CC BY
38
УДК 622.276.64.58
ВЛИЯНИЕ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ПАВ НА БИОДЕСТРУКЦИЮ ВЯЗКИХ ПАРАФИНИСТЫХ НЕФТЕЙ
Д.А. Филатов, В.С. Овсянникова, Л.К. Алтунина, Л.И. Сваровская
ФГБУН Институт химии нефти Сибирского отделения Российской академии наук, Российская Федерация, 634021, г. Томск, пр. Академический, 4, filatov@ipc.tsc.ru.
Исследовано влияние композиций ПАВ на рост и ферментативную активность углеводородокис-ляющей микрофлоры месторождений вязких парафинистых нефтей. Усиленный рост микрофлоры (на 3-4 порядка) сопровождался повышением в 3-14 раз активности окислительно-восстановительных ферментов. После биодеградации в составе вязких парафинистых нефтей накапливались промежуточные продукты окисления УВ - кислоты, альдегиды, спирты, кетоны, эфиры, - обладающие поверхностно-активными свойствами, которые эмульгирует нефть и могут способствовать снижению межфазного натяжения в системе нефть - вода - порода. Ил. 4. Табл. 4. Библиогр. 9 назв.
Ключевые слова: методы увеличения нефтеотдачи, углеводородокисляющая микрофлора, нефте-вытесняющие композиции, биодеградация.
THE EFFECT OF SURFACTANT-BASED SYSTEMS ON BIODESTRUCTION OF VISCOUS WAXY OILS
D.A. Filatov, V.S. Ovsyannikova, L.K. Altunina, L.I. Svarovskaya
Institute of Petroleum Chemistry SB RAS,
4, Akademichesky Ave., Tomsk, 634021, Russia, filatov@ipc.tsc.ru.
The effect of surfactant systems on the growth and enzymatic activity of hydrocarbon-oxidizing microflora has been studied using viscous and waxy oils. The intensified growth of the microflora (by 3-4 orders of magnitude) was associated with increased activity (3-14 times) of redox enzymes. Intermediate products of hydrocarbons oxidation - acids, aldehydes, alcohols, k etones and esters - were accumulated in the viscous and waxy oils after biodegradation. The products possess surface-active properties which emulsify oil and can reduce the interfacial tension in the system oil - water - rock . 4 figures. 4 tables. 9 sources.
Keywords: EOR methods, hydrocarbon-oxidizing microflora, oil-displacing systems, biodegradation.
ВВЕДЕНИЕ
Характерной особенностью мировой структуры сырьевых углеводородных ресурсов является увеличение доли трудноизвлекаемых запасов, к которым относятся тяжелые и высоковяз-
кие нефти. Их запасы значительно превышают запасы легких и маловязких нефтей и, по оценкам специалистов, составляют не менее 1 трлн. т [1]. В промышленно развитых странах
вязкие нефти рассматривают не столько как резерв добычи нефти, сколько в качестве основной базы ее развития на ближайшие годы. В России доля трудноизвлекаемых нефтей составляет около 55 % от всего объема разведанных запасов [2].
В Институте химии нефти СО РАН разработаны нефтевытесняющие композиции на основе ПАВ. Композиции, обладая высокими моющими свойствами, позволяют увеличить добычу нефти на 15-20%, а при многократном разбавлении служат азотсодержащим минеральным субстратом для роста пластовой микрофлоры [3].
Микроорганизмы нефтяного пласта способны существовать в широком диапазоне температур и давлений, вырабатывать продукты метаболизма с поверхностно-активными свойствами: спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, эфиры, биополимеры и газообразные продукты, снижающие вязкость нефти и межфазное натяжение на границе раздела фаз: нефть-вода-порода. Дополнительная добыча нефти, связанная с активностью углеводородокисляющей пластовой микрофлоры, может достигать 5-7% [4].
В связи с этим для повышения коэффициента нефтевытеснения залежей вязких парафини-стых нефтей как на ранней, так и на поздней стадии разработки возможно применение комплексного физико-химического и микробиологического метода, являющегося перспективным, экономически выгодным и экологически чистым.
