申请日2009.10.28
公开(公告)日2012.03.21
IPC分类号C02F3/00; E21B43/22
摘要
本发明提供一种仅仅使用装置附近吸取的环境空气的电弧等离子体装置和生成含氮化合物的方法。所述含氮化合物与水处理系统接触，从而现场形成硝酸盐。除去所述水处理系统中的硫化氢并且通过将硝酸盐引入所述系统中消除由硫酸盐还原菌(SRB)产生的硫化氢，借此，通过使用硝酸盐，反硝化微生物竞争可获得的碳营养物胜于硫酸盐还原菌，因此，防止SRB生成硫化氢。在含有反硝化微生物的水处理系统中生成的硝酸根离子可通过微生物提高原油采收率机制的方法来提高原油采收率。此外，电弧等离子体装置和方法消除了常规处理技术的主要成本和对连续供给天然气和水的需求，所述常规处理技术包括硝酸盐的运输和储存。
翻译权利要求书
1.一种现场生成含氮化合物并且使所述含氮化合物与水处理系统接触的 系统，所述系统包括：
(A)集成系统，所述集成系统由(i)吸取环境空气的压缩装置和(ii) 与所述压缩装置连接的电弧等离子体反应器构成，所述电弧等离子体反应器 处理所述环境空气中的氮和氧并且使所述环境空气中的氮和氧发生反应，从 而形成所述含氮化合物;
(B)递送装置，所述递送装置将所述集成系统与所述水处理系统相互连 接，用于使所述含氮化合物与所述水处理系统接触，从而形成硝酸盐;以及
(C)储油层和储气层，所述储油层和储气层接收来自所述水处理系统中 的与所述含氮化合物结合的水。
2.如权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括控制器，所述控制器可 操作地与所述压缩装置、所述电弧等离子体反应器和所述递送装置中的每一 个连接，并且所述控制器被配置为控制所述含氮化合物的生成速度和生成量。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述含氮化合物为一氧化氮NO或二 氧化氮NO2中的至少一种。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述水处理系统包括管线、罐、井、 水处理设备或水运输设备中的一种或一种以上。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述递送装置还包括(i)从所述集 成系统延伸至所述水处理系统的导管，和(ii)用于将所述含氮化合物通过所 述导管移送至所述水处理系统的泵。
6.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括用于监测所述水处理系统中 硝酸盐的浓度的传感器。
7.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括用于运送所述集成系统的垫 木或轮子。
8.如权利要求1所述的系统，其中，调节所述集成系统的尺寸以符合所述 水处理系统的硝酸盐的需求。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述压缩装置、所述电弧等离子体反 应器以及所述递送装置是自动的。
10.一种在设备处生成含氮化合物并使所述含氮化合物与所述设备附近 的水处理系统接触的方法，所述方法包括：
(A)从环境空气中吸取氧和氮;
(B)用电弧等离子体反应器处理存在于所述环境空气中的氧和氮并且用 所述电弧等离子体反应器使存在于所述环境空气中的氧和氮反应，从而形成 含氮化合物;
(C)使所述含氮化合物与所述水处理系统接触，从而形成硝酸盐;以及
(D)将与所述含氮化合物结合的水送至储油层和储气层。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述含氮化合物是一氧化氮NO或 二氧化氮NO2中的至少一种。
12.如权利要求10所述的方法，所述方法还包括监测所述水处理系统中硝 酸根离子(NO3)的浓度的步骤。
