Полная версия

Главная arrow География arrow Биотехнология нефтедобычи: принципы и применение

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Микроорганизмы и субстраты, используемые в биотехнологии нефтедобычи

Как и в любом микробиологическом производстве, в биотехнологии нефтедобычи ключевую роль играют свойства используемых культур микроорганизмов. Предпочтение обычно дается смешанным культурам, иногда - монокультурам, выращенным в асептических условиях. Идеального микроорганизма не существует, а разнообразие нефтевытесняющих агентов, которые можно получать с помощью микроорганизмов, определяется разнообразием самих микроорганизмов и химической природой используемых ими субстратов питания. Большинство из испытанных ныне культур микроорганизмов получено из природных источников, в частности из пластовых вод. Однако выделенные из природных источников культуры были улучшены путем культивирования в условиях, характерных для данного процесса (для повышения биомассы и продуктов разложения).

Большинство микробиологических методов повышения нефтеотдачи основаны на введении в пласт активных культур аэробных или анаэробных газообразующих микроорганизмов. Для внесения в пласт используют различные физиологические группы микроорганизмов. В пионерских работах 3. Белла предлагалось вносить в пласт СВБ, выделенные из нефтеносных сланцев и, по мнению автора, способные использовать нефть в качестве источника питания. Однако идея использования СВБ для нефтеотдачи себя не оправдала.

Использование аэробных микроорганизмов, способных разлагать нефтяные углеводороды и вырабатывать биоПАВ, например, представителей рода псевдомонад, заслуживает большого внимания. На практике предлагается вводить в пласт как непосредственно сами указанные микроорганизмы, разрушающие нефть и другие органические соединения с продуцированием биоПАВ, так и культуральные жидкости, образующиеся при культивировании этих микроорганизмов в специальных аппаратах - биореакторах. Одно из таких предложений было выдвинуто Вагнером (Германия). В его экспериментах использовалась культуральная жидкость, полученная при выращивании микобактерий на эмульсии нефти и затем освобожденная от остатков неиспользованной нефти и биомассы. Это позволило повысить выход нефти на 30% по сравнению с простой водой.

Преобладающая часть биотехнологий основана на использовании микроорганизмов, продуцирующих газы, обладающих бродильными свойствами, в основном представителей родов Клостридиум и Бацил-лус. Считается, что наиболее эффективно вносить в пласт не чистые культуры газообразующих микроорганизмов, а композиции разных физиологических групп, включающие как аэробные, вырабатывающие микробные биоПАВ за счет утилизации нефтяных углеводородов, так и бродильные газообразующие микроорганизмы, способные вырабатывать кислоты, спирты, газы и другие агенты вытеснения нефти. В этой связи представляется перспективным использование для этих целей избыточного активного ила в качестве источника различных групп микроорганизмов - как аэробных, так и факультативно анаэробных.

Эффективность биотехнологических процессов определяется также характером субстратов, используемых для питательного заводнения нефтяного пласта. Они должны отвечать ряду требований:

  • • быть растворимыми в воде и не осаждаться в пластовой воде;
  • • разлагаться как аэробной, так и анаэробной микрофлорой;
  • • обладать (желательно) определенными реологическими свойствами;
  • • наличием больших ресурсов, доступностью, стоимостью.

Наиболее полно отвечают этим требованиям углеводсодержащие субстраты: меласса, молочная сыворотка и др.

В преобладающих случаях в биотехнологиях нефтедобычи используется меласса. Ее использование связано с доступностью и составом, обеспечивающим интенсивное газообразование за счет развития газообразующих микроорганизмов. Меласса представляет собой побочный продукт при производстве сахара из сахарного тростника и сахарной свеклы. Основным экспортером тростниковой мелассы является Мексика, где ее образуется около 1 млн т в год. Важнейшими производителями свекольной мелассы являются страны Европы, Северной Америки, Украина, Россия. Годовое производство свекольной мелассы в мире составляет примерно 1,5 млн т в год.