Цель исследования: изучение биодеградации вязких парафинистых нефтей Майского, Фестивального месторождений и Ландау аборигенной пластовой микрофлоры с применением нефтевытесняющих композиций разного состава.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объектами исследования являлись вязкие парафинистые нефти месторождений Майское и Фестивальное (Западная Сибирь, Россия) и Ландау (Германия) (табл. 1).
Биодеградацию нефтей исследовали в лабораторных условиях при периодическом культивировании в жидкой минеральной среде Раймонда [5]. Опыт проводили в эксикаторах объемом 1000 мл, объем питательной среды составлял 300 мл, нефть изучаемых месторождений вносили из расчета 3% (по объему). Композиции
вносили в концентрации 0,5% (по объему). В каждый эксикатор вносили 5 мл пластовой воды, содержащую аборигенную микрофлору соответствующего месторождения.
Для проведения эксперимента применяли нефтевытесняющие композиции ИХН-КА и НИНКА, разработанные в ИХН СО РАН [6]. В таблице 2 приведен состав композиций.
В ходе опыта определяли изменение численности и ферментативной активности микрофлоры. Общую численность аборигенной пластовой микрофлоры определяли методом посева на мясо-пептонный агар (МПА) [7]. Родовую принадлежность микроорганизмов определяли с помощью микроскопа Axiostar +, фирмы Карл Цейс.
Активность каталазы определяли газометрическим методом, дегидрогеназы, пероксидазы, полифенолоксидазы и уреазы - фотоколориметрическим методом [8].
Продолжительность эксперимента составляла 30 суток при температуре 18-20 °С.
После биодеградации остаточную нефть экстрагировали из культуральной среды в делительной воронке хлороформом, растворитель удаляли на вакуумном роторном испарителе.
Изменение структурного состава нефтей исследовали методом ИК-спектроскопии на приборе Фурье NIKOLET 5700 (FT-IR). Число сканов пробы: 64, длительность измерения: 76,5 с, разрешение 4000, уровень интерполяции - 0. Спектры снимались в диапазоне от 400 до 4000 см [9]. ЯМР-спектры снимали на спектрофотометре Фурье AVANCE 300 (300 MT3), фирма Bruker (Германия). Растворитель - дейтерохлороформ [9].
Изменение молекулярно-массового распределения (ММР) н-алканов и алифатических изо-преноидных углеводородов (УВ) анализировали методом газожидкостной хроматографии на модифицированном хроматографе ЛХМ-8. Газ-носитель - пары воды, кварцевая капиллярная колонка с неподвижной фазой SE-30. Длина колонки 30 м, внутренний диаметр 0,25 мм, толщина фазы - 0,4 мкм. Минимальная используемая температура 130 °С [10].
Повторность измерений в экспериментах трехкратная, представленные результаты отражают усредненные величины.
Таблица 1
Физико-химические свойства исследуемых нефтей
Параметр, размерность Месторождение
Майское Фестивальное Ландау
Плотность, кг/м3, при 20 °С 799,0 894,0 835,8
Вязкость, мПас, при 20 °С 2884 5243 13038
Температура застывания, °С 19,5 25,5 27,0
Состав нефти; %
парафины 9,40 15,31 13,27
смолы 1,20 6,50 —
асфальтены 0,15 1,05 0,69
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Пластовая микрофлора Майского месторождения насчитывала 40-45 тыс. клет/мл, Фестивального - 30-35 тыс. клет/мл, Ландау - 2025 тыс. клет/мл. Разнообразие микроорганизмов Майского месторождения представлено родами Bacillus, Pseudomonas, Arthrobacter и Micrococcus. Доминировали представители рода Bacillus. На месторождениях Фестивальное и Ландау углеводородокисляющая микрофлора (УОМ) представлена, в основном, видами, относящимися к роду Bacillus.
Рост пластовой микрофлоры в присутствии нефти представлял собой классическую S-образную кривую с лаг-фазой на 0-3 сутки и фазой экспоненциального роста на 5-12 сутки, максимальная численность составляла 4,5-5,9 млн. клет/мл (рис. 1, а).
Моющие композиции в концентрации 0,5% стимулировали рост пластовой микрофлоры на 2 порядка по сравнению с контролем: так, максимальная численность в присутствии композиции ИХН-КА составила 2800-4300 млн. клет/мл (рис. 1, б), в присутствии композиции НИНКА -1800-3900 млн. клет/мл (рис. 1, в).
