一種新型季胺鹽類壓裂液添加劑的抗菌性能

陳福欣 陳蘇英 鄭超 侯春友 管保山 楊志遠(yuǎn)

1.西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院；2. 中國石油集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院廊坊分院

0 引言

壓裂技術(shù)是國內(nèi)外頁巖儲(chǔ)層開發(fā)最主要和最有效的手段，如何有效地控制和降低壓裂過程中微生物的滋生是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題［1］。壓裂方式不同壓裂液的組分也不同，目前國內(nèi)的壓裂液主要由植物膠、表面活性劑、交聯(lián)劑等組分經(jīng)現(xiàn)場調(diào)配而成。由于植物膠屬于多聚糖類其含有大量的腐生菌、霉菌、酵母菌等微生物，所以現(xiàn)場配制的壓裂液很容易受微生物的侵蝕而腐敗變質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致壓裂液不交聯(lián)或交聯(lián)不充分，不能用于壓裂施工。華北油田和長慶安塞油田就曾發(fā)生大量壓裂液腐敗變質(zhì)的事故，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失［2］。

腐生菌、黃桿菌、芽胞桿菌等都是油氣田施工過程中常見的細(xì)菌，其生長過程中能生物降解各種有機(jī)處理劑，產(chǎn)生大量菌體和黏性代謝產(chǎn)物，嚴(yán)重影響壓裂液的原有性能，使其性能下降或失效而難以施工。楊衍東等研究GCY-6型抗菌劑對腐生菌的抗菌率在相同濃度下要優(yōu)于WDS-2型抗菌劑［3］。針對芽孢桿菌對多種壓裂液的腐敗作用，詳細(xì)研究了表面活性劑類抗菌劑的抗菌作用，實(shí)驗(yàn)表明該類抗菌劑對芽孢桿菌有良好的抑制作用［4］。

目前壓裂液抗菌劑種類很多，常用的有醛類（如甲醛、多聚甲醛、戊二醛、丙烯醛等）、無機(jī)堿類、雜環(huán)類等［5］。傳統(tǒng)的醛類抗菌劑如甲醛、多聚甲醛是除無機(jī)堿類以外的最常用抗菌劑，主要是靠滲透到細(xì)菌體內(nèi)或者在水中水解后與細(xì)菌的某些組分形成絡(luò)合物沉淀來達(dá)到殺滅或抑制細(xì)菌的目的，但這類抗菌劑毒性大，刺激性強(qiáng)，不易生物降解，對當(dāng)?shù)氐乃沫h(huán)境有較大影響。管麗等研究了二次采油時(shí)由細(xì)菌和硫化物引起的注水問題，丙烯醛雖然能有效控制細(xì)菌和硫化菌的生長，但是對水質(zhì)的影響也是非常大［6］。馬政生等研制了一種新型水溶性的抗菌劑FY-SJ并對其抗菌性能進(jìn)行評估，得出該抗菌劑與1227相比具有穩(wěn)定性高、配伍性好、抗菌效果優(yōu)良的特點(diǎn)［7］。

無機(jī)堿類如氫氧化鈉、氫氧化鈣等也是控制壓裂液細(xì)菌危害的主要抗菌劑，其主要作用機(jī)理是通過提高體系的pH值達(dá)到控制細(xì)菌危害的目的。無機(jī)或有機(jī)酸類壓裂液添加劑則是通過降低pH值達(dá)到控制菌落的總濃度。雜環(huán)化合物（如甲硝唑、咪唑啉等）抗菌效果好，用量低，但水溶性差，成本高，仍需進(jìn)行改性研究。董澤華等合成了一種可替代1227的雜環(huán)類抗菌劑甲硝羥乙唑，并且對其抗菌性能、緩蝕性能、配伍性能等進(jìn)行探究發(fā)現(xiàn)該抗菌劑具有優(yōu)良的抗菌性能［8］。肖錦等研制了改性天然高分子絮凝劑CG-A，其不僅具有抗菌緩蝕的作用，還具有絮凝功能［9］。此外，壓裂返排液重復(fù)利用時(shí)，其細(xì)菌危害尤其嚴(yán)重。兼具2種或2種以上功能的壓裂液添加劑是現(xiàn)代鉆井液和完井液的發(fā)展方向之一。其中，陽離子表面活性劑具有降低壓裂液表面張力，同時(shí)還具有一定的抗菌作用。因此，兼具優(yōu)良的降低表面活性作用和較好的抗菌效果的陽離子型表面活性劑是多功能新型抗菌劑的發(fā)展方向之一。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了十六烷基三甲基溴化胺（CTMAB）這一傳統(tǒng)表面活性劑的抗菌性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 菌種及培養(yǎng)基

