馬　鑫, 雷光倫, 王志惠, 達祺安, 張　鑫, 宋　萍, 姚傳進

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院, 山東青島 266580)

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入以及對能源需求的日益增加,致密油氣、頁巖油氣等非常規(guī)油氣資源已成為當(dāng)前勘探開發(fā)的新熱點[1]。目前,壓裂改造是非常規(guī)油氣資源開發(fā)的必備手段,可增強非常規(guī)油氣儲層的滲流能力,使油氣井達到工業(yè)油氣流標(biāo)準(zhǔn)[2]。但壓裂液及其殘留物極易引起儲層的嚴(yán)重污染和堵塞,極大地影響了壓裂效果和油氣產(chǎn)量,是非常規(guī)油氣開發(fā)中存在的技術(shù)難題[3],發(fā)展壓裂液傷害的修復(fù)方法顯得十分迫切。天然聚合物半乳甘露聚糖(主要為胍膠)及其改性產(chǎn)物[4]具有成本低、黏度高、地層污染小等優(yōu)點,成為目前技術(shù)最成熟、使用最廣泛的一類壓裂液增黏劑。而對于胍膠基壓裂液引起的儲層傷害,一方面積極尋找新型低傷害壓裂液,如清潔壓裂液、小分子胍膠壓裂液等;另一方面繼續(xù)開發(fā)胍膠壓裂液傷害的修復(fù)解堵技術(shù),如采用氧化劑、酶、酸、微生物等修復(fù)方法,以期獲得最優(yōu)的壓裂效果[5]。新型低傷害壓裂液因成本高、技術(shù)成熟度低、技術(shù)門檻高等原因,其發(fā)展和推廣受到限制,而壓裂液傷害修復(fù)解堵技術(shù)則因投資少、見效快、易推廣被廣泛應(yīng)用,成為降低油氣儲層壓裂液傷害的有效手段[6-7]。壓裂液修復(fù)解堵技術(shù)的常用方法是氧化劑處理,但是存在諸多問題。以過硫酸銨為例,過氧化物的使用容易引起管線腐蝕、地層不匹配、地層吸附、用量大、成本高、解除效果差等問題[8]。酸也可以通過非氧化性破膠機制,實現(xiàn)對胍膠的非降解性破膠,其返排液甚至可以重復(fù)使用,但是酸具有易腐蝕管道、對地層造成損害等問題[9]。采用微生物方法,能很好地避免上述問題,具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景[10]。油氣儲層壓裂液傷害的微生物修復(fù)方法是充分依據(jù)儲層壓裂裂縫的結(jié)構(gòu)特征和滲流特點,吸取微生物、酶工程等現(xiàn)代生物技術(shù)[11]發(fā)展形成的一項新型的壓裂液傷害修復(fù)技術(shù),其設(shè)計原理是針對胍膠壓裂液及其殘留物易被微生物降解的特征[12-13],將微生物注入壓裂裂縫中,利用微生物自身的繁殖、運移和代謝功能,通過微生物及其酶等代謝產(chǎn)物的降解作用,清除殘留在地層中的未破膠胍膠膠團、殘渣、濾餅等不溶性殘留物,將其降解成為可溶物質(zhì)、氣體等代謝產(chǎn)物,并返排回地面,從而提高裂縫和基質(zhì)的滲流能力,最終達到改善壓裂開發(fā)效果和提高油氣產(chǎn)量的目的。筆者從油藏地層水中分離篩選能夠以胍膠為唯一碳源的細(xì)菌,測定其對胍膠及其殘渣的降解作用,并通過人造膠結(jié)巖心進行室內(nèi)模擬實驗,研究該細(xì)菌降解作用對巖心滲透率的影響,以期選出高效壓裂液傷害修復(fù)菌,驗證微生物修復(fù)地層壓裂液傷害的可行性。

1　材料與方法

1.1　材　料

分離源樣品為采自山東勝利油田孤島區(qū)塊油層的產(chǎn)出水。胍膠粉購自河南萬博化工廠,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%。其他試劑為分析純,均為國藥試劑。

