丙烯醛在油田水处理中的运用

2010-10-13管丽刘钰江胜利油田现河采油厂

石油石化节能 2010年12期

管丽刘钰江 (胜利油田现河采油厂)

丙烯醛在油田水处理中的运用

管丽刘钰江 (胜利油田现河采油厂)

为了提高水质和解决二次采油时由细菌和硫化物引起的注水问题,向油田水中加入丙烯醛是一种很好的处理方法。这种方法的关键是:丙烯醛是一种强力杀菌剂,它能清除H2S、分解FeS。在油田现场试验中,水质提高了9倍,注水量增加了16%。在阿曼石油开发公司日产水9 000 m3的油田,按照分批注入丙烯醛进行了9周的现场试验。试验结果表明系统中不含油的悬浮固体有连续下降的趋势。浮游的硫酸盐细菌减少了约90%,浮游有氧细菌减少了约72%。溶解的 H2S浓度降低了约50%。由此可知丙烯醛对水质的影响是十分显著的。在Barkman和Davidson测试中水质提高了9倍。在试验期间,每天平均注水量从9 019 m3增至10 442 m3,增长了16%。这些成效为注水系统管理提供了借鉴。

油田水处理杀菌剂丙烯醛

1 引言

1.1 通过加入丙烯醛控制水质

油田上运用生物杀菌剂来阻止细菌高速繁殖。常用的化学用剂包括戊二醛、季铵类、硫酸磷(THPS)等。生物杀菌剂的基本目标就是阻止固着细菌接近和渗透生物膜的防护层中。一般情况下,化学生物杀菌剂均可以达到此效果。季胺类物质在穿透EPS方面最有效,EPS包围固着的生物膜。但季胺类物质表面活性剂的特性使其在处理注入井排时会引起产量的下降,以及注水过滤器中产品减少而使它在水驱使用中有一些限制。当为控制细菌而需要较高浓度的表面活性剂时可能会对地层造成伤害。

在注水系统中,丙烯醛或2-丙烯醛已经成功用于控制固着细菌的化学试剂。这是一种非表面活性剂,无腐蚀性。水溶性生物杀菌剂表现出了优良的油溶解度,能够穿透被油包裹住的表面和生物膜继而有效地处理固着细菌。丙烯醛处理细菌的机理是通过与蛋白质中的璜基和氨基反应,使细菌细胞中的蛋白质和酶变性。在最近的一篇报告中 (Penkala等,2004),Penkala等说明了与传统的生物杀菌剂相比,丙烯醛在控制好氧细菌、兼性厌氧性细菌 (GAB)以及 SRB方面效果最好。Penkala等人在2008年最新的报告表明在美国俄克拉荷马州油田水驱过程中最有效的控制APB的方法就是加入丙烯醛。在地面分离设备中进行的常规间歇注水处理结果表明,在整个注水系统中,APB减少了99.99%,同时注水的失败率也减少了50%。

除了具有杀菌性外,丙烯醛还可以与硫化物如H2S、FeS反应,生成不可逆转的水溶液制品。丙烯醛的这种特性使之在注水系统中有很好的清除H2S、消溶FeS效果。在注水系统中硫化细菌的产生经常伴随着固着细菌在水库、注水井排、注水井中的产生,丙烯醛通过控制细菌和硫化物菌为提高水质提供了一个全面解决问题的方法。

1.2 应用丙烯醛的成功水驱案例

Palacios和Riccobono (2003)报告了3年来在实验室中对丙烯醛、戊二醛、THPS、季铵类在降低微生物腐蚀 (MIC)、控制SRB增长方面的研究结果。丙烯醛分批注入工艺可以将MIC减少到小于0.01 m/a,然而其他杀菌剂 (＞0.2 m/a)不能达到要求 (0.13 m/a)。Shield等 (2005)分别将丙烯醛、对偶戊二醛季铵类杀菌剂 (GQB)、THPS杀菌剂在海上生产设施中进行试验,研究它们在海上和陆地上的生产设施中控制SRB、共生硫化物情况。结果表明装置当中的SRB量从90%减少到30%,与之相关的FexSy、H2S也减少了。加入丙烯醛后成本节约了40%,Dickinson等人在2005年提出了最优化丙烯醛工艺的具体步骤及注水点,在加利福尼亚州油田水驱过程中应用后产量提高了1倍,硫化物减少了1/2,悬浮固体颗粒减少了87%,注入能力从 7×104bbl/d(1 bbl/d= 0.159 m3/d)提高到10.5×104bbl/d。

