胜利油田稠油热采过程中硫化氢成因分析.doc
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1、胜利油田稠油热采过程中硫化氢成因分析胜利油田稠油热采过程中硫化氢成因分析李伟(中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院 山东东营 257015)摘要:胜利油田孤岛稠油区块 8 个井组转蒸汽驱一年后检测出高浓度硫化氢气体。中二北原油含硫量在 1.62%2.66%,属于中-高硫原油,为热化学裂解反应提供丰富的硫的来源,地层水硫酸根含量平均只有为 12.2mg/L,硫酸盐的热化学还原反应产生 H2S 的物质基础不充分。温度和反应时间是影响硫化氢产生的主要因素,温度越高产出速度越快,反应时间越长,产生硫化氢量越多,这与现场硫化氢分布特征相一致。关键词:稠油、蒸汽驱、硫化氢、产生机理、胜利油田0 0 引言引
2、言胜利油田孤岛采油厂中二北 Ng5 稠油化学蒸汽驱是中石化集团公司第一批重大先导试验项目。2011 年 5 月,对孤岛中二北 Ng5 蒸汽驱油井伴生气进行取样、检测表明,部分井硫化氢含量严重超标,最高达到 24000mg/m3,硫化氢作为一种剧毒气体,对人体有致命危害,同时硫化氢极大的化学活性,对抽油杆、油管、集输管线等都有极强的腐蚀作用,造成财产损失并引发重大的安全事故1。1 1 硫化氢产生机理硫化氢产生机理目前国内外普遍认为稠油注蒸汽热采开发过程中硫化氢的产生机理主要为以下两个方面2,3,4。1.1 含硫有机化合物的热化学裂解反应(TDS)原油中的硫醇、硫醚等含硫有机物在高温时经过水蒸气的
3、作用,发生的碳硫键断裂而产生硫化氢。M.H.Askinat5认为原油加热到 240时 H2S 开始慢慢的产生,320时 H2S 的增加变的明显。含硫有机化合物分解产生硫化氢的反应式可表示如下:212221222212222212222CHCHRSHSHCHCHRCHCHRSHCHCHRCHSCHCHCHRCHRCHSHSHCHRCHR1.2 硫酸盐的热化学还原反应(TSR)热采过程中形成 H2S 的 TSR 反应是一个很复杂的、有机物和无机硫相互作用的过程,在高温下,原油中的烃类将硫酸盐(例如 Fe2(SO4)3、Al2(SO4)3和 MgSO4等或磺酸钠等高价硫的化合物)中的硫酸根或磺酸基团
4、还原生成 H2S、金属硫化物以及硫醚、硫醇、噻吩等有机硫化物,同时伴生二氧化碳、炭以及金属氧化物等。V.Lamoureux6等通过实验证明,热采过程中,即使在浅的储层中,如果稠油的重度小于 20,水或矿物基质中含有硫酸盐,便会由于注入的热水或热蒸汽造成的高温条件(150T300)而发生 TSR,产生 H2S。2 2 孤岛油田蒸汽驱产生硫化氢影响因素分析孤岛油田蒸汽驱产生硫化氢影响因素分析2.1 热物理模拟实验技术人员进行了模拟地层条件下的原油、地层水和岩石在高温下相互作用,发生化学反应从而产生 H2S 的实验。将样品按组合(稠油+纯水、稠油+地层水、含油岩芯+地层水)放入高温高压反应釡中,氮气
5、置换四次,进行高温加热,在不同温度下反应不同时间,反应完成后用气袋收集产生的气体,用 GC-MS 检测气体成分。(1)稠油+纯水高温反应,无论反应时间为 3 小时还是 8 小时,开始产生 H2S 的温度均为 250。在反应时间为 3h 条件下,随温度的升高,H2S 峰显著增强,说明随温度的升高,H2S 产生速率加快;但反应 8h 条件下,温度大于 250后,随温度的升高,H2S 峰高度变化不大,这是因为实验中加入的 50g稠油样品,在 250、8h 条件下基本能反应完成。反应温度 250条件下,反应时间 8h 产生 H2S 峰高度比 3h 下 H2S 峰高度明显增强,说明在物质基础充足的条件下
6、,产生 H2S 量随反应时间增加而增加。稠油+纯水反应中没有硫酸根物质基础,产生的硫化氢判断为含硫有机化合物的热化学裂解而形成的硫化氢。同时色谱检测发现稠油+纯水反应产生硫化氢后,反应尾气中小分子烯烃峰数量增加,说明含硫有机化合物 S-C 键断裂或水解同时生产了大量小分子烯烃,这也成为含硫有机化合物发生热化学裂解的佐证。(2)稠油+地层水高温反应开始产生 H2S 的温度为 200。随温度的升高,H2S 峰显著增强,说明地层水条件下温度的升高,H2S 产生速率加快;用地层水代替纯水,可使产生硫化氢的温度从 250降低到 200,说明地层水中的某些矿物盐离子可能对含硫有机物的热化学裂解反应(TDS
7、)具有催化作用,也有可能出现了高温硫酸盐还原反应(TSR) 。但是 300,3h 条件下稠油+纯水和稠油+地层水反应产生硫化氢峰高度相差不大,说明稠油+地层水反应中高温硫酸盐还原反应而增加产生的硫化氢量较少,产生硫化氢的主要机理还是含硫有机化合物发生热化学裂解。(3)含油岩芯+地层水高温反应开始产生 H2S 的温度为 200(图 1a) ,随温度的升高,H2S 峰增强(图 1) ,说明产生 H2S 的速率加快;含油岩芯+地层水高温反应,实验中原油量减少,产生的硫化氢峰高度比稠油+地层水高温反应明显变小,这也说明中二北硫酸盐还原反应产生的硫化氢量较少,不起主要作用。a-200含油岩芯+纯水反应尾
8、气色谱图(3 小时)b-300含油岩芯+纯水反应尾气色谱图(3 小时)图 1 含油岩芯+纯水反应尾气色谱图对比(3 小时)2.2 产生 H2S 物质基础影响含硫有机化合物的热化学裂解反应(TDS)和硫酸盐热化学还原反应(TSR)是一种在热动力条件驱动下复杂反应,反应物和温度是反应发生的必要条件,含硫有机化合物和硫酸盐类是各自反应的物质基础。采用德国 elementar 公司 VARIOEL 型 CHSNO 元素分析仪,分析孤岛中二北稠油油样含硫量(表1) 。由数据可见,孤岛中二北稠油含硫量在 1.62%2.66%,平均 2.17%,属于中-高硫原油,孤岛中二北稠油中的硫主要存在于沥青质中。原油
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