富集培養(yǎng)基:胍膠4.0 g,KNO32.0 g,(NH4)2SO42.0 g,K2HPO42.0 g,MgCl20.15 g,CaCl20.15 g,自來水1 000 mL,121 ℃、0.1 MPa滅菌30 min。

分離培養(yǎng)基:胍膠4.0 g,KNO32.0 g,(NH4)2SO42.0 g,K2HPO42.0 g,MgCl20.15 g,CaCl20.15 g,瓊脂粉10.0 g,自來水1 000 mL,121 ℃、0.1 MPa滅菌30 min。

種子液培養(yǎng)基:牛肉膏3.0 g,蛋白胨10.0 g,胍膠4.0 g,NaCl 5.0 g,自來水1 000 mL,121 ℃、0.1 MPa滅菌30 min。

胍膠降解培養(yǎng)基:牛肉膏3.0 g, KNO32.0 g,(NH4)2SO42.0 g,K2HPO42.0 g,MgCl20.15 g,CaCl20.15 g,自來水1 000 mL,121 ℃、0.1 MPa滅菌30 min。

菌種純化及保藏培養(yǎng)基:牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基[14]。

1.2　方　法

1.2.1胍膠降解菌的富集、分離和純化

量取油層產(chǎn)出水10.0 mL加入裝有100 mL的富集培養(yǎng)基中的三角瓶中,置于一定溫度(50、60、70 ℃)下,100 r/min富集振蕩培養(yǎng)7 d。吸取1 mL上部懸液加入到9 mL無菌水中,連續(xù)稀釋到1/1000;吸取0.05 mL菌懸液采用涂布法將3個質(zhì)量濃度的菌懸液分別接入分離培養(yǎng)基。在一定溫度(50、60、70 ℃)下,靜置培養(yǎng)3 d,挑取直徑較大的單菌落,采用稀釋平板法純化,即獲得能以胍膠為唯一碳源生長的細(xì)菌。純化菌株均保存于牛肉膏蛋白胨瓊脂斜面。

1.2.2菌株鑒定

菌株形態(tài)特征及生理生化特性。根據(jù)《常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊》[15]和《伯杰細(xì)菌鑒定手冊》[16]對篩選到的菌株進行菌落、細(xì)胞形態(tài)特征觀察及生理生化特性測定。

16S rDNA序列分析[17]。采用苯酚-氯仿抽提法提取細(xì)菌總DNA,然后以基因組總DNA為模板,選用細(xì)菌通用引物27F: 5′-AGAGTTTGATCCTGGCT-CAG-3′和1541R: 5′-AAGGAGGTGATCC AGCCG-CA-3′擴增其16S rDNA基因。PCR反應(yīng)體系為10×Buffer 5 μL,dNTPs 4.0 μL,正向引物與反向引物各2 μL,Taq酶(5 μL/L)0.5 μL,DNA模板1 μL,ddH2O補足至50 μL。PCR反應(yīng)條件為:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性1 min,56 ℃退火1 min,72 ℃延伸2 min,30個循環(huán);最后72 ℃繼續(xù)延伸10 min。擴增產(chǎn)物用8 g/L的瓊脂糖凝膠電泳檢測后送華大基因公司測序。測序結(jié)果通過Blast程序在NCBI數(shù)據(jù)庫中進行相似度搜索,找出同源性較高的菌株序列,采用Mega 4.0.2軟件中的Neighbor-joining法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。

1.2.3菌株對胍膠的降解

樣品制備。接種環(huán)挑取3環(huán)菌體,接種到裝有100 mL胍膠降解培養(yǎng)基的250 mL三角瓶中,以不接菌的處理為對照CK,在50 ℃、120 r/min條件下,振蕩培養(yǎng)32 h。

