2018,
Vol. 42
随着油气勘探开发的不断深入以及对能源需求的日益增加, 致密油气、页岩油气等非常规油气资源已成为当前勘探开发的新热点[1]。目前, 压裂改造是非常规油气资源开发的必备手段, 可增强非常规油气储层的渗流能力, 使油气井达到工业油气流标准[2]。但压裂液及其残留物极易引起储层的严重污染和堵塞, 极大地影响了压裂效果和油气产量, 是非常规油气开发中存在的技术难题[3], 发展压裂液伤害的修复方法显得十分迫切。天然聚合物半乳甘露聚糖(主要为胍胶)及其改性产物[4]具有成本低、黏度高、地层污染小等优点, 成为目前技术最成熟、使用最广泛的一类压裂液增黏剂。而对于胍胶基压裂液引起的储层伤害, 一方面积极寻找新型低伤害压裂液, 如清洁压裂液、小分子胍胶压裂液等; 另一方面继续开发胍胶压裂液伤害的修复解堵技术, 如采用氧化剂、酶、酸、微生物等修复方法, 以期获得最优的压裂效果[5]。新型低伤害压裂液因成本高、技术成熟度低、技术门槛高等原因, 其发展和推广受到限制, 而压裂液伤害修复解堵技术则因投资少、见效快、易推广被广泛应用, 成为降低油气储层压裂液伤害的有效手段[6-7]。压裂液修复解堵技术的常用方法是氧化剂处理, 但是存在诸多问题。以过硫酸铵为例, 过氧化物的使用容易引起管线腐蚀、地层不匹配、地层吸附、用量大、成本高、解除效果差等问题[8]。酸也可以通过非氧化性破胶机制, 实现对胍胶的非降解性破胶, 其返排液甚至可以重复使用, 但是酸具有易腐蚀管道、对地层造成损害等问题[9]。采用微生物方法, 能很好地避免上述问题, 具有广阔的应用发展前景[10]。油气储层压裂液伤害的微生物修复方法是充分依据储层压裂裂缝的结构特征和渗流特点, 吸取微生物、酶工程等现代生物技术[11]发展形成的一项新型的压裂液伤害修复技术, 其设计原理是针对胍胶压裂液及其残留物易被微生物降解的特征[12-13], 将微生物注入压裂裂缝中, 利用微生物自身的繁殖、运移和代谢功能, 通过微生物及其酶等代谢产物的降解作用, 清除残留在地层中的未破胶胍胶胶团、残渣、滤饼等不溶性残留物, 将其降解成为可溶物质、气体等代谢产物, 并返排回地面, 从而提高裂缝和基质的渗流能力, 最终达到改善压裂开发效果和提高油气产量的目的。笔者从油藏地层水中分离筛选能够以胍胶为唯一碳源的细菌, 测定其对胍胶及其残渣的降解作用, 并通过人造胶结岩心进行室内模拟实验, 研究该细菌降解作用对岩心渗透率的影响, 以期选出高效压裂液伤害修复菌, 验证微生物修复地层压裂液伤害的可行性。
1 材料与方法 1.1 材料分离源样品为采自山东胜利油田孤岛区块油层的产出水。胍胶粉购自河南万博化工厂, 质量分数为99%。其他试剂为分析纯, 均为国药试剂。
富集培养基:胍胶4.0 g, KNO3 2.0 g, (NH4)2SO4 2.0 g, K2HPO4 2.0 g, MgCl2 0.15 g, CaCl2 0.15 g, 自来水1 000 mL, 121 ℃、0.1 MPa灭菌30 min。
分离培养基:胍胶4.0 g, KNO3 2.0 g, (NH4)2SO4 2.0 g, K2HPO4 2.0 g, MgCl2 0.15 g, CaCl2 0.15 g, 琼脂粉10.0 g, 自来水1 000 mL, 121 ℃、0.1 MPa灭菌30 min。
种子液培养基:牛肉膏3.0 g, 蛋白胨10.0 g, 胍胶4.0 g, NaCl 5.0 g, 自来水1 000 mL, 121 ℃、0.1 MPa灭菌30 min。
胍胶降解培养基:牛肉膏3.0 g, KNO3 2.0 g, (NH4)2SO4 2.0 g, K2HPO4 2.0 g, MgCl2 0.15 g, CaCl2 0.15 g, 自来水1 000 mL, 121 ℃、0.1 MPa灭菌30 min。
菌种纯化及保藏培养基:牛肉膏蛋白胨琼脂培养基[14]。
1.2 方法 1.2.1 胍胶降解菌的富集、分离和纯化量取油层产出水10.0 mL加入装有100 mL的富集培养基中的三角瓶中, 置于一定温度(50、60、70 ℃)下, 100 r/min富集振荡培养7 d。吸取1 mL上部悬液加入到9 mL无菌水中, 连续稀释到1/1000;吸取0.05 mL菌悬液采用涂布法将3个质量浓度的菌悬液分别接入分离培养基。在一定温度(50、60、70 ℃)下, 静置培养3 d, 挑取直径较大的单菌落, 采用稀释平板法纯化, 即获得能以胍胶为唯一碳源生长的细菌。纯化菌株均保存于牛肉膏蛋白胨琼脂斜面。
1.2.2 菌株鉴定菌株形态特征及生理生化特性。根据《常见细菌系统鉴定手册》[15]和《伯杰细菌鉴定手册》[16]对筛选到的菌株进行菌落、细胞形态特征观察及生理生化特性测定。
16S rDNA序列分析[17]。采用苯酚-氯仿抽提法提取细菌总DNA, 然后以基因组总DNA为模板, 选用细菌通用引物27F: 5′-AGAGTTTGATCCTGGCT-CAG-3′和1541R: 5′-AAGGAGGTGATCC AGCCG-CA-3′扩增其16S rDNA基因。PCR反应体系为10×Buffer 5 μL, dNTPs 4.0 μL, 正向引物与反向引物各2 μL, Taq酶(5 μL/L)0.5 μL, DNA模板1 μL, ddH2O补足至50 μL。PCR反应条件为:94 ℃预变性5 min; 94 ℃变性1 min, 56 ℃退火1 min, 72 ℃延伸2 min, 30个循环; 最后72 ℃继续延伸10 min。扩增产物用8 g/L的琼脂糖凝胶电泳检测后送华大基因公司测序。测序结果通过Blast程序在NCBI数据库中进行相似度搜索, 找出同源性较高的菌株序列, 采用Mega 4.0.2软件中的Neighbor-joining法构建系统发育树。
