張 鑫,時(shí)冠蘭
中國(guó)石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院,江蘇揚(yáng)州225009
生物表面活性劑是由微生物產(chǎn)生的一類具有表面活性的生物大分子物質(zhì)[1],能夠起到潤(rùn)濕、乳化、分散、降低體系的界面張力的作用[2],其中最具代表的是脂肽類生物表面活性劑。脂肽分子由親水的肽鍵和親油的脂肪烴鏈組成[3],具有分子量小、界面活性高,能夠滲入低滲透的油藏、不易堵塞地層的特點(diǎn),同時(shí)具有較強(qiáng)的耐溫耐鹽性能,所以它的使用范圍相當(dāng)廣[4]。目前,對(duì)生物表面活性劑的研究主要集中在產(chǎn)生菌的篩選和培養(yǎng)條件優(yōu)化等方面[5],而對(duì)生物表面活性劑結(jié)構(gòu)及其在不同環(huán)境條件下的性能認(rèn)識(shí)不足,更缺乏生物表面活性劑對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性分析,這影響生物表面活性劑的作用效果和規(guī)?;瘧?yīng)用。
本文中,筆者對(duì)分離得到的脂肽菌株開(kāi)展鑒定,并對(duì)生物表面活性劑相關(guān)性能進(jìn)行評(píng)價(jià),分析環(huán)境因素對(duì)其生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響,為微生物采油實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。
將發(fā)酵液于LB 平板上進(jìn)行劃線,37 ℃培養(yǎng)24 h 后,挑取優(yōu)勢(shì)菌落,于液體LB 培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)14 h后,采用新鮮培養(yǎng)液于LB平板上再進(jìn)行劃線,重復(fù)上述過(guò)程3 次,獲得菌種S19 的純菌株。圖1為S19純化后的菌落圖。
圖1 純化后菌落圖
1)碳源。分別用20 g/L 的蔗糖、麥芽糖、葡萄糖等為單一的碳源,其他的培養(yǎng)基成分不變,在37 ℃的搖床培養(yǎng)48 h,培養(yǎng)液通過(guò)萃取富集,用高效液相色譜定量分析測(cè)定表面活性劑產(chǎn)量,結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 不同碳源培養(yǎng)產(chǎn)物量及性能
2)氮源。分別用等摩爾量的氮,包括NH4Cl、NaNO3、(NH4)2SO4為單一變量,其他的培養(yǎng)基成分不變,在37 ℃的搖床培養(yǎng)48 h,培養(yǎng)液通過(guò)萃取富集,用高效液相色譜定量分析測(cè)定表面活性劑產(chǎn)量,結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 不同氮源培養(yǎng)產(chǎn)物量及性能
3)金屬離子。將金屬離子(Mg2+/Fe3+)作為變量,設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)組,其他培養(yǎng)基成分不變,在37 ℃的搖床培養(yǎng)48 h,培養(yǎng)液通過(guò)萃取富集,用高效液相色譜定量分析測(cè)定表面活性劑產(chǎn)量,結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖4 不同金屬鹽條件下產(chǎn)物量及性能
由圖2~4可知:最佳碳源為葡萄糖,加入量為20 g/L;最適合氮源為NH4Cl,加入量為1.34 g/L;最適金屬鹽為FeCl3,加入量為0.1 mmol/L。
1.3.1 初步定性
采用薄層層板(TLC)法對(duì)樣品進(jìn)行了初步定性。樣品點(diǎn)硅膠板后用氯仿/甲醇展開(kāi),茚三酮顯色[6],根據(jù)圖5顯色情況,初步認(rèn)為產(chǎn)物為脂肽。
圖5 產(chǎn)物酸水解后TLC分析
1.3.2 HPLC-MS分析
采用HPLC-MS 聯(lián)用儀對(duì)培養(yǎng)產(chǎn)物進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖6~8和表1。
表1 分析鑒定結(jié)果
圖6 產(chǎn)物的液相色譜(a)和3.86 min峰處物質(zhì)的質(zhì)譜(b)
圖7 產(chǎn)物液相色譜(a)和4.66 min峰處物質(zhì)的質(zhì)譜(b)
