一种肠杆菌和生物聚合物及生物聚合物在采油过程中应用

摘要

本发明涉及一种肠杆菌和生物聚合物及其在采油过程中应用，将肠杆菌pscE202接种到发酵培养基中进行摇瓶发酵，采用醇沉法及常压或冷冻干燥提取发酵液中生物聚合物的工艺过程。应用该菌株发酵所得的生物聚合物可以耐受120‑150℃的高温，矿化度耐受值可达20×10

说明书

技术领域

本发明涉及一种肠杆菌和生物聚合物及生物聚合物在采油过程中的应用。特别是指利用肠杆菌发酵制备生物聚合物及生物聚合物在采油过程中的用途，属于利用微生物代谢产物在石油开采过程中实现石油增产增收的生物材料技术领域。

背景技术

近年来，随着石油资源的日益枯竭，主要产油国家的油田开发多进入中后期，采油率低而含水量增大，油井出水成为开发过程中普遍存在的问题。调驱技术作为改善油田注水开发效果、实现油藏稳产的有效手段，在油田的不同开发阶段发挥了重要的作用。生物聚合物作为调驱剂，对高含水、非均质、低渗透等特殊油藏均能起到良好的驱油作用，在多次矿场实验中获得显著的增油效果，具有良好的应用前景。

目前可用于油田调驱的生物聚合物有多种，如黄原胶、韦兰胶、杂多糖S-88等，这些生物聚合物具有许多优良性能，如增稠、增粘、抗盐、抗污染等能力，以及优越的耐温性和耐剪切稀释性能，可以作为优良的驱油制剂。但是这些生物聚合物原理价格昂贵，在一定程度上限制了其应用，我国仅有南海、渤海油田以及中原、胜利、塔里木油田采用黄原胶作为驱油剂，进行油田开采。同时，上述高品质生物聚合物多为国外公司通过专利保护而垄断，也在一定程度上限制了在国内的推广及应用。

因此，开发新型的自主研发的高性能生物聚合物，同时努力降低生产成本，有望产生巨大的经济及社会效益。

发明内容

本发明旨在公开了一种利用肠杆菌制备耐高温、耐盐的生物聚合物方法及其在采油过程中应用。

本发明采用的技术方案为：本发明所采用的菌种为一株肠杆菌，其是从塔里木油田土壤样品中分离得到。命名为pscE202，即Enterobacter sp.pscE202，其保藏编号为CGMCC N0.5068，保藏单位名称：中国普通微生物菌种保藏中心(位于北京市朝阳区北辰西路1号院3号)，保藏日期：2011年8月11日。

菌株pscE202属肠杆菌科肠杆菌属，革兰氏染色阴性杆菌，呈棒状，有鞭毛能自由运动，G-，无芽孢杆菌。平板培养，菌落表面粘液状，边缘不规则，有明显粘弹性。生化特性：氧化酶阴性，甘露醇阳性，过氧化氢酶阳性，柠檬酸水解阳性，精氨酸水解阳性。

本发明一种利用肠杆菌制备耐高温、耐盐的生物聚合物方法及其在采油过程中应用，实施的技术路线：

1.将肠杆菌pscE202接种到发酵培养基中，其中：

1)种子培养液(g/L)：葡萄糖5-20g/L，NH₄NO₃>2PO₄>4>

2)发酵培养液(g/L)：葡萄糖0.5-5，蔗糖20-90g/L，酵母粉0.5-5g/L，NaNO₃>2HPO₄>4>

2.进行发酵培养，其中：

1)种子液发酵条件：将冻存菌种按0.2-2.0％(v/v)的比例接种到种子培养基中，调节pH为4.0-7.0，摇床转速为200-300rpm，培养温度30-40℃，发酵周期为24-48小时；

2)发酵液培养条件：将种子液按3-10％(v/v)的比例接种到发酵培养基中，装液量为20-40％，调节pH为4.0-7.0，摇床转速200-300rpm，培养温度30-40℃，发酵周期为48-72小时。

