。另外，需要對含油污泥的粒徑進行篩選，不能充分回收利用含油污泥。

將微納米顆粒與表面活性劑結合，可以通過楔形擠壓效應、降低油水間界面張力、改變巖石表面潤濕性提高采收率［19-22］。張宗勛［23］將不同尺寸的納米SiO2顆粒進行表面處理，與水驅相比，注入納米顆?？商岣卟墒章?.3%，泡沫體系攜帶納米SiO2驅替可提高采收率24.2%。張娜［24］研制的CQ-III型納米智能驅油劑的粒徑中值約為33 nm，可以隨著驅替液流動到小孔隙中，增大波及體積，室內驅油實驗的采收率增幅為1.07%～10.23%。陶曉賀［25］制備的含有SiO2顆粒的納米分散液在質量濃度為2 g/L時可提高采收率達26.0%。由此可見，微納米顆粒能強化表面活性劑的驅油效果。本文將含油污泥經球磨處理成微納米顆粒，然后與表面活性劑結合，通過攪拌、超聲、離心形成穩定的含油污泥微納米顆粒驅油體系；研究了該體系的粒徑分布、乳化能力和驅油能力。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

含油污泥，含水率為65.48%，含油率為11.63%，固含量為22.89%，大港油田含油污泥處理廠；石油磺酸鹽類表面活性劑，大港油田公司；石油醚，天津市津東天正精細化學試劑廠；無水乙醇，東莞市勛業化學試劑有限公司；低黏原油，在室溫（25 ℃，后同）下的黏度為800 mPa·s，大港油田產出油；高黏原油，在室溫下的黏度為10 Pa·s，大港油田產出油；煤油，在室溫下的黏度為2.21 mPa·s，密度為0.8 g/mL；石英砂，粒徑為0.125～0.850 mm，大港油田公司；去離子水，自制。

NewClassic MF 型天平，北京聯合科力科技有限公司；多聯磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；Olympus BX53 型熒光顯微鏡，奧林巴斯株式會社；Sigma500/VP 型高分辨場發射掃描電鏡，卡爾蔡司（上海）管理有限公司；Topsizer型激光粒度分析儀，珠海歐美克儀器有限公司；XQM-2 型球磨機，浩鑫礦山機械制造廠；PS-30T 型超聲波清洗機，廣東佛衡儀器有限公司；HC-20C型醫用臺式高速離心機，江蘇正基儀器有限公司；TX-500C 型旋轉滴界面張力儀，北京哈科試驗儀器廠；一維驅替實驗裝置，直徑為3 cm、長度為45 cm 的填砂管，大港油田研究院自制。

1.2 實驗方法

1.2.1 含油污泥性能表征

通過對含油污泥進行顯微鏡觀察、脫油油泥掃描電鏡分析、含油污泥粒徑分析，確定含油污泥中油相、水相、泥砂的存在狀態、含油污泥顆粒的大小、形貌及粒徑分布。

（1）含油污泥熒光顯微鏡分析：量取5 mL 含油污泥，加入45 mL 蒸餾水稀釋，用玻璃棒攪拌均勻，然后取一滴稀釋后的含油污泥置于載玻片上，首先用低倍鏡觀察，需要進一步觀察的區域轉換為高倍鏡。

（2）脫油油泥掃描電鏡分析：取10 mL 含油污泥，加入25 mL 石油醚，攪拌均勻后將上層液體濾出，剩余固體再次加入25 mL石油醚，重復上述步驟3 次后完成脫油。將導電膠粘在樣品臺上，再將干凈的銅片粘在導電膠上，然后用膠頭滴管將少量脫油油泥滴在銅片上，等待液體完全揮發干燥后進行噴鍍處理，最后使用掃描電鏡觀察其形貌。

（3）含油污泥粒徑分析：將含油污泥用蒸餾水稀釋至適當濃度，達到激光粒度分析儀的測量標準（遮光度達到10%～20%）。遮光度超標會使測量粒徑結果偏大。

1.2.2 含油污泥微納米顆粒驅油體系的制備

通過球磨改變含油污泥顆粒粒徑大小，將球磨后的含油污泥與表面活性劑結合，再經過攪拌、超聲、離心處理，完成含油污泥微納米顆粒驅油體系的制備。

（1）含油污泥球磨處理：用球磨機處理含油污泥，在容積為500 mL的氧化鋯球磨罐中加入100 mL含油污泥和400 g氧化鋯磨球，再加入100 mL乙醇，在500 r/min 的轉速下球磨2 次，每次球磨15 min。第1次球磨結束后，停止10 min，防止反應過熱。

（2）攪拌、超聲、離心處理：在室溫下，用蒸餾水將表面活性劑配制成50 mL 9‰的溶液，然后與10 mL球磨處理過的含油污泥混合，在2000 r/min的轉速下攪拌20 min、在40 kHz 的頻率下超聲處理10 min，再次在2000 r/min 的轉速下攪拌20 min、在40 kHz 的頻率下超聲處理10 min，得到分散均勻的混合物。將混合物在3000 r/min 的轉速下離心15 min，分離其中可能存在的大顆粒，制得含油污泥微納米顆粒驅油體系。

