采用微生物对石油降黏机制的研究

采用微生物对石油降黏机制的研究

葛亚庆

大庆华理生物技术股份有限公司，黑龙江 大庆 163414

摘要：目前，油田中广泛使用的表面活性剂主要来源于石油或油脂的化学合成，如石油磺酸盐和烷基苯磺酸盐。烷基苯磺酸盐原料主要来自日化行业副产物——重烷基苯，但大规模应用受到产量的限制；石油磺酸盐原料主要来自石油组分，存在生产工艺复杂、生产难度大等问题。开发新的驱油化学品，探索提高采收率的新思路和原型技术，对我国的国家战略和能源安全至关重要。

关键词：微生物；石油降黏机制；研究

引言

能源是人类社会与经济发展的重要支撑。目前的能源体系中，石油占据着关键地位，在全球能源消费结构中占据较大比重。作为世界第二大经济体，中国的石油需求随着经济的持续增长而逐年增加。但是我国的石油产量却显著低于其他主要石油生产国，石油对外依存度仍然较高。

1.稠油组成及致黏机理

稠油是由饱和烃、芳香烃等轻质组分和胶质、沥青质等重质组分按照一定比例构成的复杂产物。而稠油之所以“稠”，原因在于其高比例胶质、沥青质的存在。关于胶质、沥青质的结构及其致黏机理，学界有诸多的研究与猜测，一般认为沥青质是主要影响因素。沥青质单体分子呈强极性，含有较多的芳杂环结构，芳杂环结构通过π—π共轭作用相互堆叠，这种堆叠结构能够被沥青质中氧、氮、硫等杂原子的氢键作用或稠油中Ni、V等金属杂原子的螯合作用进一步固定，形成沥青质超分子结构。同样具有较多极性基团的胶质分子包覆在沥青质聚集体周围形成包覆层，被胶质包覆的沥青质粒子也具有较强的极性，通过氢键作用进一步相互堆积，最终形成大分子聚集体，由此造成了稠油的高黏度。图2是Gray等[7]提出的一种沥青质聚集体超分子组装结构，认为沥青质聚集体是氢键、金属螯合作用、范德华力、π—π相互作用及酸碱作用共同形成的超分子结构。

2.脂肽单独驱油实验

脂肽注入系统后，油相发生明显的乳化现象，脂肽与油相接触后油水界面张力降低，部分残余油被乳化为水包油型小油滴，使得一次水驱阶段所形成的剩余油流动性增强，便于被驱替。尤其是在渗流主通道区域，剩余油基本被乳化。这些小油滴在剪切作用下，粒径进一步减小，从而更容易通过喉道，最后随注入液驱替方向朝出口端流动。当到达出口端时，乳液可形成粒径大小均一的小油滴。且小油滴在运移过程中基本不发生聚并，主要沿着孔道行进而不与多孔介质壁面接触，说明油滴表面的脂肽极性较强。由于脂肽的强乳化作用，原油与它接触后即被乳化为小油滴，油滴表面附着强极性的脂肽亲水性基团，使它在多孔介质中的流动具有强烈的各向异性。但由于脂肽驱替时已形成优势通道，再次注水液体沿优势通道流动时，微观波及面积不再增大，因此，脂肽不宜单独作为驱油剂使用。

3.水热催化裂解降黏

20世纪80年代，发现注蒸汽不仅可以通过提高温度来降低稠油黏度，还能使稠油中某些组分发生化学变化，从而使得重质组分含量降低。研究人员基于此首次提出了水热裂解的概念。然而在随后的研究中，研究人员却发现稠油黏度的变化是可逆的。这是因为键断裂通常会产生杂原子自由基（S、N和O），从而触发聚合反应，产生更高黏度的大分子。特别是对于特超稠油来说，这种黏度的逆转更加严重。为了解决这一问题，研究人员将催化反应引入到稠油开发中。因为适量的催化剂可以在很大程度上促进稠油组分发生化学反应，进而促使黏度不可逆地降低[57]。因此，稠油水热裂解催化降黏这一结合了热力降黏和化学降黏的改质降黏技术应运而生，并逐渐成为近年来稠油开采的新方向。这项技术的关键是筛选或研制成本低、性能稳定、效果良好适用于不同稠油的水热裂解催化剂。目前已报道的水热裂解催化剂大致有以下几类：①水溶性催化剂；②油溶性催化剂；③两亲性催化剂；④矿物，沸石和固体超强酸催化剂；⑤超分散纳米催化剂。

