嚴(yán)忠 郭進(jìn)周 魏敬彬 劉娜 黃寰宇 逯志剛

1中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院

2中國石油華北油田公司第五采油廠地質(zhì)研究所

3中國石油新疆油田分公司吉慶油田作業(yè)區(qū)

4中國石油新疆油田分公司準(zhǔn)東采油廠新聞中心

隨著油田非常規(guī)開采方式的深度應(yīng)用，油田采出液成分日趨復(fù)雜，常規(guī)化學(xué)破乳劑對“特種措施”采出液脫水效果不理想，采出液破乳難的問題將日益突出。目前，化學(xué)破乳劑普遍存在的問題包括：集輸能耗上升；影響回注水水的水質(zhì)，污水處理不達(dá)標(biāo)，影響油田的安全、環(huán)保、可持續(xù)生產(chǎn)；高效廣譜性的破乳劑篩選難度增加[1-2]。在新的節(jié)能降耗形勢要求下，為降低采油成本和能耗，利用微生物發(fā)酵液進(jìn)行乳狀液的破乳脫水技術(shù)正日益受到關(guān)注。研究成果表明，生物表面活性劑具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能，并且具有易降解、對環(huán)境污染小等特點，可以成為現(xiàn)有化學(xué)合成破乳劑的升級換代產(chǎn)品[3]。微生物發(fā)酵工藝簡便，成本低廉，將使脫水工藝的運(yùn)行費(fèi)用降低，在油水分離、油污去除等領(lǐng)域開發(fā)應(yīng)用前景廣闊。本文針對油田體積壓裂開采方式下的復(fù)雜采出液，通過生物破乳菌種的篩選、提純和成分分析研究，形成了一套經(jīng)濟(jì)可行、高效的環(huán)保油水分離技術(shù)。

1 生物破乳機(jī)理

由于生物破乳劑的破乳活性來源及破乳途徑不同，因此與其相對應(yīng)的破乳劑機(jī)理也不相同。國內(nèi)外研究者首先對生物破乳途徑進(jìn)行研究，微生物破乳菌破乳途徑的三種模型包括：微生物細(xì)胞破乳模型；生物表面活性劑破乳模型；微生物代謝過程破乳模型。目前較為明確的生物破乳機(jī)理模型，是基于微生物細(xì)胞破乳途徑破乳的細(xì)菌粒子破乳模型[4-5]。該模型的具體原理如圖1、圖2所示。

圖1 細(xì)菌粒子促進(jìn)乳化液凝聚示意圖Fig.1 Schematic diagram of bacterial particles promoting emulsion coagulation

圖2 細(xì)菌粒子抑制乳化液凝聚示意圖Fig.2 Schematic diagram of bacterial particles inhibiting emulsion coagulation

微生物破乳原理歸納起來主要包括5個方面。

（1）表面活性和潤濕性作用。疏水菌體細(xì)胞趨化性、生物乳化劑和表面活性劑的插入和替換作用，改變膜受力和膜強(qiáng)度分布。

（2）界面電荷作用。菌體細(xì)胞表面電荷的干擾，引起界面電荷分布不均。

（3）界面組分的修飾和酶解。微生物能利用石油烴酸化修飾石油烴分子結(jié)構(gòu)。

（4）絮凝和聚集作用。微生物菌體及其EPS促進(jìn)液滴聚并。

（5）降黏分散作用。微生物溶胞物或胞外酶降低連續(xù)相和分散相黏度。

2 生物破乳菌種的篩選

2.1 初篩

發(fā)酵生產(chǎn)生物表面活性劑依賴于微生物，高產(chǎn)生物表面活性劑菌種的篩選是生物表面活性劑研究的一個重要領(lǐng)域。根據(jù)生物表面活性劑的應(yīng)用領(lǐng)域不同，以近40 年來國內(nèi)外報道的生物破乳菌株為參考，對本研究室菌種庫保藏的300多種菌株進(jìn)行分析，預(yù)測出較大概率具有破乳潛力的菌株共20余株，對這些菌株采用原油平板法進(jìn)行初步篩選生物破乳劑生產(chǎn)菌株[6-7]，結(jié)果如表1所示。篩選方法如下：將5.0 mL待選菌株的發(fā)酵培養(yǎng)液加入到裝有5.0 mL 原油模型乳狀液的具塞磨口刻度試管中，混勻器上振蕩1 min使具混勻，置于55 ℃水浴上進(jìn)行破乳實驗。將5.0 mL的培養(yǎng)基（對照樣）與5.0 mL的原油模型乳狀液充分混合，靜置12 h計算原油破乳率。破乳率=（初始乳狀液體積（10.0 mL）-破乳一定時間后的剩余乳狀液體積(xmL)）×100/初始乳狀液體積（10.0 mL）。每種菌液或?qū)φ兆?組平行實驗，進(jìn)行初步篩選。

