生物法抑制硫酸鹽還原菌在油田的應(yīng)用研究進(jìn)展*

陶建強(qiáng)

(中國石化新疆新春石油開發(fā)有限責(zé)任公司，山東東營 262500)

0 前言

目前，我國大部分油田已進(jìn)入二次、三次采油階段，大量的水和化學(xué)劑(高分子聚合物、表面活性劑等)注入地層，引起地層內(nèi)部、地面系統(tǒng)等的微生物種群發(fā)生變化，導(dǎo)致一些有害細(xì)菌滋生，影響油田的正常生產(chǎn)。

本文從SRB對(duì)油田生產(chǎn)過程的危害、生物法抑制SRB的機(jī)理及影響因素、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面對(duì)生物法抑制SRB技術(shù)進(jìn)行綜述，以期為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 SRB對(duì)油田生產(chǎn)過程的危害

SRB及其代謝產(chǎn)物(硫化氫)給油田生產(chǎn)帶來諸多危害，如油藏變酸、設(shè)備及管線腐蝕、聚合物溶液黏度損失等。

1.1 導(dǎo)致油藏變酸

圖1 油藏變酸機(jī)理[10]

1.2 加劇腐蝕

SRB是造成油田生產(chǎn)系統(tǒng)管線、設(shè)備腐蝕的主要微生物。SRB導(dǎo)致金屬腐蝕由荷蘭學(xué)者于1934年提出，此后逐漸得到重視。SRB引起腐蝕的機(jī)理主要有去極化、代謝產(chǎn)物腐蝕(MIC)、膜下腐蝕、濃差電池、細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移MIC(EET-MIC)等[11,12]。張潤(rùn)杰，等[13]研究認(rèn)為SRB吸附在碳鋼表面，利用金屬中的電子進(jìn)行生命活動(dòng)，相當(dāng)于強(qiáng)化陰極過程，加劇腐蝕。

1.3 導(dǎo)致聚合物黏度損失

SRB引起聚丙烯酰胺(HPAM)溶液黏度降低的原因主要有2個(gè)：①SRB直接以HPAM為碳源或氮源進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，HPAM被降解為小分子物質(zhì)，引起黏度降低[14,15]；②SRB代謝產(chǎn)生的S2-以及與SRB腐蝕產(chǎn)生的Fe2+等引起HPAM分子鏈斷裂，降解產(chǎn)物被SRB作為營養(yǎng)底物利用，促進(jìn)SRB生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)一步降解HPAM[16]。

2 NRB抑制SRB技術(shù)

表1 分離自油田的具有硝酸鹽還原功能的細(xì)菌

2.1 NRB抑制SRB機(jī)理

2.1.1 營養(yǎng)底物競(jìng)爭(zhēng)

NRB和SRB同屬于厭氧型微生物，生活習(xí)性、生長(zhǎng)環(huán)境相似。當(dāng)基質(zhì)和營養(yǎng)底物不足時(shí)，便產(chǎn)生了對(duì)營養(yǎng)物的競(jìng)爭(zhēng)。NRB對(duì)營養(yǎng)物的親和力更強(qiáng)，當(dāng)營養(yǎng)物濃度較低時(shí)更占優(yōu)勢(shì)。Zhang，等[24]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向室內(nèi)搭建的反應(yīng)器加入硝酸鹽后，以碳源為電子受體的NRB豐度增加，SRB豐度降低，COD消耗顯著，表明被激活的NRB加速了碳源的利用。但研究也發(fā)現(xiàn)，NRB的基質(zhì)降解速率比SRB低[25]，在營養(yǎng)物濃度足夠高時(shí)，SRB能有效利用基質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，NRB對(duì)SRB的抑制作用不明顯。馬放，等[26]的研究表明，當(dāng)COD濃度為120 mg/L時(shí)，系統(tǒng)中的硝酸鹽氮消耗明顯，亞硝酸鹽氮有一定累積，但硝化過程進(jìn)行不完全；硫酸鹽還原反應(yīng)基本停滯，硫離子在初期有少量生成，隨后消失至反應(yīng)結(jié)束。但當(dāng)基質(zhì)濃度高時(shí)，NRB對(duì)SRB的抑制作用減弱。油藏環(huán)境中有機(jī)質(zhì)一般不足，大多數(shù)油田環(huán)境中可溶于水的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量較低(低于500 mg/L)，注入合適的硝酸鹽或反硝化菌，異養(yǎng)反硝化菌能利用油層中的VFA快速生長(zhǎng)，變?yōu)閮?yōu)勢(shì)菌群，反硝化菌對(duì)營養(yǎng)的利用使SRB失去賴以生長(zhǎng)的營養(yǎng)底物，代謝受到抑制，活性降低，數(shù)量減少[27]。