1.2.3 菌株对胍胶的降解样品制备。接种环挑取3环菌体, 接种到装有100 mL胍胶降解培养基的250 mL三角瓶中, 以不接菌的处理为对照CK, 在50 ℃、120 r/min条件下, 振荡培养32 h。
表观黏度测定。培养液取出后, 冷却至25 ℃, 采用NDJ-1B-1六速转筒黏度计测其培养液的表观黏度。
胍胶平均相对分子质量。采用乌氏黏度计稀释黏度法[18]。乌氏黏度计的毛细管内直径0.6 mm, 黏度系数为0.8~0.9 mm2/s2。胍胶降解培养液表观黏度测定后, 将培养基液体置于3 000 r/min离心20 min, 采用0.8 μm微孔滤膜抽滤, 取其滤液25 mL, 采用乌氏黏度计, 水浴锅精确控制温度在(25±0.1)℃测量其胍胶平均相对分子质量。实验重复3次。
相关计算公式为
| $ {\eta _{\rm{r}}} = \frac{\eta }{{{\eta _{\rm{s}}}}}, $ | (1) |
| $ {\eta _{{\rm{sp}}}} = {\eta _{\rm{r}}}-1, $ | (2) |
| $ \frac{{{\eta _{{\rm{sp}}}}}}{c} = \eta + K'{\eta ^2}c, $ | (3) |
| $ \frac{{{\rm{In}}{\eta _{\rm{r}}}}}{c} = \eta-\beta {\eta ^2}c, $ | (4) |
| $ \left[\eta \right] = 5.13 \times {10^{ -4}}{M^{0.72}}. $ | (5) |
式中, η为溶液黏度, mPa·s; ηs为纯溶剂(水)黏度, mPa·s; ηr为相关黏度; ηsp为增比黏度; c为胍胶质量浓度, g·dL-1; [η]为特性黏度, dL·g-1; K′为Huggins系数; β为Kraemer系数; M为平均相对分子质量。
在实验误差足够小的情况下, 根据Huggins方程、式(3)、Kraemer方程、式(4)作图, 其直线渐近线的延长线以及纵坐标轴将相交于一点, 相对分子质量可以采用Mark-Houwink和Beer的经验方程及式(5)计算得到。
气相色谱分析。N2O气体样品分析应用中国科学院大气物理所改装过的美国Agilent公司生产的GC7890A测定, 色谱柱为填充0.18/0.15 mm porapak Q的填充柱, 柱温55 ℃, ECD检测器温度330 ℃, 定量六通阀进样, 进样量1 mL, 载气为N2, 流速为30 mL/min。用于CO2和CH4气体样品分析的色谱柱为填充0.25/0.18 mm的porapak Q的填充柱, 柱温55 ℃, 镍触媒转化器温度375 ℃, FID检测器温度200 ℃, 定量六通阀进样, 进样量1 mL, 载气为N2, 流速30 mL/min; 燃气为氢气, 流速45 mL/min; 助燃气为空气, 流速300 mL/min。
发酵液活性分析。采用黏度法分析其发酵液活性[19]。取菌株处理后的胍胶降解液50 mL, 3 000 r/min离心20 min, 将上清液采用5.0、0.8、0.45、0.22 μm滤膜抽滤以除去细菌菌体, 取滤液。取50 mL 4.0 g/L底物(胍胶或纤维素钠)溶液, 加入5.0 mL发酵液, 摇匀后置于50 ℃水浴2 h, 取出后置于冰水中迅速冷却至25 ℃, 测定其表观黏度, 对照组用蒸馏水做对照, 从而根据降黏率可知是否含有与底物相应的活性物质。实验平行3次。
1.2.4 菌株对胍胶残渣的降解胍胶残渣的制备。胍胶溶液配制:在1 L烧杯中采用桨叶搅拌器搅拌1 L去离子水, 调节转速至漩涡底部刚好达到桨叶位置, 缓慢加入胍胶粉, 避免出现结块, 继续搅拌5 min, 室温静置12 h使其充分水化溶解。破胶过程模拟:将胍胶溶液置于70 ℃恒温水浴锅中加热至恒温, 开启搅拌器, 加入破胶剂过硫酸铵(APS)溶液, 使APS质量浓度为0.2 g/L, 在高温下APS的破胶效果较好, 本文中发现70 ℃静置30 min后, 0.2 g/L APS可使胍胶溶液表观黏度降低到5 mPa·s以下, 实现了完全破胶, 可收集残渣样品。残渣分离:将破胶后液体3 000 r/min离心20 min。倒掉上清液, 并加入去离子水以洗涤残渣中剩余破胶剂, 再次离心, 取上清液10 mL于试管中, 滴加0.2 mol/L BaCl2溶液2滴, 若有白色沉淀生成, 说明残渣中还含有SO42-离子, 继续洗涤; 若无白色沉淀生成, 则说明离心管中沉淀已清洗干净, 则离心管中沉淀为高纯度的胍胶残渣。将残渣收集在离心管中, 置于4 ℃冰箱中保存。
残渣降解。取一定量的残渣, 溶于一定量无机盐溶液中, 充分摇匀形成残渣悬浊液, 分装于250 mL三角瓶中。对照组中接入无菌水5 mL, 处理组中接入菌种种子液5 mL, 置于100 r/min、50 ℃恒温水浴振荡器中培养一定时间取出后, 摇匀后, 取1 mL用于残渣粒径测定, 剩余液体均3 000 r/min离心20 min, 收集残渣, 90 ℃烘干至恒重, 称量。以上实验做3次平行。
