DNB-SRB-MEOR 技术的研究与应用进展

2011-04-01刘芝芳易绍金长江大学化学与环境工程学院湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2011年7期

刘芝芳,易绍金 (长江大学化学与环境工程学院,湖北荆州434023)

在油田回注水中,高浓度的SO-4的存在会引起硫酸盐还原菌 (Sulfate Reducing Bacteria,简称SRB)的大量繁殖,硫酸盐被还原成具有毒性和腐蚀性的硫化氢,会严重腐蚀钻采设备、注水管线等设施[1],从而造成巨大经济损失。因此,抑制回注水中SRB的繁殖并降低腐蚀速率是油田回注水处理环节中必须解决的问题。目前大多数油田主要采用投加化学杀菌剂的方法控制细菌引起的腐蚀,但长期使用化学杀菌剂会使细菌产生抗药性,同时也会造成环境污染。基于此,研究者从微生物的角度着手,利用生物竞争排斥 (Biocompetitive Exclusion,简称BCX)技术[2]来抑制SRB的生长繁殖。研究发现,当有反硝化细菌 (Denitrifying Bacteria,简称DNB)存在时,能有效地抑制SRB的增长,可大大改善设备腐蚀情况。微生物提高石油采收率 (Microorganism Enhances Oil Recovery,简称MEOR)技术[3,4]是将筛选的适合地层环境的特殊微生物或它们的代谢产物注入到油藏中,通过微生物的代谢活动,将石油中长链饱和烃分解为短链烯烃,并产生甲烷、表面活性物质等化学物质,改变地层和原油的性能,提高采收率[5]。反硝化菌 (DNB)抑制硫酸盐还原菌 (SRB)提高石油采收率 (MEOR)(以下简称DNB-SRB-MEOR)技术是BCX技术和MEOR技术的有机结合。该技术操作简便、无污染,具有较高的社会和经济价值。为此,笔者对该技术的研究和进展情况进行阐述。

1 DNB-SRB-MEOR技术的作用机理

DNB是近年来在油田采出水系统中发现的具有竞争优势的拮抗菌,其能将硝酸盐和亚硝酸盐还原并产生N2O和N2。通过对DNB抑制SRB并提高石油采收率的作用机理进行研究,目前有如下观点[6],即基质竞争性抑制作用、反硝化中间产物抑制作用、反应系统内部形成厌氧硫循环和电位控制等观点,其中基质竞争性抑制作用的观点得到大多数研究者的认可。

DNB和SRB的生存环境极为相似,均属于专性厌氧菌,可共同生存于同一环境中。当基质和营养物质有限时 ,两者之间对营养物质和生存空间存在激烈竞争。研究表明,DNB在与SRB的竞争中占据优势[7]。在以乙酸为基质的研究中,DNB比SRB有明显的优势,硝酸盐还原反应一般总是优先发生。但是,SRB在较高基质浓度环境中,能有效地转换基质,也能够正常生长。因而在基质充足时,DNB对SRB的竞争抑制作用并不十分明显。

DNB-SRB-MEOR技术正是利用BCX技术的作用原理,在油田生产中,将筛选的微生物DNB注入到油藏中,通过调整油藏微生物生态来改变最终电子受体,即通过微生物的替代,将SRB对硫酸盐的还原作用转变为DNB对硝酸盐的还原作用。DNB反硝化作用产生的氮气和碱性物质可缓解地层的酸化现象,从而减轻油田生产中的腐蚀问题造成的危害,同时,微生物的生命活动产生的一系列代谢产物如表面活性剂等,可改变原油与地层的物化性质,有利于改善原油的流动性并提高水驱效率,从而增加出油率。

2 DNB-SRB-MEOR技术优势

与单一的微生物采油技术相比,DNB-SRB-MEOR技术具有如下优势:①该技术以油田中挥发性脂肪酸作为菌体生长的有机营养,无需向油层中添加其他有机物,只需要加入简单的无机物营养物即可,因而节约生产成本。②在抑制SRB方面,该技术无毒无害,不会造成污染。③该技术中使用的简单无机成分很容易渗入岩层,能够避免井底堵塞。从经济、技术和环保方面综合考虑,利用反硝化菌控制SRB,既可防止石油设施腐蚀同时又能提高原油采收率,因此是一项具有较高社会和经济价值的技术。