Свекольная меласса представляет собой темно-коричневую густую вязкую жидкость с относительной плотностью 1,5-1,40. Меласса содержит 45-50% сахарозы, 0,1-0,5% инвертного сахара и около 0,2% раффинозы. Содержание инвертного сахара возрастает при хранении свеклы в неблагоприятных условиях. В табл. 17 приведен химический состав и свойства мелассы.

Химический состав и свойства мелассы

Таблица 17

Наименование

Состав, %

Вода

16,5

Сухие вещества

83,5

Органические вещества, в том числе:

72,0

сахароза

51,0

раффиноза

1,0

инвертный сахар

1,0

глутаминовая кислота

3,5

белковые вещества

5,5

Прочие органические вещества

10,0

Неорганические вещества

11,5

Основные группы микроорганизмов, встречающихся в мелассе, представлены в табл. 18.

Содержание микроорганизмов в 1 г мелассы колеблется от 1 до 5 тысяч и только в отдельных партиях достигает 15-20 тыс.

Таблица 18

Микрофлора мелассы

Группа

Представители

Характеристика

Спорообразующие

Вас.зиЫШБ

Вас.теэегиепсиз

Активные продуценты нитрита

Вас.тусоМеБ

Вас. теда1епит

То же, термоустойчивые

Неспоровые кислотообразующие

Ьас1оЬас1. р1агиагит

Продуцируют молочную и летучие кислоты

ЬаПоЬасГЬгеу^ ЬаНоЬасГ Гегтепй ЬеисопоБШс аддМтапБ

Г етероферментативные кокки, продуцируют молочную и летучие кислоты

В состав азотистых веществ мелассы входят (в % к общему азоту):

аммонийные соли....

.....2,61

амиды........................

.....1,61

аминокислоты..........

.....30,91

бетаин и протеин.....

.....64,84

При среднем общем содержании азота в мелассе 1,5% доля усвояемого азота составляет 0,5%, т.е. 33% от общего.

Состав молочной сыворотки приведен в табл. 11. В биотехнологии добычи нефти наиболее целесообразно использование сгущенной или сухой сыворотки, что позволяет использовать ее для отдаленных от молокоперерабатывающих предприятий нефтяных месторождений и снижать транспортные расходы. Наиболее распространенным способом переработки сыворотки в настоящее время является сушка, которая позволяет сохранить ее наиболее ценные компоненты. Сухую сыворотку получают путем высушивания сгущенной сыворотки. Это мелкий гигроскопический порошок от желто-зеленого до кремового цвета. Упаковывают его в трехслойные бумажные мешки. Срок хранения до 6 месяцев. Сухая сыворотка содержит (%): 63-74 - углеводов; 10,8-14,1 - белков; 0,7-5,4 - жиров и 4,4-9,9 - золы. Предполагается, что производство сухой сыворотки в странах Северной Америки и Западной Европы увеличится и ее мировое производство составит около 3,0 млн т.

Одним из основных продуктов переработки сыворотки в большинстве стран является также молочный сахар (лактоза). На производство молочного сахара используется до 50% всей перерабатываемой в промышленности сыворотки. При производстве молочного сахара из сыворотки остается не утилизируемый остаток - меласса, содержащая 10-15% лактозы и часть других компонентов, которые вредны для окружающей среды. Эти отходы обезвреживают в основном на основе создания очистных сооружений, но это не всегда позволяет полностью прекратить поступление вредных веществ в биосферу. К тому же строительство их обходится весьма дорого. В этой связи указанные отходы как углеводсодержащее сырье могут быть весьма эффективно использованы в биотехнологии добычи нефти в процессе питательного заводнения пластов.

