ukos 11++
5/21/02
17:25
Page 37
Роза Андресон, к.м.н., старший научный сотрудник Института биологии УНЦ РАН Елена Гильванова, к.б.н., научный сотрудник Института биологии УНЦ РАН Николай Усанов, к.б.н., зав. отделом биотехнологии Института биологии УНЦ РАН Алексей Телин, к.х..н., зам. директора Уфимского филиала ООО «ЮганскНИПИнефть»
БИОДЕСТРУКЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ РЕАГЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ В связи с тем, что большинство отечественных месторождений
30-40 минут для удаления бактерий — деструкторов, которые могли
находятся в длительной эксплуатации и постепенно переходят из высо-
содержаться в образцах полимеров.
копродуктивной стадии в период падающей добычи, стало возрастать
Стерильные растворы исследуемых полимеров в 0,1 М фосфатном бу-
значение различных технологий повышения нефтеотдачи пластов
фере, рН=6,8, в количестве 450 мл были помещены в 0,5-литровые со-
(ПНП). В настоящее время в России среди современных методов ПНП
суды из ПЭТФ с завинчивающимися пластиковыми пробками, после че-
постоянно увеличивается роль технологий увеличения нефтеотдачи с
го в качестве инфицирующего материала соответственно вариантам
применением полимерных реагентов, и соответственно ежегодно рас-
опыта в них вносили по 50 мл проб: 1) подтоварной воды, 2) воды из си-
тут объемы промышленного использования таких реагентов.
стемы КНС и 3) искусственно обогащенного инокулята, разбавленного
Применение биологических ПАВ и биополимеров микробиологиче-
1 : 10. Инокулированные растворы полимеров помещали в термостат и
ского происхождения для повышения нефтеотдачи является сравни-
выдерживали в течение 12-16 недель при двух температурных режимах
тельно новым направлением в научных исследованиях и технологиче-
(25°С и 60°С).
ских разработках последних лет [1-3]. Обладая ценными эксплуатаци-
Условия инкубирования не были строго анаэробными, так как доступ
онными свойствами (гелеобразующими, псевдопластичными, нефтеэ-
кислорода был возможен за счет диффузии газа через стенку пласти-
мульгирующими и др.), биополимеры имеют существенный недоста-
кового сосуда, т.е. конкретные условия эксперимента допускали раз-
ток — высокую подверженность биодеградации, которая в условиях,
витие как факультативно анаэробной, так и факультативно аэробной
благоприятных для развития микроорганизмов-деструкторов, может
микрофлоры.
осуществляться в течение нескольких суток, что значительно снижает
Доза инокулята после внесения соответствующих объемов подтовар-
эффективность применения биополимеров. В литературе, посвящен-
ной воды и воды из системы КНС составила примерно 1х106 колоние-
ной биодеструкции и биоцидной защите химреагентов в условиях за-
образующих единиц (КОЕ) на 1 сосуд для первых двух вариантов опы-
водняемого нефтяного пласта (Праздникова З.Ф., Хазипов Р.Х., Га-
та и ˜5х106 КОЕ для варианта 3.
рейшина А.З.), к сожалению, отсутствуют работы методического ха-
Изменение вязкости образцов в процессе инкубации определяли с по-
рактера, позволяющие унифицировать тест-испытания реагентов в
мощью капиллярного вискозиметра ВПЖ-4 с диаметром капилляра
микробных субстратах и объективно сравнить биостойкость химреа-
D=1,12. На графиках представлено изменение вязкости полимерных
гентов различной природы и структуры. В связи с этим систематиче-
растворов в процентном выражении от возможного.
ское изучение микробиологической деструкции полимерных реагентов и разработка способов повышения их биостойкости представляют èñëî ìèêðîîðãàíèçìîâ, /ìë
актуальную задачу.
10
7
Целью настоящей работы было изучение в длительном лабораторном опыте динамики биодеструкции и оценка биостойкости полимерных
10
îäòîâàðíàß âîäà
6
îäà èç
реагентов (полиакриламида марки Sedipur, метилцеллюлозы МЦ-100, карбоксиметилцеллюлозы Finfix HC, полианионной целлюлозы Staflo
íîêóëßò
10
5
Regular, ксантанового биополимера Kem X), широко применяющихся в практике нефтедобычи. 10
Методика модельного эксперимента 10
4
3
В качестве источников биозаражения исследуемых водных растворов полимеров (с содержанием последних в массовых долях 0,2-0,5%) были использованы образцы воды, отобранной из системы
10
2
очистки КНС, подтоварная вода и искусственно приготовленный смешанный образец из нескольких проб пластовой воды, бурового рас-
10
1
твора, образцов сырой нефти, почвы и др., содержащий поливидовые 10
0
микробные ассоциации с «гарантированной» деструктивной активно-
1
2
3
4
5
6
7 8 èï ïèòàòåëüíîé ñðåäû
Численность микроорганизмов в образцах, использованных для инфицирования растворов исследуемых полимерных реагентов
После тщательного перемешивания с помощью лабораторной мешалки растворы были простерилизованы в автоклаве при 0,5 атм в течение Ç Ö ë í ç à ä
à ç Ü à ç à ê à ç É é Ç é É é
ñ Ö ç í ê Ä
û ä é ë
№4
II квартал
2002
Рис. 1
стью и именуемый в дальнейшем «инокулят».
