快离子催化杀菌技术在南堡油田采出水处理中的应用.pdf

2023年8月采输技术DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2023.04.003快离子催化杀菌技术在南堡油田采出水处理中的应用赵金龙，范志勇，王宇中国石油冀东油田公司，河北唐山063200摘要：在油气田开采过程中需要向地层注水以补充和保持油层压力，但注入水中如果长期存在过量的硫酸盐还原菌（SRB）、铁细菌和腐生菌，就会造成管道刺漏、油藏渗透率下降等严重后果。当前南堡油田采出水处理杀菌工艺存在处理成本高、杀菌不彻底、细菌抗药性等不良因素，通过对杀菌技术进行对比，优选出快离子催化杀菌工艺，并将该装置应用于南堡油田1号人工岛采出水处理试验，分别从杀菌效果、管道的腐蚀情况、经济效益三方面进行评价。现场试验表明：快离子催化杀菌工艺可将采出水中细菌含量控制到注水标准范围之内，经济效益显著。不仅满足了注水开发需求，也为快离子催化杀菌工艺在其他区块的推广应用起到了良好的示范作用。关键词：SRB细菌；油田采出水；电解质；快离子催化Application of fast ion catalytic sterilization technology in produced watertreatment of Nanpu OilfieldZHAO Jinlong,FAN Zhiyong,WANG YuPetroChina Jidong Oilfield Company,Tangshan 063200,ChinaAbstract：In the process of oil and gas field exploitation,water needs to be injected into the formation to replenish and maintainreservoir pressure.However,if excessive sulfate reducing bacteria（SRB）,iron bacteria,and saprophytes exist in the injected water fora long time,it will cause pipeline leakage,reduced reservoir permeability,and other serious consequences.At present,the sterilizationprocesses for produced water treatment of Nanpu Oilfield have such adverse factors as high treatment cost,incomplete sterilization,andbacterial drug resistance.By comparing sterilization technologies,the fast ion catalytic sterilization process is selected.The process hasbeen applied to the treatment of produced water on the No.1 artificial island of Nanpu Oilfield and evaluated from three aspects:sterilization effect,pipeline corrosion,and economic benefit.Field tests show that the fast ion catalytic sterilization process can controlthe bacteria content in the produced water within the standard range of water injection,and the economic benefits are remarkable.It notonly meets the needs of water injection development but also plays a good demonstration for the popularization and application of fast ioncatalytic sterilization process in other oil blocks.Keywords：SRB bacteria;produced water in oilfield;electrolyte;fast ion catalysis南堡油田 1号人工岛水处理站 2009年投入使用，设计能力9 600 m/d，目前处理水量8 000 m/d。