13.如权利要求10所述的方法，所述方法还包括下述步骤：使所述含氮化 合物与所述水处理系统接触，从而导致在所述水处理系统中形成足以控制硫 化氢并且提高原油采收率的浓度的硝酸根离子。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述水处理系统包含硫酸盐还原菌。
15.如权利要求10所述的方法，其中，所述水处理系统包含反硝化微生物 和硫化物氧化微生物。
16.如权利要求10所述的方法，所述方法还包括在将所述含氮化合物加至 所述水处理系统之前、之时或之后，将反硝化微生物加至所述水处理系统中。
17.如权利要求10所述的方法，所述方法为分批方法，通过所述分批方法， 所述水处理系统与所述含氮化合物接触一次。
18.如权利要求10所述的方法，所述方法为连续方法，通过所述连续方法， 所述水处理系统与所述含氮化合物重复接触。
19.如权利要求15所述的方法，其中，所述水处理系统本身包含用于所述 反硝化微生物的碳源营养物。
20.如权利要求15所述的方法，其中，用于所述反硝化微生物的碳源营养 物在所述含氮化合物加至所述水处理系统之前、之时或之后加至所述水处理 系统中。
21.一种现场生成含氮化合物并且使所述含氮化合物与水处理系统接触 的系统，所述系统包括：
(A)集成系统，所述集成系统由(i)吸取环境空气的压缩装置和(ii) 与所述压缩装置连接的电弧等离子体反应器构成，所述电弧等离子体反应器 处理存在于所述环境空气中的氧和氮并且使存在于所述环境空气中的氧和氮 反应，从而形成所述含氮化合物;
(B)递送装置，所述递送装置将所述集成系统与所述水处理系统相互连 接，用于使所述含氮化合物与所述水处理系统接触，从而形成硝酸盐;和
(C)垃圾填埋地，所述垃圾填埋地接收来自所述水处理系统的与所述含 氮化合物结合的水。
22.一种现场生成含氮化合物并且使所述含氮化合物与水处理系统接触 的系统，所述系统包括：
(A)集成系统，所述集成系统由(i)吸取环境空气的压缩装置和(ii) 与所述压缩装置连接的电弧等离子体反应器构成，所述电弧等离子体反应器 处理存在于所述环境空气中的氧和氮并且使存在于所述环境空气中的氧和氮 反应，从而形成所述含氮化合物;
(B)递送装置，所述递送装置将所述集成系统与所述水处理系统相互连 接，用于使所述含氮化合物与所述水处理系统接触，从而形成硝酸盐;和
(C)地下水供给装置，所述地下水供给装置接收来自所述水处理系统的 与所述含氮化合物结合的水。
说明书
用于水处理系统的现场生成硝酸盐的方法和装置
相关专利申请的交叉引用
2009年4月3日提交的美国优先申请第12/418,006号的说明书、附图、权利 要求书以及摘要通过引用全部并入本文。
技术领域
本发明涉及现场生成产生水溶性硝酸根离子(NO3-)的一氧化氮(NO) 和二氧化氮(NO2)并且使所述硝酸根离子与水处理系统接触的方法和装置， 本发明尤其适用于油田中。
背景技术
一次采油产率通常少于给定的地质结构或储集层储量的50%。因此，注水 被用于提高含有许多地下油藏的多孔岩石中的原油采收率。在提高原油采收 率方面，水处理系统用于将水溶液注入储油层。水处理系统可包括配有收集 或分配水溶液的装置或一些设备的地上设备，例如油井和气井、油水分离器、 储水罐、水处理罐、管线以及注入井、水处理设备或水运输设备。已知注入 过程产生硫化氢(H2S)，然而，硫化氢使储油层和储气层酸化并且使与油气 采收作业有关的水处理系统和设备酸化。
硫化氢由硫酸盐还原菌(SRB)产生，硫酸盐还原菌将水处理系统和储油 层以及储气层中的可溶硫酸盐(SO4)转化为硫化氢。这些细菌会在钻探石油 的过程中产生，但是它们也会在钻探之前本身就存在的，并且已知这些细菌 存在于几乎所有油田作业的水相中。这些细菌以及它们对油田的影响在例如J. R.Postgate，The Sulphate-Reducing Bacteria 2nd ed.(Cambridge University Press， 1984)中描述。