1.2.3 含油污泥微納米顆粒驅油體系性能測試

（1）懸浮性測試：將30 mL含油污泥微納米顆粒驅油體系放入試劑瓶中，在室溫下靜置，觀察靜置不同時間后體系中顆粒的沉降情況。

（2）界面張力測試：在不同溫度（20～80 ℃）下，使用旋轉滴界面張力儀測試含油污泥微納米顆粒驅油體系、9‰表面活性劑與煤油之間的界面張力。

（3）乳化性能測試：將15 mL 9‰含油污泥微納米顆粒驅油體系放入25 mL具塞量筒中，加入5 mL油樣，將具塞量筒置于60 ℃（地層溫度）恒溫水浴中恒溫1 h，取出具塞量筒用手均勻震蕩100 次，室溫靜置，記錄油水完全分離的時間。

1.2.4 一維驅替實驗

通過一維驅替實驗，評價含油污泥微納米顆粒驅油體系的注入能力與驅油效果，并與表面活性劑驅進行對比，最后對注入量、注入速度和滲透率等參數進行優選。實驗步驟如下：（1）填制填砂管（直徑3 cm、長度45 cm），飽和注入水，測定填砂管孔隙度、滲透率；（2）以1.0 mL/min 的注入速度飽和低黏原油，直至油驅水至無水產出為止，在60 ℃恒溫箱中老化24 h；（3）注水測試實驗裝置的密封性；（4）以不同的注入速度注水，直到出口端含水率達到98%且穩定一段時間，期間記錄產出液體積、產出油體積和注入壓力；（5）以不同的注入速度注入驅替液，記錄產出液體積、產出油體積和注入壓力；（6）以不同的注入速度進行后續注水，直到產出液的含水率穩定在98%以上，記錄產出液體積、產出油體積和注入壓力，計算驅油效率增值和壓力變化。實驗溫度為60 ℃。

2 結果與討論

2.1 含油污泥性能

由稀釋后含油污泥的熒光顯微鏡照片（圖1）可見，在顯微鏡下觀察到含油污泥顆粒的尺寸為2～10 μm，顆粒大小不均，在油相和水相中均有分布，而且部分含油污泥顆粒被原油、瀝青質等黏連包裹，團聚形成較大顆粒，粒徑在10 μm以上。

圖1 含油污泥的熒光顯微鏡照片

由脫油含油污泥的掃描電鏡照片（圖2）可見，含油污泥顆粒形狀不規則，粒徑較大，由很多小顆粒團聚在一起；表面十分粗糙、磨圓度低、比表面積大，導致油相易與顆粒黏連。這些是造成含油污泥固相顆粒容易沉降，不易與油相分離的原因。

圖2 脫油含油污泥的掃描電鏡照片

含油污泥的粒徑范圍為0.358～279.500 μm，粒徑中值為22.243 μm。含油污泥中存在尺寸為幾百納米的顆粒，粒徑在1 μm 以下的顆粒占總體的8.29%，粒徑在10 μm以下的顆粒占總體的34.27%，粒徑在10～100 μm的顆粒占總體的52.19%。

2.2 含油污泥驅油體系粒徑分布

含油污泥球磨后呈現糊狀，基本無大顆粒。球磨后的油泥加水攪拌均勻后，在10 min 內完全沉降。球磨處理后含油污泥的粒徑為0.308～131.100 μm，粒徑中值為8.063 μm。經過攪拌、超聲、再攪拌、再超聲、離心處理后，含油污泥粒徑范圍為0.043～39.060 μm，粒徑中值為0.158 μm。其中，0.1 μm 以下的粒徑占總體的28.23%，1 μm 以下的粒徑占總體的89.37%。含油污泥處理前后的粒徑變化如圖3 所示?？梢钥闯?，含油污泥經過處理后，粒徑范圍逐漸縮小，粒徑中值逐漸變小，顆粒更均勻。

圖3 含油污泥處理前后的粒徑變化

2.3 含油污泥驅油體系乳化能力

將含油污泥微納米顆粒驅油體系在室溫下靜置，觀察體系的懸浮狀態，發現9‰表面活性劑處理后的混合體系在靜置96 h后仍未完全沉降，與球磨后的含油污泥在10 min內即已完全沉降相比較，含油污泥微納米顆粒驅油體系具有較好的懸浮性，說明表面活性劑可明顯增強含油污泥的懸浮性。

