韓重蓮 王海靜 王 力 于中奇 李慶松 李 國 孫 源

（1. 大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453；2. 黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163453；3. 青島金智瑞油氣田開發(fā)技術(shù)有限公司，山東 青島 266000）

0 引 言

大慶油田近幾年見硫化氫井逐年增多，目前共檢測185 口井，其中有120 口井硫化氫濃度超過了安全閾限值（硫化氫在空氣中的最大濃度為15 mg/m3，工作人員長期暴露不會(huì)產(chǎn)生不利影響），比例為64.9%；其中某采油廠共檢測112 口井，首次檢測超過安全臨界濃度的井為84 口，這84 口井通過洗井等措施后復(fù)檢仍有38 口超過安全臨界濃度。見硫化氫井的增多給生產(chǎn)安全帶來了很大壓力，為確保油田采油作業(yè)安全，防止硫化氫中毒事件發(fā)生，避免硫化氫對生產(chǎn)設(shè)備的危害，減少硫化氫對環(huán)境的污染，開展了硫化氫生成的影響因素研究。對見硫化氫井較多的區(qū)塊進(jìn)行原油化驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，這些區(qū)塊中的原油均含硫，部分區(qū)塊原油硫含率達(dá)0.215%。同時(shí)檢測出見硫化氫井采出液中硫酸鹽還原菌數(shù)量高于未見硫化氫井的。

通過大量文獻(xiàn)查閱可知，實(shí)驗(yàn)人員主要是通過采出液中菌群生活環(huán)境、微生物存在條件下的生氣機(jī)理［1］、微生物在原油降解過程中對硫化氫生成的貢獻(xiàn)［2-3］、硫化氫還原菌生存抑制因素［4-5］等方面分析硫酸鹽還原菌與原油作用及硫化氫生成影響因素。因此，需從菌種、接種量、環(huán)境溫度、pH 值、礦化度、原油種類、環(huán)境壓力等方面進(jìn)行比前人更加全面細(xì)致的研究。

目前在大慶油田未系統(tǒng)開展硫化氫成因研究，硫酸鹽還原菌與原油作用產(chǎn)生硫化氫影響因素目前并不清楚。遼河油田見硫化氫井油藏溫度為150~300 ℃，驅(qū)替方式為蒸汽驅(qū)，硫化氫最高濃度為12 g/m3，硫化氫的形成主要是由于地層中的油氣水在高溫下發(fā)生了熱裂解化學(xué)反應(yīng)［6?7］。勝利油田見硫化氫井油藏溫度為150~300 ℃，驅(qū)替方式為蒸汽驅(qū)，硫化氫最高濃度為20 g/m3，硫化氫形成以生物和熱采成因?yàn)橹鳎渲猩锍梢蛘?9%，熱采成因占38%［8-9］。大慶油田見硫化氫井油藏溫度為45~113 ℃、驅(qū)替方式有污水驅(qū)、聚驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)等，硫化氫最高濃度為261 mg/m3，大慶油田油藏溫度、驅(qū)替方式等與遼河、勝利油田有很大不同，其成因分析是否適用于大慶油田需進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，本文對大慶油田硫酸鹽還原菌與原油作用產(chǎn)生硫化氫影響因素進(jìn)行研究，結(jié)果將為大慶油田有效抑制油井產(chǎn)出硫化氫提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

1.1.1 儀器

厭氧工作站，英國DWS 公司；超級潔凈工作臺(tái)，上海智城；立式高壓滅菌器，黑龍江天林科技有限公司；恒溫培養(yǎng)箱，上海一恒；烘箱，德國wenticell；大容量低速離心機(jī)，BECKMAN；低溫冷凍高速離心機(jī)，湖南湘儀；超低溫冰箱，美國Thermo；Biolog 菌種鑒定儀，美國Biolog 公司；酸度計(jì)PHSJ-3F，濟(jì)南歐萊博技術(shù)有限公司。

1.1.2 材料

硫酸鈉，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑有限公司；碳酸氫鈉，分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；氯化鈣，分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；磷酸二氫鉀，分析純，天京市天大化學(xué)試劑廠；氯化銨，分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；六水氯化鎂，分析純，國藥滬試；乳酸鈉溶液，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；酵母膏，生物試劑，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；七水硫酸亞鐵，分析純，沈陽市華東試劑廠；巰基乙酸鈉，分析純，淄博高環(huán)精細(xì)化工有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 硫酸鹽還原菌培養(yǎng)基制作