残渣粒径测定。采用激光粒度法测定。取上述实验中取出的1 mL培养液, 吸取其0.1 mL液体溶解于盛有30 mL去离子水的激光粒度仪比色杯中, 进行残渣粒度分布测定。激光粒度仪测量范围为0.1~450 μm, 波长600 nm, 测试温度为室温, 背景噪音值采用不加样品的去离子水清零。粒度分布由激光粒度仪所配置的计算机软件生成并输出, 其中值粒径d50用于表示粒径变化趋势。
1.2.5 岩心物模实验压裂液地层伤害通常发生在裂缝表面及裂缝附近基质。本文中采用人造胶结岩心模拟裂缝附近基质, 通过驱替实验模拟压裂过程中的流体流动以及压裂液伤害形成与修复过程。
岩心填制。本实验室自主设计制作可用于岩心夹持器的胶结岩心。称取粒径为0.150~0.212 mm的石英砂50 g, 酸洗后80 ℃烘干至恒重, 与1.0 g环氧树脂A胶与1.0 g环氧树脂B胶, 充分混匀。选取内径25 mm钢管作为模具, 裁取78 mm×100 mm普通A4纸并铺在模具内壁, 填入混有环氧树脂AB胶的石英砂, 并用外径25 mm铁柱反复压实, 达到所需要的岩心长度后, 取出岩心, 将纸去掉, 置于70 ℃烘干24 h, 使岩心充分固结。
孔隙度测定。首先用直尺测量岩心的尺寸, 长度l, 截面直径d, 再按图 1所示, 岩心称重, 将岩心块置于抽滤瓶中, 抽真空24 h, 打开开关, 通入去离子水, 继续抽真空24 h, 使岩心完全饱和水。取出岩心称重, 饱和水前后的质量差可计算孔隙体积VP及孔隙度, 即
| $ {V_{\rm{P}}} = \frac{{{m_2}-{m_1}}}{{{\rho _{\rm{w}}}}}, $ | (6) |
| $ \varphi = \frac{{4{V_{\rm{P}}}}}{{{\rm{ \mathsf{ π} }}{d^2}l}}. $ | (7) |
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图 1 孔隙度测定试验流程 Fig.1 Flow chart of coreporosity measurement experiment |
式中, m1为饱和水前岩心质量, g; m2为饱和水后岩心质量, g; VP为孔隙体积, cm3; ρw为水的密度, g/cm3; φ为孔隙度; l为岩心长度, cm3; d为岩心截面直径, cm。
渗透率测定。按图 2所示, 将岩心装入岩心夹持器, 岩心夹持器放置在50 ℃恒温箱内, 加围压3~4 MPa。打开平流泵, 以恒定的速率(0.5 mL/min)注入去离子水, 压力传感器记录岩心夹持器出口和入口压力数据, 待压力维持不变时, 通过压力差和注入水流速, 采用达西定律计算岩心渗透率:
| $ k = \frac{{4Q\mu l}}{{\Delta p{\rm{ \mathsf{ π} }}{d^2}}}/10. $ | (8) |
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图 2 微生物修复压裂液伤害试验流程 Fig.2 Flow chart of microbial remediation fracturing fluid damage experiment |
式中, Q为注入水的流速, cm3/s; Δp为岩心两端的压差, 10-1 MPa; μ为去离子水黏度, mPa·s; k为岩心的渗透率, μm2。
物模试验。参照表 1, 按照图 2连接实验设备, 其物模试验流程如下:①将饱和水之后的岩心装入岩心夹持器, 围压泵加围压2.0 MPa, 平流泵0.5 mL/min从岩心夹持器B端到A端注入去离子水, 根据压力传感器示数, 由式(8)得岩心原始渗透率k0; ②围压升高至6.0 MPa, 从A端到B端注入30 mL胍胶质量浓度为5.0 g/L的模拟压裂液(含破胶剂过硫酸铵0.25 g/L), 注入速度0.5 mL/min, 取出岩心, 装入自封袋, 防止水分蒸发, 岩心的多孔结构和过硫酸铵随着滤失液流失使破胶更加困难, 因此本文中适当提高了破胶温度并延长了破胶时间, 在80 ℃下破胶1 h使岩心中的氧化破胶反应充分进行; ③将岩心装入岩心夹持器, 加围压2.0 MPa, 从B端到A端注入去离子水, 测压裂液伤害后的渗透率k1; ④从A端到B端注入菌株CGS菌液15 mL, 注入速度0.5 mL/min, 取出岩心, 装入自封袋, 在50 ℃下培养24 h以模拟该细菌在50 ℃地层中的生长过程; ⑤将岩心装入岩心夹持器, 加围压2.0 MPa, 从B端到A端注入去离子水, 测压裂液伤害后的渗透率k2。压裂液对胍胶的伤害率wd和微生物对岩心的恢复率wr为
| $ {w_{\rm{d}}} = \frac{{{k_0}-{k_1}}}{{{k_0}}}, $ | (9) |
| $ {w_{\rm{r}}} = \frac{{{k_2}}}{{{k_0}}}. $ | (10) |
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表 1 岩心及物模实验基本参数 Table 1 Basic physical parameters of artificial cemented cores |