含油污泥微納米顆粒驅油體系與煤油間的界面張力（IFT）如圖4所示。在20、40 ℃下，雖然含油污泥微納米顆粒驅油體系降低界面張力的能力不如表面活性劑，但油水界面張力為10-2mN/m 數量級，具有一定降低界面張力的能力。在60～80 ℃時，含油污泥微納米顆粒驅油體系降低界面張力的能力與表面活性劑相近，60 ℃下的油水界面張力為7.4×10-3mN/m，80 ℃下為9×10-3mN/m，均為10-3mN/m數量級，降低界面張力的能力較強。因此，使用含油污泥微納米顆粒驅油體系最適宜的溫度為60～80 ℃。

圖4 兩種驅油體系在不同溫度下的油水界面張力

天津大港油田濱港集團博弘石油化工有限公司企業產品標準Q/12DGY 3703—2016《提高采收率用表面活性劑磺酸鹽類BHS-01》中對磺酸鹽類表面活性劑乳化性能的技術要求為：地層溫度下，油水完全分離的時間≥5 min。含油污泥微納米顆粒驅油體系的乳化性能測試結果表明，在地層溫度下靜置1 h，震蕩后再在室溫下靜置5 min，油水還未完全分離，說明含油污泥微納米顆粒驅油體系的乳化能力符合石油磺酸鹽類表面活性劑的技術要求。

2.4 含油污泥驅油體系驅油能力

在注入量為0.5 PV、注入速度為1 mL/min的條件下，含油污泥微納米顆粒驅油體系與表面活性劑的驅替實驗結果如表1 所示，實驗過程中的含水率和驅油效率變化如圖5 所示，注入壓力變化如圖6所示。含油污泥微納米顆粒驅油體系的驅油效率為19.23%，較表面活性劑提高了7.73 百分點。表面活性劑后續水驅的壓力為0.279 MPa，壓力沒有提升；而含油污泥微納米顆粒驅油體系后續水驅的壓力為1.03 MPa，水驅平穩壓力為0.5 MPa，壓力提高了0.53 MPa。由此可見，含油污泥微納米顆粒驅油體系不僅具有乳化作用，還具有一定的封堵作用。

表1 兩種驅油體系的驅替效果

圖5 兩種驅油體系的驅油效率與含水率隨注入量的變化

圖6 兩種驅油體系的注入壓力隨注入量的變化

在60 ℃、注入速度為1 mL/min的條件下，注入量對含油污泥微納米顆粒驅油體系驅油效果的影響如表2 所示。驅油效率隨著注入量的增加而增加。雖然注入1.0 PV 的驅油效率比注入0.5 PV 的高，但僅提高了2.11百分點，從經濟角度考慮，推薦適宜的注入量為0.5 PV。

表2 注入量對含油污泥微納米顆粒驅油體系驅替效果的影響

在60 ℃、注入量為0.5 PV 的條件下，注入速度對含油污泥微納米顆粒驅油體系驅油效果的影響如表3所示。注入速度為1.5 mL/min時的驅油效率比1.0 mL/min 的降低2.50 百分點。當注入速度較小時，剪切作用較弱，不利于乳狀液的形成，壓力提升幅度??；當注入速度較大時，驅油體系與低黏原油的有效作用時間不充分，影響驅油效率的提高。推薦適宜的注入速度為1.0 mL/min。

表3 注入速度對含油污泥微納米顆粒驅油體系驅替效果的影響

在60 ℃、注入速度為1 mL/min、注入量為0.5 PV的條件下，滲透率對含油污泥微納米顆粒驅油體系驅油效果的影響如表4 所示。在滲透率為1436.0×10-3μm2時，驅油效率提高了10.36 百分點，后續水驅的注入壓力僅僅提高了0.002 MPa，壓力未明顯提升，說明顆粒尺寸與吼道大小不匹配，封堵能力較弱。含油污泥微納米顆粒驅油體系中的微納米顆粒對滲透率為84.3×10-3～321.7×10-3μm2的填砂管具有一定的封堵能力。由此可見，含油污泥微納米顆粒驅油體系發揮了乳化與調剖的共同作用，適用于中低滲透油藏。

表4 滲透率對含油污泥微納米顆粒驅油體系驅替效果的影響

3 結論

提供了用含油污泥制備含油污泥微納米顆粒驅油體系的方法：在室溫下，將含油污泥球磨處理成微納米顆粒，并與表面活性劑結合，通過攪拌、超聲、離心處理形成一種穩定的驅油體系。該體系的粒徑中值為0.158 μm，粒徑為0.1 μm 以下的顆粒累積占比為28.23%，粒徑為1 μm 以下的顆粒累積占比為89.37%。含油污泥微納米顆粒驅油體系的懸浮性良好，60 ℃下與煤油的油水界面張力為7.4×10-3mN/m，具有較強的乳化能力。在一維填砂管模擬實驗中，含油污泥微納米顆粒驅油體系最優的注入量為0.5 PV、注入速度為1 mL/min，適用于中低滲透油藏。在乳化與封堵的雙重作用下，驅油效率較水驅提高15%～20%，較表面活性劑驅提高7.73%。該體系將含油污泥顆粒尺寸降至微納米級，同時獲得了較高的驅油效率，實現了含油污泥的充分回收利用。