管麗 劉鈺江 (勝利油田現(xiàn)河采油廠)

丙烯醛在油田水處理中的運用

管麗 劉鈺江 (勝利油田現(xiàn)河采油廠)

為了提高水質(zhì)和解決二次采油時由細(xì)菌和硫化物引起的注水問題,向油田水中加入丙烯醛是一種很好的處理方法。這種方法的關(guān)鍵是:丙烯醛是一種強(qiáng)力殺菌劑,它能清除H2S、分解FeS。在油田現(xiàn)場試驗中,水質(zhì)提高了9倍,注水量增加了16%。在阿曼石油開發(fā)公司日產(chǎn)水9 000 m3的油田,按照分批注入丙烯醛進(jìn)行了9周的現(xiàn)場試驗。試驗結(jié)果表明系統(tǒng)中不含油的懸浮固體有連續(xù)下降的趨勢。浮游的硫酸鹽細(xì)菌減少了約90%,浮游有氧細(xì)菌減少了約72%。溶解的 H2S濃度降低了約50%。由此可知丙烯醛對水質(zhì)的影響是十分顯著的。在Barkman和Davidson測試中水質(zhì)提高了9倍。在試驗期間,每天平均注水量從9 019 m3增至10 442 m3,增長了16%。這些成效為注水系統(tǒng)管理提供了借鑒。

油田水處理 殺菌劑 丙烯醛

1 引言

1.1 通過加入丙烯醛控制水質(zhì)

油田上運用生物殺菌劑來阻止細(xì)菌高速繁殖。常用的化學(xué)用劑包括戊二醛、季銨類、硫酸磷(THPS)等。生物殺菌劑的基本目標(biāo)就是阻止固著細(xì)菌接近和滲透生物膜的防護(hù)層中。一般情況下,化學(xué)生物殺菌劑均可以達(dá)到此效果。季胺類物質(zhì)在穿透EPS方面最有效,EPS包圍固著的生物膜。但季胺類物質(zhì)表面活性劑的特性使其在處理注入井排時會引起產(chǎn)量的下降,以及注水過濾器中產(chǎn)品減少而使它在水驅(qū)使用中有一些限制。當(dāng)為控制細(xì)菌而需要較高濃度的表面活性劑時可能會對地層造成傷害。

在注水系統(tǒng)中,丙烯醛或2-丙烯醛已經(jīng)成功用于控制固著細(xì)菌的化學(xué)試劑。這是一種非表面活性劑,無腐蝕性。水溶性生物殺菌劑表現(xiàn)出了優(yōu)良的油溶解度,能夠穿透被油包裹住的表面和生物膜繼而有效地處理固著細(xì)菌。丙烯醛處理細(xì)菌的機(jī)理是通過與蛋白質(zhì)中的璜基和氨基反應(yīng),使細(xì)菌細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和酶變性。在最近的一篇報告中 (Penkala等,2004),Penkala等說明了與傳統(tǒng)的生物殺菌劑相比,丙烯醛在控制好氧細(xì)菌、兼性厭氧性細(xì)菌 (GAB)以及 SRB方面效果最好。Penkala等人在2008年最新的報告表明在美國俄克拉荷馬州油田水驅(qū)過程中最有效的控制APB的方法就是加入丙烯醛。在地面分離設(shè)備中進(jìn)行的常規(guī)間歇注水處理結(jié)果表明,在整個注水系統(tǒng)中,APB減少了99.99%,同時注水的失敗率也減少了50%。

除了具有殺菌性外,丙烯醛還可以與硫化物如H2S、FeS反應(yīng),生成不可逆轉(zhuǎn)的水溶液制品。丙烯醛的這種特性使之在注水系統(tǒng)中有很好的清除H2S、消溶FeS效果。在注水系統(tǒng)中硫化細(xì)菌的產(chǎn)生經(jīng)常伴隨著固著細(xì)菌在水庫、注水井排、注水井中的產(chǎn)生,丙烯醛通過控制細(xì)菌和硫化物菌為提高水質(zhì)提供了一個全面解決問題的方法。