37
ukos 11++
5/21/02
17:26
Page 38
БИОДЕСТРУКЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ РЕАГЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ
Динамика биодеструкции полимеров
àäåíèå âßçêîñòè, %
100
Результаты непосредственных измерений для каждой серии опытов показаны в координатах (абсолютное значение вязкости,
îäòîâàðíàß âîäà îäà èç íîêóëßò
80 60
мм2/сек. — время инкубации, в сутках). Вместе с тем, учитывая, что абсолютные значения вязкости контрольных растворов в начальной точке отсчета по времени не были одинаковыми для разных вариантов
40
опытов, дополнительно рассчитывали относительные изменения, выраженные в % уменьшения вязкости (С%) по отношению к исходному
20
показателю:
0 20
0 120
40
60
80
100 120 êñïîçèöèß, ñóò
где: ηдин. — значения вязкости, полученные в динамике,
àäåíèå âßçêîñòè, %
η Н20 — вязкость воды, ηисх — исходная вязкость раствора полимера, измерен-
100
ная в начале опыта (контроль). Предварительный микробиологический анализ проб подтоварной во-
îäòîâàðíàß âîäà îäà èç íîêóëßò
80
ды и воды из системы КНС, проведенный с целью определения степени их естественной бактериальной зараженности и наличия потенци-
60
альных деструкторов полимерных реагентов, выявил несущественные различия исследуемых образцов по показателям численности основ-
40
ных физиологических групп микроорганизмов, среди которых доминировали бактерии, использующие азот органических источников (Рис.1).
20
В пробе воды из системы КНС отмечена невысокая численность угле-
0
20
0
40
60
80 100 êñïîçèöèß, ñóò
водородокисляющих бактерий ( ˜ 1*103 КОЕ в 1 мл). Деструкторы КМЦ и биополимера ксантана в исследуемых образцах воды в отличие от
Рис. 2
искусственно обогащенного микроорганизмами инокулята методом Результаты длительного модельного опыта показали, что все исследо-
190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40
Рис. 3
ванные полимеры были подвержены биодеструкции, степень которой
àäåíèå âßçêîñòè, %
140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
38
прямого высева не были обнаружены.
Динамика микробиологической деструкции биополимера ксантана
зависела как от природы полимеров, так и условий проведения опыта. Наиболее глубокой деструкции был подвержен ксантан марки Кем-Х, хотя между опытами, поставленными с разными источниками заражения, а также в разных температурных режимах (25°С и 60°С), имелись
îäòîâàðíàß âîäà îäà èç íîêóëßò
определенные различия (Рис.2). При этом очевидно, что в пробах подтоварной воды и воды из КНС содержится лишь небольшое число микроорганизмов, адаптированных к развитию при высокой температуре и способных синтезировать ферменты, разрушающие ксантан. Вместе с тем полученные результаты не исключают вероятности развития бактерий, деградирующих ксантан
40
20
0
60
80
100 120 êñïîçèöèß, ñóò
при температуре 60°С и выше. В проведенных опытах даже с неадаптированным к ксантану инокулятом степень деструкции этого полимера достигала 90%.
àäåíèå âßçêîñòè, %
Низкая биостойкость ксантана обусловлена следующими факторами: • ксантан — это природный полисахарид, синтезируемый микроорганизмами, широко распространенными в природе, в частности в почве и других экологических нишах. Это соединение существует столько же, сколько и микробный мир, и за это время эволюционировали многие формы жизни, способные использовать этот полисахарид в
îäòîâàðíàß âîäà îäà èç íîêóëßò
качестве источника углерода и энергии, т.е. самой эволюцией предопределено существование множественных форм бактерий, способных к деструкции ксантана;
20
0
40
60
80
100 êñïîçèöèß, ñóò
• ксантан относится к полисахаридам, имеющим нерегулярное строение, состоит из звеньев, соединенных различными типами связей и, соответственно, подвержен действию не одного (как в случае с цел-
Динамика биодеградации метилцеллюлозы
люлозой, в молекуле которой остатки глюкозы соединены бета-1-4 гликозидными связями), а многих типов ферментов, которые в свою
II квартал
2002
№4
Ç Ö ë í ç à ä
à ç Ü à ç à ê à ç É é Ç é É é
ñ Ö ç í ê Ä
û ä é ë
ukos 11++
5/21/02
17:26
Page 39
БИОДЕСТРУКЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ РЕАГЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ
очередь могут быть синтезированы микроорганизмами самых различных таксономических групп, т.е. это мишень, атакуемая с самых
100
разных сторон.
