生物制劑破乳技術在體積壓裂原油采出液中應用研究

嚴忠 郭進周 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研究所

3中國石油新疆油田分公司吉慶油田作業區

4中國石油新疆油田分公司準東采油廠新聞中心

隨著油田非常規開采方式的深度應用，油田采出液成分日趨復雜，常規化學破乳劑對“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，污水處理不達標，影響油田的安全、環保、可持續生產；高效廣譜性的破乳劑篩選難度增加[1-2]。在新的節能降耗形勢要求下，為降低采油成本和能耗，利用微生物發酵液進行乳狀液的破乳脫水技術正日益受到關注。研究成果表明，生物表面活性劑具有獨特的結構和功能，并且具有易降解、對環境污染小等特點，可以成為現有化學合成破乳劑的升級換代產品[3]。微生物發酵工藝簡便，成本低廉，將使脫水工藝的運行費用降低，在油水分離、油污去除等領域開發應用前景廣闊。本文針對油田體積壓裂開采方式下的復雜采出液，通過生物破乳菌種的篩選、提純和成分分析研究，形成了一套經濟可行、高效的環保油水分離技術。

1 生物破乳機理

由于生物破乳劑的破乳活性來源及破乳途徑不同，因此與其相對應的破乳劑機理也不相同。國內外研究者首先對生物破乳途徑進行研究，微生物破乳菌破乳途徑的三種模型包括：微生物細胞破乳模型；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理模型，是基于微生物細胞破乳途徑破乳的細菌粒子破乳模型[4-5]。該模型的具體原理如圖1、圖2所示。

圖1 細菌粒子促進乳化液凝聚示意圖Fig.1 Schematic diagram of bacterial particles promoting emulsion coagulation

圖2 細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，改變膜受力和膜強度分布。

（2）界面電荷作用。菌體細胞表面電荷的干擾，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構。

（4）絮凝和聚集作用。微生物菌體及其EPS促進液滴聚并。

（5）降黏分散作用。微生物溶胞物或胞外酶降低連續相和分散相黏度。

2 生物破乳菌種的篩選

2.1 初篩

發酵生產生物表面活性劑依賴于微生物，高產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域。根據生物表面活性劑的應用領域不同，以近40 年來國內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多種菌株進行分析，預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行初步篩選生物破乳劑生產菌株[6-7]，結果如表1所示。篩選方法如下：將5.0 mL待選菌株的發酵培養液加入到裝有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 ℃水浴上進行破乳實驗。將5.0 mL的培養基（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）。每種菌液或對照做3組平行實驗，進行初步篩選。

表1 破乳菌種的初篩結果Tab.1 Preliminary screening results of demulsifying bacteria

2.2 復篩

對初步篩選出的7株細菌進行復篩，復篩采用全自動界面張力儀檢測細菌全培養液的表面張力。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菌株，結果如表2所示。復篩步驟與初篩基本相同，將0.5 mL 待選菌株發酵培養液與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量為出發點對初始培養基種碳源、氮源的種類及用量進行優化。

表2 破乳菌種的復篩結果Tab.2 Re-screening results of demulsifying bacteria

復篩發現銅綠假單胞菌DB 對新疆油田某區塊采出液具有較強的破乳效果，以此作為研究對象分析該菌株全發酵液中起到破乳劑作用的物質。

3 生物破乳劑發酵提純與成分分析

經過前期兩輪生物破乳劑菌種的初步篩選，得到DB 菌種具備相對優良破乳性能的功能菌，配制相應的培養基，進行發酵，得到濃縮發酵液。發酵提純流程見圖3。

圖3 微生物發酵流程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 無機鹽培養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24 h 后，轉接至無機鹽固體培養基中劃線培養，于37 ℃恒溫培養箱中培養48 h。將活化后的菌株接入試管中擴大培養至菌密度在600 nm 波長下吸光度值＞0.5，轉接到裝有100 mL 培養基的250 mL 錐形瓶中，于37 ℃、180 r/min 的搖床中培養6 d。將發酵液在8 000 r/min下離心10 min，吸取上清液，經0.45 μm無菌微孔濾膜過濾，加入濃鹽酸調整pH 值至2.0，加入與上清液等體積的氯仿：甲醇=2∶1（體積比）的萃取液充分萃取；離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條件下旋轉蒸發至生物表面活性劑粗制品仍含有10 mL左右氯仿，此時產物為棕黃色有特殊氣味的黏稠液體；轉移至通風櫥內的廣口容器過夜，得到黃棕色膏狀固體，即為生物表面活性物質含量在95%以上的粗制品[8-10]。