表1 破乳菌種的初篩結(jié)果Tab.1 Preliminary screening results of demulsifying bacteria

2.2 復(fù)篩

對初步篩選出的7株細(xì)菌進(jìn)行復(fù)篩，復(fù)篩采用全自動界面張力儀檢測細(xì)菌全培養(yǎng)液的表面張力。將表面張力低于40 mN/m樣品菌株初步確定為生物破乳劑的生產(chǎn)菌株，結(jié)果如表2所示。復(fù)篩步驟與初篩基本相同，將0.5 mL 待選菌株發(fā)酵培養(yǎng)液與5.0 mL 原油模型乳狀液充分混勻后靜置2 h 計算原油破乳率，并從提高生物破乳劑產(chǎn)量為出發(fā)點對初始培養(yǎng)基種碳源、氮源的種類及用量進(jìn)行優(yōu)化。

表2 破乳菌種的復(fù)篩結(jié)果Tab.2 Re-screening results of demulsifying bacteria

復(fù)篩發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌DB 對新疆油田某區(qū)塊采出液具有較強(qiáng)的破乳效果，以此作為研究對象分析該菌株全發(fā)酵液中起到破乳劑作用的物質(zhì)。

3 生物破乳劑發(fā)酵提純與成分分析

經(jīng)過前期兩輪生物破乳劑菌種的初步篩選，得到DB 菌種具備相對優(yōu)良破乳性能的功能菌，配制相應(yīng)的培養(yǎng)基，進(jìn)行發(fā)酵，得到濃縮發(fā)酵液。發(fā)酵提純流程見圖3。

圖3 微生物發(fā)酵流程Fig.3 Microbial fermentation process

3.1 提純方法

3.1.1 生物表面活性劑粗制品的分離提取

在裝有5 mL 無機(jī)鹽培養(yǎng)基的試管中加入銅綠假單胞菌DB 100 μL，于37 ℃、180 r/min的搖床中培養(yǎng)24 h 后，轉(zhuǎn)接至無機(jī)鹽固體培養(yǎng)基中劃線培養(yǎng)，于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h。將活化后的菌株接入試管中擴(kuò)大培養(yǎng)至菌密度在600 nm 波長下吸光度值＞0.5，轉(zhuǎn)接到裝有100 mL 培養(yǎng)基的250 mL 錐形瓶中，于37 ℃、180 r/min 的搖床中培養(yǎng)6 d。將發(fā)酵液在8 000 r/min下離心10 min，吸取上清液，經(jīng)0.45 μm無菌微孔濾膜過濾，加入濃鹽酸調(diào)整pH 值至2.0，加入與上清液等體積的氯仿：甲醇=2∶1（體積比）的萃取液充分萃?。浑x心后向甲醇層再次加入等體積萃取液，離心、合并兩次萃取的氯仿層；在溫度40 ℃、真空度為0.05～0.07 MPa條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至生物表面活性劑粗制品仍含有10 mL左右氯仿，此時產(chǎn)物為棕黃色有特殊氣味的黏稠液體；轉(zhuǎn)移至通風(fēng)櫥內(nèi)的廣口容器過夜，得到黃棕色膏狀固體，即為生物表面活性物質(zhì)含量在95%以上的粗制品[8-10]。

3.1.2 多糖提?。⊿evag）法除雜蛋白

表面活性物質(zhì)粗制品用ddH2O回溶，并加入占回溶液1/3 體積的氯仿-正丁醇混合液（4∶1），磁力攪拌30 min，離心取水相，氯仿相用去離子水洗滌離心；合并所有水相，并在4 ℃條件下透析48 h，經(jīng)冷凍干燥后得到生物表面活性物質(zhì)的初步純化品，進(jìn)行硅膠柱層析純化。

3.2 成分分析

銅綠假單胞菌DB 發(fā)酵產(chǎn)生的鼠李糖脂主要為單鼠李糖脂（Rha-C10-C10、Rha-C10-C12）和雙鼠李糖脂（Rha-Rha-C8-C10、Rha-Rha-C10-C12[11-13]），其中Rha-C10-C10和Rha-C10-C12占總產(chǎn)量的70%，與界面膜主要成分的瀝青質(zhì)分子相比，鼠李糖脂具有更高的溶解度和吸附能力，更易吸附在油/水界面上。Rha-C10-C10 是由一個鼠李糖基團(tuán)和碳鏈長度為10 的脂肪烴構(gòu)成（圖4），其中鼠李糖基團(tuán)提供較強(qiáng)的親水性和耐酸、耐高溫能力，脂肪烴鏈提供較強(qiáng)的疏水性。親水部分?jǐn)U展到水滴中，而疏水基團(tuán)保留在油層中，自發(fā)形成曲率，鼠李糖脂迅速吸附到油/水界面上，并替換界面活性物質(zhì)。置換平衡后，界面膜分子之間可能存在空位，其中小尺寸的界面活性物質(zhì)可以克服空間位阻并占據(jù)空間，從而導(dǎo)致混合膜的形成，界面膜強(qiáng)度降低，乳狀液穩(wěn)定性變差。一般來說當(dāng)HLB（親水親油比）值小于8 或大于14 時，破乳劑可分別視為W/O 乳液和O/W 乳液的乳化劑。只有具有中等HLB 的破乳劑才能有效地破壞原油乳液的穩(wěn)定性。計算可知，發(fā)酵產(chǎn)生的鼠李糖脂的HLB 約為11.0，具有較強(qiáng)的破乳性能（圖5）。

