Полная версия

Главная arrow География arrow Биотехнология нефтедобычи: принципы и применение

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Факторы, влияющие иа активность микроорганизмов в пласте

Основные факторы, влияющие на интенсивность биохимических превращений органических веществ микроорганизмами пластового биофильтра и биогенез агентов вытеснения нефти, - температура, осмотическое давление (концентрация солей), содержание кислорода, pH среды, наличие биогенных элементов, интенсивность массо- и энергообмена, присутствие тяжелых металлов и др.

К температуре различные микроорганизмы относятся по-разному. По оптимальным для роста температурам микроорганизмы условно делят на психрофилы, мезофилы и термофилы (рис. 15). Температурный оптимум мезофилов лежит в пределах от 20 до 45еС.

Рост психрофилов (1), мезофилов (2) и термофилов (3) при различных

Рис. 15. Рост психрофилов (1), мезофилов (2) и термофилов (3) при различных

температурах

Некоторые микроорганизмы, например, многие виды метанобра-зующих бактерий, растут при температуре выше 45еС, поэтому их называют термофилами. Противоположную крайность составляют психро-фильные микроорганизмы, для которых оптимальной является температура ниже 209С. Термотолерантными (или термоустойчивыми) называют микроорганизмы, у которых температурный оптимум лежит в области средних температур, но которые способны переносить и более высокие температуры. Преобладающая часть пластовой микрофлоры относится к мезофилам, хотя обнаруживаются микроорганизмы, например, углеводородокисляющие, сульфатвосстанавливающие бактерии или ме-таногены, являющиеся термофилами. С повышением температуры пласта выше 209С скорость биохимических превращений у мезофилов будет возрастать в 2-3 раза. При более низких температурах снижается скорость биохимических превращений органических веществ, замедляются процессы адаптации микроорганизмов к новым типам органических веществ. В общем плане оптимальная температура пласта для эффективной работы биофильтра не должна превышать 459С. Превышение температуры выше оптимальной может привести к гибели определенных групп микроорганизмов в результате разрушения структуры клеточных компонентов, снижению количественного и качественного состава биофильтра.

Развитию микроорганизмов в нефтяных пластах способствует разбавление пластового рассола пресными и другими водами до 30-80 мг/л.

В результате интенсивного обмена веществ у микроорганизмов часть химической энергии, связанной в субстрате, выделяется в виде тепла. Так, при потреблении 1г сахара микроорганизмы выделяют 4-6 кДж теплоты. Необходим отвод этой теплоты для поддержания температуры окружающей среды в пределах, оптимальных для жизнедеятельности микроорганизмов биофильтра. В условиях нефтяного пласта поддержание температуры среды в оптимальном режиме для жизнедеятельности микроорганизмов, адсорбированных на твердой поверхности пород, обеспечивается непрерывным потоком пластовых флюидов. Движение пластовой жидкости по пласту от зон нагнетания к зонам отбора продукции за счет перепада давления обеспечивает постоянное и равномерное поступление органических веществ и кислорода к микробным клеткам и их разложение, а также отвод продуктов превращения и теплоты вдоль по длине биофильтра в этом же направлении.

Высокая концентрация в среде СО2 может лимитировать деятельность углеводородокисляющих микроорганизмов в аэробной зоне пласта. Поэтому обеспечение постоянного протока пластовой жидкости вдоль биофильтра наряду с отводом теплоты также обеспечивает отвод углекислоты, которая, попадая в зону функционирования метаногенов, будет ими потребляться. Часть же СО2, образующегося гетеротрофными микроорганизмами (углеводородокисляющими и бродильными), а также частично метаногенами, будет растворяться в пластовой воде (количество растворенного СО2 зависит от давления) и нефти, изменяя их физико-химические свойства.

Для окисления органических соединений, в том числе углеводородов, всем облигатно аэробным микроорганизмам необходим кислород. Кислород нужен микроорганизмам как для разложения органического вещества (процессы катаболизма), так и для процесса синтеза клеточных компонентов (процессы анаболизма). Потребность аэробных микроорганизмов в молекулярном кислороде зависит от источника окисляемого углерода, физиологических свойств и активности микроорганизмов (рис. 16).

На примере получения биомассы микроорганизмов из глюкозы потребность в кислороде будет выглядеть следующим образом.

з-

  • 2 5-
  • 2-
  • 15-
  • 1-
  • 0,5.

