污油泥在地层中运移规律研究

滕立勇，宋 华，蒋肇标，周煜航，钟立国

(1.东北石油大学，黑龙江 大庆 163118；2.中国石油大学(北京)，北京 102200)

0 引 言

在石油生产过程中会产生大量的污油泥，根据相关资料统计，2014年中国原油总产量约为2.1×108t，产生的污油泥约为420×104t[1]。目前已有的污油泥处理技术主要包括焚烧处理技术、热裂解处理技术、微生物降解法、溶剂萃取技术和固化处理技术等[1-6]。

污油泥调剖技术在中国已经进行了十多年的研究与应用，针对各油田实际油藏条件，开发出了不同类型的含油污泥调剖体系，取得了较好的应用效果[5， 7-17]。然而，现有的污油泥调剖研究主要偏向于现场实际应用效果，对污油泥在地层的运移规律缺乏系统深入的研究，而污油泥在地层中运移规律的认识对污油泥调剖技术的发展具有非常重要的理论指导性。

1 污油泥运移规律物理模拟实验研究

1.1 实验样品

实验选取辽河油田曙光采油厂污油泥为样品。污油泥三相分析结果显示，污油泥水相含量为84%，油相含量为8%，固相含量为8%。油相组分中饱和烃和芳香烃含量最高，其中，饱和烃含量达到50%以上。污油泥水相的总矿化度为4 000～6 000 mg/L，水相中的矿物离子主要为硫酸盐、氯化物、钠离子和重碳酸盐，且其中的重碳酸盐含量最高，污油泥水相pH值为7.76～8.32。污油泥固相主要由非黏土矿物组成，其在固相矿物的含量达到90%以上，非黏土矿物中，矿物含量最多的是非晶质组分， 其含量达到非黏土矿物总含量的46.4%～83.3%。当污油泥温度为40～120 ℃时，其黏度为828～2 154 mPa·s。实验所用填砂管的长度为14.8 cm，直径为2.1 cm，实验所用砂样为辽河油田地层砂。

1.2 实验原理及方法

由于单填砂管封堵实验难以研究污油泥在地层深部的运移规律，因此，采用污油泥串联填砂管封堵实验进行研究。串联模型中前后2个填砂管的初始渗透率相同，用以模拟污油泥注入直井并进入水平均质地层的现场实际条件，通过测量计算串联模型中前后填砂管的渗透率和封堵率来研究污油泥对地层的封堵规律。其中，封堵率=(封堵前渗透率-封堵后渗透率)/封堵前渗透率。

实验装置流程如图1所示。实验方法及步骤如下：①按实验条件填砂制作填砂管，填砂管初始渗透率分别为5 000.0×10-3、10 000.0×10-3、20 000.0×10-3、25 000.0×10-3μm2；②将2个填砂管组成串联模型(前后2个填砂管的初始渗透率相同)并置于一定温度的恒温箱中；③按顺序累计注入0.5、1.0、2.0、4.0倍孔隙体积污油泥到串联模型中，分别测量串联模型中前后2个填砂管的渗透率，并计算串联模型中2个填砂管的封堵率。

图1 污油泥串联封堵实验流程

1.3 实验结果及分析

1.3.1 注入少量污油泥条件下填砂管封堵率结果分析

在污油泥串联封堵实验中，当注入0.5倍孔隙体积污油泥后，串联模型中的前填砂管封堵率已经达到98.00%，甚至99.00%以上(前填砂管渗透率基本下降到200.0×10-3μm2以下)，但由于注入串联模型中污油泥量较少，只有很少量的污油泥组分进入到后填砂管，此时后填砂管的封堵率一般只有30.00%左右。

1.3.2 不同渗透率条件下污油泥封堵变化规律

因串联模型在注入0.5倍孔隙体积污油泥后，串联模型中前填砂管的封堵率已经基本达到99.00%以上，因此，将不再分析前填砂管的封堵率变化，主要对后填砂管的封堵率变化进行分析。

图2为注入不同量污油泥时后填砂管渗透率和封堵率的变化结果。由图2可知，随着污油泥累计注入量的增加，后填砂管的渗透率逐渐下降，封堵率逐渐上升。当累计注入4.0倍孔隙体积污油泥后，初始渗透率为25 000.0×10-3μm2时，后填砂管封堵率达到99.97%(即后填砂管渗透率从初始条件下的25 000.0×10-3μm2下降至6.7×10-3μm2)，初始渗透率为20 000.0×10-3μm2时，后填砂管封堵率达到93.10%(后填砂管的渗透率下降至1 242.0×10-3μm2)，初始渗透率为10 000.0×10-3、5 000.0×10-3μm2时，后填砂管的封堵率也分别达到80.00%(后填砂管渗透率下降至2 213.0×10-3μm2)、71.00%(后填砂管渗透率下降至1627.0×10-3μm2)。