3.发酵完成后，将发酵液进行灭活，加入乙醇进行沉淀、脱水，收集得到生物聚合物产品，其中分离步骤包括：

1)将发酵液经110-120℃处理15-20min灭活；

2)向灭活后的发酵液中添加乙醇，添加量为2-4倍体积，静置2-8h，形成絮状沉淀；

3)醇沉之后的发酵液经离心弃去上清，离心转速为7000-10000rpm，离心时间为10-20min；

4)离心得到的沉淀经常压或冷冻干燥，研磨成粉即得到生物聚合物产品。

本发明所取得的实质性特点和显著的进步在于：

1.本发明的制备方法中采用肠杆菌为菌种进行发酵，在提取过程中，采用一次醇沉后直接冷冻干燥的方法制成生物聚合物干粉，工艺过程简单整体上降低了生产成本；

2.所制备的生物聚合物具有良好的环境适应性，可以耐受120-150℃的高温，在pH2-12、矿化度20×104mg/L范围内均可以保持粘度稳定性；

3.所制备的生物聚合物溶液属于假塑性流体，具有优良的剪切稀释性能。经600rpm搅拌10min后粘度即可以由8000mpa·s下降到350mpa·s，而且静置后仍可以恢复至原有粘度。

4.本发明所述一种利用肠杆菌制备的生物聚合物，可以广泛应用于油田钻井、压裂及调驱等方面。

本发明所述耐高温、耐盐生物聚合物的制备及其在采油工程中的应用，其有益效果是：

1.属于微生物代谢产物，无毒无害，不污染环境；

2.制备工艺简单，生产成本低廉；

3.用于注水井调驱作业时，不伤害地层，不会产生二次污染。

附图说明：

附图1浓度对生物聚合物粘度的影响

附图2温度对生物聚合物粘度的影响

附图3生物聚合物的长效性

附图4 pH对生物聚合物粘度的影响

附图5矿化度对生物聚合物粘度的影响

附图6剪切速率对生物聚合物粘度的影响

附图7岩心评估生物聚合物驱替效率

附图8现场井试措施前后压力曲线

具体实施方式：

实施例1

利用pscE202发酵生产生物聚合物

1.将冻存pscE202菌种按1％(v/v)接种到种子培养基中进行培养，制得种子液，其中：

培养条件为摇瓶发酵，装液量100mL/500mL，摇床转速200rpm，培养温度37℃，周期为24小时。

种子培养基成分：葡萄糖7g/L，NH₄NO₃>2PO₄>4>

2.按照发酵培养基的3％(v/v)的接种量，将摇瓶种子液接种，此时装液量为1L/2L，开始发酵培养，其中：

发酵条件为摇瓶发酵，摇床转速150rpm，培养温度37℃，发酵周期为48小时。

发酵培养基成分：葡萄糖2g/L，蔗糖30g/L，酵母粉0.5g/L，NaNO₃0.5g/L，K₂HPO₄0.2g/L，MgSO₄>

3.产物提取，具体过程包括：

(1)发酵完成后，取发酵液置于高压灭菌锅中，115℃处理15min，灭活；

(2)将灭活后的发酵液中添加乙醇，添加量为发酵液的4倍体积，静置5h， 形成絮状沉淀；

(3)醇沉之后的发酵液使用离心机离心，弃去上清，离心机转速为7000rpm，离心时间15min；

(4)离心得到的沉淀置于真空冷冻干燥机中进行干燥，研磨成粉即得到生物聚合物粗品。

实施例2

利用pscE202发酵生产生物聚合物

1.将冻存pscE202菌种按1％(v/v)接种到种子培养基中进行培养，制得种子液，其中：

培养条件为摇瓶发酵，装液量100mL/500mL，摇床转速200rpm，培养温度37℃，周期为24小时。

种子培养基成分：葡萄糖7g/L，NH₄NO₃>2PO₄>4>

2.按照发酵培养基的8％(v/v)的接种量，将摇瓶种子液接种，此时装液量为60％，开始发酵培养，其中：