磷酸二氫鉀0.5 g、氯化銨1.0 g、六水氯化鎂2.0 g、硫酸鈉1.0 g、氯化鈣0.05 g、D?乳酸鈉溶液1.1 g、酵母膏1.0 g、七水硫酸亞鐵0.5 g、巰基乙酸鈉0.1 g、蒸餾水1 000 mL。將上述藥品完全溶解后，用2 mol/L 碳酸氫鈉溶液調(diào)節(jié)至pH 為6.8~7.4。然后倒入?yún)捬跖囵B(yǎng)瓶中，加入抗壞血酸0.1 g，瓶口用錫紙包扎好，放入高壓滅菌鍋中121 ℃滅菌20 min，即可制作成硫酸鹽還原菌細(xì)菌培養(yǎng)基，將滅菌后的厭氧培養(yǎng)瓶塞入?yún)捬跗咳?0-12］。

1.2.2 硫化氫濃度測定方法

硫化氫濃度測定采用硫化氫檢測管法，檢測管選擇與實(shí)驗(yàn)方法依據(jù)《中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——硫化氫檢測管（MT 51—1994）》與《天然氣中硫化氫含量的測定——檢測管著色長度法（SN/T 2943—2011）》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)施方案結(jié)合厭氧微生物實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)特點(diǎn)進(jìn)行培養(yǎng)方式改良（圖1）。

圖1 硫化氫測定裝置（SN/T 2943—2011）Fig.1 Hydrogen sulfide determination instrument（SN/T 2943—2011）

由于厭氧微生物需要在封閉容器中培養(yǎng)，避免與空氣接觸，根據(jù)此特點(diǎn)，將樣品直接加入測定瓶中，并采用標(biāo)準(zhǔn)中500 mL 聚乙烯瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，保證厭氧菌正常生長同時(shí)進(jìn)行硫化氫測定，硫化氫的測定嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 虛框處。

硫化氫濃度測定標(biāo)準(zhǔn)為（0~40 ℃） 1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，每沖程氣量100 cm3，沖程時(shí)間100 s 時(shí)測定，分別記錄5 口井樣品的上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)培養(yǎng)液體積、培養(yǎng)瓶氣體體積、檢測管硫化氫濃度來計(jì)算單位體積培養(yǎng)液的硫化氫產(chǎn)量，計(jì)算公式為

式中：Q——單位體積培養(yǎng)液硫化氫產(chǎn)量，mg/L；

X——硫化氫檢測管測定的硫化氫質(zhì)量濃度，mg/L；

V1——1 個(gè)大氣壓下培養(yǎng)瓶中氣體總體積，mL；

V2——培養(yǎng)液體積，L。高壓下由于硫化氫培養(yǎng)裝置不同，單位體積液體硫化氫產(chǎn)量計(jì)算方法為

式中：W——單位體積液體硫化氫產(chǎn)量，mg/L；

V——培養(yǎng)液體積，mL。

2 結(jié)果與討論

對不同條件下硫酸鹽還原菌產(chǎn)生硫化氫進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，在不同實(shí)驗(yàn)條件下對樣品分別于0 ，1，3，5，7，14，30 d 進(jìn)行樣品采集，測定不同培養(yǎng)時(shí)間下硫化氫生成量。

2.1 硫酸鹽還原菌（SRB）種類對硫化氫（H2S）質(zhì)量濃度的影響

SRB 分為兩大亞類：Ⅰ類SRB 如脫硫弧菌屬、脫硫單胞菌屬、脫硫葉菌屬和脫硫腸狀菌屬；Ⅱ類SRB 如脫硫菌屬、脫硫球菌屬、脫硫八疊球菌屬和脫硫線菌屬。需要確定這兩類SRB 哪一類生成硫化氫多，在SRB 1 000~5 000 個(gè)/mL，1#原油，溫度45 ℃，pH 值7，礦化度5 000 mg/L 條件下分別進(jìn)行Ⅰ類SRB、Ⅱ類SRB 生成硫化氫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。Ⅰ類SRB 不同時(shí)間下的H2S 生成量明顯高于Ⅱ類，Ⅰ類SRB 在3 d 后H2S 生成量明顯增多， 14 d 時(shí)培養(yǎng)物中H2S 生成量最高（14.055 mg/L）。Ⅱ類SRB 不同時(shí)間下H2S 生成量無明顯變化，少于Ⅰ類SRB 產(chǎn)生的H2S 質(zhì)量濃度。