图2 串联封堵实验后填砂管渗透率和封堵率变化(污油泥注入温度为80℃)

由上述研究结果可知，填砂管渗透率对污油泥的传输性能影响很大，填砂管渗透率越大，越有利于污油泥的传输，尤其是当填砂管初始渗透率达到20 000.0×10-3μm2以上时，污油泥不再仅仅堆积在前填砂管，而是能够通过前填砂管向后填砂管大幅运移传输，污油泥出现“渗流”现象。由此可知，当初始渗透率大于20 000.0×10-3μm2时，污油泥能够进行大量传输运移。

1.3.3 污油泥注入温度对污油泥封堵性能影响

图3为污油泥在不同注入温度下的封堵结果。由图3可知，污油泥注入温度对污油泥封堵性能影响较大，污油泥注入温度过高其封堵性能会出现很大程度的下降，如在60～150 ℃的注入温度范围内，100 ℃时污油泥封堵性最好，此时后填砂管封堵率达到99.75%；而当污油泥注入温度超过100 ℃后，污油泥封堵率开始大幅降低，当注入温度达到150 ℃时，后填砂管的封堵率只有50.12%，下降程度非常明显。

污油泥注入温度对污油泥封堵性能影响的原因：从上述污油泥组分分析实验可知，污油泥是一个含有油相、固相和水相的不稳定混合体系，污油泥在温度不高的条件下稳定性较好，传输性也相对较好；而当温度过高时，污油泥稳定性急剧下降，在填砂管里传输运移时因受到地层砂的剪切作用等，污油泥中水相、油相及固相组分有相互分离的趋势，结果导致油相、固相组分主要堆积在前填砂管，而最终到达后填砂管的污油泥组分主要是水相，从而对后填砂管难以造成有效的封堵，导致后填砂管封堵率不高。

图3 后填砂管封堵率变化(填砂管初

图4为污油泥在填砂管砂样中的分布。由图4a可知，污油泥主要分布在前填砂管靠近污油泥注入口的前半段，污油泥基本没有进入后填砂管；由图4b可知，填砂管初始渗透率提高至20 000.0×10-3μm2时，污油泥进入前填砂管的深度比初始渗透率为10 000.0×10-3μm2的填砂管要深，有部分污油泥进入后填砂管注入口附近；由图4c可知，填砂管初始渗透率提高至25 000.0×10-3μm2时，污油泥不仅大量注入到前填砂管的后半段，并且大量进入到后填砂管中。因此，当填砂管初始渗透率达到20 000.0×10-3μm2时，污油泥能够注入到地层深部层位。

图4 注入污油泥在填砂管砂样中分布照片

辽河油田某蒸汽吞吐井在累计注入17 000 m3污油泥后，污油泥注入井的注入压力仍然没有大幅上升，表明污油泥没有在近井地带形成有效的封堵，初步认为可能是之前热采过程中蒸汽注入压力过高，导致地层出现裂缝以及地层岩石产生扩张作用(当注入压力过高时，地层岩石因为扩张作用而导致近井地带的地层渗透率大幅上升[18-19])，导致近井地带地层渗透率达到20 000.0×10-3μm2甚至更大，从而导致注入的污油泥没有聚集在近井地带，而是通过高渗通道(渗透率大于20 000.0×10-3μm2层位)进入地层深部，导致污油泥注入压力没有大幅上升，污油泥的封堵效果变差。

2 污油泥运移规律理论计算研究

通过激光粒度分析仪测得不同类型污油泥固相粒径范围，整理后得到不同类型污油泥固相颗粒粒径累计分布曲线(图5)。由图5可知，不同类型污油泥固相粒径累计分布规律基本相同，对4种污油泥的粒径累计分布曲线分别进行趋势拟合，可知污油泥固相颗粒粒径累计分布曲线基本符合y=Alnx+B的对数趋势(x为固相颗粒粒径，μm；y为粒径累计分布百分比；A、B为常数)。