Hitzman，等[28]向油藏中注入硝酸鹽激活NRB，使NRB與SRB競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中的揮發(fā)性脂肪酸，異養(yǎng)反硝化菌成為優(yōu)勢(shì)菌群，從而抑制SRB產(chǎn)生硫離子。Casey Hubert，等[29]研究了NRB對(duì)油藏變酸的控制及與SRB競(jìng)爭(zhēng)營養(yǎng)底物的作用，發(fā)現(xiàn)加入硝酸鹽后，生物種群結(jié)構(gòu)從以SRB為主變?yōu)橐訬RB為主，同時(shí)出現(xiàn)了硝酸鹽還原硫氧化菌(NR-SOB)和異養(yǎng)NRB，前者可以直接氧化還原性硫，可見NRB通過底物競(jìng)爭(zhēng)阻止了SRB代謝(圖2)。2種NRB均可以通過反硝化作用抑制SRB。

圖2 競(jìng)爭(zhēng)營養(yǎng)底物抑制原理

2.1.2 硫氧化細(xì)菌直接氧化硫離子

激活硝酸鹽還原-硫氧化細(xì)菌(NR-SOB)可以利用硝酸鹽或亞硝酸鹽將硫離子重新氧化為單質(zhì)硫和硫酸鹽[9]，抑制機(jī)理如圖3所示。NR-SOB通過同時(shí)氧化硫離子和還原硝酸鹽，而非與SRB爭(zhēng)奪營養(yǎng)，抑制硫酸鹽的還原速率。勝利油田檢出的Thauera(Rhodocyclales目)菌可在硝酸鹽存在的厭氧條件下氧化硫離子[30]。Gevertz，等[31]通過基因組預(yù)測(cè)證明了Arcobacter能夠以硝酸鹽為電子受體完成硫化物的氧化過程。此外，油藏中還發(fā)現(xiàn)了大量硫氧化細(xì)菌(SOB)，如Bosea, Methylobacterium, Paracoccus, Pseudomonas和Halomonas等，它們可以通過氧化硫離子獲得能量，例如Paracoccus能夠在有氧條件下利用硝酸鹽氧化不同價(jià)態(tài)的硫，Pseudomonas和Halomonas氧化硫離子的過程也與硝酸鹽還原相關(guān)[20,26,32]。

圖3 NR-SOB消除硫化物的原理

2.1.3 中間產(chǎn)物抑制機(jī)理

Hao，等[39]發(fā)現(xiàn)一些SRB(如Desulforhopalus、Thermodesulfobium等)，即使在硝酸鹽濃度較低時(shí)仍具有較強(qiáng)的親和力，這類SRB優(yōu)先利用硝酸鹽，當(dāng)硝酸鹽利用殆盡時(shí)才利用硫酸鹽。這類細(xì)菌的存在，可能會(huì)對(duì)單純利用化學(xué)分析手段監(jiān)測(cè)生物抑制SRB的效果給出假性結(jié)果，因?yàn)樵谙跛猁}量足夠時(shí)，該類細(xì)菌以相對(duì)低的豐度存在于群落中，一旦硝酸鹽消耗殆盡，該類細(xì)菌大量滋生，導(dǎo)致生物抑制SRB失敗。