1.2 應(yīng)用丙烯醛的成功水驅(qū)案例

Palacios和Riccobono (2003)報告了3年來在實驗室中對丙烯醛、戊二醛、THPS、季銨類在降低微生物腐蝕 (MIC)、控制SRB增長方面的研究結(jié)果。丙烯醛分批注入工藝可以將MIC減少到小于0.01 m/a,然而其他殺菌劑 (＞0.2 m/a)不能達(dá)到要求 (0.13 m/a)。Shield等 (2005)分別將丙烯醛、對偶戊二醛季銨類殺菌劑 (GQB)、THPS殺菌劑在海上生產(chǎn)設(shè)施中進(jìn)行試驗,研究它們在海上和陸地上的生產(chǎn)設(shè)施中控制SRB、共生硫化物情況。結(jié)果表明裝置當(dāng)中的SRB量從90%減少到30%,與之相關(guān)的FexSy、H2S也減少了。加入丙烯醛后成本節(jié)約了40%,Dickinson等人在2005年提出了最優(yōu)化丙烯醛工藝的具體步驟及注水點,在加利福尼亞州油田水驅(qū)過程中應(yīng)用后產(chǎn)量提高了1倍,硫化物減少了1/2,懸浮固體顆粒減少了87%,注入能力從 7×104bbl/d(1 bbl/d= 0.159 m3/d)提高到10.5×104bbl/d。

研究認(rèn)為,阿曼石油開發(fā)公司的注水系統(tǒng) (油田注水9 000 m3/d)是最有效的處理工藝,不僅對控制固著細(xì)菌、SRB和 GAB的數(shù)量十分有效,而且對提高水質(zhì)也十分有效。

2 加入丙烯醛提高油井注水能力的現(xiàn)場試驗

阿曼石油開發(fā)公司注水開發(fā)項目中采用丙烯醛,是由于其對細(xì)菌、SRB和FexSy固相顆粒的控制特性。因此,細(xì)菌、酸液、固相顆粒的主要組成部分可以直接在一個化學(xué)處理過程中進(jìn)行處理。丙烯醛在油和水中的二重溶解度使其可以處理注水系統(tǒng)中油攜帶產(chǎn)生的油濕生物膜和FexSy。

為了更加有效、經(jīng)濟(jì)地處理系統(tǒng),提出了每周分批處理方案,每次將200 L的丙烯醛直接注入下游撇油罐中,它向注水系統(tǒng)中輸送產(chǎn)出水,為整個注水系統(tǒng)提供丙烯醛處理。另外每月向上游的撇油罐注入657 L丙烯醛來補充控制細(xì)菌和硫化物。這次試驗預(yù)計進(jìn)行9周,為了獲得系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù),在試驗前要進(jìn)行間歇性的測試。

研究了試驗中幾種關(guān)鍵特性指示量:

◇丙烯醛殘余量

◇細(xì)菌濃度

◇溶解的H2S

◇Barkman和Davidson的產(chǎn)出水分析

◇注水井口筒式過濾器的差壓

◇注水能力

這些變量對提高水質(zhì)的意義將在結(jié)果部分說明。

試驗包括兩個階段:試驗前檢測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)階段(2004年10月8日—2005年3月10日);試驗時應(yīng)用化學(xué)劑階段 (2005年3月11日—2005年5月9日)。

為了評價試驗中關(guān)鍵特性指示量,為注入丙烯醛試驗提供對比的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)前,已完成一系列對整個油田的注水井的分析。在進(jìn)行現(xiàn)場試驗前,由于道路問題不能到達(dá)319和327兩口井。為此加入2口替代井 (87井和328井)來測定油井原始數(shù)據(jù),結(jié)果是由2口替代井獲得的基本數(shù)據(jù)在試驗前的測試中不適用。兩口井的試驗前數(shù)據(jù)由另外三口井測試得到結(jié)果的平均值來代替。

在試驗中,擠注丙烯醛的前一天和后一天進(jìn)行關(guān)鍵特性指示量分析,得到的數(shù)據(jù)直接用來比較在測試過程中丙烯醛對水質(zhì)的影響,同時也用來對比丙烯醛現(xiàn)場試驗后與未用藥劑試驗前對水質(zhì)的總體影響。

3 結(jié)果

3.1 丙烯醛殘留量

采用脈沖電極譜檢測丙烯醛沿注水點向下流以及向注水井上游流時的生產(chǎn)量 (Kissel等,981)。試驗預(yù)定在2004年12月開始進(jìn)行,但由于操作條件延遲到次年3月,但是在12月,已經(jīng)分別向上下游注入化學(xué)劑檢測丙烯醛殘留量。在第一批注入結(jié)束后注入第二批:①657 L的丙烯醛在1 h 50 min內(nèi)流入撇油罐;②200 L的丙烯醛在2.5 h內(nèi)與注水泵上游撇油罐的流出水混合。不時地收集水樣品直至試驗進(jìn)行10 h。需要重點指出的是雖然順流注入在前,逆流注入在后,但在撇油罐中丙烯醛的滯留對第二注水點順流時的殘余量產(chǎn)生了附加效應(yīng)。