Ценным сырьем для питательного заводнения нефтяных пластов могут являться отходы при производстве пекарских дрожжей, в частности дрожжевая бражка. В настоящее время пекарские дрожжи во всем мире получают путем культивирования дрожжей из рода Сахаромицес на сахарной мелассе. По окончании выращивания дрожжей путем сепарирования их отделяют из бражки в виде дрожжевого концентрата, а бражку спускают в канализацию. В то же время в этой бражке содержатся сухие вещества, в состав которых входят железо, фосфор, калий и азот. Бражка и промывные воды после сепарации являются отходом производства. Количество промывных вод составляет примерно 70 м3 на 1 т прессованных дрожжей. В этих водах содержатся дрожжевые клетки в виде взвешенных коллоидов (примерно 1,4%), а также растворимые вещества в количестве около 280 кг на 1 т прессованных дрожжей. Состав отходящих вод после сепарирования приведен в табл. 19. Как видно, наличие в составе дрожжевой бражки органических веществ, солей азота, калия, фосфора делает возможным использование этих вод в составе композиций в качестве источника минеральных соединений в биотехнологии нефтедобычи. Использование дрожжевой бражки целесообразно в регионах, где производство дрожжей территориально близко расположено к месторождению нефти, например в Баку (Апшеронские месторождения).

Таблица 19

Состав дрожжевой бражки

Показатели

После 1-го сепарирования

После 2-го сепарирования

Взвешенные вещества

135,6

Нет

При прокаливании

20,0

Нет

Удельный вес

1,008

1,001

Растворимые вещества

9000

2100

То же после прокаливания

3800

900

Железо

45,0

11,4

Р20,

90,0

32,0

Калий

1269,0

76,0

Общий азот

400,0

75,0

В качестве субстратов, предназначенных для закупорки высокопроницаемых пропластков, могут быть использованы сырые осадки первичных отстойников. Их преимущество перед субстратами, в том числе мелассой или сывороткой, - дешевизна. Наряду с этим они содержат достаточно высокое количество органических и неорганических соединений, обеспечивающих продуцирование газов и других продуктов брожения. Сырой осадок первичных отстойников образуется на этапе механической очистки сточных вод и представляет собой суспензию серого или светло-коричневого цвета с кисловатым запахом. Влажность сырых осадков составляет 80-95%. Состав сырого осадка из первичных отстойников приведен в табл. 20.

Таблица 20

Химический состав сырого осадка первичных отстойников

Компоненты

Содержание,

% к СВ

Сырой протеин

23,0

Углеводы

55,0

Жиры

12,0

Зольные элементы

9,0

Поверхностно-активные вещества

1,0

Влажность

93,0

Наличие в составе сырых осадков ПАВ делает их особо ценными для биотехнологии нефтедобычи. Ресурсы сырых осадков первичных отстойников достаточно велики. При переработке в день 400-500 тыс. м3 бытовых сточных вод образуется 2000-2500 т сырых осадков при влажности 95%.

Активный ил представляет для биотехнологии нефтедобычи особый интерес с разных точек зрения. Во-первых, избыточный активный ил по своему качественному составу (численности и разнообразию микроорганизмов и биологически активных соединений) представляет интерес как источник большого разнообразия микроорганизмов различных физиологических групп. Закачивая избыточный активный ил в нефтяной пласт, можно за короткий период времени создать в нем биофильтр, активно перерабатывающий органические соединения в нефтевытесняющие агенты. Активный ил образуется при длительной аэрации бытовых и производственных вод и представляет собой среду обитания микроорганизмов, образующих сложный биоценоз, основными представителями которого являются микроорганизмы, осуществляющие биохимические процессы разложения органических веществ - безазотистых и азотсодержащих соединений, гидролиз белков, углеводородов, жиров, органических кислот и др. Численность микроорганизмов в активном иле достигает 108-1012 кл/мл. В 1 м3 активного ила содержится 2*1014 клеток микроорганизмов. Состав основной группы бактерий, составляющих биоценоз активного ила, следующий:

  • • псевдомонады - 50-60%;
  • • бациллы - 10—35%;
  • • микрококки - 5-10%.

Численность грибов и дрожжей не превышает 1-2%. Сухое вещество активного ила содержит от 70 до 90% органических и 10-30% неорганических веществ.