式中, k0为岩心初始渗透率, 10-3 μm2; k1为岩心伤害后渗透率, 10-3 μm2; k2为岩心修复后渗透率, 10-3 μm2。
2 结果分析 2.1 菌株鉴定从供试油层地层水中共分离得到7株细菌, 其中1株细菌在分离培养基上生长最快, 菌落最大(图 3)。
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图 3 供试细菌的菌落及细胞形态 Fig.3 Colony and cell morphology of strain CGS |
根据图 3中菌落和细胞形态、表 2中细菌的生理生化特性, 以及图 4中通过16S rDNA序列分析得到的系统进化树, 该株细菌(编号CGS)可被鉴定为Bacillus paralicheniformis, 该株细菌与其对应参比菌株的同源性为99.52%, 参比菌株的NCBI登录号为LBMN01000156。
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表 2 供试细菌形态特征及生理生化特征 Table 2 Morphological and physiological-biochemical characters of strain CGS |
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图 4 根据16S rDNA基因序列构建的系统进化树 Fig.4 Phylogenetic tree showing relationships among reference strains and tested strain based on 16S rDNA |
由图 5可知, 随着降解时间的增加, 胍胶黏度呈下降趋势。降解时间0 h到8 h之间, 胍胶黏度从117 mPa·s到6.9 mPa·s急剧降低, 降解速率达到13.76 mPa·s·h-1, 从8 h到32 h, 胍胶黏度缓慢降低并趋于平缓, 32 h时为3.3 mPa·s, 降解率仅有0.15 mPa·s·h-1。由此可知Bacillus paralicheniformis对胍胶的降解作用主要发生在8 h之前。
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图 5 供试细菌降解胍胶黏度变化 Fig.5 Apparent viscosity of the guar gum solution after degradation |
供试细菌降解后胍胶的平均相对分子质量变化见图 6。由图 6可知, 胍胶经菌株CGS降解处理后, 平均相对分子质量显著下降。其平均相对分子质量由降解时间0 h的对照组119 062降低为降解48 h的处理组的28 089, 降低率为78.41%。
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图 6 供试细菌降解后胍胶的平均相对分子质量变化 Fig.6 Average molecular weight of guar gum after biodegradation |
微生物降解作用下气体组分变化见图 7。由图 7可知, 胍胶降解过程中, 伴有有大量的气体产生, 通过ECD检测器可以检测到气体N2O的质量浓度变化, 通过FID可检测到气体CO2和CH4的质量浓度变化。N2O从对照的0.54 mg/L增加到3.05 mg/L; CO2从对照的592.60 mg/L增加到13 844.90 mg/L; CH4没有明显变化。
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图 7 微生物降解作用下气体组分变化 Fig.7 Gas chromatograms of gaseous components of control group and biodegradation group |
酶对胍胶溶液黏度的影响见图 8。从图 8可知, 发酵液可有效降低胍胶溶液黏度。按照胍胶溶液:发酵液体积比10:1的用量, 酶反应2 h后, 胍胶溶液的黏度显著降低, 3种胍胶的降黏率分别达到78.52%、86.07%、89.26%, 对纤维素钠溶液的降黏率仅为35.76%。推断该菌的发酵液中含有可促使胍胶和纤维素钠降解的活性物质, 如相关的甘露聚糖酶、纤维素酶等。
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图 8 酶对胍胶溶液黏度的影响 Fig.8 Effect of enzyme on viscosity of guar gum |
胍胶残渣降解实验结果见图 9和10。从图 9(a)可知, 随着降解时间的增加, 胍胶残渣总量逐渐下降趋势, 菌株B.paralicheniformis处理后, 加速了胍胶残渣总量的降低, 残渣不溶物逐渐减少。残渣量由0 h的81.67 mg降低到48 h的51.67 mg。从图 10和图 9(b)可知, 随着降解时间的增加, 残渣中值粒径逐渐减小。0 h中值粒径为78.598 μm, 48 h时则为59.905 μm。由此可知, 随着降解时间的增加, 残渣逐渐粒径逐渐降低, 从不溶性变为可溶性, 这都有利于残渣从地层中返排, 从而降低压裂液残渣造成的伤害。