储油层和储气层以及水处理系统受到硫酸盐还原菌(SRB)和硫化氢 (H2S)的污染已成为主要操作问题并且提高了石油工业的成本。不期望的硫 化氢量的存在导致严重的健康风险和安全性风险，严重腐蚀采油设备并且由 于硫化铁颗粒的形成会大幅度地损伤油田的生产能力，所述硫化铁颗粒沉积 并导致采收设备以及储油层和储气层堵塞，从而减小油体积并且降低开采的 原油的商业价值。因此，已有深入的研究涉及防止硫化氢形成和/或一旦在油 田应用中生成硫化氢就将其除去。
用硝酸盐处理受到影响的储油层和储气层以及水处理系统在降解存在的 H2S和防止进一步产生H2S方面有效。例如，已知将硝酸盐和硝酸盐化合物加 至含有SRB的系统中可降低所述系统中SRB的量，因此，降低由SRB产生的硫 化氢的量。该方法依赖于脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)的菌株以及 存在于油田水中的其他反硝化微生物。例如，通过向系统中引入硝酸盐来除 去存在于水处理系统中的硫化氢并阻止硫酸盐还原菌产生硫化氢，借此，反 硝化微生物利用硝酸盐并产生若干阻止SRB生成硫化氢的机制以及条件。
用于这个目的的硝酸盐通常通过氨氧化来形成或通过常规实践方法来开 采，将得到的干硝酸盐运输，与液体溶液混合并储存在离油田非常近的地方 或使用该硝酸盐的其他偏远的地方。通过供应链生产和运输干硝酸盐化合物 的运送链具有许多安全问题和健康问题并且已证明所述运送链产生了不必要 的花费，同时导致使用点的硝酸盐供应短缺和间歇供应或完全没有供应硝酸 盐。目前，硝酸盐(1)以干形式来源于制造厂，(2)通过包括铁路、公路 和海路运输在内的各种方式运输以及(3)储存在仓库待用。
运输和储存大量干硝酸盐或硝酸盐混合溶液引起许多安全问题和成本问 题。一旦需要，就将硝酸盐运送至混合厂，与水混合成为可用的产品并再次 运输，从而向远离硝酸盐生产起源地的大多数通常位于近海岸的地方和远离 岸边的地方的油气生产作业供应。此外，大量硝酸盐必须储存在现场。
生产硝酸盐的常规方式使用Haber反应并且依赖于作为生产的主要成分 的天然气的固定来源。生产厂依赖于与硝酸盐的成本有直接关系的天然气的 价格。新的Haber型生产厂需要数亿美元经过多年来建造并且必须在战略上位 于靠近天然气的可靠来源处。运输、储存以及混合成本也显著增加。因此， 硝酸盐的价格达到历史最高并且由于需求持续增长预计硝酸盐的价格会随时 间持续增长。
因此，需要经济且有效的方法来现场生产硝酸盐并使所述硝酸盐与水处 理系统接触，从而，防止硫化氢的形式和/或除去在水处理系统中或由水处理 系统供给的储油层和储气层中任何存在的硫化氢。此外，需要现场生产硝酸 盐以及使硝酸盐与水处理系统接触的方法，所述方法在采油方面有用;这样， H2S污染不会负面地影响原油开采过程中使用的储层或设备。
发明内容
关于这些需求和其他需求，本发明提供现场生成含氮化合物并使所述含 氮化合物与水处理系统接触的系统。本发明的系统包括(A)集成系统，(B) 递送装置，以及(C)储油层和储气层，其中，所述集成系统由(i)吸取环 境空气的压缩装置和(ii)与所述压缩装置连接的电弧等离子体反应器构成， 所述电弧等离子体反应器处理存在于环境空气中的氧和氮并且使存在于环境 空气中的氧和氮反应以形成含氮化合物，所述递送装置将集成系统与所述水 处理系统相互连接，用于使所述含氮化合物与所述水处理系统接触以形成硝 酸盐，所述储油层和储气层接收来自水处理系统的与所述含氮化合物结合的 水。
本发明的另一方面涉及在设备处生成含氮化合物并且使所述含氮化合物 与所述设备附近的水处理系统接触的方法，所述方法包括吸取环境空气中的 氧和氮，用电弧等离子体反应器处理存在于环境空气中的氧和氮并且使存在 于环境空气中的氧和氮反应以形成所述含氮化合物，使所述含氮化合物与所 述水处理系统接触以形成硝酸盐并且将与所述含氮化合物结合的水运送至储 油层和储气层。