研究认为,阿曼石油开发公司的注水系统 (油田注水9 000 m3/d)是最有效的处理工艺,不仅对控制固着细菌、SRB和 GAB的数量十分有效,而且对提高水质也十分有效。

2 加入丙烯醛提高油井注水能力的现场试验

阿曼石油开发公司注水开发项目中采用丙烯醛,是由于其对细菌、SRB和FexSy固相颗粒的控制特性。因此,细菌、酸液、固相颗粒的主要组成部分可以直接在一个化学处理过程中进行处理。丙烯醛在油和水中的二重溶解度使其可以处理注水系统中油携带产生的油湿生物膜和FexSy。

为了更加有效、经济地处理系统,提出了每周分批处理方案,每次将200 L的丙烯醛直接注入下游撇油罐中,它向注水系统中输送产出水,为整个注水系统提供丙烯醛处理。另外每月向上游的撇油罐注入657 L丙烯醛来补充控制细菌和硫化物。这次试验预计进行9周,为了获得系统的基本数据,在试验前要进行间歇性的测试。

研究了试验中几种关键特性指示量:

◇丙烯醛残余量

◇细菌浓度

◇溶解的H2S

◇Barkman和Davidson的产出水分析

◇注水井口筒式过滤器的差压

◇注水能力

这些变量对提高水质的意义将在结果部分说明。

试验包括两个阶段:试验前检测基础数据阶段(2004年10月8日—2005年3月10日);试验时应用化学剂阶段 (2005年3月11日—2005年5月9日)。

为了评价试验中关键特性指示量,为注入丙烯醛试验提供对比的基础数据前,已完成一系列对整个油田的注水井的分析。在进行现场试验前,由于道路问题不能到达319和327两口井。为此加入2口替代井 (87井和328井)来测定油井原始数据,结果是由2口替代井获得的基本数据在试验前的测试中不适用。两口井的试验前数据由另外三口井测试得到结果的平均值来代替。

在试验中,挤注丙烯醛的前一天和后一天进行关键特性指示量分析,得到的数据直接用来比较在测试过程中丙烯醛对水质的影响,同时也用来对比丙烯醛现场试验后与未用药剂试验前对水质的总体影响。

3 结果

3.1 丙烯醛残留量

采用脉冲电极谱检测丙烯醛沿注水点向下流以及向注水井上游流时的生产量 (Kissel等,981)。试验预定在2004年12月开始进行,但由于操作条件延迟到次年3月,但是在12月,已经分别向上下游注入化学剂检测丙烯醛残留量。在第一批注入结束后注入第二批:①657 L的丙烯醛在1 h 50 min内流入撇油罐;②200 L的丙烯醛在2.5 h内与注水泵上游撇油罐的流出水混合。不时地收集水样品直至试验进行10 h。需要重点指出的是虽然顺流注入在前,逆流注入在后,但在撇油罐中丙烯醛的滞留对第二注水点顺流时的残余量产生了附加效应。

45 min、2 h、3.75 h时不同注水井的数据如表1所示,由表1可知撇油罐出水口残留量至少在10 h后才开始稳定。检测撇油罐在经过长接触时间 (10 h 25 min)后的情况表明分月注入是一种十分有效的处理方法。注水井口装置外露直至检测到残留量有25×10-6甚至更多,平均浓度为46× 10-6～126×10-6。数据表明327井的处理效果最差,比正常井多了4 h接触时间。一般情况下,由于丙烯醛与随温度变化的水逐步发生反应以及处理细菌、H2S、FexSy固相颗粒所处的特殊位置使之在含水系统中存在一个有限的半衰期。但是通过分析表1数据以及之前丙烯醛生物处理数据 (Penkala等,2004;Penkala等,2005),这种处理方法将会是一个合理的控制系统中细菌、H2S、FexSy固相颗粒的方法。

