生物法抑制硫酸盐还原菌在油田的应用研究进展_陶建强.pdf

年第 卷第 期环境保护与治理：生物法抑制硫酸盐还原菌在油田的应用研究进展陶建强（中国石化新疆新春石油开发有限责任公司，山东东营）收稿日期：作者简介：陶建强，高级工程师，毕业于吉林大学油气田开发专业，现主要从事油气田开发方面的工作。基金项目：国家重点研发项目（），稠油化学复合冷采基础研究与工业示范；中国石化科技攻关项目（），胜利 年油气开采基础前瞻项目。摘要：硫酸盐还原菌（）给油田带来诸多危害，其代谢产生的硫化氢会引起管线腐蚀、危害作业人员生命健康，传统的杀菌剂抑制 的方法存在药剂消耗大、细菌产生耐药性导致效果变差等问题，生物法抑制 技术是近些年发展起来的新技术，通过激活硝酸盐还原菌群与 竞争生活空间和营养底物，从而抑制。先从 引起油藏变酸、导致腐蚀和造成聚合物黏度损失等方面论述了其危害，进而从竞争营养底物、硫氧化细菌氧化硫离子、微生物对 的优先利用、中间产物抑制、提高氧化还原电位等方面阐述了生物法抑制 的技术原理，在总结国内外生物法抑制 现场应用情况及效果的基础上，对存在的技术问题和发展趋势进行了展望，以期为该技术的成功规模化应用提供借鉴与参考。关键词：硫酸盐还原菌；硝酸盐还原菌；生物竞争抑制；抑制机理；腐蚀中图分类号：文献标识码：文章编号：（）前言目前，我国大部分油田已进入二次、三次采油阶段，大量的水和化学剂（高分子聚合物、表面活性剂等）注入地层，引起地层内部、地面系统等的微生物种群发生变化，导致一些有害细菌滋生，影响油田的正常生产。硫酸盐还原菌（）是油田生产中常见的有害菌，它能够利用石油、天然气等多种有机物为碳源，将、等氧化态硫还原成硫离子，给油田生产带来巨大危害。目前，对于 的控制措施主要有物理法（紫外线、超声波等）、化学杀菌剂、电化学防护等，但这些方法都不能彻底消除。生物防治技术因具有环保、无二次污染、可长效抑制、消除硫化氢等优点，成为 防治的热点。注入激活剂激活地层本源的硝酸盐还原菌（）或反硝化细菌（），通过基质竞争抑制，也可激活油藏内的硝酸盐还原硫氧化菌（）氧化产生硫化氢，同时抑制。但由于油藏环境的差异性及菌群组成的多样性，使得目前对于激活剂的适宜添加量、防治机理等尚不明确。本文从 对油田生产过程的危害、生物法抑制 的机理及影响因素、现场应用等方面对生物法抑制 技术进行综述，以期为该技术的推广应用提供借鉴。对油田生产过程的危害 及其代谢产物（硫化氢）给油田生产带来诸多危害，如油藏变酸、设备及管线腐蚀、聚合物安全、健康环境环境保护与治理 年第 卷第 期 溶液黏度损失等。导致油藏变酸油藏酸化的成因除小部分非生物因素（如含 石油烃的高温降解、的热化学反应等）外，主要是由 的生物化学作用使系统中的 发生还原反应造成的（图）。细菌引起油藏变酸需要多方面条件：硫酸盐、可利用的碳源、微量元素、适宜的温度和。油田注水开发所用的污水中大都含有、可作为生物营养的化学需氧量（）等，满足 生长繁殖所需的要素。因此，注水开发在油藏变酸过程中起到重要作用。的研究发现，北海油田由注海水改为注采出水后，硫化物含量增加了 倍。图 油藏变酸机理 加剧腐蚀 是造成油田生产系统管线、设备腐蚀的主要微生物。导致金属腐蚀由荷兰学者于年提出，此后逐渐得到重视。引起腐蚀的机理主要有去极化、代谢产物腐蚀（）、膜下腐蚀、浓差电池、细胞外电子转移（）等，。张润杰，等研究认为 吸附在碳钢表面，利用金属中的电子进行生命活动，相当于强化阴极过程，加剧腐蚀。导致聚合物黏度损失 引起聚丙烯酰胺（）溶液黏度降低的原因主要有 个：直接以 为碳源或氮源进行生长繁殖，被降解为小分子物质，引起黏度降低，；代谢产生的 以及与 腐蚀产生的 等引起 分子链断裂，降解产物被 作为营养底物利用，促进 生长繁殖，进一步降解。抑制 技术 抑制 技术通过向 环境中加入激活剂，电子在传递过程中，优于环境中的优先被还原，处于休眠状态的 得以激活，生长繁殖加速，并与 争夺生存空间和营养底物。由于 对营养基质的优先利用导致 所需营养不足，活性受限。