表觀黏度測定。培養(yǎng)液取出后,冷卻至25 ℃,采用NDJ-1B-1六速轉(zhuǎn)筒黏度計測其培養(yǎng)液的表觀黏度。

胍膠平均相對分子質(zhì)量。采用烏氏黏度計稀釋黏度法[18]。烏氏黏度計的毛細(xì)管內(nèi)直徑0.6 mm,黏度系數(shù)為0.8～0.9 mm2/s2。胍膠降解培養(yǎng)液表觀黏度測定后,將培養(yǎng)基液體置于3 000 r/min 離心20 min,采用0.8 μm微孔濾膜抽濾,取其濾液25 mL,采用烏氏黏度計,水浴鍋精確控制溫度在(25±0.1)℃測量其胍膠平均相對分子質(zhì)量。實驗重復(fù)3次。

相關(guān)計算公式為

(1)

ηsp=ηr-1 ,

(2)

(3)

(4)

[η]=5.13×10-4M0.72.

(5)

式中,η為溶液黏度,mPa·s;ηs為純?nèi)軇?水)黏度,mPa·s;ηr為相關(guān)黏度;ηsp為增比黏度;c為胍膠質(zhì)量濃度,g·dL-1;[η]為特性黏度, dL·g-1;K′為Huggins系數(shù);β為Kraemer系數(shù);M為平均相對分子質(zhì)量。

在實驗誤差足夠小的情況下,根據(jù)Huggins方程、式(3)、Kraemer 方程、式(4)作圖,其直線漸近線的延長線以及縱坐標(biāo)軸將相交于一點,相對分子質(zhì)量可以采用Mark-Houwink和Beer的經(jīng)驗方程及式(5)計算得到。

氣相色譜分析。N2O氣體樣品分析應(yīng)用中國科學(xué)院大氣物理所改裝過的美國Agilent公司生產(chǎn)的GC7890A測定,色譜柱為填充0.18/0.15 mm porapak Q 的填充柱,柱溫55 ℃,ECD檢測器溫度330 ℃,定量六通閥進樣,進樣量1 mL,載氣為N2,流速為30 mL/min。用于CO2和CH4氣體樣品分析的色譜柱為填充0.25/0.18 mm的porapak Q 的填充柱,柱溫55 ℃,鎳觸媒轉(zhuǎn)化器溫度375 ℃,FID檢測器溫度200 ℃,定量六通閥進樣,進樣量1 mL,載氣為N2,流速30 mL/min;燃?xì)鉃闅錃?流速45 mL/min;助燃?xì)鉃榭諝?流速300 mL/min。

發(fā)酵液活性分析。采用黏度法分析其發(fā)酵液活性[19]。取菌株處理后的胍膠降解液50 mL,3 000 r/min離心20 min,將上清液采用5.0、0.8、0.45、0.22 μm濾膜抽濾以除去細(xì)菌菌體,取濾液。取50 mL 4.0 g/L底物(胍膠或纖維素鈉)溶液,加入5.0 mL發(fā)酵液,搖勻后置于50 ℃水浴2 h,取出后置于冰水中迅速冷卻至25 ℃,測定其表觀黏度,對照組用蒸餾水做對照,從而根據(jù)降黏率可知是否含有與底物相應(yīng)的活性物質(zhì)。實驗平行3次。

1.2.4菌株對胍膠殘渣的降解

胍膠殘渣的制備。胍膠溶液配制:在1 L燒杯中采用槳葉攪拌器攪拌1 L去離子水,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至漩渦底部剛好達到槳葉位置,緩慢加入胍膠粉,避免出現(xiàn)結(jié)塊,繼續(xù)攪拌5 min,室溫靜置12 h使其充分水化溶解。破膠過程模擬:將胍膠溶液置于70 ℃恒溫水浴鍋中加熱至恒溫,開啟攪拌器,加入破膠劑過硫酸銨(APS)溶液,使APS質(zhì)量濃度為0.2 g/L,在高溫下APS的破膠效果較好,本文中發(fā)現(xiàn)70 ℃靜置30 min后,0.2 g/L APS可使胍膠溶液表觀黏度降低到5 mPa·s以下,實現(xiàn)了完全破膠,可收集殘渣樣品。殘渣分離:將破膠后液體3 000 r/min 離心20 min。倒掉上清液,并加入去離子水以洗滌殘渣中剩余破膠劑,再次離心,取上清液10 mL于試管中,滴加0.2 mol/L BaCl2溶液2滴,若有白色沉淀生成,說明殘渣中還含有SO42-離子,繼續(xù)洗滌;若無白色沉淀生成,則說明離心管中沉淀已清洗干凈,則離心管中沉淀為高純度的胍膠殘渣。將殘渣收集在離心管中,置于4 ℃冰箱中保存。