Во-вторых, использование избыточного активного ила в биотехнологии нефтедобычи - это решение важной экологической задачи, связанной с их утилизацией. Достаточно отметить, что в 1985 г. в Канаде планировалось сжечь 350 тыс. т ила.

На обычной установке биологической очистки сточных вод 50-75% органических веществ, содержащихся в сточной воде, используются микроорганизмами активного ила для размножения (прироста ила). В связи с этим ресурсы активного ила во всех странах достаточно велики, они непрерывно возобновляются и могут быть использованы:

  • • как источник микроорганизмов различных физиологических групп;
  • • как органическое сырье для анаэробного сбраживания (в композиции с другими углеводными субстратами) не в метантенках, а непосредственно в нефтяном пласте для продуцирования биогаза в качестве нефтевытесняющего агента.

Образование избыточного активного ила (кг сух. веществ/кг снятой БПК5) в аэротенках при очистке сточных вод составляет:

Сточные воды:

Бытовые (полная очистка).......................................0,7

Бытовые (частичная очистка).................................1,2-1,4

Сахарных заводов.....................................................0,65

Пивоваренных заводов ...........................................0,60

Бумажных фабрик ...................................................0,50

Текстильных фабрик...............................................0,45

Нефтехимических предприятий.............................0,45

Химико-фармацептических предприятий............0,35

Нефтеперерабатывающих предприятий..............0,30

Кокосохимических предприятий.......................0,20

Только на Гоусанинской аэраторной станции г. Баку (Азербайджанская Республика), очищающей ежедневно около 600 000 м3 бытовых и производственных сточных вод во вторичных отстойниках накапливается до 40 т (сухой вес) избыточного активного ила.

Количество биогаза, которое можно получить из активного ила, значительно. Максимально возможное сбраживание активного ила - 44%. Количество газа, получаемого при сбраживании, равно 0,8-1,0 кг на 1 кг распавшегося беззольного вещества. При содержании в 1 м3 активного ила 40 кг сухого вещества, или 28 кг беззольного вещества выход газа составит при мезофильном режиме 11,2 кг, или 11,2 м3 на 1 м3 сбраживаемого избыточного активного ила.

Пластовая вода, омывающая призабойный биофильтр, в процессе массообмена насыщается продуктами микробного разложения органических веществ - биоПАВ, биополимерами и др. соединениями и приобретает определенные реологические свойства. Для биологических процессов наиболее важным параметром является вязкость жидкостей -пластовой воды или культуральных жидкостей. Она определяется как мера внутреннего трения в жидкости, и в условиях ламинарного потока равна отношению напряжения сдвига к соответствующей скорости сдвига, т.е.

Т=Ц

с1и

сф где Т- напряжение сдвига, ц- вязкость жидкости, с/и/Ду - скорость сдвига, выраженная через градиент скорости в жидкости. Так, вязкость воды при температуре 25°С не превышает 0,895 мПа-с., снижается с повышением температуры и растет с увеличением содержания в ней СО2. Вязкость молочной сыворотки по сравнению с водой значительно выше и равна 1,55-1,66 мПа-с.

Жидкость, вязкость которой при постоянном давлении и температуре постоянна и не зависит от скорости сдвига, называют ньютоновской. Свойствами ньютоновской жидкости обладают многие гомогенные жидкости. Однако пластовые флюиды, в которых интенсивно протекают микробиологические процессы и при этом выделяются биополимеры, в определенной степени теряют свойство гомогенности. Не являются гомогенными молочная сыворотка, избыточно активный ил или другие культуральные жидкости, использующиеся в биотехнологиях воздействия на нефтяные пласты. Подобные жидкости, у которых вязкость меняется с изменением скорости сдвига, называются неныотоновскими, псевдопластическими жидкостями. Например, хорошо известно, что сгущенный активный ил обладает особыми, выраженными неныотоновскими свойствами.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>