45 min、2 h、3.75 h時不同注水井的數(shù)據(jù)如表1所示,由表1可知撇油罐出水口殘留量至少在10 h后才開始穩(wěn)定。檢測撇油罐在經(jīng)過長接觸時間 (10 h 25 min)后的情況表明分月注入是一種十分有效的處理方法。注水井口裝置外露直至檢測到殘留量有25×10-6甚至更多,平均濃度為46× 10-6～126×10-6。數(shù)據(jù)表明327井的處理效果最差,比正常井多了4 h接觸時間。一般情況下,由于丙烯醛與隨溫度變化的水逐步發(fā)生反應(yīng)以及處理細(xì)菌、H2S、FexSy固相顆粒所處的特殊位置使之在含水系統(tǒng)中存在一個有限的半衰期。但是通過分析表1數(shù)據(jù)以及之前丙烯醛生物處理數(shù)據(jù) (Penkala等,2004;Penkala等,2005),這種處理方法將會是一個合理的控制系統(tǒng)中細(xì)菌、H2S、FexSy固相顆粒的方法。

表1 丙烯醛殘留量數(shù)據(jù)

3.2 細(xì)菌

在下游處理前后,每周計算兩次浮游SRB和GAB的數(shù)量,并按照NACE標(biāo)準(zhǔn) TMO 194-2004 (NACE標(biāo)準(zhǔn) TMO-194-2004)對API-RP38和苯酚右旋糖進(jìn)行一系列稀釋。在原始測試平均細(xì)菌含量＜103/mL同時出口細(xì)菌含量平均值為103/mL時,從撇油罐的入口開始收集流體。進(jìn)出口細(xì)菌增加表明罐中固著細(xì)菌的形成有助于丙烯醛下流時細(xì)菌和硫化物的增長。

試驗數(shù)據(jù)證實了丙烯醛流出物中SRB有顯著的下降,細(xì)菌濃度減少了90%,同時也觀察到GAB平均濃度下降。這些數(shù)據(jù)表明丙烯醛處理方法可以同時減少撇油罐中固著的SRB和GAB。

在現(xiàn)場試驗期間,每周進(jìn)行處理的所有注水井中都觀察到SRB和 GAB減少。在注水井中SRB平均下降90%,GAB平均下降72%(表2)。這些數(shù)據(jù)表明丙烯醛處理方法可以統(tǒng)一處理出油管線中形成的固著的SRB和GAB。雖然系統(tǒng)中固著細(xì)菌的檢測對于了解處理方法的作用十分重要,但是沒有合適的樣品。雖然如此,懸浮細(xì)菌數(shù)據(jù)表明了處理方法的一個顯著影響,由此可以推測當(dāng)懸浮細(xì)菌數(shù)量在生物膜上開始變化時其對固著細(xì)菌數(shù)量的影響。

表2 處理前后SRB和GAB濃度

3.3 H2S的溶解

溶解的 H2S是SRB代謝作用的直接產(chǎn)物,通常用Nu-Calgon Kit Part#4790-0測試方法來檢測。在試驗前注水系統(tǒng)中溶解的 H2S濃度一般在3.5×10-6～4×10-6,可溶性鐵的濃度大約為6× 10-6.

尚未處理的系統(tǒng)p H值為6.5,計算得到的FeS固相顆粒濃度為17 kg/d(6 200 kg/a)。在注入丙烯醛一天后,觀察到溶解的 H2S濃度顯著下降,濃度0～0.5×10-6。雖然在每周處理時溶解的H2S濃度上升,但仍然低于試驗前標(biāo)準(zhǔn)。在通常情況下,試驗中 H2S濃度＜2×10-6,相比試驗前H2S濃度降低了50%。逐步降低每周丙烯醛的注入量,明顯觀察到試驗過程中這個變化對SRB的影響。由于 H2S溶解變少,使 H2S與注入水中的可溶性鐵反應(yīng)減少,這將有助于地層水中FeS的減少。