殘渣降解。取一定量的殘渣,溶于一定量無機鹽溶液中,充分搖勻形成殘渣懸濁液,分裝于250 mL三角瓶中。對照組中接入無菌水5 mL,處理組中接入菌種種子液5 mL,置于100 r/min、50 ℃恒溫水浴振蕩器中培養(yǎng)一定時間取出后,搖勻后,取1 mL用于殘渣粒徑測定,剩余液體均3 000 r/min離心20 min,收集殘渣,90 ℃烘干至恒重,稱量。以上實驗做3次平行。

殘渣粒徑測定。采用激光粒度法測定。取上述實驗中取出的1 mL培養(yǎng)液,吸取其0.1 mL液體溶解于盛有30 mL去離子水的激光粒度儀比色杯中,進行殘渣粒度分布測定。激光粒度儀測量范圍為0.1～450 μm,波長600 nm,測試溫度為室溫,背景噪音值采用不加樣品的去離子水清零。粒度分布由激光粒度儀所配置的計算機軟件生成并輸出,其中值粒徑d50用于表示粒徑變化趨勢。

1.2.5巖心物模實驗

壓裂液地層傷害通常發(fā)生在裂縫表面及裂縫附近基質(zhì)。本文中采用人造膠結(jié)巖心模擬裂縫附近基質(zhì),通過驅(qū)替實驗?zāi)M壓裂過程中的流體流動以及壓裂液傷害形成與修復(fù)過程。

巖心填制。本實驗室自主設(shè)計制作可用于巖心夾持器的膠結(jié)巖心。稱取粒徑為0.150～0.212 mm的石英砂50 g,酸洗后80 ℃烘干至恒重,與1.0 g環(huán)氧樹脂A膠與1.0 g環(huán)氧樹脂B膠,充分混勻。選取內(nèi)徑25 mm鋼管作為模具,裁取78 mm×100 mm普通A4紙并鋪在模具內(nèi)壁,填入混有環(huán)氧樹脂AB膠的石英砂,并用外徑25 mm鐵柱反復(fù)壓實,達到所需要的巖心長度后,取出巖心,將紙去掉,置于70 ℃烘干24 h,使巖心充分固結(jié)。

孔隙度測定。首先用直尺測量巖心的尺寸,長度l,截面直徑d,再按圖1所示,巖心稱重,將巖心塊置于抽濾瓶中,抽真空24 h,打開開關(guān),通入去離子水,繼續(xù)抽真空24 h,使巖心完全飽和水。取出巖心稱重,飽和水前后的質(zhì)量差可計算孔隙體積VP及孔隙度,即

(6)

(7)

式中,m1為飽和水前巖心質(zhì)量,g;m2為飽和水后巖心質(zhì)量,g;VP為孔隙體積,cm3;ρw為水的密度,g/cm3;φ為孔隙度;l為巖心長度,cm3;d為巖心截面直徑,cm。

圖1　孔隙度測定試驗流程Fig.1　Flow chart of coreporosity measurement experiment

滲透率測定。按圖2所示,將巖心裝入巖心夾持器,巖心夾持器放置在50 ℃恒溫箱內(nèi),加圍壓3～4 MPa。打開平流泵,以恒定的速率(0.5 mL/min)注入去離子水,壓力傳感器記錄巖心夾持器出口和入口壓力數(shù)據(jù),待壓力維持不變時,通過壓力差和注入水流速,采用達西定律計算巖心滲透率:

(8)