由于不同的砂样具有不同的粒径，因此，通过图6可求出不同目数砂样的最大孔喉直径(表1)。由图5可知，污油泥固相颗粒粒径累计分布趋势呈对数分布趋势，通过拟合函数关系式可计算出不同粒径下的的污油泥固相颗粒累计分布百分比。由于污油泥的固相组分难以运移通过填砂管模型，因此，只要污油泥固相颗粒直径小于填砂管模型的最大孔喉直径，则污油泥就能通过填砂管模型，而由污油泥固相颗粒粒径累计分布百分比即可得出污油泥固相颗粒通过最大孔喉的累计百分比。通过计算得出的结果如表1所示，表中列出了4种污油泥样品在对应目数砂样中能通过最大孔喉的累计百分比。

实验过程中不同渗透率填砂管模型由不同目数的砂样填充得到，如表2左侧2列所示，以20 000.0×10-3μm2填砂管模型为例，以40～60目砂样填充，所对应砂样粒径为250～380 μm，从而可计算出填砂管模型中最大孔喉直径为59 μm，查表1内容可计算出污油泥固相颗粒累计通过孔隙百分比，计算结果如表2右侧4列所示。

Hands N等[20]在“理想充填理论”基础上提出了d90经验规则：当暂堵剂颗粒在其粒径累计分布曲线上的d90 值(指90.00%的颗粒粒径小于该值)与地层的最大孔喉直径或最大裂缝宽度相等时，可取得理想的暂堵效果(即暂堵剂固相颗粒累计通过最大孔喉直径)的累计百分比大于90.00%时，污油泥才会大量运移到地层深部层位)。d90经验规则主要用于优选钻井液中暂堵剂颗粒，此经验是否适用于筛选污油泥还有待验证。由上述实验结果可知，当填砂管初始渗透率达到20 000.0×10-3μm2时，污油泥能够通过前填砂管并大量进入后填砂管中，出现污油泥“渗流”现象。由表2可知，污油泥固相颗粒能通过20 000.0×10-3μm2的填砂管的百分比是64.26%，按照d90经验规则，因为64.26%远小于90.00%，则污油泥只会堆积在污油泥注入口附近而不会出现污油泥“渗流”现象，因此，d90经验规则不能用于判断污油泥是否能够有效封堵地层。

图5 不同污油泥样品固相颗粒粒径累计分布趋势

图6 污油泥固相颗粒通过岩石孔喉示意图

由表1、2可知，如果污油泥粒径主要分布范围值小于地层的最大孔喉直径，污油泥能够大量进入到地层中。污油泥固相颗粒的主要粒径为10～50 μm，其所占百分比为40%～50%，初始渗透率为20 000.0×10-3μm2的填砂管模型的最大孔喉直径为59 μm，污油泥固相颗粒主要粒径范围小于最大孔喉直径，因而，污油泥能够大量进入填砂管模型中；而初始渗透率为10 000.0×10-3μm2的填砂管模型的最大孔喉直径为39 μm，处于10～50 μm这个范围之内，因而，污油泥不能够大量传输进入初始渗透率为10 000.0×10-3μm2的填砂管模型中。由此可知，如果污油泥粒径主要分布范围值小于地层最大孔喉直径，污油泥能够大量进入到地层中。

综上所述，在注入污油泥过程中，污油泥中的固相颗粒经过运移和地层剪切作用后再次分散成小颗粒，而小颗粒污油泥能够较顺利通过岩石孔喉；

表1 理论计算下污油泥固相颗粒通过填砂管岩心最大孔喉的累计百分比

表2 不同渗透率条件下污油泥固相颗粒通过填砂管岩心最大孔喉累计百分比

此外，在注入污油泥过程中，井底附近的地层压力增幅较大，地层压力的增加使岩石孔喉直径出现一定程度的上升(如果地层岩石出现扩张现象，孔喉大小增幅会更加明显)，这也有利于粒径较大的污油泥固相颗粒通过地层。

3 结 论

(1) 污油泥串联封堵实验显示，填砂管的渗透率越大越有利于污油泥在填砂管中进行传输运移，进入后填砂管的污油泥量也越多。当渗透率高于20 000.0×10-3μm2时，污油泥能够进行大量传输运移，并出现“渗流”现象。

(2) 污油泥注入温度对污油泥封堵性能影响很大，污油泥注入温度过高其封堵性能会出现很大程度的下降。如在60～150 ℃温度范围内，100 ℃污油泥注入温度的封堵性最好，但是当污油泥注入温度超过100 ℃时，污油泥封堵效果会大幅变差。

(3)实验分析和理论计算表明，如果污油泥粒径主要分布范围值小于地层最大孔喉直径，污油泥能够大量运移进入到地层中。