2.1.5 提高氧化還原電位

2.2 NRB抑制SRB的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

Sturman[43]帶領(lǐng)美國生物膜工程中心研究團(tuán)隊(duì)在新墨西哥的San Juan盆地和荷蘭阿莫科Rijn的油田開展了注入硝酸鹽抑制SRB、控制硫化氫的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究。注入的亞硝酸鹽在抑制SRB活性的同時(shí)，能去除已經(jīng)生成的硫化氫，且有效期較長(zhǎng)。在脫水器處投加硝酸鹽后，水中硫化氫含量由40～60 mg/L降至低于0.5 mg/L，SRB含量由103～104個(gè)/mL降至10個(gè)/mL以下。利用LPR探頭監(jiān)測(cè)脫水器處添加硝酸鹽后的腐蝕情況發(fā)現(xiàn)，未添加硝酸鹽前的腐蝕速率為0.03～5 mm/a，添加硝酸鹽后腐蝕速率穩(wěn)定在0.2～0.3 mm/a之間。在生產(chǎn)井A2進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)顯示，硫化氫由6 mg/L降至未檢出，采出水中的鐵離子含量增加近20倍(達(dá)到10 mg/L)，日產(chǎn)原油量增加27.4～54.8 t，這是由于FeS沉淀的溶解以及阻止新的FeS沉淀生成，解除了地層堵塞。由于實(shí)驗(yàn)前的腐蝕速率缺失，但試驗(yàn)期間的腐蝕速率沒有升高。可見該技術(shù)同時(shí)起到了降低腐蝕速率和提高采收率的效果。

Anchliya[44]針對(duì)SRB引起的油藏變酸、腐蝕等問題，提出了SRB生物控制措施。通過向未被污染的油藏注入硝酸鹽體系，預(yù)防SRB滋生和硫化氫生成。對(duì)于已經(jīng)變酸的油藏，硝酸鹽基處理技術(shù)可以去除油藏、采出液、井筒、管線中的硫化物，控制硫化氫進(jìn)一步生成。在北海油田的應(yīng)用效果顯示，超過90%的S2-被消除，腐蝕速率降至0.2 mm/a，下降了71.4%，該技術(shù)在Statfjord、Valhall等油田均得到推廣應(yīng)用。

G E Jenneman，等[45]在Coleville油田開展了利用本源微生物去除硫離子的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在兩口注入井連續(xù)注入硝酸銨和磷酸二氫鈉，濃度分別為400 mg/L和12 mg/L。兩口注入井的注水量分別為224 m3/d和45 m3/d，處理前的硫化物含量分別為140 mg/L和112 mg/L，SRB和NRB的含量均在103～105之間。注入激活劑后，NRB的數(shù)量增加到108個(gè)/mL，SRB數(shù)量得到控制，注入50天后停注，NRB數(shù)量有所下降，SRB數(shù)量最低降至100個(gè)/mL，說明優(yōu)勢(shì)菌群發(fā)生了改變。

Hitzman[46]的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)厭氧條件下NRB作用的研究發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽的注入能夠激活油藏內(nèi)的NRB，使油藏菌落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，SRB不再占優(yōu)勢(shì)地位，在控制硫化物的同時(shí)，增加了原油產(chǎn)量。針對(duì)油田實(shí)際生產(chǎn)工況，隨回注水伴注硝酸鹽/亞硝酸鹽混合體系，比只加硝酸鹽更加有效。經(jīng)過處理后，硫化物的產(chǎn)生量由處理前的400 kg/d持續(xù)降低至完全消除，50口生產(chǎn)井的產(chǎn)量由10 000 t增加到10 960 t。