圖4 單鼠李糖脂分子Rha-C10-C10結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagram of Rha-C10-C10 single rhamnolipid molecule

圖5 鼠李糖脂表面活性劑臨界膠束濃度的確定Fig.5 Determination of CMC value of rhamnolipid surfactant

4 生物發(fā)酵液工業(yè)化應(yīng)用

4.1 油田采出液脫水工藝

新疆油田某區(qū)塊壓裂采出液單井采用端點投加破乳劑后，輸至聯(lián)合站內(nèi)，經(jīng)三相分離器將氣、水分離，低含水原油進(jìn)入相變加熱爐，加熱后的采出液（加熱至60 ℃）進(jìn)入壓力脫水器內(nèi)進(jìn)行油、水分離，壓力脫水器出液進(jìn)入電脫水器進(jìn)行電化學(xué)脫水，脫出原油進(jìn)入凈化油罐，處理合格后外輸。具體運(yùn)行工況見表3。

表3 新疆油田某區(qū)塊體積壓裂產(chǎn)出液處理站運(yùn)行工況Tab.3 Operating conditions of volume fracturing produced fluid treatment station in a block of Xinjing Oilfield

4.2 生物破乳劑適應(yīng)性評價

現(xiàn)場實施結(jié)果表明，生物破乳劑投加濃度為80 mg/L 時，仍然具有較好的脫水效果，現(xiàn)場壓力脫水橇出口原油含水率穩(wěn)定在1%以下，水中含油濃度穩(wěn)定在50 mg/L 以下（圖6），與實施前現(xiàn)場化學(xué)破乳劑脫水效果相比（化學(xué)破乳劑脫水效果如圖7、表4所示），具有明顯的優(yōu)勢。

表4 生物/化學(xué)破乳除油效果對比Tab.4 Comparison of biological/chemical demulsification and oil removal effects

圖6 生物破乳劑工業(yè)化應(yīng)用效果Fig.6 Industrial application effect of biological demulsifier

圖7 化學(xué)破乳劑工業(yè)化應(yīng)用效果Fig.7 Industrial application effect of chemical demulsifier

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

微生物菌種和發(fā)酵條件是影響生物表面活性劑產(chǎn)量的兩大因素，所以發(fā)酵原料和發(fā)酵條件優(yōu)化有利于提高生物表面活性劑的產(chǎn)量，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本[14]。由于該研究內(nèi)容還處在探索階段，受現(xiàn)場應(yīng)用量的影響，發(fā)酵地點的選擇、發(fā)酵模式、發(fā)酵工藝規(guī)模及產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)瘸杀敬嬖诓豢深A(yù)見性，所以微生物發(fā)酵提純成本無法科學(xué)考證，只是借鑒現(xiàn)有工藝原料市場價格來考慮。隨著簡易發(fā)酵方式的研發(fā)推廣、相同的發(fā)酵量，采用現(xiàn)場規(guī)?；陌l(fā)酵方式，勢必會大幅降低生物破乳劑的的生產(chǎn)成本。本研究成果的經(jīng)濟(jì)性，僅從原料價格比較，如果采用生物破乳劑配方處理同等體積采出液，相比單獨(dú)使用化學(xué)破乳劑可以降低成本約2%，同時提高約3%的破乳率，處理后油中含水率降低至1.84%，突顯出較高的工業(yè)應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

（1）研究表明，銅綠假單胞菌合成的鼠李糖脂是一種混合物，其中單鼠李糖脂和雙鼠李糖脂的分子結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)數(shù)量、物理性質(zhì)均存在一定差異，從而導(dǎo)致不同菌株合成的鼠李糖脂的性質(zhì)存在差異。如何通過分子手段構(gòu)建工程菌，借助培養(yǎng)條件的改變，可控調(diào)節(jié)單、雙鼠李糖脂的比例，改變鼠李糖脂在界面膜上的分布情況，進(jìn)而擴(kuò)大鼠李糖脂在生產(chǎn)生活領(lǐng)域中的應(yīng)用方法有待研究[15]。

（2）在高含水原油乳狀液以及其他開采方式下的采出液處理中，應(yīng)用生物破乳劑替代大量使用的化學(xué)破乳劑，對提高乳狀液脫水率，降低環(huán)境污染風(fēng)險具有深遠(yuǎn)意義。但是，生物破乳劑的實際應(yīng)用進(jìn)程受到破乳劑產(chǎn)生菌代謝過程不穩(wěn)定、破乳有效成分復(fù)雜及缺少大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)經(jīng)驗等問題的制約。