Т

т

т

т-“I

? Глккоза И^огочиая к-та ?Янтарная к-та ДУксуслая к-та ВЭтансп ДГлщерж ИПарафжы ДСьрая нефть

Рис. 16. Потребность микроорганизмов в кислороде на образование 1 г биомассы в зависимости от источника углерода

Синтез белка (т.е. компонентов микробной клетки) из моносахаридов можно выразить формулами

ЗС6Н1206 + 302 6СН2СН0 + 6С02 + 6Н20 6СН2СН0 + ЗЫНз + 4,5 О —* С12Н2оКз04 + 6,5 Н20

На синтез 1 г протеиновых веществ из глюкозы расходуется 6,222 г кислорода. Кроме того, в клетках микроорганизмов идут процессы синтеза безазотистых веществ из промежуточных продуктов распада сахара в результате ресинтеза согласно уравнению

6Н1206 + б02 -> СеНкА + 6С02 + 7Н20

На синтез 1 г безазотистых веществ затрачивается 1,185 г кислорода.

Для превращения лактозы, содержащейся в 1 л молочной сыворотки, в биомассу микроорганизмов требуется 12 л кислорода.

На окисление 1 г н-гексадекана, содержащегося в нефти, углеводо-родокисляющим микроорганизмам требуется 1,73 г кислорода.

На окисление 1 г нефти микроорганизмам необходимо 3,5 г кислорода

2С1бН34 + 4902 32С02 + 34Н20

Микроорганизмы могут использовать кислород только в растворенном виде. Растворимость кислорода в воде сравнительно низка и зависит от температуры, давления и концентрации растворенных веществ,

эмульгирования и диспергирования компонентов. Литр воды, находящейся при 209С в равновесии с атмосферным воздухом, содержит только 6,2 мл, или 0,28 ммоль кислорода, при давлении 0,1 мПА (1 кгс/см2) и температуре 309С максимально 7,5 мг. В реальных условиях максимальная растворимость кислорода составляет 2-5 мг/л. Запасы кислорода в среде обеспечивают жизнедеятельность аэробных микроорганизмов в течение 0,5-2 минут. По мере удаления от забоя нагнетания содержание кислорода в пластовой жидкости закономерно снижается (рис. 17).

Изменение содержания Ог и величины ЕЙ в призабойной зоне нагнетательной скважины при заводнении

Рис. 17. Изменение содержания Ог и величины ЕЙ в призабойной зоне нагнетательной скважины при заводнении

Принято говорить о критической концентрации кислорода, при которой наблюдается ограничение дыхания клеток микроорганизмов. При снижении содержания кислорода в закачиваемой воде ниже уровня, требуемого для поддержания окислительного метаболизма, может иметь место т.н. аноксибиоз. Для большинства аэробных микроорганизмов, растущих на сахаросодержащих субстратах, критическая концентрация кислорода составляет 0,05-0,1 мг/л, что соответствует 3-8% от полного насыщения среды кислородом. Оптимальной для жизнедеятельности аэробных микроорганизмов считается концентрация кислорода 30-40% от полного насыщения.

Пластовые воды, подстилающие нефтяную залежь, не содержат кислорода, что может препятствовать активному окислению углеводородов. Для обеспечения нормального функционирования аэробных микроорганизмов пластового биофильтра в кислороде требуется аэрация - периодическая или постоянная. Поступление кислорода в зону бактериального фильтра нефтяного пласта обычно можно обеспечить заводнением поверхностными водами за счет растворенного в нем кислорода. При заводнении кислород поступает в залежь в значительных количествах. В закачиваемой под давлением 200 атм пресной воде содержание кислорода составляет 20-30 мг/л. Поэтому если приемистость нагнетательной скважины, например, 700 м3 в сутки, то через нее в залежь поступает 14-21 кг кислорода. Проникая дальше по пласту, кислород создает в залежи микроаэробные зоны.

Можно специально закачивать воздух или водовоздушную смесь, а также аэрированные питательные субстраты. При закачке воздуха при достаточно высоких давлениях, например, 200 атм, можно добиться полного насыщения воды кислородом - 20-30 мг/л. Надо при этом отметить, что растворимость кислорода в нефти в 100 раз больше, чем в воде (около 800 мг/л при нормальных условиях), поэтому кислород, поступивший в залежи с пресными водами, растворяется в основном в нефти и таким образом проникает в более удаленные от нагнетательных скважин зоны пласта. Этот кислород, растворимый в нефти, и обеспечивает высокую окислительную активность «нефте-положительных» микроорганизмов - бактерии рода ШюбососсиБ и др. Поэтому количество закачиваемого воздуха необходимо рассчитать таким образом, чтобы обеспечить его наличие как в нефти, так и в воде.