3.4 Barkman和Davidson坡度測試

Barkman和Davidson坡度測試 (Barkman和Davidson,1972)提供了一個在給定時間內(nèi)測量注入水樣本中懸浮固體含量和系統(tǒng)中注水井產(chǎn)量的方法。Barkman和Davidson坡度越高,在給定的注入水樣品中水產(chǎn)量越高,懸浮固體含量越低。例如FexSy固相顆粒降低了過濾器讓水進(jìn)入注水井的能力,對殘余油亦是如此。在試驗中由于操作問題偶爾會出現(xiàn)較高的殘余油量,阻止了坡度測試分析。

3.4.1 水的生產(chǎn)量

每30 min計算水通過0.45μm的微孔過濾器的體積,以此來獲得試驗前的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)稍后將與試驗時的平均體積對比以及與在單獨測試中每口井的最大過濾水體積對比。

結(jié)果表明,在試驗中5口井的產(chǎn)水量都得到了很大的提高。333井的平均產(chǎn)水量大約增加了18%,是87井產(chǎn)水量的3倍。在單項測試中,每口井的最大產(chǎn)水量均比平均值高。在注水井中觀測到的注水量增長從1～9倍不等。

3.4.2 Barkman和Davidson坡度梯度

測量了每一個坡度試驗的梯度并與試驗中濾失量進(jìn)行對比。試驗前每口井測得的平均分層坡度梯度與試驗時測得的數(shù)據(jù)對比。平均分層坡度梯度也要與試驗中測得的最高平均分層坡度梯度作比較。

結(jié)果表明坡度梯度有所改變。5口井中的4口井增長了20%～40%。328井在試驗時測得的坡度梯度比試驗前的低,原因尚不明確。

3.5 不含油的懸浮顆粒

在阿曼石油開發(fā)公司的生產(chǎn)化學(xué)實驗室采用微孔過濾器對TSS和不含油的固相顆粒 (OFSS)進(jìn)行Barkman和 Davidson坡度測試。在化學(xué)擠注前一天進(jìn)行OFSS等級研究。

OFSS在試驗期間不停變化,它在順流至撇油罐時有一個下降的趨勢。丙烯醛對OFSS中如碳酸鹽、砂、無機(jī)垢、地層微粒、非烴化合物固相顆粒等無影響,認(rèn)為這種整體下降的趨勢與FeS有關(guān)?，F(xiàn)場試驗流體流入撇油罐只處理了3次,結(jié)果對OFSS沒有任何影響。

3.6 注水井過濾裝置的壓差

水質(zhì)、操作要求以及井底地層都會導(dǎo)致壓力的變化。在整個試驗中主要檢測注水井過濾裝置上的壓力變化。丙烯醛對水質(zhì)的提高是否與差壓有關(guān)進(jìn)行了初步分析。選擇的井分布在不同的地勢且井排的形狀、長度、流體流態(tài)不同,這將以離散的方式對丙烯醛處理區(qū)域產(chǎn)生影響。

雖然壓力在變化,在試驗中每口井的情況相比基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有了提高。需要指出的是,87井和349井是有問題的注水井,消耗過濾器芯子量大,圖1顯示了注入丙烯醛期間的改進(jìn)。這些改進(jìn)至少有一部分可以歸結(jié)于水質(zhì)的提高。

3.7 總的注水量

阿曼石油開發(fā)公司注水系統(tǒng)為注水、鉆井、修井提供加壓的產(chǎn)出水。含F(xiàn)exSy固相顆粒少的注入水可提高井的產(chǎn)量,同時也提高了鉆機(jī)和絞車在高含H2S環(huán)境中作業(yè)的安全性。

過濾器在不同壓力下,日注水量的變化可歸結(jié)為許多因素,如水質(zhì)、用于修井的地表水等。在大量使用地表水期間,注入水量減少;相反在少量使用地表水期間,注入水量增加。

圖1 349井在注入丙烯醛時的壓差

檢測注入水量是為了評估試實驗時水量能否會有增加。阿曼石油開發(fā)公司油田數(shù)據(jù)是從阿曼石油開發(fā)公司的數(shù)據(jù)庫收集到的,綜合了每一口井日注水量。在原始資料檢測階段,平均注水量為9 019 m3/d。在注入丙烯醛后總注水量實現(xiàn)了穩(wěn)步增長,最后一個月平均日注水量為10 442 m3/d,在進(jìn)行最后擠注前四天高達(dá)13 000 m3/d。雖然與注入水量相關(guān)的地表水?dāng)?shù)據(jù)在試驗期間沒有提供,但在擠注丙烯醛過程中注水量16%的增加歸結(jié)于水質(zhì)的提高。