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图 9 降解作用对胍胶残渣总质量和粒径分布的影响 Fig.9 Effect of biodegradation on total weight and particle size distribution of guar gum insoluble residues |
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图 10 残渣降解过程中残渣的粒径分布变化 Fig.10 Particle size distribution of guar gum insoluble residues in biodegradation process |
模拟实验结果见图 11和表 3。由图 11和表 3可知, 被胍胶压裂液污染后的岩心, 渗透率明显下降, 原始渗透率分别为108.70×10-3和16.90×10-3μm2的A-3和A-5岩心的伤害率分别为95.23%和53.09%, 经过菌株CGS菌液处理后其渗透率为92.58%和16.32%, 其恢复率分别为85.17%和96.57%。由此可知, 微生物对岩心具有较好的修复效果。
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图 11 岩心的渗透率变化 Fig.11 Permeability change of artificial cemented cores |
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表 3 微生物修复压裂液伤害实验结果 Table 3 Basic parameters of physical simulation experiments |
胍胶是从多年生豆科植物瓜尔豆的种子胚乳中提取的天然多糖, 是由直线状(1-4)-连结的β-D型甘露糖主链以及通过α-(1-6)连结的半乳糖支链组成的半乳甘露聚糖[20], 易被微生物降解。因此通过微生物降解作用, 清除地层中的胍胶残留物, 修复被压裂液伤害的地层在理论上是可行的。Devine[21]和Michelle[22]等的研究发现, 胍胶压裂液造成地层伤害的主要原因为高压压裂过程中滤失作用在裂缝基岩面形成的滤饼, 以及破胶后形成的不溶性残渣。鉴于此本文中研究地层压裂液伤害的微生物修复方法及其修复机制。
采用的菌种经鉴定为Bacillus paralicheniformis, 是由Dunlap[23]等从大豆酱中最先分离。已发现该属Bacillus sp.某些菌种具有产生甘露聚糖酶、降解胍胶的能力[24-26], 而目前还尚未有关于Bacillus paralicheniformis降解胍胶以及产生甘露聚糖酶的报道, 更无将该菌种用于微生物修复压裂液伤害的研究。本研究发现Bacillus paralicheniformis对胍胶及其破胶后残渣具有良好的降解作用, 有望将该菌直接用于修复胍胶压裂液引起的地层伤害, 或者用于提取胍胶降解酶作为胍胶压裂液破胶的酶破胶剂以及压裂液返排液的污水处理。
特性黏度表示聚合物本身自有的增黏性质, 与聚合物的平均相对分子质量有关[24], 黏度和平均相对分子质量的降低间接反映了半乳甘露聚糖发生降解, 失去了增黏能力, 研究发现, 经过菌株Bacillus paralicheniformis处理后, 胍胶的表观黏度、特性黏度及平均相对分子质量明显降低, 这表明供试细菌可分泌能断开半乳甘露聚糖糖苷键的酶类, 将半乳甘露聚糖降解为没有增黏效果的低分子寡糖, 甚至半乳糖和甘露糖, 同时降解气体组成分析发现在降解过程中伴随着大量CO2的产生, 也证实了胍胶最终作为碳源被微生物直接利用转化为CO2和水。董文坤等[25]通过对微生物降解胍胶过程中黏度和还原糖变化的研究也支持了本文中对胍胶降解生化过程的推断。最后通过对发酵液的分析, 证实了该菌可以产生使胍胶降解的活性物质。Small和Kim等[26-27]的研究认为, 滤饼的化学组成是高质量浓度的胍胶, 其质量浓度为压裂液的10~25倍。既然该菌株对胍胶具有优良降解作用, 也就表明该菌株对压裂液滤饼也具有较好的降解作用。
蒋淮宇等[28]研究发现, 过硫酸铵溶液在高温下才能起到破胶的作用, 其破胶原理是过硫酸铵释放出一种具有强氧化性的氧自由基, 使植物胶及其衍生物的缩醛键氧化断裂, 且温度越高, 破胶破胶效率越高, 因此本文中采用70 ℃破胶并可以收集到胍胶残渣用于胍胶残渣降解实验; 而在物模实验中, 过硫酸铵作为可溶性盐可随着滤失液流失, 降低了岩心中过硫酸铵与胍胶的相对质量浓度, 因此提高了温度到80 ℃并延长了破胶时间以使过硫酸铵充分发挥破胶效果。由于菌株Bacillus paralicheniformis最适生长温度为50 ℃, 因此基于该生长特性选用50 ℃作为微生物修复温度, 研究其在中低温油层压裂液伤害修复中应用, 可应用于埋深较浅、井温较低的油层, 如延长油田等。