Из пузырьков воздуха кислород вначале адсорбируется водой, а затем переносится к клеткам микроорганизмов. Перенос кислорода из газовой фазы к микробным клеткам идет в два этапа. На первом этапе идет перенос кислорода из воздушных пузырьков в основную массу жидкости. Концентрация кислорода в пластовой жидкости зависит от скорости адсорбции и потребления. Физические свойства пластовой жидкости оказывают заметное влияние на процесс абсорбции кислорода. Главные факторы, оказывающие влияние на растворимость кислорода, - это парциальное давление кислорода, температура и различные компоненты среды. Влияние парциального давления кислорода в газовой фазе (рд) выражается законом Генри

Сб = Нрд,

где Сз - концентрация при насыщении кислородом, Нрд - постоянная Генри. Растворимость кислорода понижается при повышении температуры и наоборот.

Влияние температуры на растворимость кислорода в воде определяется эмпирическим уравнением Трусдейла

Сб = 14,16 - 0,3943Т + 0,00771472 - 0,000064673,

где Сб - концентрация при насыщении кислородом (мг/л) в чистой воде при ТеС и давлении воздуха 1 атм (воздух содержит 20,9% кислорода; парциальное давление кислорода равно 158,8 мм рт. ст.).

С повышением степени минерализации пластовых вод снижается растворимость кислорода по сравнению с чистой водой на 10-20%. Снижается растворимость кислорода также с повышением вязкости воды. Вязкость и поверхностное натяжение влияют на размер пузырьков газа, изменяя поверхность массообмена. Скорость перехода кислорода в пластовую воду повышается с увеличением поверхности раздела между газовой и жидкой фазой.

На втором этапе происходит перенос адсорбированного кислорода из основной массы жидкости к клеткам микроорганизмов, главным образом под действием турбулентных пульсаций.

Растворимый в жидкости кислород потребляется микроорганизмами. Скорость этого процесса не может превышать скорости абсорбции, иначе ухудшится обмен микроорганизмов и снизится скорость окисления. Скорость потребления кислорода микробной клеткой зависит от многих факторов. Среди них в первую очередь следует отметить величину биомассы микроорганизмов, скорость роста и их физиологическую активность, характер и концентрацию питательных субстратов, меру накопления токсичных продуктов разложения (например, СО2 в аэробной зоне функционирования углеводородокисляющих микроорганизмов) в концентрации, токсичной для их жизнедеятельности, наличие биогенных веществ.

С увеличением концентрации кислорода в пластовой жидкости скорость его потребления увеличивается. Однако это происходит до определенного предела. Концентрация кислорода в воде, при которой скорость его потребления становится постоянной и не зависит от дальнейшего повышения концентрации, называется критической (Скр). Критическая концентрация меньше равновесной (Ср) концентрации и зависит от природы микроорганизмов и температуры.

Решающее значение для роста многих пластовых микроорганизмов имеет pH среды: ионы Н+ и ОН’ наиболее подвижные из всех ионов. Даже небольшие изменения в их концентрации оказывают сильное влияние на их жизнедеятельность. Большинство микроорганизмов лучше всего растут, когда концентрация Н+ и ОН’ ионов примерно одинаковы (pH 7,0). Некоторые виды микроорганизмов, используемые в биотехнологии нефтедобычи, например, молочнокислые, являются кислотоустойчивыми. Поддержание оптимального значения pH в пластовой жидкости в зоне интенсивного развития биофильтра (призабойная зона нагнетательной скважины) важно прежде всего для тех микроорганизмов, которые хотя и продуцируют кислоты (снижающие pH среды), но сами не проявляют к ним устойчивости. К таким микроорганизмам относятся, например, псевдомонады - ведущая группа микроорганизмов аэробной зоны биофильтра, наиболее интенсивно развивающиеся в водной фазе и принимающие непосредственное участие в разложении углеводородов.

Снижение рн среды может иметь место в аэробной и анаэробной микрозонах биофильтра за счет образующихся органических кислот и углекислоты. Как видно из данных рис. 18, с увеличением концентрации СО2 в воде до 0,05% pH раствора резко снижается от 6,8 до 4,3. Последующее увеличение концентрации СО2 от 0,5 до 4,5% приводит к плавному снижению pH раствора с 4,3 до 3,4. Такое значение pH может сильно подавить деятельность многих групп микроорганизмов биофильтра, например, углеводородокисляющих. Поэтому очень важно, чтобы основная часть образовавшегося СО2 выносилась за пределы зоны действия аэробных микроорганизмов вдоль по длине пласта в анаэробные зоны. Это может быть обеспечено интенсивным массообменом.

8

1 1 2 3 4 5 6 7

Углекислый газ, %

Рис.18. Зависимость pH воды от концентрации в ней углекислого газа

Наряду с этим многие микроорганизмы малочувствительны к незначительным колебаниям pH в пределах от 6,0 до 9,0.