式中,Q為注入水的流速,cm3/s;Δp為巖心兩端的壓差,10-1MPa;μ為去離子水黏度,mPa·s;k為巖心的滲透率,μm2。

物模試驗。參照表1,按照圖2連接實驗設(shè)備,其物模試驗流程如下:①將飽和水之后的巖心裝入巖心夾持器,圍壓泵加圍壓2.0 MPa,平流泵0.5 mL/min從巖心夾持器B端到A端注入去離子水,根據(jù)壓力傳感器示數(shù),由式(8)得巖心原始滲透率k0;②圍壓升高至6.0 MPa,從A端到B端注入30 mL胍膠質(zhì)量濃度為5.0 g/L的模擬壓裂液(含破膠劑過硫酸銨 0.25 g/L),注入速度0.5 mL/min,取出巖心,裝入自封袋,防止水分蒸發(fā),巖心的多孔結(jié)構(gòu)和過硫酸銨隨著濾失液流失使破膠更加困難,因此本文中適當(dāng)提高了破膠溫度并延長了破膠時間,在80 ℃下破膠1 h使巖心中的氧化破膠反應(yīng)充分進行;③將巖心裝入巖心夾持器,加圍壓2.0 MPa,從B端到A端注入去離子水,測壓裂液傷害后的滲透率k1;④從A端到B端注入菌株CGS菌液15 mL,注入速度0.5 mL/min,取出巖心,裝入自封袋,在50 ℃下培養(yǎng)24 h以模擬該細(xì)菌在50 ℃地層中的生長過程;⑤將巖心裝入巖心夾持器,加圍壓2.0 MPa,從B端到A端注入去離子水,測壓裂液傷害后的滲透率k2。壓裂液對胍膠的傷害率wd和微生物對巖心的恢復(fù)率wr為

(9)

(10)

式中,k0為巖心初始滲透率,10-3μm2;k1為巖心傷害后滲透率,10-3μm2;k2為巖心修復(fù)后滲透率,10-3μm2。

圖2　微生物修復(fù)壓裂液傷害試驗流程Fig.2　Flow chart of microbial remediation fracturing fluid damage experiment

編號巖心參數(shù)長度l/mm直徑d/mm孔隙度/%孔隙體積VP/cm3物模試驗參數(shù)注水速率/(mL·min-1)菌液注入量(孔隙體積倍數(shù))培養(yǎng)時間/h培養(yǎng)溫度/℃模擬壓裂液注入量(孔隙體積倍數(shù)) A-3562522.966.960.54.3136508.62 A-5492525.335.520.55.43365010.86

2　結(jié)果分析

2.1　菌株鑒定

從供試油層地層水中共分離得到7株細(xì)菌,其中1株細(xì)菌在分離培養(yǎng)基上生長最快,菌落最大(圖3)。

圖3　供試細(xì)菌的菌落及細(xì)胞形態(tài)Fig.3　Colony and cell morphology of strain CGS

根據(jù)圖3中菌落和細(xì)胞形態(tài)、表2中細(xì)菌的生理生化特性,以及圖4中通過16S rDNA序列分析得到的系統(tǒng)進化樹,該株細(xì)菌(編號CGS)可被鑒定為Bacillusparalicheniformis,該株細(xì)菌與其對應(yīng)參比菌株的同源性為99.52%,參比菌株的NCBI登錄號為LBMN01000156。

表2　供試細(xì)菌形態(tài)特征及生理生化特征Table 2　Morphological and physiological-biochemical characters of strain CGS

注：“+”為陽性;“-”為陰性。

圖4　根據(jù)16S rDNA基因序列構(gòu)建的系統(tǒng)進化樹Fig.4　Phylogenetic tree showing relationships among reference strains and tested strain based on 16S rDNA

2.2　胍膠降解特性

2.2.1胍膠黏度

由圖5可知,隨著降解時間的增加,胍膠黏度呈下降趨勢。降解時間0 h到8 h之間,胍膠黏度從117 mPa·s到6.9 mPa·s急劇降低,降解速率達到13.76 mPa·s·h-1,從8 h到32 h,胍膠黏度緩慢降低并趨于平緩,32 h時為3.3 mPa·s,降解率僅有0.15 mPa·s·h-1。由此可知Bacillusparalicheniformis對胍膠的降解作用主要發(fā)生在8 h之前。