在油田环境中普遍存在的以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体的细菌如表 所示。表 分离自油田的具有硝酸盐还原功能的细菌序号具有硝酸盐还原功能的细菌来源，油田，油田，油田，新疆油田，胜利油田，油田，某油田，油田，吐哈油田 抑制 机理 抑制 的机理主要有营养底物竞争、硫氧化细菌氧化硫离子、同时具有还原 和活性的微生物（）优先利用、中间产物 年第 卷第 期环境保护与治理 抑制、提高氧化还原电位等。营养底物竞争 和 同属于厌氧型微生物，生活习性、生长环境相似。当基质和营养底物不足时，便产生了对营养物的竞争。对营养物的亲和力更强，当营养物浓度较低时更占优势。，等研究发现，当向室内搭建的反应器加入硝酸盐后，以碳源为电子受体的 丰度增加，丰度降低，消耗显著，表明被激活的 加速了碳源的利用。但研究也发现，的基质降解速率比 低，在营养物浓度足够高时，能有效利用基质进行生长代谢，对 的抑制作用不明显。马放，等的研究表明，当 浓度为 时，系统中的硝酸盐氮消耗明显，亚硝酸盐氮有一定累积，但硝化过程进行不完全；硫酸盐还原反应基本停滞，硫离子在初期有少量生成，随后消失至反应结束。但当基质浓度高时，对 的抑制作用减弱。油藏环境中有机质一般不足，大多数油田环境中可溶于水的挥发性脂肪酸（）含量较低（低于 ），注入合适的硝酸盐或反硝化菌，异养反硝化菌能利用油层中的 快速生长，变为优势菌群，反硝化菌对营养的利用使 失去赖以生长的营养底物，代谢受到抑制，活性降低，数量减少。，等向 油 藏 中 注 入 硝 酸 盐 激 活，使 与 竞争环境中的挥发性脂肪酸，异养反硝化菌成为优势菌群，从而抑制 产生硫离子。，等研究了 对油藏变酸的控制及与 竞争营养底物的作用，发现加入硝酸盐后，生物种群结构从以 为主变为以 为主，同时出现了硝酸盐还原硫氧化菌（）和异养，前者可以直接氧化还原性硫，可见 通过底物竞争阻止了 代谢（图）。种 均可以通过反硝化作用抑制。图 竞争营养底物抑制原理 硫氧化细菌直接氧化硫离子激活硝酸盐还原硫氧化细菌（）可以利用硝酸盐或亚硝酸盐将硫离子重新氧化为单质硫和硫酸盐，抑制机理如图 所示。通过同时氧化硫离子和还原硝酸盐，而非与 争夺营养，抑制硫酸盐的还原速率。胜利油田检出的（目）菌可在硝酸盐存在的厌氧条件下氧化硫离子。，等通过基因组预测证明了 能够以硝酸盐为电子受体完成硫化物的氧化过程。此外，油藏中还发现了大量硫氧化细菌（），如，和 等，它们可以通过氧化硫离子获得能量，例如 能够在有氧条件下利用硝酸盐氧化不同价态的硫，和 氧化硫离子的过程也与硝酸盐还原相关，。图 消除硫化物的原理 中间产物抑制机理 依靠异化亚硫酸盐酶的生化作用将硫酸盐转化为硫离子，而反硝化过程中出现的、等氮氧化物中间产物，可以通过干扰亚硫酸盐酶达到抑制 的目的，因此，中间产物抑制理论也称为干扰酶代谢理论。可以抑制亚硫酸盐还原酶的活性，阻止催化亚硫酸酸盐还原为硫离子。因带有处于不稳定态的不成对电子，化学性质活泼，微量的 就会对 的生长代谢产生显著抑制。因此，虽然多数反硝化过程检测到的 浓度并不高，但抑制作用显著。对 的抑制作用主要通过与酶内的过渡金属作用进而限制酶的活性来实现。检测到，某些情况下的亚硝酸对 的抑制作用主要源于游离亚硝酸（）的毒性。魏利，等研究发现，系统中的 和 存在此生彼长的关系，即当 累积到一定量时，浓度降低，活性受限制；当 随着反硝化作用而消耗到一定量时，浓度增大，恢复陶建强生物法抑制硫酸盐还原菌在油田的应用研究进展安全、健康环境环境保护与治理 年第 卷第 期 活性，证明了中间产物 对 的抑制作用。，等发现，在高于 的油田环境中，由于缺少 和 基因，只能将硝酸盐还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐的积累对 具有强抑制效果。对 优先利用 由于硝酸盐或亚硝酸盐会限制硫酸盐的还原能力，一些 通过形成硝酸盐 亚硝酸盐还原酶产生防御机制。目前，已发现 的种属（如、和 等）能够对硝酸盐进行代谢，为自身生长繁殖提供能量。