國內(nèi)利用NRB抑制SRB的技術(shù)在烏南油田、大慶油田、勝利油田等也開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了不錯(cuò)的效果[47]。其中，勝利油田開展了利用NRB抑制SRB，進(jìn)而提高污水配聚黏度的規(guī)?；F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)施效果見表2。該技術(shù)實(shí)施后，污水硫離子含量由2～4 mg/L降至0.2 mg/L以下，配聚黏度由33.2 mPa·s上升至53.2 mPa·s，且保持長(zhǎng)期穩(wěn)定(大于30 d)。對(duì)群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，生物抑制后，Thauera、Petrobacter、Paracoccus、Marinobacter、Hyphomonas、Hyphomicrobium等具有硝酸鹽還原功能的細(xì)菌豐度增加，表明激活劑的加入激活了NRB，與SRB競(jìng)爭(zhēng)營養(yǎng)底物并限制其活性。

表2 NRB抑制SRB在勝利油田的應(yīng)用效果對(duì)比

3 NRB抑制SRB技術(shù)需進(jìn)一步解決的問題

如前所述，NRB抑制SRB技術(shù)的機(jī)制復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果差別較大。從基因和蛋白組學(xué)角度，借助現(xiàn)代生物分子生態(tài)學(xué)和分子示蹤等技術(shù)揭示微生物代謝途徑及菌群間的相互關(guān)系，是該技術(shù)在機(jī)理和應(yīng)用研究中重要研究方向。

3.1 各菌群間的相互關(guān)系需進(jìn)一步明確

油田污水系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的“生物反應(yīng)器”，含有豐富的微生物種群，除了NRB、SRB、硫氧化菌外還有鐵細(xì)菌、石油烴降解菌、產(chǎn)甲烷古菌等，這些細(xì)菌均會(huì)利用碳源進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，受各菌群代謝途徑、環(huán)境因子、生物酶、底物傳遞等多種因素影響，生物競(jìng)爭(zhēng)抑制過程中各菌群之間的相互作用機(jī)制復(fù)雜，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)豐富(圖4)。明確各菌群間的相互作用及對(duì)營養(yǎng)底物的競(jìng)爭(zhēng)利用能力具有重要意義。近年來，基因定量技術(shù)、新一代測(cè)序技術(shù)、宏組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以有效地揭示群落水平和個(gè)體水平的代謝能力和競(jìng)爭(zhēng)合作關(guān)系，多維宏組學(xué)與環(huán)境依賴型實(shí)驗(yàn)可以有效地闡釋影響降解表現(xiàn)的相互關(guān)系，使解析生物競(jìng)爭(zhēng)抑制過程中復(fù)雜的代謝途徑及各菌群的相互關(guān)系有了技術(shù)保障，可以更加充分地了解復(fù)雜的混合生物關(guān)系。

圖4 硫酸鹽和硝酸鹽還原途徑中部分關(guān)鍵酶的表達(dá)[24]

3.2 碳-氮-硫轉(zhuǎn)化相關(guān)的生物化學(xué)過程需進(jìn)一步揭示

油田環(huán)境中碳-氮-硫轉(zhuǎn)化相關(guān)的生物化學(xué)過程復(fù)雜(圖5)，目前的研究主要基于IC、HPLC、GC-MS、NMR等儀器分析手段，通過檢測(cè)抑制過程中代謝產(chǎn)物的含量，推斷碳-氮-硫轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)模型，但在抑制過程復(fù)雜的微生物環(huán)境中，常規(guī)的化學(xué)分析手段不能檢測(cè)到完整的代謝產(chǎn)物。借助分子生物學(xué)手段確立抑制過程中的關(guān)鍵物種和核心物種，揭示不同微生物菌群(SRB、NRB、硫氧化菌和石油烴降解菌等)潛在參與的碳、氮、硫代謝具體途徑，明確碳-氮-硫轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過程，對(duì)指導(dǎo)NRB抑制SRB技術(shù)應(yīng)用具有重要意義。