2.2.2胍膠平均相對分子質(zhì)量

供試細(xì)菌降解后胍膠的平均相對分子質(zhì)量變化見圖6。由圖6可知,胍膠經(jīng)菌株CGS降解處理后,平均相對分子質(zhì)量顯著下降。其平均相對分子質(zhì)量由降解時間0 h的對照組119 062降低為降解48 h的處理組的 28 089,降低率為78.41%。

圖5　供試細(xì)菌降解胍膠黏度變化Fig.5　Apparent viscosity of the guar gum solution after degradation

圖6　供試細(xì)菌降解后胍膠的平均相對分子質(zhì)量變化Fig.6　Average molecular weight of guar gum after biodegradation

2.2.3降解氣分析

微生物降解作用下氣體組分變化見圖7。由圖7可知,胍膠降解過程中,伴有有大量的氣體產(chǎn)生,通過ECD檢測器可以檢測到氣體N2O的質(zhì)量濃度變化,通過FID可檢測到氣體CO2和CH4的質(zhì)量濃度變化。N2O從對照的0.54 mg/L增加到3.05 mg/L;CO2從對照的592.60 mg/L增加到13 844.90 mg/L;CH4沒有明顯變化。

2.2.4發(fā)酵液活性分析

酶對胍膠溶液黏度的影響見圖8。從圖8可知,發(fā)酵液可有效降低胍膠溶液黏度。按照胍膠溶液:發(fā)酵液體積比10∶1的用量,酶反應(yīng)2 h后,胍膠溶液的黏度顯著降低,3種胍膠的降黏率分別達到78.52%、86.07%、89.26%,對纖維素鈉溶液的降黏率僅為35.76%。推斷該菌的發(fā)酵液中含有可促使胍膠和纖維素鈉降解的活性物質(zhì),如相關(guān)的甘露聚糖酶、纖維素酶等。

圖7　微生物降解作用下氣體組分變化Fig.7　Gas chromatograms of gaseous components of control group and biodegradation group

圖8　酶對胍膠溶液黏度的影響Fig.8　Effect of enzyme on viscosity of guar gum

2.3　胍膠殘渣降解特性

胍膠殘渣降解實驗結(jié)果見圖9和10。從圖9(a)可知,隨著降解時間的增加,胍膠殘渣總量逐漸下降趨勢,菌株B.paralicheniformis處理后,加速了胍膠殘渣總量的降低,殘渣不溶物逐漸減少。殘渣量由0 h的81.67 mg降低到48 h的51.67 mg。從圖10和圖9(b)可知,隨著降解時間的增加,殘渣中值粒徑逐漸減小。0 h中值粒徑為78.598 μm,48 h時則為59.905 μm。由此可知,隨著降解時間的增加,殘渣逐漸粒徑逐漸降低,從不溶性變?yōu)榭扇苄?這都有利于殘渣從地層中返排,從而降低壓裂液殘渣造成的傷害。

圖9　降解作用對胍膠殘渣總質(zhì)量和粒徑分布的影響Fig.9　Effect of biodegradation on total weight and particle size distribution of guar gum insoluble residues

圖10　殘渣降解過程中殘渣的粒徑分布變化Fig.10　Particle size distribution of guar gum insoluble residues in biodegradation process

2.4　室內(nèi)物理模擬實驗

圖11　巖心的滲透率變化Fig.11　Permeability change of artificial cemented cores

模擬實驗結(jié)果見圖11和表3。由圖11和表3可知,被胍膠壓裂液污染后的巖心,滲透率明顯下降,原始滲透率分別為108.70×10-3和16.90×10-3μm2的A-3和A-5巖心的傷害率分別為95.23%和53.09%,經(jīng)過菌株CGS菌液處理后其滲透率為92.58%和16.32%,其恢復(fù)率分別為85.17%和96.57%。由此可知,微生物對巖心具有較好的修復(fù)效果。