发酵条件为5L发酵罐发酵，通气量10L/min，转速150rpm，培养温度37℃，发酵周期为30小时。

发酵培养基成分：葡萄糖8g/L，蔗糖50g/L，酵母粉1g/L，NaNO₃>2HPO₄0.4g/L，MgSO₄>

3.产物提取，具体过程包括：

(1)发酵完成后，升温至115℃处理15min，灭活；

(2)将灭活后的发酵液中添加乙醇，添加量为发酵液的4倍体积，静置5h，形成絮状沉淀；

(3)醇沉之后的发酵液使用离心机离心，弃去上清，离心机转速为5000rpm，离心时间30min；

(4)离心得到的沉淀置于真空冷冻干燥机中进行干燥，研磨成粉即得到生物聚合物粗品。

实施例3

利用pscE202发酵生产生物聚合物

1.将冻存pscE202菌种按1％(v/v)接种到种子培养基中进行培养，制得种子液，其中：

培养条件为摇瓶发酵，装液量100mL/500mL，摇床转速200rpm，培养温度37℃，周期为24小时。

种子培养基成分：葡萄糖7g/L，NH₄NO₃>2PO₄>4>

2.按照发酵培养基的10％(v/v)的接种量，将摇瓶种子液接种，其中：

一级发酵条件为5L发酵，装液量为60％，通气量为10L/min，转速150rpm，培养温度37℃，发酵周期为5小时。

二级发酵条件为50L发酵，装液量为60％，通气量为40L/min，转速150rpm，培养温度37℃，发酵周期为24小时。

发酵培养基成分：葡萄糖2g/L，蔗糖30g/L，酵母粉0.5g/L，NaNO₃>2HPO₄0.2g/L，MgSO₄>

3.产物提取，具体过程包括：

(1)发酵完成后，将发酵罐升温至115℃处理15min，灭活；

(2)将灭活后的发酵液中添加乙醇，添加量为发酵液的3倍体积，静置5h，形成絮状沉淀；

(3)醇沉之后的发酵液使用离心机离心，弃去上清，离心机转速为5000rpm，离心时间30min；

(4)离心得到的沉淀置于真空冷冻干燥机中进行干燥，研磨成粉即得到生物聚合物粗品。

实施例4

生物聚合物的性能评价

1)生物聚合物溶液的制备：称取一定质量的生物聚合物粉末，溶于适量热水(温度80℃)中，不断搅拌使其充分溶胀。分别配制质量浓度0.05％、0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％的生物聚合物溶液，使用NDJ-1型旋转粘度计，转速6rpm，于室温下测定溶液粘度。该生物聚合物溶液的粘度随着浓度的增大而增大，特别是在较高浓度范围(＞0.3％)内几乎呈线性增长(图1)。

2)温度对生物聚合物粘度的影响：配制质量浓度0.3％的生物聚合物溶液，使用NDJ-1型旋转粘度计，转速6rpm，测定温度为20℃、40℃、60℃、80℃、100℃条件下聚合物溶液的粘度。在小于60℃的条件下，溶液粘度变化不大，温度继续升高以后，溶液略有下降，表明该聚合物具有较好的耐温性能(图2)。

3)聚合物溶液长效性研究配制质量浓度0.3％的生物聚合物溶液，于100℃烘箱中静置，使用NDJ-1型旋转粘度计，转速6rpm，每天测定聚合物溶液的粘度。该聚合物溶液可以在100℃条件下30天内维持粘度在200mPa·s左右，具有优良的长效性(图3)。

4)pH对生物聚合物溶液粘度的影响：配制质量浓度0.3％的生物聚合物溶液，分别调节pH为2、4、6、8、10、12，使用NDJ-1型旋转粘度计，转速6rpm，于室温下测定生物聚合物的粘度。在恒定的pH条件下，溶液粘度变化不大，在pH为2或12的条件下，溶液粘度仍可以维持在2000mPa·s以上。表明该聚合物具有较强的pH耐受能力(图4)。