郭建春和Burke等[29-30]的研究认为, 胍胶压裂液产生不溶性残渣的根本原因是破胶反应初期侧链半乳糖离解速率远大于主链甘露糖离解速率, 使得胍胶分子内甘露糖与半乳糖比值(M/G)大幅度提高, 分子在内聚作用下, 溶解性降低, 形成不溶物, 因此残渣的化学本质是高M/G比值的胍胶分子, 本文据此认为胍胶降解菌也可以降解残渣。张华丽等[31]研究认为, 胍胶压裂液残渣中值粒径在80~100 μm。研究发现, 胍胶的中值粒径在60~80 μm, 与其研究结果基本一致。Devine等[22]、Bradford等[32]以及Zhang等[33]研究认为胍胶残渣对孔隙的堵塞主要通过以下3种方式:残渣粒径与地层孔隙半径匹配时, 残渣直接堵塞孔隙; 残渣粒径是孔隙半径的1/2~1/3时, 通过“架桥作用”堵塞地层; 更小的残渣则通过吸附在岩石表面堵塞孔隙, 但相对于前两种作用, 效果并不明显。研究发现, 通过该细菌降解, 残渣总量减少, 直接地降低了残渣对地层的堵塞作用, 并且在降解过程中残渣粒径呈下降趋势, 降解后小粒径的残渣将有利于残渣从孔隙中返排。
岩心评价实验发现, 在菌株Bacillus paralicheniformis处理后, 由压裂液造成的人造胶结岩心伤害获得了明显的改善。选取不同原始渗透率的岩心进行修复实验, 其渗透率恢复率可达到85.17%和96.57%。推断渗透率大幅度恢复的主要机制为滤饼中破胶剂含量偏低, 使滤饼难以破胶, 与破胶后的残渣一起堵塞了孔隙, 但造成渗透率降低的主要原因是滤饼的作用, 该菌株可有效降解胍胶并溶解滤饼, 所以即使该菌株对残渣的降解率并不高, 但其渗透率仍然可以大幅度恢复。蒋海等[34]、袁飞等[35]也从压裂施工现场和动静态滤失实验中提出滤饼会严重伤害裂缝壁面, 张洁[36]等发现胍胶压裂液和滤饼中的破胶剂:胍胶质量比分别为125:500和34:500, 且残渣对地层的伤害较轻。这些研究有力地支持了本文中的实验结果和机制。
4 结束语采用微生物修复地层胍胶压裂液伤害, 同时从胜利油田采出水中筛选分离得到1株性能优良的胍胶降解细菌。结合形态与生理生化特征及16S rDNA序列分析对其进行鉴定, 该细菌为Bacillus paralicheniformis。该菌可明显降低胍胶的表观黏度和平均相对分子质量, 同时还可降解胍胶破胶后的不溶性残渣并降低残渣的粒径, 在岩心模拟试验中发现, 经该菌处理后被胍胶压裂液伤害的岩心渗透率明显提高, 有效地修复了胍胶压裂液对地层的伤害, 验证了该方法的可行性, 也为该方法实际应用提供了菌种资源，其实际修复效果有待于矿场试验确定。
| [1] |
程明明, 夏添, 雷光伦, 等. 低渗透油藏多段塞微生物驱开发指标预测[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2014, 38(6): 113-120. CHENG Mingming, XIA Tian, LEI Guanglun, et al. Development index prediction of multi-slug microbial flooding in low permeability reservoir[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2014, 38(6): 113-120. |
| [2] |
范海明, 王兆兴, 范海建, 等. 压裂液温度稳定剂的评价方法设计和应用[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2017, 41(4): 160-166. FAN Haiming, WANG Zhaoxing, FAN Haijian, et al. Design and application of the evaluation method for fracturing fluid temperature stabilizer[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2017, 41(4): 160-166. |
| [3] |
WANG J Y, HOLDITCH S A, MCVAY D A. Effect of gel damage on fracture fluid clean up and long-term recovery in tight gas reservoirs[J]. Journal of Natural Gas Science & Engineering, 2012, 9(6): 108-118. |
| [4] |
赵建波. 疏水改性胍胶制备及其性能研究[D]. 西安: 陕西科技大学, 2012. ZHAO Jianbo. Study on preparation and properties of hydrophobically modified guar gum[D]. Xi'an: Shaanxi University of Science & Technology, 2012. |
| [5] |
HAROLD D, ROBERT M, PAUL S, et al. Enzyme breaker technologies: a decade of improved well stimulation[R]. SPE 84213, 2003.