表1 丙烯醛残留量数据

3.2 细菌

在下游处理前后,每周计算两次浮游SRB和GAB的数量,并按照NACE标准 TMO 194-2004 (NACE标准 TMO-194-2004)对API-RP38和苯酚右旋糖进行一系列稀释。在原始测试平均细菌含量＜103/mL同时出口细菌含量平均值为103/mL时,从撇油罐的入口开始收集流体。进出口细菌增加表明罐中固着细菌的形成有助于丙烯醛下流时细菌和硫化物的增长。

试验数据证实了丙烯醛流出物中SRB有显著的下降,细菌浓度减少了90%,同时也观察到GAB平均浓度下降。这些数据表明丙烯醛处理方法可以同时减少撇油罐中固着的SRB和GAB。

在现场试验期间,每周进行处理的所有注水井中都观察到SRB和 GAB减少。在注水井中SRB平均下降90%,GAB平均下降72%(表2)。这些数据表明丙烯醛处理方法可以统一处理出油管线中形成的固着的SRB和GAB。虽然系统中固着细菌的检测对于了解处理方法的作用十分重要,但是没有合适的样品。虽然如此,悬浮细菌数据表明了处理方法的一个显著影响,由此可以推测当悬浮细菌数量在生物膜上开始变化时其对固着细菌数量的影响。

表2 处理前后SRB和GAB浓度

3.3 H2S的溶解

溶解的 H2S是SRB代谢作用的直接产物,通常用Nu-Calgon Kit Part#4790-0测试方法来检测。在试验前注水系统中溶解的 H2S浓度一般在3.5×10-6～4×10-6,可溶性铁的浓度大约为6× 10-6.

尚未处理的系统p H值为6.5,计算得到的FeS固相颗粒浓度为17 kg/d(6 200 kg/a)。在注入丙烯醛一天后,观察到溶解的 H2S浓度显著下降,浓度0～0.5×10-6。虽然在每周处理时溶解的H2S浓度上升,但仍然低于试验前标准。在通常情况下,试验中 H2S浓度＜2×10-6,相比试验前H2S浓度降低了50%。逐步降低每周丙烯醛的注入量,明显观察到试验过程中这个变化对SRB的影响。由于 H2S溶解变少,使 H2S与注入水中的可溶性铁反应减少,这将有助于地层水中FeS的减少。

3.4 Barkman和Davidson坡度测试

Barkman和Davidson坡度测试 (Barkman和Davidson,1972)提供了一个在给定时间内测量注入水样本中悬浮固体含量和系统中注水井产量的方法。Barkman和Davidson坡度越高,在给定的注入水样品中水产量越高,悬浮固体含量越低。例如FexSy固相颗粒降低了过滤器让水进入注水井的能力,对残余油亦是如此。在试验中由于操作问题偶尔会出现较高的残余油量,阻止了坡度测试分析。

3.4.1 水的生产量

每30 min计算水通过0.45μm的微孔过滤器的体积,以此来获得试验前的基础数据。这些数据稍后将与试验时的平均体积对比以及与在单独测试中每口井的最大过滤水体积对比。

结果表明,在试验中5口井的产水量都得到了很大的提高。333井的平均产水量大约增加了18%,是87井产水量的3倍。在单项测试中,每口井的最大产水量均比平均值高。在注水井中观测到的注水量增长从1～9倍不等。

3.4.2 Barkman和Davidson坡度梯度

测量了每一个坡度试验的梯度并与试验中滤失量进行对比。试验前每口井测得的平均分层坡度梯度与试验时测得的数据对比。平均分层坡度梯度也要与试验中测得的最高平均分层坡度梯度作比较。

结果表明坡度梯度有所改变。5口井中的4口井增长了20%～40%。328井在试验时测得的坡度梯度比试验前的低,原因尚不明确。

3.5 不含油的悬浮颗粒

在阿曼石油开发公司的生产化学实验室采用微孔过滤器对TSS和不含油的固相颗粒 (OFSS)进行Barkman和 Davidson坡度测试。在化学挤注前一天进行OFSS等级研究。