5)矿化度对生物聚合物溶液粘度的影响：配制质量浓度0.3％的生物聚合物溶液，分别调节矿化度为5×10⁴、10×10⁴、15×10⁴、20×10⁴mg/L，使用NDJ-1型旋转粘度计，转速6rpm，于室温下测定生物聚合物溶液的粘度。该聚合物溶液在矿化度20×10⁴mg/L的条件下可以维持粘度在2000mPa·s以上，而且在一定Ca²⁺、Mg²⁺存在的条件下可以在一定程度上促进该聚合物的交流，增加溶液的粘度(图5)。

6)生物聚合物溶液的剪切稀释性能：配制质量浓度0.4％的生物聚合物溶液，使用NDJ-1型旋转粘度计，分别在转速6、12、30、60rpm的条件下测定生物聚合物溶液的粘度。该生物聚合物溶液的表观粘度随着转速的增加而急剧下降，表现出典型的假塑性流体特征一流体的表观粘度随剪切速度的增加而减小，即剪切稀释现象(图6)。

实施例5

岩心模拟

取一定量pscE202发酵制备的生物聚合物，溶解稀释，同实施例2。稀释至溶液粘度为100mPa·s。选用多功能蒸汽及泡沫驱替实验装置(ZQPM-II)，直径3.80cm，长度60.00cm，孔隙度40.44％的人工松散岩心。岩心条件：饱和油体积275ml；温度：60℃；聚合物驱注入速度：240ml/h；驱替液注入速度：240ml/h。方法：①空白组：模型饱和油后40℃，12h老化，60℃正向注蒸馏水驱替10PV。②实验组：模型饱和油后40℃，12h老化，60℃正向注蒸馏水驱替6PV，转聚合物驱4PV。

评估结果：驱油过程中，注水6PV后驱油体积不再增长，此时注入生物聚合物驱油。注入0.5PV生物聚合物后即有大量的原油被驱出，驱油效率提高主要集中在0.5-1.0PV之内(图7)。注水驱油驱油体积204ml驱油效率74.18％。生物聚合物驱替驱油体积221ml，驱油效率80.36％。驱油效率提高6.18％。

应用例1

针对中石油某稠油区块采出液多重组份沉积、弱凝胶深部调剖技术适应性变差，以及大剂量弱凝胶深部调剖造成联合站脱水处理难度加大等问题，设计稠油 油藏高含水后期新型环保的调剖技术。

本实施例共实施生物聚合物调剖2个试验井组：1号井组和2号井组。通过对两口注水井的地质条件进行分析，结合数模和物模的研究结果，最终确定了两口井的总施工注入量分别为2500方和2800方。按照室内确定的工艺路线，依次注入前置液优化剂、生物聚合物和生物表面活性剂等。根据该井的油层压力等指标确定施工注入压力不超过15MPa，保持注水流速不超过100方/天。

1号井组于2010年9月30日开始施工，10月20日施工完成，施工周期共计21天，总注入量为2500方。2号井组于2010年10月21日施工，11月15日施工完成，施工周期共计24天，总注入量为2800方。施工后水井恢复正常作业，产量统计至2011年3月16日，共计增产原油1400吨，如表1。1号井组增产1194吨，含水率总计下降4.43％。2号井组由于其他作业，油井间开，影响其产量统计，共计增产206吨。由于两井组在同一区块，可以预见如施工井组水井油井均正常作业，调驱增产效果将更加明显。

表1调驱前后井组产量变化

图8显示为1号水井调驱前后压力变化情况，可以看出，施工前注水压力为7.5Mpa，施工后压力稳步上升至13Mpa。分析因为调驱过程中，注入的生物聚合物选择性的对高渗层进行封堵。施工后正常注水驱，进入低渗透层，而低渗透层的启动压力高于高渗透层，后续水驱压力增高，从而提高了注水驱的效率。从注入压力指标来看，生物聚合物完全可以改变注水井地层剖面，提高注水波及系数，全方位扫油以提高注水效率，达到增产的最终目的。