3 国内外研究现状

3.1 国外研究现状

近年来,反硝化菌 (DNB)抑制硫酸盐还原菌 (SRB)提高采收率的技术在国外一些油田已经成功应用。美国生物膜工程中心的P.J.Sturman[8]等提出向油气井中注入亚硝酸盐可控制采出水和气相中的硫化氢的观点。该技术已经成功应用于新墨西哥的San Juan盆地的一口气井和荷兰阿莫科Rijn油田的一口油井中。当油气井中有亚硝酸盐存在时,能有效抑制SRB的活性,并去除井中产生的H2S,且持续作用时间较长。向气井中持续36h注入亚硝酸盐,可控制采出气中的H2S达7mon,采出水中SRB的数量减少,抑制时间达3mon。在油水分离器中,在常规操作条件下增加亚硝酸盐的投加量,可使水相中H2S的含量从40～60mg/L减少到1mg/L以下。腐蚀速率数据表明,加入亚硝酸盐期间,石油设施腐蚀速率明显变弱。一口产油井在亚硝酸盐处理后,H2S的量从140mg/L减少到1mg/L以下,并保持了60d。经过该技术处理后,井管周围沉淀的FeS溶解,出油量增加,因而该处理措施在油气井中控制H2S是很有效的方法。

印度矿业大学的A.Anchliya[9]通过分析油田中出现的由SRB引起的油藏酸化、硫化物腐蚀和硫化铁堵塞等问题,提出了相应的预防和补救措施。预防措施是在油藏受污染前开始往油藏中注入硝酸基体系的药剂,以免油藏中的SRB占主导优势并防止硫化物的产生。由于目前世界上的许多大油藏已经酸化,所以只能采取补救措施。由于硝酸盐基处理技术可有效防止和去除油藏、采出水、地面设施、管线和气藏中的硫化物,防止油藏进一步酸化,所以采用该技术可提高原油采收率。该技术在北海的一些油田应用较为成功,其中硫化物的产生量最高减少了90%,管道的腐蚀率从0.7mm/a降低到0.2mm/a,原油产量增加了20%。

D.O.Hitzman[10-11]研究了利用BCX技术控制硫化物的产生并提高原油采收率的方法,即使用新型BCX体系 (硝酸盐/亚硝酸盐体系)控制SRB。研究发现,针对不同油田的实际情况,向回注水中加入以一定比例混合的硝酸/亚硝酸新剂型,比只加入亚硝酸盐的处理方法更加有效。在酸化了的油层中,硫化物的产量高达400kg/d,经过硝化处理,硫化物剧减,一年内50口井的产油量增加到大约80000桶。该技术在油田应用比较成功,如加利福尼亚某日产200000桶的油田,其采出水在利用BCX体系处理159d的时间段里,油藏中H2S的产量持续降到最低并最终完全被去除,美国科恩郡一个稠油油田采出75%油藏残余油[9]。

S.Maxwell[12]阐述了硝酸盐法处理储层酸化的作用机理,并提出了应用固定膜生物反应器进行试验的条件。利用该反应器在北海的一个油田进行试验,使用采出水回注技术时,其中乙酸盐和丙酸盐的含量较高,分别达到697mg/L和82mg/L,理论硫化物含量达到461mg/L,8741345mg/L的硝酸盐。而经该反应器试验35d后,H2S的浓度降到20～31mg/L。

3.2 国内研究现状

哈尔滨工业大学的敖蕾娜日[13]针对大庆油田回注污水中SRB的问题进行了实验研究,发现反硝化作用能有效抑制H2S的产生,且SO2-4/NO-3比值是重要的生态影响因子,在较低的COD(化学需氧量)水平下,SO2-4/NO-3为1∶1时,效果最为明显,抑制率达到了100%。