4.化学降黏冷

化学降黏冷采是接替稠油蒸汽热力采油的一种经济有效的方法。目前矿场应用的降黏主要是油溶性降黏剂，其主要作用机理是通过破坏稠油沥青质、胶质分子之间网状结构，拆散聚集体，起到解聚降黏的作用。但由于油溶性降黏剂的成本比较高，限制了实际矿场规模化应用。水溶性降黏剂由于其价格相对低廉以及良好的降黏性能而逐步引起重视。水溶性降黏剂本质上是一种表面活性剂，不仅可降低油水界面张力，还可与原油发生乳化作用，形成水包油乳状液，降低稠油表观黏度，增强稠油流动性。降黏剂分子中部分侧链与支链中的极性基团与稠油片状分子相结合，分子延伸度变大，且稠油本体的杂环原子如S、N大部分被拆散，有效地降低了稠油络合物的复杂度。稠油本体的沥青质与胶质通过氢键连接形成的缔合作用明显降低，导致胶质与沥青质分子形成的平面层状稳定结构聚集体产生分离，稠油的黏度降低，类同于油溶性降黏剂的降黏机制。

5.高保坍降黏型聚羧酸减水剂

聚羧酸系减水剂是由聚醚和丙烯酸等单体通过自由基聚合而成，分子结构可以通过改变聚合单体的种类和数量来调整，自由组合度强，通过调整单体的类型或者引入新的功能单体，可以制备出不同功能化的聚羧酸系高性能减水剂。因此，可通过引入含有降黏或早强等功能的单体来制备降黏、早强、高保坍的聚羧酸减水剂。采用丙烯酸与丙烯酰胺、苯乙烯进行共聚，合成降黏型聚羧酸减水剂，具有良好的效果。采用苯乙烯磺酸盐进行聚合，合成聚苯乙烯磺酸盐聚合物，研究发现，其降黏性能优于萘磺酸盐缩合物。PCE的HLB值对混凝土拌合物的黏度有一定的影响，HLB值越大，降黏效果越明显。并建议采用羟基封端的聚醚（如APEG、IPEG等）作为大单体，采用顺丁烯酸酐作为小单体，合成降黏型聚羧酸减水剂效果更好。与PCE-JN1和PCE-JN2相比，掺合成高保坍降黏型聚羧酸减水剂JN-038混凝土的初始和2h倒坍桶排空时间明显缩短。这主要是利用了短侧链的聚羧酸减水剂分子在混凝土中形成的水膜层厚度更薄，从而能够释放出更多的自由水，降低混凝土的黏度；同时HEMA中的酯基在碱性条件下缓慢释放，满足保坍性能的要求，而且利用分子中的甲基基团的憎水性，调整聚羧酸分子的亲水亲油性能，从而降低聚羧酸分子的表面张力，释放出更多的自由水，降低混凝土拌合物的黏度，达到更好的降黏效果。掺JN038混凝土的7d和28d的抗压强度较高，说明掺合成高保坍降黏型聚羧酸减水剂JN-038拌制的混凝土更加密实，性能较优。

结束语

分散型降黏剂分子间作用力主要以氢键为主，分子结构稳定，具备亲水-亲油的特性，降黏稳定性好。对稠油颗粒结构具有分散作用，微观上降黏剂分子插层进入稠油胶质沥青质片状分子之间，拆散聚集体，破坏空间网络结构，降低分子间的黏附力，降黏机理与油溶性降黏剂中作用机理类似。与常规水溶性降黏剂相比，分散型降黏剂除了能动用吼道中的剩余油，发挥洗油效率作用外，还可驱替大孔喉两侧的小孔喉区域剩余油，显示出一定程度的微观调驱效应。分散性降黏剂同时具有常规水溶性降黏剂的乳化降黏作用和油溶性降黏剂的解聚降黏作用，是一种成本低、降黏性能良好的“双性”稠油降黏剂。

参考文献

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