圖5 碳氮硫轉(zhuǎn)化的部分過程

4 結(jié)語與展望

采用生物法抑制SRB具有低成本、無二次污染與其他化學(xué)劑配伍性好等特點(diǎn)，是控制SRB的有效手段。

目前，關(guān)于生物法抑制SRB的主導(dǎo)機(jī)理為[20,24,48]：①通過注入功能性激活劑(硝酸鹽、亞硝酸鹽等)激活內(nèi)源硝酸鹽還原菌群(DNB)或者注入外源的DNB，與SRB競(jìng)爭(zhēng)生活空間和營養(yǎng)底物，利用DNB對(duì)營養(yǎng)基質(zhì)的優(yōu)先利用，導(dǎo)致SRB所需營養(yǎng)不足而使活性受限甚至衰亡，抑制硫化物產(chǎn)生；②激活硝酸鹽還原-硫氧化菌(NR-SOB)，利用硝酸鹽/亞硝酸鹽的生長(zhǎng)代謝，并直接將硫離子轉(zhuǎn)化為單質(zhì)S或硫酸鹽；③亞硝酸鹽、氧化亞氮和其他代謝中間產(chǎn)物可抑制SRB并去除硫離子，尤其是亞硝酸鹽可抑制異化亞硫酸鹽還原酶，阻斷硫化物產(chǎn)生。

過去的20年里，盡管已開展了許多利用生物法抑制SRB的室內(nèi)研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，但成功應(yīng)用的實(shí)例不多。主要原因是在抑制機(jī)理和工藝生態(tài)調(diào)控等方面的研究不足。投加抑制劑(如硝酸鹽、鉬酸鹽、DNB等)對(duì)SRB的基因和蛋白表達(dá)的影響不明確，對(duì)微生物種群的組成、群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演替規(guī)律剖析不足，生物法抑制SRB提高配聚黏度過程中激活的功能菌與SRB的相互關(guān)系及聚合物黏度提高的內(nèi)在機(jī)制不明確[49,50]。此外，添加硝酸鹽抑制SRB的潛在負(fù)面影響尚不明確，如關(guān)于添加硝酸鹽是否加劇腐蝕的文獻(xiàn)報(bào)道意見不一致。在沒有H2S存在時(shí)，NRB代謝的中間產(chǎn)物(亞硝酸鹽)可能會(huì)加劇腐蝕。Rizk，等[10,21,51]證實(shí)了亞硝酸鹽(濃度低于10 mg/L)與腐蝕增強(qiáng)之間的相關(guān)性，低濃度亞硝酸鹽可能會(huì)誘發(fā)點(diǎn)蝕。存在H2S時(shí)情況更加復(fù)雜，因?yàn)閬喯跛猁}與H2S直接反應(yīng)產(chǎn)生的單質(zhì)硫、硫代硫酸鹽等物質(zhì)也可能引發(fā)腐蝕。抑制過程中激活的NR-SOB可以將硫離子氧化為單質(zhì)硫，加劇局部腐蝕。因此，生物法抑制SRB的效果應(yīng)根據(jù)單個(gè)應(yīng)用試驗(yàn)進(jìn)行針對(duì)性的評(píng)估。

由于生物法抑制SRB的效果與油層本源微生物的群落結(jié)構(gòu)、油層物理化學(xué)特性、激活劑加量、激活優(yōu)勢(shì)菌群結(jié)構(gòu)、群落間相互關(guān)系等密切相關(guān)。因此，借助快速發(fā)展的分子生物學(xué)技術(shù)及化學(xué)分析手段，解析抑制過程的菌群代謝機(jī)制與相互關(guān)系，明確抑制有效性與激活劑添加條件、群落結(jié)構(gòu)演替等之間的關(guān)系，進(jìn)一步探明抑制機(jī)理對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。