4 討論

阿曼石油開發(fā)公司水驅(qū)油田采用丙烯醛作為生物殺菌劑、H2S清除劑、預(yù)防FeS分解劑來提高水質(zhì)和后續(xù)注水效果。這次實踐受到了采出水中殘余油的強(qiáng)大干擾。而丙烯醛在兩相中的雙重溶解為接觸油包裹沉積物生物膜、撇油罐中 FexS、注水管線提供了有利條件。頻繁的檢測結(jié)果表明了整個注水過程中處理方法對細(xì)菌、硫化物的影響,為處理工藝的評價提供了依據(jù)。

整個試驗期間,在撇油罐和注水井中觀察到懸浮細(xì)菌 (包括SRB)下降。雖然在測試中固著細(xì)菌檢測點沒有得到,但可以通過外推法得到對固著細(xì)菌的影響。更重要的是,系統(tǒng)中的 H2S在加入丙烯醛后立刻下降,只在下一周擠注前出現(xiàn)上升同時伴隨細(xì)菌再增長。這使 H2S在整體中的減少量在注水期間注水井排具體化為小于2×10-6,與此同時減少了系統(tǒng)中生物膜的量。

正如過濾性、Barkman和Davidson坡度分析所評價的,水質(zhì)有明顯的提高。在整個試驗中,水過濾特性提高了1～9倍不等。丙烯醛對水質(zhì)的主要影響是通過丙烯醛與溶解的 H2S反應(yīng)以及現(xiàn)存FexSy垢的溶解來抑制FexSy的形成。凈效應(yīng)是固相顆粒的減少和水質(zhì)的提高。

需要著重指出的是試驗中在上流區(qū)域應(yīng)用丙烯醛只有3次,從撇油罐出口得到的樣品分析結(jié)果(溶解的H2S)是不全面的。這就預(yù)示著為了更進(jìn)一步減少和阻止地層中FexSy形成,就需要在撇油罐入口更頻繁地擠注丙烯醛,這樣才能提供一個更可靠的H2S控制。

試驗的另外一個重要影響就是注水量的增加。由于注水量直接影響操作、擠注和后續(xù)生產(chǎn),故注水量是阿曼石油開發(fā)公司著重強(qiáng)調(diào)的關(guān)鍵特性指示之一。雖然地表水所需數(shù)據(jù)未得到,使之與注水量的相互關(guān)系不明確,但是在試驗時觀察到了總注水量增加16%。有理由認(rèn)為丙烯醛工藝的成功有助于注水量的增加。

試驗結(jié)果與實驗過程中丙烯醛工藝的安全應(yīng)用促使阿曼石油開發(fā)公司從2007年開始采用丙烯醛分批注入工藝,獲得了空前成功。

5 結(jié)論

(1)向油田注入丙烯醛可以為整個注水系統(tǒng)提供足夠的化學(xué)劑駐留量來處理 H2S、細(xì)菌和硫化物固相顆粒。

(2)丙烯醛浸透油濕生物膜的有效率是從懸浮和固著細(xì)菌水平顯著下降得到驗證的。在整個丙烯醛擠注過程中,懸浮SRB減少90%,懸浮APB減少72%。它能有效控制細(xì)菌在注水系統(tǒng)中的污染,如去除H2S,設(shè)備中生物淤積變少,微生物腐蝕減小。

(3)在試驗中溶解的硫化物變少。硫化物溶解量最小化可減少地層中FexSy垢的沉積,從而提高水質(zhì)和注水井工作效率。在注入丙烯醛的試驗過程中硫化物溶解量減少了50%,注水量提高了16%。

(4)整個注水系統(tǒng)中FexSy垢的減少消除了潛在沉積腐蝕,提高了注水能力和過濾器工作效率,降低了注水井的壓差,從而提高了注入泵的效率。

(5)阿曼石油開發(fā)公司在丙烯醛試驗時著重強(qiáng)調(diào)的產(chǎn)品運輸后勤工作,以及健康、安全、環(huán)境均達(dá)到了要求。

(6)丙烯醛在試驗過程中沒有發(fā)生安全事故,它對注水系統(tǒng)的積極影響使阿曼石油開發(fā)公司成為第一個使用丙烯醛處理工藝的公司。

資料來源于美國《SPE 120238》

2010-05-05)

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.12.020