董慧明等[14-15]以从大庆油田采出水中筛选到的硫酸盐还原菌SRB22和反硝化细菌DNB21为目的菌,考察两者之间的竞争抑制关系以及添加营养物质的种类和浓度对SRB22数量及产H2S活性的影响。结果表明:①当体系中硝酸盐浓度为0.15 g/L或亚硝酸盐浓度为0.11～0.15g/L时,DNB21就能够有效降低SRB22活性并抑制 H2S的产生,抑制时间达10d以上,H2S产生可以减少85%以上。②当体系中硝酸盐浓度为0.11～0.125g/L时,DNB21对SRB22活性有较好的抑制效果,H2S产生减少65%左右。③亚硝酸盐对SRB22生长的抑制作用好于硝酸盐,若同时添加亚硝酸盐和1%DNB可抑制SRB的生长,且对H2S的去除率最高可达95%。

向廷生等[16]以新疆彩南油田产出水为研究对象,研究利用SRB和NRB(硝酸盐还原菌)之间的生物竞争防止SRB引起石油设施腐蚀的方法。试验过程中,只加入SRB抑制剂,培养120h后,测得钢片的腐蚀速率从0.102mm/a降至0.064mm/a,只加入缓蚀剂,钢片的腐蚀速率降至0.038mm/a,若同时加入缓蚀剂和抑制剂,则可以完全抑制SRB的生长,使腐蚀速率降至0.035mm/a。

4 结语

随着DNB-SRB-MEOR技术在国外油田成功应用,国内油田对该技术的应用研究也越来越重视。在今后的研究和应用中,应更加注重如下几个方面的问题:①在机理研究方面,研究者以相关理论为基础,将进一步在分子微生物领域进行研究,为该技术补充理论依据。②在实际应用方面,由于各个油田的现场情况不完全一样,大量的杀菌剂的使用已经使SRB产生抗药性,有的甚至发生变异,因而需要筛选出对不同SRB菌群均具有抑制作用的DNB菌群。③进一步优化DNB抑制SRB的工艺运行参数,以便在利用DNB抑制SRB防止腐蚀的同时,进一步对提高原油采收率。

[1]俞敦义,彭芳明,郑家燊.硫酸盐还原菌对油田套管腐蚀的研究 [J].石油学报,1996,17(1):154-158.

[2]Hitzman D O,Harrington C S,T elang A J,et al.New nitrate-based treatments control hydrogen sulfide in reservoirs[J].World Oil,2004,225(11):51-54.

[3]易绍金,佘跃惠.石油与环境微生物技术 [M].武汉:中国地质大学出版社,2002:5-6.

[4]罗跃,佘跃惠.微生物采油技术研究的国内外动态及本源微生物采油技术[J].国外油田工程,1999:1-2.

[5]向廷生,何正国,佘跃惠,等.微生物提高原油采收率的机理研究[J].石油勘探与开发,1998,25(4):53-55.

[6]魏利,王艳君,马放,等.反硝化抑制硫酸盐还原菌活性机理及应用 [J].哈尔滨:哈尔滨工业大学学报,2009,41(4):85-88.

[7]张照韩.反硝化抑制硫酸盐还原菌活性试验研究[D].哈尔滨工程大学,2007.

[8]Sturman P J,Goeres D M.Control of Hydrogen Sulfide in Oil and Gas Wells With Nitrite Injection[].SPE56772,1999.

[9]Anchliya A.New Nitrate-Based Treatments-A Novel Approach To Control Hydrogen Sulfide in Reservoir and to Increase Oil Recovery[].SPE100337,2006.

[10]Donald O,Daniel C.Hitzman.Recent Successes:MEOR Using Synergistic H2S Prevention and Increased Oil Recovery Systems[].SPE89453,2004.

[11]Dennis D M,Hitzman D O.Advanced Nitrate-Based Technology for Sulfide Control and Improved Oil Recovery[].SPE106154,2007.

[12] Maxwell S.Advances in Microbial Ecology Relevant to the Application of Nitrate T o Control Reservoir Souring[].SPE106467,2007.