表3微生物修復(fù)壓裂液傷害實驗結(jié)果

3　討　論

胍膠是從多年生豆科植物瓜爾豆的種子胚乳中提取的天然多糖,是由直線狀(1-4)-連結(jié)的β-D型甘露糖主鏈以及通過α-(1-6)連結(jié)的半乳糖支鏈組成的半乳甘露聚糖[20],易被微生物降解。因此通過微生物降解作用,清除地層中的胍膠殘留物,修復(fù)被壓裂液傷害的地層在理論上是可行的。Devine[21]和Michelle[22]等的研究發(fā)現(xiàn),胍膠壓裂液造成地層傷害的主要原因為高壓壓裂過程中濾失作用在裂縫基巖面形成的濾餅,以及破膠后形成的不溶性殘渣。鑒于此本文中研究地層壓裂液傷害的微生物修復(fù)方法及其修復(fù)機制。

采用的菌種經(jīng)鑒定為Bacillus paralicheniformis,是由Dunlap[23]等從大豆醬中最先分離。已發(fā)現(xiàn)該屬Bacillus sp.某些菌種具有產(chǎn)生甘露聚糖酶、降解胍膠的能力[24-26],而目前還尚未有關(guān)于Bacillus paralicheniformis降解胍膠以及產(chǎn)生甘露聚糖酶的報道,更無將該菌種用于微生物修復(fù)壓裂液傷害的研究。本研究發(fā)現(xiàn)Bacillus paralicheniformis對胍膠及其破膠后殘渣具有良好的降解作用,有望將該菌直接用于修復(fù)胍膠壓裂液引起的地層傷害,或者用于提取胍膠降解酶作為胍膠壓裂液破膠的酶破膠劑以及壓裂液返排液的污水處理。

特性黏度表示聚合物本身自有的增黏性質(zhì),與聚合物的平均相對分子質(zhì)量有關(guān)[24],黏度和平均相對分子質(zhì)量的降低間接反映了半乳甘露聚糖發(fā)生降解,失去了增黏能力,研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過菌株Bacillus paralicheniformis處理后,胍膠的表觀黏度、特性黏度及平均相對分子質(zhì)量明顯降低,這表明供試細(xì)菌可分泌能斷開半乳甘露聚糖糖苷鍵的酶類,將半乳甘露聚糖降解為沒有增黏效果的低分子寡糖,甚至半乳糖和甘露糖,同時降解氣體組成分析發(fā)現(xiàn)在降解過程中伴隨著大量CO2的產(chǎn)生,也證實了胍膠最終作為碳源被微生物直接利用轉(zhuǎn)化為CO2和水。董文坤等[25]通過對微生物降解胍膠過程中黏度和還原糖變化的研究也支持了本文中對胍膠降解生化過程的推斷。最后通過對發(fā)酵液的分析,證實了該菌可以產(chǎn)生使胍膠降解的活性物質(zhì)。Small和Kim等[26-27]的研究認(rèn)為,濾餅的化學(xué)組成是高質(zhì)量濃度的胍膠,其質(zhì)量濃度為壓裂液的10～25倍。既然該菌株對胍膠具有優(yōu)良降解作用,也就表明該菌株對壓裂液濾餅也具有較好的降解作用。

蔣淮宇等[28]研究發(fā)現(xiàn),過硫酸銨溶液在高溫下才能起到破膠的作用,其破膠原理是過硫酸銨釋放出一種具有強氧化性的氧自由基,使植物膠及其衍生物的縮醛鍵氧化斷裂,且溫度越高,破膠破膠效率越高,因此本文中采用70 ℃破膠并可以收集到胍膠殘渣用于胍膠殘渣降解實驗;而在物模實驗中,過硫酸銨作為可溶性鹽可隨著濾失液流失,降低了巖心中過硫酸銨與胍膠的相對質(zhì)量濃度,因此提高了溫度到80 ℃并延長了破膠時間以使過硫酸銨充分發(fā)揮破膠效果。由于菌株Bacillusparalicheniformis最適生長溫度為50 ℃,因此基于該生長特性選用50 ℃作為微生物修復(fù)溫度,研究其在中低溫油層壓裂液傷害修復(fù)中應(yīng)用,可應(yīng)用于埋深較淺、井溫較低的油層,如延長油田等。