圖8 產(chǎn)物液相色譜(a)和5.46 min峰處物質(zhì)的質(zhì)譜(b)
由圖6~8 和表1可知:主要產(chǎn)物是碳鏈為C13~15的脂肽類化合物。
將不同質(zhì)量濃度的脂肽表面活性劑與原油按油水比5∶5 混合,充分振蕩后,在60 ℃下靜置24 h,油水形成上下不分層的均勻乳狀液,表現(xiàn)出較好的乳化性能。
采用區(qū)塊地層水配制不同濃度脂肽表面活性劑,在75 ℃條件下,利用TX-500C 型界面張力儀測(cè)試溶液與江蘇油田M 區(qū)塊原油的表面張力,結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9可知:當(dāng)生物表面活性劑濃度大于0.2%后,表面張力達(dá)到超低表面張力,說(shuō)明其具有較高的表面活性,洗油能力強(qiáng)。
圖9 不同濃度的生物表面活性劑與M區(qū)塊原油表面張力
在索氏抽提器中用甲苯洗滌油藏巖芯薄片(①四氫呋喃驅(qū)替或浸泡巖心薄片,4 d;②氯仿驅(qū)替或浸泡巖心薄片,4 d;③甲醇驅(qū)替或浸泡巖心薄片,4 d,替掉氯仿;④水驅(qū)替或浸泡巖心薄片,干燥至恒質(zhì)量),處理后的巖心用江蘇油田瀝青改性,然后進(jìn)行潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖10~11所示。
圖10 油濕巖心接觸角(92°)
圖11 脂肽溶液浸泡24 h后油濕巖心接觸角(39°)
由圖10~11 可知:脂肽表面活性劑可改善巖心潤(rùn)濕狀態(tài),使油濕巖心接觸角由92°降至39°,從而減少原油流動(dòng)阻力,提高原油采收率。
采用孔隙度為19.2%、水測(cè)滲透為40 × 10-3μm2的巖心(4.5 cm×4.5 cm×30 cm),利用0.5%的生物表面活性劑驅(qū)替原油,結(jié)果見(jiàn)圖12。
由圖12可知:與水驅(qū)相比,利用0.5%的生物表面活性劑驅(qū)替原油,可提高采收率12%,驅(qū)油效果顯著。
圖12 生物表面活性劑驅(qū)油效率
將發(fā)酵液通過(guò)離心除去菌體,上清液(表面張力為26.5 mN/m)用HCl或NaOH 調(diào)節(jié)pH,2 h后測(cè)定上清液的表面張力,結(jié)果如圖13所示。由圖13可知:pH 在5.0~12.0 范圍內(nèi),表面張力變化不大,表明脂肽對(duì)pH 的適應(yīng)范圍很寬,但是當(dāng)pH 低于5.0,脂肽產(chǎn)生沉淀,使得表面張力迅速上升。
圖13 不同pH下脂肽表面張力變化
考察不同溫度對(duì)脂肽的表面張力的影響,結(jié)果如圖14所示。由圖14可知:當(dāng)溫度為40~120 ℃時(shí),脂肽表面張力變化不明顯;當(dāng)溫度為120 ℃時(shí),脂肽生物表面活性劑仍然沒(méi)有失活,表明脂肽對(duì)高溫有較強(qiáng)的耐受性。
圖14 不同溫度下脂肽表面張力變化
在上清液中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl 并測(cè)定溶液的表面張力,結(jié)果如圖15所示。
圖15 不同鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)下脂肽表面張力變化
由圖15可知:即使鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)19%,脂肽表面張力基本沒(méi)有變化,表明該脂肽對(duì)鹽的耐受性較強(qiáng)。
1)從油田產(chǎn)出液中獲得高效菌株,通過(guò)HPLC-MS 分析,主要產(chǎn)物為碳鏈C13~15-Surfactin脂肽類化合物,為深入研究其作用機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。
2)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)生物表面活性劑性能和油藏適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明,該表面活性劑可使油濕巖心接觸角由92°降至39°,對(duì)原油乳化效果好,界面張力低,洗油能力強(qiáng),在pH 5.0~12.0、溫度40~120 ℃、鹽度2%~19%條件下性能穩(wěn)定,可在該油藏環(huán)境中大量繁殖。
3)室內(nèi)驅(qū)油模擬試驗(yàn)中,用0.5%的生物表面活性劑驅(qū)替原油,對(duì)比水驅(qū)提高采收率12%,驅(qū)油效果顯著。