àäåíèå âßçêîñòè, %
Несколько парадоксальными оказались результаты изучения динамики изменения вязкости растворов метилцеллюлозы. Данные, полученные в процессе изучения биодеструкци метилцеллюлозы марки МЦ100, показаны на
Рис.3.
Из рисунка видно, что в двух случаях опыта,
проведенного при 25°С, вязкость не уменьшалась, а наоборот, существенно возрастала. По-видимому, в процессе трансформации этого соединения происходит не деполимеризация, а изменение структуры функциональных групп самих глюкозных остатков в цепи этого поли-
80 îäòîâàðíàß âîäà îäà èç íîêóëßò
60 40 20 0
мера (целлюлозы). Можно также предположить окисление метильных
20
0
групп заместителей с образованием карбоксильных, т.е. трансформа-
40
60
80
100 120 êñïîçèöèß, ñóò
цию метилцеллюлозы в аналог КМЦ. И хотя в некоторых случаях сте-
àäåíèå âßçêîñòè, %
пень деградации, определяемая по относительной вязкости, достигала 30-50%, очевидно, что модификация молекул целлюлозы после введения гидрофобных заместителей, в частности метильной группы,
100
делает их малодоступными для воздействия микробных целлюлаз и
90
других гидролаз, осуществляющих деполимеризацию этого полисахарида.
80
Таким образом, можно сделать вывод, что метилцеллюлоза обладает
70
более высокой биостойкостью по сравнению с другими реагентами на основе полисахаридов.
60
Относительно КМЦ известно, что она подвержена действию многих
50
целлюлаз и других гидролаз. Биостойкость полианионной целлюлозы
60
80
100 êñïîçèöèß, ñóò
показывают, что степень деструкции
ПАЦ и КМЦ, сопровождающейся снижением вязкости, была пример-
Рис. 4
Рис.4, 5,
40
20
0
в различных условиях менее изучена. Результаты проведенных опытов, представленные на
îäòîâàðíàß âîäà îäà èç íîêóëßò
Динамика биодеструкции полианионной целлюлозы
но одинаковой. На
Рис.6
показана динамика биодеструкции полиакриламида марки
Sedipur, который, как и всякий субстрат, имеющий искусственное происхождение, должен быть более устойчивым к воздействию ферментных систем микроорганизмов. Действительно, при температуре 25°С на протяжении всего срока наблюдения (14 недель) вязкость растворов ПАА во всех вариантах опыта не претерпевала заметных изменений. Однако при температуре 60°С за этот же период произошло практически полное разрушение ПАА под воздействием микрофлоры под-
àäåíèå âßçêîñòè, % 100 îäòîâàðíàß âîäà îäà èç íîêóëßò
80 60 40
товарной воды и воды, отобранной из системы КНС. По-видимому, в пробах КНС и подтоварной воды имеются штаммы микроорганизмов, адаптированных как к высокой температуре, так и к ПАА, присутствие которого в нефтепромысловых средах запускает ме-
20 0
20
0
40
60
80
100 120 êñïîçèöèß, ñóò
ханизм селекции и накопления бактерий, способных к его утилизации. Отсутствие изменения вязкости при заражении раствора ПАА искусст-
àäåíèå âßçêîñòè, %
венным инокулятом также свидетельствует о развитии в нефтепромысловых средах специфических штаммов — деструкторов ПАА, выде-
100
ление которых из обычных природных ниш весьма затруднительно в
90
модельных лабораторных опытах с обычной накопительной культурой, полученной, например, из почвы или других экониш, ранее не
80
вступавших в контакт с этим соединением.