|
| [6] |
ZANTEN R V. Stabilizing viscoelastic surfactants in high density brines[R]. SPE 141447, 2011.
|
| [7] |
BARATI R, JOHNSON S J, MCCOOL S, et al. Fracturing fluid cleanup by controlled release of enzymes from polyelectrolyte complex nanoparticles[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2011, 121(3): 1292-1298. DOI:10.1002/app.33343 |
| [8] |
康毅力, 陈德飞, 李相臣. 压裂液处理对煤岩孔隙结构的影响[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2014, 38(5): 102-108. KANG Yili, CHEN Defei, LI Xiangchen. Effect of fracturing fluid treatment on pore structure of coal[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2014, 38(5): 102-108. |
| [9] |
李丛妮. 油田酸化缓蚀剂的研究进展[J]. 表面技术, 2016, 45(8): 80-86. LI Congni. Research process of oil acidizing corrosion inhibitor[J]. Surface Technology, 2016, 45(8): 80-86. |
| [10] |
李宜强, 沈传海, 景贵成, 等. 微生物降解HPAM的机制及其应用[J]. 石油勘探与开发, 2006, 33(6): 738-742. LI Yiqiang, SHEN Chuanhai, JING Guicheng, et al. Mmechanism of HPAM biodegradation and its application[J]. Petroleum Exploration and Development, 2006, 33(6): 738-742. |
| [11] |
马鑫, 高卉, 张俊会, 等. 真菌粗酶制剂脱氢酶活性测定条件的优化[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2016, 44(1): 155-161, 176. MA Xin, GAO Hui, ZHANG Junhui, et al. Optimization of determination method for dehydrogenase activity of crude enzyme preparation from fungi[J]. Journal of Northwest A & F University (Natural Science Edition), 2016, 44(1): 155-161, 176. |
| [12] |
KEKACS D, DROLLETTE B D, BROOKER M, et al. Aerobic biodegradation of organic compounds in hydraulic fracturing fluids[J]. Biodegradation, 2015, 26(4): 271-287. DOI:10.1007/s10532-015-9733-6 |
| [13] |
郝滨, 吴晓玲, 李彩风. 压裂破胶酶产生菌的筛选及其性能评价[J]. 山东轻工业学院学报, 2012, 26(4): 62-63. HAO Bin, WU Xiaoling, LI Caifeng. Isolation of a gel-break enzyme producing strain and study of its partial properties[J]. Journal of Shandong Polytechnic University, 2012, 26(4): 62-63. |
| [14] |
程丽娟, 薛泉宏. 微生物实验室技术[M]. 北京: 科学出版社, 2012, 383.
|
| [15] |
东秀珠, 蔡妙英. 常见细菌系统鉴定手册[M]. 北京: 科学出版社, 2001.
|
| [16] |
布坎南R E, 吉本斯N E. 伯杰细菌鉴定手册[M]. 8版. 中国科学院微生物研究所《伯杰细菌鉴定手册》翻译组, 译. 北京: 科学出版社, 1984.
|
| [17] |
马鑫, 高卉, 张俊会, 等. 3株原油降解细菌鉴定及其降解和驱油特性研究[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2017, 41(2): 163-174. MA Xin, GAO Hui, ZHANG Junhui, et al. Identification of 3 strains of crude oil degradation bacteria and its characteristics of degradation and oil-displacement[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2017, 41(2): 163-174. |
| [18] |
MORRIS G A, ADAMS G G, HARDING S E. On hydrodynamic methods for the analysis of the sizes and shapes of polysaccharides in dilute solution:a short review[J]. Food Hydrocolloids, 2014, 42(3): 318-334. |
| [19] |
HU K, LI C X, PAN J, et al. Performance of a new thermostable mannanase in breaking guar-based fracturing fluids at high temperatures with little premature degradation[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2014, 172(3): 1215-1226. DOI:10.1007/s12010-013-0484-8 |
| [20] |
SCHERBUKHIN V D, ANULOV O V. Legume seed galactomannans (review)[J]. Applied Biochemistry & Microbiology, 1999, 35(3): 229-244. |
| [21] |
DEVINE C S, TJON-JOE-PIN R M, RICKARDS A R. Relationship between polymeric fragment damage and damage removal and the original rock and proppant pack permeability[R]. SPE 52128, 1999.