三相分离出的水经水处理站处理后，为 1 号人工岛、2号人工岛及3号人工岛注水井提供水源，处理后的水质应达到B1级（含油量8 mg/L、悬浮固体含量3 mg/L、悬浮物颗粒直径中值2 m、SRB菌含量25个/mL、铁细菌与腐生菌含量均n103个/mL，其中1n10）。注水中若存在超量的SRB细菌、铁细菌将会造成管道穿孔，需采取杀菌工艺对采出水中SRB细菌等进行处理以满足注水要求。该站原采用紫外线灯照射物理灭菌方法，由于紫外线只能使SRB等细菌暂时性休克，加之污水中含油、聚合物等影响光照，导致杀菌效果差。后采用投加杀菌剂的方式进行杀菌，但运行中存在管道腐蚀、细菌抗药性增加、人力成本高、加药费用高以及杀菌效果差的问题。2018年杀菌剂投加量34.9 t，质量浓度为13.8 mg/L，全年费用43.5万元。2020年1月，杀菌剂投加量达到100 mg/L，仍未能杀死采出水中的各类细菌，随着加药时间的增加，细菌抗药性增加，水质不稳定，外加杀菌剂不能满足B1级水质的要求。为满足生产中对于注水水质的要求，需对杀菌技术进行改进。14第49卷第4期采输技术三相分离器接收水罐外输泵注水站净化水罐浮选机缓冲水池过滤系统图1水处理系统工艺流程1南堡油田采出水处理系统工艺流程南堡油田1号人工岛水处理站主要生产工艺流程见图1。1号、2号、3号人工岛的采出液经过三相分离器分离出的水经管道进入1座5 000 m3接收水罐进行缓冲、沉降、除油，出水进入2台并联使用的高效溶气浮选机，进行二级除油和进一步去除悬浮物，靠重力流入缓冲水池。出水经升压泵提升后进入一级双滤料过滤装置，一级过滤后的出水直接进入二级悬挂纤维束过滤装置，二级过滤后的出水进入改造后的三级双滤料过滤装置达到B1水质标准，经过综合杀菌装置或投加杀菌剂后进入5 000 m3净化水罐，出水经外输泵分别输至1号、2号、3号人工岛注水站，回注油层1。杀菌方法快离子催化法紫外线综合物理法甲醇、苯及季铵盐类化学法电解盐电化学法杀菌性能稳定、有效距离长不稳定、有效距离短不稳定、有效距离短不稳定、有效距离长工艺设施简单、橇装装置简单复杂加药泵房+自控系统+原料库房+工艺设备操作间复杂电解装置+氯化钠储罐+搅拌罐+H2O+净水储罐+工艺管阀及自控系统+原料库房+工艺设备操作间化学药剂无无杀菌剂+清水氯化钠+清水安全环保安全无污染无污染对地层和水质有污染腐蚀管道吨水成本/元0.030.20.20.50.52.50.52.0表1灭菌方法对比2杀菌技术优选油田回注污水采用的灭菌方法很多，大体可分为三种。一是物理方法，如紫外线灭菌；二是化学方法（投加化学药剂），如甲醛灭菌法、苯及季铵盐类灭菌法等；三是电化学灭菌法，如电解盐电化学法等2-3。这些方法都有一定的灭菌效果，但不能保证回注水水质达到无菌或细菌不超标；同时也存在共性问题，如运行费用高、工艺流程复杂、可操作性差、不同程度地对管道造成腐蚀和对水质及周边生态环境造成影响。通过现场调研了解到快离子高级催化杀菌技术，将其与当前三种常用杀菌工艺的适用范围、优缺点、安全环保性、经济性进行对比4（见表1），从表1可以看出，快离子高级催化杀菌技术优势明显，因此引进此工艺方法及装置进行油田回注水杀菌处理。3快离子催化杀菌技术在南堡油田应用3.1快离子催化杀菌装置工艺原理快离子催化杀菌技术是一种无药剂除硫灭菌技术，其除硫灭菌机理5就是其充分利用油田含油污水中存在的物质（矿化度），当含油污水进入快离子催化反应器中，在电场力的作用下快速建立离子电流场，从而产生高能的离子电流，促进水中离子做加速迁移运动，在此迁移过程中发生一系列的电化学反应，产生高浓度的活性基氧化性新 物 质，如 OH、O、ClO2、H2O2、HClO、O3、ClO、Cl2等。将这些新生的高浓度活性基氧化性（除硫灭菌）新物质与原污水混合，可快速除去水中H2S、杀灭SRB等细菌并能在水中持续作用。杀菌装置原理如图2所示。赵金龙等：快离子催化杀菌技术在南堡油田采出水处理中的应用152023年8月采输技术F1钢制橇装设备间防爆空调正门防爆接线箱防爆电源控制箱D250-B3设备（防爆）竖井流量计防爆摄像头排渣清洗出水排气竖井换热器（防爆）温度防爆灯F7F3图4快离子杀菌处理装置内部工艺排气F8F6F5F2注：F1、F2为设备进水阀；F3、F7为直通阀；F4、F8为出水口阀；F5为排污阀；F6为清洗阀。进水防爆灯F4图2杀菌装置原理油气口出水口负电极排渣口离子（矿化度）进水口聚集区反应区生成区正电极3.2现场工艺流程南堡油田1号人工岛水处理站新建快离子高级催化杀菌装置2台，单台处理能力5 000 m3/d。快离子高级催化杀菌装置6主要工艺流程：外输水主管道上分出支管取水进入橇装内增压泵6，升压后进入快离子反应器8，进行电化学高级氧化反应，反应器输出含高浓度氧化剂杀菌物质（HClO），进入外输水主管道上与原污水快速混合，杀灭污水中SRB等细菌，杀菌后的水通过排气口4，除去水中剩余的小气泡后，通过外输水泵5增压后输送至1号、2号、3号人工岛注水站，回注油层。