圖2 SRB種類對H2S質(zhì)量濃度的影響Fig.2 Influence of SRB types on mass concentration of H2S

2.2 硫酸鹽還原菌接種量對硫化氫質(zhì)量濃度的影響

在Ⅰ類SRB、1#原油、溫度45 ℃、pH 值7、礦化度5 000 mg/L 條件下分別進(jìn)行SRB 小于100 個(gè)/mL、 SRB 100~1 000 個(gè)/mL、 SRB1 000~5 000 個(gè)/mL 、SRB 5 000~25 000 個(gè)/mL、SRB 大于25 000 個(gè)/mL 生成H2S 實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 SRB接種量對H2S質(zhì)量濃度的影響Fig.3 Influence of SRB inoculation amount on mass concentration of H2S

從圖3 可知，不同SRB 接種量培養(yǎng)物在整個(gè)培養(yǎng)過程中H2S 生成量都呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢。在培養(yǎng)0~3 d 過程中大體表現(xiàn)為SRB 接種越大，H2S 生成量越高。接種量大于25 000 個(gè)/mL H2S 的生成量最高峰在第5 d 出現(xiàn)，接種量小于100 個(gè)/mL H2S 的生成量最高峰在14 d 出現(xiàn)，其他接種量下H2S 生成量高峰大多在第7 d 出現(xiàn)。由此可知，接種量越大微生物前期生長越旺盛，H2S 生成量提高速度快，但后期都會(huì)有明顯降低；接種量最小時(shí)H2S 前期生成量低，但后期生成量較平穩(wěn)，30 d 培養(yǎng)物H2S 生成量未出現(xiàn)大幅度降低趨勢。

主要原因是由于接種量大的樣品中菌群類型與數(shù)量多，前期營養(yǎng)物充足，微生物生長速度快，硫化氫生成量較高。隨培養(yǎng)時(shí)間延長，由于營養(yǎng)物質(zhì)消耗、代謝廢物積累等原因，菌群間對營養(yǎng)物的爭奪競爭激烈，后期硫化氫質(zhì)量濃度就出現(xiàn)了明顯的降低趨勢。接種量較小的培養(yǎng)物由于菌數(shù)峰值出現(xiàn)的較晚，在培養(yǎng)后期硫化氫生成量降低不明顯。

2.3 溫度對H2S質(zhì)量濃度的影響

在Ⅰ類SRB、1#原油、SRB 1 000~5 000 個(gè)/mL、pH值7、礦化度5 000 mg/L條件下分別進(jìn)行45、60、80 ℃生成H2S 實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 溫度對H2S質(zhì)量濃度的影響Fig.4 Influence of temperature on mass concentration of H2S

從圖4 可以看出，不同培養(yǎng)溫度下H2S 生成量隨反應(yīng)時(shí)間總體呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢。在45 ℃和60 ℃時(shí)H2S 生成量在7 d 時(shí)達(dá)到最高，隨培養(yǎng)時(shí)間延長，H2S 生成量逐步降低；80 ℃時(shí)H2S 生成量在3 d 時(shí)達(dá)到最高然后逐漸降低，H2S 最高生成量明顯低于45 ℃與60 ℃，是由于45 ℃是菌群生長的較適宜溫度，隨溫度升高，SRB 數(shù)量出現(xiàn)減少的趨勢，H2S 生成量與微生物生長趨勢相符。

2.4 pH值對H2S質(zhì)量濃度的影響

在Ⅰ類SRB、1#原油、SRB 1 000~5 000 個(gè)/mL、溫度45 ℃、礦化度5 000 mg/L條件下分別進(jìn)行pH值5、7、9生成H2S實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

從圖5 可以看出，在pH=5 和pH=7 時(shí)H2S 生成量總體呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，生成量最高峰都出現(xiàn)在7 d。H2S 產(chǎn)生的最適宜條件為中性環(huán)境，過酸、過堿都對H2S 生成量有較大的影響，尤其是堿性環(huán)境幾乎檢測不到H2S。

圖5 pH對H2S質(zhì)量濃度的影響Fig.5 Influence of pH value on mass concentration of H2S

2.5 礦化度對H2S質(zhì)量濃度的影響

在Ⅰ類SRB、1#原油、SRB 1 000~5 000 個(gè)/mL、溫度45 ℃、pH 值7 條件下分別進(jìn)行礦化度2 000、5 000、7 500、10 000 mg/L 生成H2S 實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 礦化度對H2S質(zhì)量濃度的影響Fig.6 Influence of salinity on mass concentration of H2S