|
| [22] |
MICHELLE A C, YANG B H, SERVIOES BJ. Evaluationfor polymer damage aids in candidate selection for removal treatment[R]. SPE 39785, 1998.
|
| [23] |
DINLAP C A, KWON S W, ROONEY A P, et al. Bacillus paralicheniformis sp. nov., isolated from fermented soybean paste[J]. International Journal of Systematic & Evolutionary Microbiology, 2015, 65(10): 3587-3492. |
| [24] |
MA X, LEI G L, WANG Z H, et al. Microbial remediation of guar-based fracturing fluid damage[R]. SPE-189487-MS, 2018.
|
| [25] |
董文坤. 黄原胶和瓜尔胶降解菌的筛选[D]. 天津: 天津大学, 2007. DONG Wenkun. Screening of xanthan and guar gum degrading bacteria[D]. Tianjin: Tianjin University, 2007. |
| [26] |
SMALL J, WALLACE M, STEVE V, et al. Improving fracture conductivities with a delayed breaker system: a case history[R]. SPE 21497, 1991.
|
| [27] |
KIM C M, LOSACANO J A. Fracture conductivity damage due to crosslinkedgel residue and closure stress on propped 20/40 mesh sand[R]. SPE 14436, 1985.
|
| [28] |
蒋淮宇, 王世彬, 郭建春, 等. 提高低温条件下过硫酸铵分解速率的方法[J]. 钻井液与完井液, 2012, 29(1): 77-78, 95-96. JIANG Huaiyu, WANG Shibin, GUO Jianchun, et al. Research on improving decomposition rate of ammoniumpersulfate in condition of low temperature[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2012, 29(1): 77-78, 95-96. |
| [29] |
郭建春, 何春明. 压裂液破胶过程伤害微观机制[J]. 石油学报, 2012, 33(6): 1018-1022. GUO Jiangchun, HE Chunming. Microscopic mechanism of the damage caused by gelout process of fracturing fluids[J]. Acta Petrolei Sinica, 2012, 33(6): 1018-1022. DOI:10.7623/syxb201206013 |
| [30] |
MATTHEW D B, JUNG O P, MOHAN S, et al. Diffusion of macromolecules in polymer solutions and gels:alaser scanning confocal microscopy study[J]. Macromolecules, 2000, 33(20): 7500-7507. DOI:10.1021/ma000786l |
| [31] |
张华丽, 周继东, 杲春, 等. 胍胶压裂液伤害性研究[J]. 科学技术与工程, 2013, 13(23): 6866-6871. ZHANG Huali, ZHOU Jidong, GAO Chun, et al. The damage of guar gum fracturing fluid[J]. Science Technology and Engineering, 2013, 13(23): 6866-6871. DOI:10.3969/j.issn.1671-1815.2013.23.039 |
| [32] |
BRADFORD S A, TORKZABAN S. Colloid transport and retention in unsaturated porous media:a review of interface-, collector-, and pore-scale processes and models[J]. Vadose Zone Journal, 2008, 7(2): 667-681. DOI:10.2136/vzj2007.0092 |
| [33] |
ZHANG W, MORALES V L, CAKMAK M E, et al. Colloid transport and retention in unsaturated porous media:effect of colloid input concentration[J]. Environmental Science & Technology, 2010, 44(13): 4965-4972. |
| [34] |
蒋海, 杨兆中, 李小刚, 等. 裂缝面滤失对压裂井产能的影响分析[J]. 长江大学学报(自然科学版), 2008, 5(1): 87-89, 359-360. JIANG Hai, YANG Zhaozhong, LI Xiaogang, et al. Analyses on the effect fracture surface leak-off in fractured well productivity[J]. Journal of Yangtze University (Natural Science Edition), 2008, 5(1): 87-89, 359-360. |
| [35] |
袁飞, 申金伟, 马万正, 等. 胍胶压裂液对阜东斜坡区头屯河地层的伤害[J]. 油田化学, 2014, 31(1): 42-46. YUAN Fei, SHEN Jinwei, MA Wanzheng, et al. Study on the formation damage mechanisms of guanidine gum fracturing fluid to Toutun River formation of Fudong slope area[J]. Oilfield Chemistry, 2014, 31(1): 42-46. |
| [36] |
张洁, 罗平亚, 朱建峰, 等. HPG胶水基压裂液残渣的伤害与溶解[J]. 西南石油学院学报, 2001, 23(4): 44-45. ZHANG Jie, LUO Pingya, ZHU Jianfeng, et al. Damage and removal of the residue of HPG gum water based fracturing fluids[J]. Journal of Southwest Petroleum Institute, 2001, 23(4): 44-45. |