同时反应器另一路输出气水混合物，通过排气管道至外输水罐的入口与来水混合，继续反应生成少量的HClO、H2O和 N2等物质。具体工艺流程如图 3所示，内部工艺如图4所示。图3杀菌装置工艺流程过滤来水排气回注井站装置进水装置进水装置出水123 34 456 67289排液、排渣1.净化水罐；2.压力表；3.管道混合；4.排气口；5.外输水泵；6.增压泵；7.装置进水流量调节阀；8.D280-C型快离子反应器；9.杀菌物质浓度检测器。3.3应用效果3.3.1水质菌类指标情况南堡油田 1号人工岛水处理站杀菌装置 2020年 10月底投用，经过取样化验，化验结果表明 1号岛、2号岛、3号岛注水井井口水质菌类指标均达到B1级。具体情况如表2所示。3.3.2杀菌物质对外输水管道腐蚀速率检测南堡油田1号人工岛水处理站于2020年10月20日在站内外输水泵出口汇管设置了腐蚀挂片装置，随后对由杀菌装置制取活性基氧化性（杀菌）物质对外输管道的腐蚀速率进行了验证试验，腐蚀挂片试验周期30 d、60 d，腐蚀速率见表3。从表3可以看出，快离子高级催化杀菌装置产出的活性基氧化性（杀菌）物质对下游设备和管道的设计腐蚀速率为0.026mm/a（0.076 mm/a），满足规范要求。3.3.3经济效益分析南堡油田1号人工岛水处理站处理量8 000 m3/d，16第49卷第4期采输技术杀菌剂加量为 800 kg，杀菌剂单价为 12 000 元/t，加药费用为9 600元，单方水处理费用为1.2元/m3。南堡油田1号人工岛电解杀菌装置投用后运行电流5 000 A，电压8 V，电费单价0.8元/（kWh），每天耗电费用为(5 000 A8 V)/1 0000.824=768元，单方处理成本为768元/8 000 m3 0.1元/m3。南堡油田 1 号人工岛水处理站杀菌装置安装工程费用 93万元，设备购置费 400万元，杀菌剂年减少费用为（1.2-0.1）元/m38 000 m3365 d=321.2万元，投资回收期为（400+93）万元/321.2=1.5 a。4结束语快离子高级催化杀菌装置在南堡1号人工岛水注水井1号岛2号岛3号岛B1指标样品名称NP118-X6NP11-X112NP11-233NP11-237NP12-X64NP12-170NP12-177NP12-X85NP13-1507NP13-1502NP13-X1918NP13-X1054取样日期2020-11-042020-10-222020-10-26SRB/（个/mL）2.500602.50602.50025TGB/（个/mL）2.53200232500010n103铁细菌/（个/mL）25151001231222n103表21号、2号、3号岛注水井井口水质化验结果注：1n10。时间2020年10月20日2020年11月19日2020年11月20日2021年1月20日编号001002材质碳钢碳钢挂前质量/g19.408 423.020 7挂后质量/g19.407 223.018 4失重/g0.001 20.002 3天数/d3060腐蚀速率/（mm/a）0.0260.026表3腐蚀挂片试验数据处理站回注水系统成功应用，实现了冀东油田外输回注水至井口“零”细菌含量的注水水质指标。快离子高级催化杀菌装置运行费用低、自控程度高、对环境无污染，同时工艺简单，装置整体集成使其移动安装更简便。杀菌装置投产后，南堡油田1号人工岛灭菌成本由1.2元/m3降为0.1元/m3，降本显著。电解杀菌技术在石油天然气行业废水处理领域极具推广意义，为南堡油田回注水系统杀菌技术推广奠定了理论和技术基础。参考文献1 范志勇，姚江龙.南堡油田一号岛水处理安全运行系统优化J.石油工程建设，2022，48（1）：38-41.2 陈喆，王红武，马鲁铭.电化学杀菌水处理技术研究进展J.工业用水与废水，2008，39（6）：1-5.3 冯彩霞，张勇，岳海鹏.无药剂灭菌装置在冀东油田某联合站的应用J.石化技术，2020，27（6）：47，51.4 仲昭宇，宦恒庆，缪莉，等.电化学氧化处理有机废水综述J.当代化工研究，2019（13）：42-44.5 冯玉杰，崔玉虹，孙丽欣，等.电化学废水处理技术及高效电催化电极的研究与进展J.哈尔滨工业大学学报，2004，36（4）：450-455.6 谭丽，李本高.电化学杀菌技术在水处理中的研究进展J.工业水处理，2006，26（2）：1-5.作者简介：赵金龙（1988），男，河北沧州人，工程师，2014年毕业于河北联合大学结构工程专业，现从事地面工艺相关研究工作。Email：收稿日期：2023-05-08赵金龙等：快离子催化杀菌技术在南堡油田采出水处理中的应用17