實(shí)驗(yàn)所用菌株是實(shí)驗(yàn)室在礦井廢水中分離的細(xì)菌（黃桿菌屬 Flavobacterium Bergeуe(cuò)tal，1923.97），用黃桿菌C表示。在菌種接種前，將菌株（4 ℃下保存）置于36 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1～2 d。培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基。

1.2 微生物培養(yǎng)

分別將各100 mL的壓裂液SF-A、F108和線性膠（用蒸餾水作空白對照組）加入錐形瓶內(nèi)，用脫脂棉封口，121 ℃下滅菌0.5 h。按107個(gè)孢子/100 mL培養(yǎng)基的量將黃桿菌C的孢子液加入到培養(yǎng)基中，振蕩（110 r/min，37±1 ℃下進(jìn)行）培養(yǎng)，每天對菌液濃度（個(gè)/ mL）測量記錄一次。

1.3 菌液濃度測定

用菌落計(jì)數(shù)儀（法國Interscience Scan100）測定菌液濃度，觀察其生長狀況。將黃桿菌C原液在37℃下培養(yǎng)7 d，再將原液按不同稀釋倍數(shù)（10、100、1000倍）依次進(jìn)行稀釋，分別測出其在平皿內(nèi)的菌落數(shù)量。參考菌體濃度計(jì)算公式：菌體濃度（個(gè)/ mL）=計(jì)數(shù)室菌體目測數(shù)×104×稀釋倍數(shù)，計(jì)算黃桿菌C的菌液原液濃度平均為8×107個(gè)/ mL。

1.4 壓裂液及抗菌劑配方

實(shí)驗(yàn)中所用的3種壓裂液和抗菌劑均為中國石油集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院廊坊分院提供的原液或配方。配方中的主要成分見表1（表中百分?jǐn)?shù)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），空白對照為蒸餾水，陽性對照采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的甲醛?？咕鷦〤TMAB按2種施工要求的最終濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）加入培養(yǎng)基中。

表13 種壓裂液與2種抗菌劑的主要配方成分比較Table 1 Compositional comparison between main formulas of three fracturing fiuids and two antibacterial agents

2 結(jié)果與討論

2.1 黃桿菌C在壓裂液中的生長規(guī)律

如圖1所示，為黃桿菌C在SF-A壓裂液中的生長曲線。由圖中看出20 d內(nèi)SF-A空白樣中的菌液濃度變化很小。在SF-A壓裂液中，黃桿菌C的濃度在前6 d時(shí)基本穩(wěn)定，均在18～20萬個(gè)/ mL上下浮動(dòng)；之后菌液濃度直線上升，濃度快速增大，第8 d達(dá)到峰值為46～53萬個(gè)/ mL，然后菌液濃度開始降低，第11 d后漸趨于平穩(wěn)；第17 d出現(xiàn)第2個(gè)生長峰值，菌液濃度為30萬個(gè)/ mL。所以可以看出黃桿菌C在SF-A壓裂液中有2個(gè)快速生長期，生長周期大約為8～9 d。

圖1 黃桿菌C在SF-A壓裂液中生長曲線Fig. 1 Growth curve of Flavobacterium C in fracturing fiuid SF-A