Для поддержания pH среды на оптимальном для жизнедеятельности микроорганизмов уровне можно периодически закачивать в пласт соединения, нейтрализующие СО2, например, бикарбонат натрия. Однако при этом необходимо учитывать, что бикарбонат натрия может образовываться и оказывать буферное действие за счет СО2, выделяемого в большом объеме при аэробном и анаэробном разложении органических веществ и растворяющегося в водной фазе. Соотношение между значением pH, концентрацией бикарбоната и парциальным давлением СО2 в газовой фазе выражается уравнением Гендерсона-Хассельбаха

[НС03]

[С02]

pH = рК‘ +1д

К осмотическому давлению среды большинство бактерий проявляет довольно большую устойчивость. Многие группы микроорганизмов способны расти вереде с содержанием солей от ОД до 10%. Развитию микроорганизмов в нефтяных пластах обычно способствует разбавление пластового рассола закачиваемыми с поверхности пресными водами. Как правило, микроорганизмы не могут функционировать при концентрации рассолов выше 150-220 мг/л ив водах, где отношение мг/экв. Мд+2 + Са+2 / К++ больше 4.

Для успешного протекания реакций биохимического разложения необходимо присутствие в пластовых водах соединений биогенных элементов и микроэлементов: ГД Б, Р, К, Мд, Са, 14а, С1, Ре, Мп, Мо, N1, Со, Zn, Си и др. Среди этих элементов основными являются ГД Р, К, которые для достижения интенсивных биохимических превращений должны присутствовать в необходимых сбалансированных количествах.

В микробных клетках азота содержится 12% в пересчете на сухую массу. Фосфор также является важным компонентом клеток. В связи с этим важно обеспечить азотом и фосфором среды, вносимые в пласт для интенсификации жизнедеятельности биофильтра. Как правило, пластовые воды всегда содержат аммонийные соли около 20 мг/л и больше. Фосфатиды в нефтяных пластах практически отсутствуют, и это может сильно тормозить развитие микроорганизмов. Обычно фосфаты исчисляются сотыми, реже десятыми долями миллиграммов в 1 л. При недостатке азота, фосфора и калия в пласт вводят различные азотные, фосфорные и калийные соли в виде растворов минеральных удобрений. Соответствующие соединения азота, фосфора и калия, а также микроэлементов, аминокислот, витаминов содержатся в бытовых сточных водах, молочной сыворотке, дрожжевой бражке. Поэтому при использовании композиции для питательного заводнения, содержащих эти воды, вносить дополнительно биогенные элементы и микроэлементы нет необходимости. Биогенные элементы лучше усваиваются микроорганизмами в форме соединений, в которых они находятся в микробной клетке: азот - в форме аммонийной группы ГШУ, а фосфор - в виде солей фосфорной кислоты.

Микроорганизмы способны сорбировать тяжелые металлы, при этом может снизиться активность микроорганизмов биофильтра. По степени токсичности для микроорганизмов тяжелые металлы располагаются в такой последовательности:

БЬ >Ад >Си >Нд >Со >N1 >РЬ >Сг+3 >У >Сс1 >1п >Бе

Соли этих тяжелых металлов могут снизить скорость биохимических превращений веществ. Но есть такие микроорганизмы, которые отличаются устойчивостью и адаптируются к высоким концентрациям тяжелых металлов.

Движение пластовых флюидов вдоль по пласту от зон нагнетания к забоям добывающих скважин обеспечивает постоянное и равномерное поступление органических веществ и кислорода в различные зоны биофильтра, а также отвод продуктов превращений и теплоты из зон образования в зоны потребления. В результате интенсивного обмена веществ у микроорганизмов часть химической энергии, связанной в субстрате, выделяется в виде тепла. Так, потребление 1 г сахара соответствует выделению 4-6 кДж теплоты. Необходим отвод этой теплоты для поддержания температуры окружающей среды в оптимальном для жизнедеятельности микроорганизмов режиме. В пластовых условиях за счет перепада давления обеспечивается постоянный поток пластовой жидкости, что способствует поддержанию температуры окружающей среды, оптимальной для жизнедеятельности микроорганизмов, адсорбированных на твердой поверхности пород коллектора.

В целом на эффективность работы биофильтра влияют биохимические, массообменные, гидравлические особенности пласта. Среди них следует отметить: ВПК органических веществ и их природу, скорость окисления, интенсивность дыхания микроорганизмов, адсорбированных биопленкой фильтра, размер биофильтра (по длине, высоте и биомассе), его равномерность и структуру, состав, интенсивность аэрации, скорость циркуляции потока пластовой жидкости и ее физико-химические свойства, температуру пласта и гидравлическую нагрузку, равномерность распределения потока пластовой жидкости по сечению биофильтра, степень смачиваемости и др.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>