70
На
60
Рис. 7
представлена суммарная номограмма по значениям относи-
тельных изменений вязкости полимерных растворов во всех вариантах опытов. Очевидно, что корректная оценка биостойкости различных по-
îäòîâàðíàß âîäà îäà èç íîêóëßò
50 0
лимеров не может быть осуществлена лишь по относительным значе-
20
40
60
ниям изменения вязкости их растворов. В этом плане важно знание аб-
80
100 êñïîçèöèß, ñóò Рис. 5
солютных скоростей снижения вязкости полимерных растворов. Динамика биодеградации карбоксиметилцеллюлозы
С целью получения этих данных были рассчитаны первые производные от графических функций в координатах «абсолютное значение вязкоÇ Ö ë í ç à ä
à ç Ü à ç à ê à ç É é Ç é É é
ñ Ö ç í ê Ä
û ä é ë
№4
II квартал
2002
39
ukos 11++
5/21/02
17:28
Page 40
БИОДЕСТРУКЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ РЕАГЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ
табл. 1
Численные значения первой производной от функции «вязкость-время», характеризующей динамику биодеструкции полимеров
àäåíèå âßçêîñòè, % 140
îäòîâàðíàß âîäà îäà èç íîêóëßò
120
Субстрат 1 КМЦ ПАА ПАЦ МЦ 0 Ксантан
100 80 60 40
110 100 90 80 70 60 50 40 30 20
40
20
0
60
80
100 120 êñïîçèöèß, ñóò
àäåíèå âßçêîñòè, %
-0,29 -0,035 -0,54 -0,03 -0,015 -2,85
T=25°С 2
3
1
T=60°С 2
3
-0,45 -0,025 -0,68
-0,48 -0,042 -0,73
-0,15 -0,096 -0,26
-0,11 -0,25 -0,54
-0,16 -0,025 -0,26
-0,017 -2,03
-0,053 -4,21
-0,051 -0,32
-0,95
-1,004
Источник бактериального заражения: 1. Подтоварная вода 2. Вода из системы КНС 3. Искусственный инокулят
сти — время». Преобразования были выполнены с помощью программы Origin 6.0 Pro.
îäòîâàðíàß âîäà îäà èç íîêóëßò
Данные по максимально достигнутым скоростям деструкции за весь период наблюдения для каждого из вариантов представлены в Табл. 1 и на номограмме (Рис.8).
Выводы Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:
20
0
40
60
80
100 êñïîçèöèß, ñóò
1. В проведенном длительном модельном эксперименте наименее подверженными биологической деструкции являются полимеры полиак-
Рис. 6
риламид и метилцеллюлоза. Динамика биодеградации полиакриламида
2. Показатели динамики биодеструкции КМЦ и полианионной целлюлозы вполне сопоставимы, хотя при этом ПАЦ обладала сравнительно меньшей биостойкостью, что, по-видимому, связано с более высокой
çìåíåíèå âßçêîñòè çà âðåìß îïûòà, % 100
степенью сродства микробных целлюлаз к данному субстрату. ПАЦ
КСАНТАН
3. Наиболее подверженным биодеструкции является биополимер ксан-
КМЦ
75
ПАА
тан, полностью разлагающийся в течение 5-20 дней в зависимости от
МЦ
50
условий проведения опыта.
25 0
1
-25
2
3
-50 -75 -100
4 5 îäòîâàðíàß âîäà 25¡ îäà èç 25¡ íîêóëßò 25¡ îäòîâàðíàß âîäà 60¡ îäà èç 60¡ íîêóëßò 60¡
1. . ., . ., . ., . ., . . ! " ! # $ % . // #. ' ( ) * +,+ , (!. 96, ./ , 1999, $.131-138
Рис. 7
2. . ., 3. ., . ., . . ! (* " ' $ ! ! % 4 5 # ! -
Суммарные изменения вязкости образцов полимеров в процессе биодеструкции
# , . // #. ' ( ) * +,+ , (!. 99, ./ , 1999, $.147-152
2
êîðîñòü áèîäåñòðóêöèè, ìì /ñåê/ñóò
4,5
4,0
3. ) . ., $ . ., $ ! 4 . ., , 9 . .
КСАНТАН îäòîâàðíàß âîäà 25¡
( ; «+ + » + 3>), "* ). . (« > @ A B ; ;-
îäà èç 25¡ 3,5
3,0
íîêóëßò 25¡
@+C»), D " . ., + . ., C. ., 3"% .,.,
îäòîâàðíàß âîäà 60¡ îäà èç 60¡
2,5
> . . (« »), ) % 4 5 . ., DE +. ., -
íîêóëßò 60¡
' >. ., F >. . (« »), @ 5 .+., A
2,0
1,5
. . («3+ G »). " ! (* " ' ! $ , $ -
1,0
0,5
ПАЦ
E " # $ $ 4 #(' $ $! %
КМЦ ПАА
# ! ! % 4 5 $ . // . $ $$ 5$ $ -
МЦ
0,0
Рис. 8
25¡c
40
60C¡
25¡c
60C¡
25¡c
60C¡
25¡c
60C¡
25¡c
60C¡
$ , 5-9 I " 2000 , $. 35-63
Влияние природы полимера на скорость биодеградации
II квартал
2002
9 " ! % # " ( $ E 5, ' $ HH, -
№4
Ç Ö ë í ç à ä
à ç Ü à ç à ê à ç É é Ç é É é
ñ Ö ç í ê Ä
û ä é ë