如圖2所示為黃桿菌C在F108壓裂液中的生長曲線。在F108壓裂液中，菌液濃度（個(gè)/mL）在第4、7、14 d出現(xiàn)峰值，峰值高低相近。與SF-A相比，F(xiàn)108中的黃桿菌C生長狀況有明顯的優(yōu)勢，隨時(shí)間黃桿菌C整體濃度較高，生長狀況良好。

如圖3所示為黃桿菌C在線性膠壓裂液中的生長曲線。由圖可以看出，線性膠空白樣中的菌液濃度在第3 d、第7 d和12 d出現(xiàn)小峰值，隨時(shí)間整體呈下降趨勢。在線性膠壓裂液中，菌液濃度在第7、17 d出現(xiàn)峰值，濃度分別達(dá)到86萬個(gè)/mL、28萬個(gè)/mL?？梢钥闯鳇S桿菌C在線性膠中也有2個(gè)生長期，周期大約為6～7 d。

圖2 黃桿菌C在F108壓裂液中生長曲線Fig. 2 Growth curve of Flavobacterium C in fracturing fiuid F108

圖3 黃桿菌C在線性膠壓裂液中生長曲線Fig. 3 Growth curve of Flavobacterium C in fracturing fiuid of linear gel

由上述3個(gè)圖可知，約7～8 d時(shí)SF-A和線性膠壓裂液中的黃桿菌C都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高速生長期，之后逐漸降低，在第17 d均又到達(dá)第2個(gè)生長高峰期；而F108中的黃桿菌C的生長狀況整體呈平緩的上升之勢。

2.2 抗菌劑對壓裂液中黃桿菌C生長抑制作用

如圖4所示為甲醛、分別為0.5%和0.1%的CTMAB對SF-A和F108中黃桿菌C的生長抑制作用。

圖4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)1和2分別在線性膠、SF-A和F108中對黃桿菌C生長狀況的抑制作用Fig. 4 Inhibition on the growth of Flavobacterium C in linear gel, SF-A and F108 bу CTMAB with mass fraction of 1 and 2

由此圖可知，甲醛、0.5%和0.1%的CTMAB對3種介質(zhì)中的黃桿菌C均有抑制作用。甲醛雖然也抑制了線性膠壓裂液中黃桿菌的生長，但是并沒有有效地減少其數(shù)量，而0.5%的CTMAB對SF-A和F108中黃桿菌C的抑制作用極其明顯，壓裂液F108中的黃桿菌C穩(wěn)定在1～2萬個(gè)/mL的較低濃度下，壓裂液SF-A中的黃桿菌C的濃度則從10～11萬個(gè)/mL降到了2～3萬個(gè)/mL。0.1%的CTMAB對壓裂液SF-A中黃桿菌C的抑制效果明顯要優(yōu)于在F108中的，其中SF-A壓裂液中的黃桿菌C的濃度最終穩(wěn)定在7～8萬個(gè)/mL，可以看出0.1%的CTMAB對F108中黃桿菌C的抑制作用較差。

3 結(jié)論

（1）SF-A壓裂液中黃桿菌C出現(xiàn)2個(gè)生長高峰期，分別在7～9 d和16～17 d，在此期間黃桿菌C的菌液濃度增長明顯； F108壓裂液中黃桿菌C的菌液濃度整體呈緩慢增長趨勢；線性膠壓裂液中黃桿菌C也有2個(gè)快速生長期，依次出現(xiàn)在6～8 d和16～18 d。

（2）CTMAB在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.5%）和低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.1%）用量下均能有效抑制線性膠、SF-A和F108中壓裂液黃桿菌C的生長，總體而言，高濃度的抗菌效果優(yōu)于低濃度，在線性膠中，高濃度的抗菌效果要優(yōu)于甲醛；而低濃度抗菌效果在SF-A中明顯優(yōu)于在F108中。

（3）在施工過程中若避開黃桿菌的快速生長期、根據(jù)具體需要使用低濃度的CTMAB均可有效的降低施工損失。

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