3.1.2 多糖提取（Sevag）法除雜蛋白

表面活性物質粗制品用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，經冷凍干燥后得到生物表面活性物質的初步純化品，進行硅膠柱層析純化。

3.2 成分分析

銅綠假單胞菌DB 發酵產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占總產量的70%，與界面膜主要成分的瀝青質分子相比，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和碳鏈長度為10 的脂肪烴構成（圖4），其中鼠李糖基團提供較強的親水性和耐酸、耐高溫能力，脂肪烴鏈提供較強的疏水性。親水部分擴展到水滴中，而疏水基團保留在油層中，自發形成曲率，鼠李糖脂迅速吸附到油/水界面上，并替換界面活性物質。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可以克服空間位阻并占據空間，從而導致混合膜的形成，界面膜強度降低，乳狀液穩定性變差。一般來說當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定性。計算可知，發酵產生的鼠李糖脂的HLB 約為11.0，具有較強的破乳性能（圖5）。

圖4 單鼠李糖脂分子Rha-C10-C10結構示意圖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 生物發酵液工業化應用

4.1 油田采出液脫水工藝

新疆油田某區塊壓裂采出液單井采用端點投加破乳劑后，輸至聯合站內，經三相分離器將氣、水分離，低含水原油進入相變加熱爐，加熱后的采出液（加熱至60 ℃）進入壓力脫水器內進行油、水分離，壓力脫水器出液進入電脫水器進行電化學脫水，脫出原油進入凈化油罐，處理合格后外輸。具體運行工況見表3。

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

4.2 生物破乳劑適應性評價

現場實施結果表明，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，現場壓力脫水橇出口原油含水率穩定在1%以下，水中含油濃度穩定在50 mg/L 以下（圖6），與實施前現場化學破乳劑脫水效果相比（化學破乳劑脫水效果如圖7、表4所示），具有明顯的優勢。

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

圖6 生物破乳劑工業化應用效果Fig.6 Industrial application effect of biological demulsifier

圖7 化學破乳劑工業化應用效果Fig.7 Industrial application effect of chemical demulsifier

4.3 經濟效益分析

微生物菌種和發酵條件是影響生物表面活性劑產量的兩大因素，所以發酵原料和發酵條件優化有利于提高生物表面活性劑的產量，降低產品的生產成本[14]。由于該研究內容還處在探索階段，受現場應用量的影響，發酵地點的選擇、發酵模式、發酵工藝規模及產品運輸等成本存在不可預見性，所以微生物發酵提純成本無法科學考證，只是借鑒現有工藝原料市場價格來考慮。隨著簡易發酵方式的研發推廣、相同的發酵量，采用現場規模化的發酵方式，勢必會大幅降低生物破乳劑的的生產成本。本研究成果的經濟性，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，相比單獨使用化學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%，突顯出較高的工業應用價值。

5 結論

（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構、官能團數量、物理性質均存在一定差異，從而導致不同菌株合成的鼠李糖脂的性質存在差異。如何通過分子手段構建工程菌，借助培養條件的改變，可控調節單、雙鼠李糖脂的比例，改變鼠李糖脂在界面膜上的分布情況，進而擴大鼠李糖脂在生產生活領域中的應用方法有待研究[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，應用生物破乳劑替代大量使用的化學破乳劑，對提高乳狀液脫水率，降低環境污染風險具有深遠意義。但是，生物破乳劑的實際應用進程受到破乳劑產生菌代謝過程不穩定、破乳有效成分復雜及缺少大規模發酵生產經驗等問題的制約。