從圖6 可以看出，礦化度對于H2S 的生成量有較大影響，在礦化度5 000 mg/L 的培養(yǎng)條件下H2S生成量最高，H2S 生成量在3 d 后有明顯升高，7 d達(dá)到最高隨后有降低趨勢。礦化度7 500 mg/L H2S生成量較小，在14 d 達(dá)到最大峰，但明顯少于礦化度5 000 mg/L；礦化度10 000mg/L 培養(yǎng)條件下在實(shí)驗(yàn)過程中幾乎未檢測到H2S，說明高礦化度對于H2S 產(chǎn)生具有較大的影響。礦化度2 000 mg/L 培養(yǎng)條件下H2S 生成量少于礦化度5 000 mg/L，說明過低礦化度對于H2S 產(chǎn)生也有一定的影響，因此礦化度5 000 mg/L 更適宜生成H2S。

2.6 原油種類對H2S質(zhì)量濃度的影響

在Ⅰ類SRB、SRB 1 000~5 000 個(gè)/mL、溫度45 ℃、pH 值7、礦化度5 000 mg/L 條件下分別進(jìn)行1#原油、2#原油生成H2S 實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7。

從圖7 可以看出，不同類型的原油對于H2S 的生成量及產(chǎn)氣量高峰出現(xiàn)時(shí)間有一定的影響，其中1#原油是集中脫水處理過的聯(lián)合站原油，培養(yǎng)初期（0~7 d）H2S 生成量明顯較2#原油高，在7 d時(shí)H2S 生成量達(dá)到最高。2#原油是油田井口采出原油，前期H2S 生成量較低，7 d 時(shí)生成量出現(xiàn)明顯提高，30 d 時(shí)生成量達(dá)到最高且明顯高于1#原油，說明未經(jīng)處理的原油更適宜生成硫化氫，表明原始的原油中含硫更多，而在集中脫水處理過程中減少了含硫物質(zhì)。

圖7 不同原油種類對H2S質(zhì)量濃度的影響Fig.7 Influence of different types of crude oil on mass concentration of H2S

2.7 壓力對H2S質(zhì)量濃度的影響

在Ⅰ類SRB、1#原油、SRB 1 000~5 000 個(gè)/mL、溫度45 ℃、pH 值7、礦化度5 000 mg/L 條件下分別進(jìn)行壓力5、10、18 MPa 生成H2S 實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 壓力對H2S質(zhì)量濃度的影響Fig.8 Influence of pressure on mass concentration of H2S

從圖8 可以看出，在不同壓力條件下隨培養(yǎng)時(shí)間延長，H2S 總體呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，在30 d 時(shí)生成量的均達(dá)到最高值。觀察不同培養(yǎng)時(shí)間下壓力對H2S 生成量影響可以看出，在5、10MPa 較低壓力條件下培養(yǎng)14 d 后H2S 上升明顯，在18 MPa較高壓力條件下H2S 呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，總體H2S生成量隨壓力升高有上升變緩的趨勢，說明高壓對于H2S 的生成量有一定的影響。主要原因是由于高壓導(dǎo)致某些代謝通量發(fā)生改變，H2S 產(chǎn)生較緩慢，整個(gè)培養(yǎng)周期微生物處于逐步適應(yīng)過程，H2S生成量呈現(xiàn)逐步上升趨勢。

3 結(jié) 論

（1）影響硫化氫生成量較大的因素是pH 和礦化度，堿性條件（pH=9）下硫化氫生成量低于0.02 mg/L，礦化度10 000 mg/L 條件下硫化氫生成量低于0.01 mg/L。

（2）隨溫度和壓力升高，硫化氫生成量出現(xiàn)降低趨勢。80 ℃條件下硫化氫生成量最大值較45 ℃條件降低超過7 mg/L，18 MPa 條件下硫化氫生成量最大值較5 MPa 降低超過60 mg/L。

（3）原油與硫酸鹽還原菌作用生成硫化氫條件：溫度為45~60 ℃、pH 為7（中性環(huán)境）、礦化度為5 000 mg/L，該條件下實(shí)驗(yàn)室最大硫化氫生成量為13.935 mg/L。