此类细菌能同时利用硝酸盐和硫酸盐，随着条件、基质的不同而进行不同的代谢反应，对底物进行选择性利用。杨德玉从大庆油田的油水样品中分离出的 菌株，在系统内 浓度较高时，对 的利用优于。，等发现一些（如、等），即使在硝酸盐浓度较低时仍具有较强的亲和力，这类 优先利用硝酸盐，当硝酸盐利用殆尽时才利用硫酸盐。这类细菌的存在，可能会对单纯利用化学分析手段监测生物抑制 的效果给出假性结果，因为在硝酸盐量足够时，该类细菌以相对低的丰度存在于群落中，一旦硝酸盐消耗殆尽，该类细菌大量滋生，导致生物抑制 失败。提高氧化还原电位当氧化还原电位高于 时，不利于 代谢产生硫化氢，因此可以通过增加氧化电位抑制。而加入硝酸盐后，硝酸盐还原反应产生的 使电位增加，从而抑制硫化物的生成。、体系的氧化还原电位分别为，对 有较好的抑制作用。，等通过调整氧化还原电位（）来抑制实验体系内 的生成。当 低于 时，生成速度较快；当 升至 以上时，处于检测限以下，表明硫化物的生成过程被完全限制。，等研究发现，向实验体系内添加 时，生成的 含量降低。可以推断出，不同的 对应不同浓度的硫化物，可以利用 对硫化物进行监测，通过调控 的剂量来改变系统的氧化还原电位，抑制，防止硫化物生成。，等研究了硝酸盐对 纯菌的抑制作用，探讨了控制硫化物生成的机理，认为向 体系中加入 可提升系统电位，从而抑制。同时，在 含量充足时，硫氧化细菌可以利用 作为电子供体进行生长，氧化体系中的硫化物并抑制 产生新的硫化物。在抑制过程中，和硝酸盐同时存在是成功控制硫化物的关键。由于生物法抑制 的过程涉及诸多化学反应和生物反应，机理十分复杂。油藏物性、微生物群落结构、营养底物等因素的差异决定了生物法抑制 机制的不确定性。如当系统中存在的碳源浓度足够、且可供 和 使用时，对 的营养底物竞争机理便不明显；而如果存在可同时还原 和 的微生物时，对 的优先利用导致其快速消耗，而使 提前利用。可见，生物法抑制 的机理因环境条件的不同而不同，仍需在深化油藏菌群结构及生理生态学认识的基础上进一步研究。抑制 的现场应用带领美国生物膜工程中心研究团队在新墨西哥的 盆地和荷兰阿莫科 的油田开展了注入硝酸盐抑制、控制硫化氢的现场应用研究。注入的亚硝酸盐在抑制 活性的同时，能去除已经生成的硫化氢，且有效期较长。在脱水器处投加硝酸盐后，水中硫化氢含量由 降至低于.，含量由 个 降至 个 以下。利用 探头监测脱水器处添加硝酸盐后的腐蚀情况发现，未添加硝酸盐前的腐蚀速率为.，添加硝酸盐后腐蚀速率稳定在.之间。在生产井 进行的实验显示，硫化氢由 降至未检出，采出水中的铁离子含量增加近 倍（达到 ），日产原油量增加.，这是由于 沉淀的溶解以及阻止新的 沉淀生成，解除了地层堵塞。由于实验前的腐蚀速率缺失，但试验期间的腐蚀速率没有升高。可见该技术同时起到了降低腐蚀速率和提高采收率的效果。针对 引起的油藏变酸、腐蚀等问题，提出了 生物控制措施。通过向未被污染的油藏注入硝酸盐体系，预防 滋生和硫 年第 卷第 期环境保护与治理 化氢生成。对于已经变酸的油藏，硝酸盐基处理技术可以去除油藏、采出液、井筒、管线中的硫化物，控制硫化氢进一步生成。在北海油田的应用效果显示，超过 的 被消除，腐蚀速率降至.，下降了.，该技术在、等油田均得到推广应用。，等在 油田开展了利用本源微生物去除硫离子的现场试验。在两口注入井连续注入硝酸铵和磷酸二氢钠，浓度分别为 和 。两口注入井的注水量分别为 和 ，处理前的硫化物含量分别为 和 ，和 的含量均在 之间。注入激活剂后，的数量增加到 个，数量得到控制，注入 天后停注，数量有所下降，数量最低降至 个，说明优势菌群发生了改变。的研究团队对厌氧条件下 作用的研究发现，硝酸盐的注入能够激活油藏内的，使油藏菌落结构发生改变，不再占优势地位，在控制硫化物的同时，增加了原油产量。针对油田实际生产工况，随回注水伴注硝酸盐 亚硝酸盐混合体系，比只加硝酸盐更加有效。经过处理后，硫化物的产生量由处理前的 持续降低至完全消除，口生产井的产量由 增