郭建春和Burke等[29-30]的研究認(rèn)為,胍膠壓裂液產(chǎn)生不溶性殘渣的根本原因是破膠反應(yīng)初期側(cè)鏈半乳糖離解速率遠(yuǎn)大于主鏈甘露糖離解速率,使得胍膠分子內(nèi)甘露糖與半乳糖比值(M/G)大幅度提高,分子在內(nèi)聚作用下,溶解性降低,形成不溶物,因此殘渣的化學(xué)本質(zhì)是高M/G比值的胍膠分子,本文據(jù)此認(rèn)為胍膠降解菌也可以降解殘渣。張華麗等[31]研究認(rèn)為,胍膠壓裂液殘渣中值粒徑在80～100 μm。研究發(fā)現(xiàn),胍膠的中值粒徑在60～80 μm,與其研究結(jié)果基本一致。Devine等[22]、Bradford等[32]以及Zhang等[33]研究認(rèn)為胍膠殘渣對孔隙的堵塞主要通過以下3種方式:殘渣粒徑與地層孔隙半徑匹配時,殘渣直接堵塞孔隙;殘渣粒徑是孔隙半徑的1/2～1/3時,通過“架橋作用”堵塞地層;更小的殘渣則通過吸附在巖石表面堵塞孔隙,但相對于前兩種作用,效果并不明顯。研究發(fā)現(xiàn),通過該細(xì)菌降解,殘渣總量減少,直接地降低了殘渣對地層的堵塞作用,并且在降解過程中殘渣粒徑呈下降趨勢,降解后小粒徑的殘渣將有利于殘渣從孔隙中返排。

巖心評價實驗發(fā)現(xiàn),在菌株Bacillusparalicheniformis處理后,由壓裂液造成的人造膠結(jié)巖心傷害獲得了明顯的改善。選取不同原始滲透率的巖心進行修復(fù)實驗,其滲透率恢復(fù)率可達到85.17%和96.57%。推斷滲透率大幅度恢復(fù)的主要機制為濾餅中破膠劑含量偏低,使濾餅難以破膠,與破膠后的殘渣一起堵塞了孔隙,但造成滲透率降低的主要原因是濾餅的作用,該菌株可有效降解胍膠并溶解濾餅,所以即使該菌株對殘渣的降解率并不高,但其滲透率仍然可以大幅度恢復(fù)。蔣海等[34]、袁飛等[35]也從壓裂施工現(xiàn)場和動靜態(tài)濾失實驗中提出濾餅會嚴(yán)重傷害裂縫壁面,張潔[36]等發(fā)現(xiàn)胍膠壓裂液和濾餅中的破膠劑:胍膠質(zhì)量比分別為125∶500和34∶500,且殘渣對地層的傷害較輕。這些研究有力地支持了本文中的實驗結(jié)果和機制。

4　結(jié)束語

采用微生物修復(fù)地層胍膠壓裂液傷害,同時從勝利油田采出水中篩選分離得到1株性能優(yōu)良的胍膠降解細(xì)菌。結(jié)合形態(tài)與生理生化特征及16S rDNA序列分析對其進行鑒定,該細(xì)菌為Bacillusparalicheniformis。該菌可明顯降低胍膠的表觀黏度和平均相對分子質(zhì)量,同時還可降解胍膠破膠后的不溶性殘渣并降低殘渣的粒徑,在巖心模擬試驗中發(fā)現(xiàn),經(jīng)該菌處理后被胍膠壓裂液傷害的巖心滲透率明顯提高,有效地修復(fù)了胍膠壓裂液對地層的傷害,驗證了該方法的可行性,也為該方法實際應(yīng)用提供了菌種資源，其實際修復(fù)效果有待于礦場試驗確定。