OFSS在试验期间不停变化,它在顺流至撇油罐时有一个下降的趋势。丙烯醛对OFSS中如碳酸盐、砂、无机垢、地层微粒、非烃化合物固相颗粒等无影响,认为这种整体下降的趋势与FeS有关。现场试验流体流入撇油罐只处理了3次,结果对OFSS没有任何影响。

3.6 注水井过滤装置的压差

水质、操作要求以及井底地层都会导致压力的变化。在整个试验中主要检测注水井过滤装置上的压力变化。丙烯醛对水质的提高是否与差压有关进行了初步分析。选择的井分布在不同的地势且井排的形状、长度、流体流态不同,这将以离散的方式对丙烯醛处理区域产生影响。

虽然压力在变化,在试验中每口井的情况相比基础数据有了提高。需要指出的是,87井和349井是有问题的注水井,消耗过滤器芯子量大,图1显示了注入丙烯醛期间的改进。这些改进至少有一部分可以归结于水质的提高。

3.7 总的注水量

阿曼石油开发公司注水系统为注水、钻井、修井提供加压的产出水。含FexSy固相颗粒少的注入水可提高井的产量,同时也提高了钻机和绞车在高含H2S环境中作业的安全性。

过滤器在不同压力下,日注水量的变化可归结为许多因素,如水质、用于修井的地表水等。在大量使用地表水期间,注入水量减少;相反在少量使用地表水期间,注入水量增加。

图1 349井在注入丙烯醛时的压差

检测注入水量是为了评估试实验时水量能否会有增加。阿曼石油开发公司油田数据是从阿曼石油开发公司的数据库收集到的,综合了每一口井日注水量。在原始资料检测阶段,平均注水量为9 019 m3/d。在注入丙烯醛后总注水量实现了稳步增长,最后一个月平均日注水量为10 442 m3/d,在进行最后挤注前四天高达13 000 m3/d。虽然与注入水量相关的地表水数据在试验期间没有提供,但在挤注丙烯醛过程中注水量16%的增加归结于水质的提高。

4 讨论

阿曼石油开发公司水驱油田采用丙烯醛作为生物杀菌剂、H2S清除剂、预防FeS分解剂来提高水质和后续注水效果。这次实践受到了采出水中残余油的强大干扰。而丙烯醛在两相中的双重溶解为接触油包裹沉积物生物膜、撇油罐中 FexS、注水管线提供了有利条件。频繁的检测结果表明了整个注水过程中处理方法对细菌、硫化物的影响,为处理工艺的评价提供了依据。

整个试验期间,在撇油罐和注水井中观察到悬浮细菌 (包括SRB)下降。虽然在测试中固着细菌检测点没有得到,但可以通过外推法得到对固着细菌的影响。更重要的是,系统中的 H2S在加入丙烯醛后立刻下降,只在下一周挤注前出现上升同时伴随细菌再增长。这使 H2S在整体中的减少量在注水期间注水井排具体化为小于2×10-6,与此同时减少了系统中生物膜的量。

正如过滤性、Barkman和Davidson坡度分析所评价的,水质有明显的提高。在整个试验中,水过滤特性提高了1～9倍不等。丙烯醛对水质的主要影响是通过丙烯醛与溶解的 H2S反应以及现存FexSy垢的溶解来抑制FexSy的形成。净效应是固相颗粒的减少和水质的提高。

需要着重指出的是试验中在上流区域应用丙烯醛只有3次,从撇油罐出口得到的样品分析结果(溶解的H2S)是不全面的。这就预示着为了更进一步减少和阻止地层中FexSy形成,就需要在撇油罐入口更频繁地挤注丙烯醛,这样才能提供一个更可靠的H2S控制。

试验的另外一个重要影响就是注水量的增加。由于注水量直接影响操作、挤注和后续生产,故注水量是阿曼石油开发公司着重强调的关键特性指示之一。虽然地表水所需数据未得到,使之与注水量的相互关系不明确,但是在试验时观察到了总注水量增加16%。有理由认为丙烯醛工艺的成功有助于注水量的增加。

试验结果与实验过程中丙烯醛工艺的安全应用促使阿曼石油开发公司从2007年开始采用丙烯醛分批注入工艺,获得了空前成功。