Кроме того, показано влияние вязкости исследуемой нефти на численность микрофлоры: максимальный прирост биомассы отмечен при биодеградации нефти Майского месторождения (вязкость 2884 мПас), минимальный - при биодеградации нефти месторождения Ландау (вязкость 13038 мПас, что в 2,5 раза выше вязкости нефти месторождения Фестивальное). Возможно, высокая вязкость препятствует эмульгированию нефти в воде, что снижает площадь поверх-
Состав нефтев
ности ее контакта с микрофлорой, т. е. доступность к окислению.
О процессах окисления УВ нефти можно косвенно судить по изменению активности ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные процессы (рис. 2).
Важнейшими и широко распространенными у микроорганизмов-деструкторов нефти являются ферменты дегидрогеназы, характеризующие общую метаболическую активность микрофлоры и принимающие непосредственное участие в разложении УВ (н-алканов), и каталазы, осуществляющие распад различных перекисей, выделяющийся при этом высокоактивный кислород участвует в цепи реакций окисления УВ.
Каталазная активность пластовой микрофлоры под влиянием композиций ПАВ увеличивается в 4,5-5 раз относительно контроля (рис. 2, Каталаза).
Активность дегидрогеназы в контроле не превышала 0,08-0,09 мг ТФФ/мл для всех исследованных нефтей, а с внесением композиций возрастала в 2,5-3 раза (рис. 2, Дегидрогеназа).
Основными оксидоредуктазами, катализирующими процесс превращения органических соединений ароматического ряда, являются по-лифенолоксидазы и пероксидаза. Биодеградация исследуемых нефтей сопровождалась увеличением их активности, что говорит об утилизации аренов. В присутствии нефтевытесняющих композиций активность данных ферментов была выше контроля в 4-13 раз, что соответствовало 0,38-0,45 мг хинона/мл и 0,93-1,11 мг хинона/мл (рис. 2, Пероксидаза, полифенолоксидаза).
Таблица 2
Композиция Нитрат аммония, % Карбамид,% Неонол АФ9-12, % Волгонат, % Вода, %
НИНКА 16,0 32,5 1,0 0,5 50,0
ИХН-КА 14,3 28,6 7,1 - 50,0
0 10 20 30 0 10 20 30 0 10 20 30
Сутки Сутки Сугеи
Рис. 1. Динамика численности микроорганизмов при биодеградации вязких парафинистых нефтей в жидкой среде (а) с внесением моющих композиций ИХН-КА (б) и НИНКА (в):
1 - нефть Майского месторождения; 2 - нефть Фестивального месторождения; 3 - нефть месторождения Ландау
10
20 30
Сутки
ч 12 1 б ^ I12
.2 10 - \ ^3 010
О \ ч
ч 2
2 8 - 8
6 - 6
4 - 4
2 - 2
0 4 < 0
10 20 Каталаза
Сутки
30
10
20 30
Сутки
ч 0.3 2
0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
|1.2 й
® 1 о 1 я
* 0.8
0.6 0.4 0.2 0
-о-1 2
^3
10
20 30
Сутки
10
20 30
Сутки
§ 03
§■0.25 Н 2 0.2
0.15
0.1
0.05
0
2 0.45
Я 0.4 о
3 0.35 К
и 0.3 ^ 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
10
20 Сутки 30
Дегидрогеназа
10
20
Сутки
30
Пероксидаза
10
20 „ 30 Сутки
10
20 30
Сутки
Полифенолоксидаза
10
20 „ 30 Сутки
0.5
0.45 0.4 § 0.35 2 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
| 1.2 й
® 1 о 1 я
* 0.8
0.6 0.4 0.2 0
10
20
Сутки
30
-о-1 2
^3
10
20
Сутки
30
Рис. 2. Динамика ферментативной активности при биодеградации вязких парафинистых нефтей в жидкой среде (1) с композициями ИХН-КА (2) и НИНКА (3):
нефти месторождений: Майского (а), Фестивального (б), Ландау (в)
Уреаза - это фермент цикла азота, который осуществляет гидролиз карбамида до аммония, переводя азот в доступную для микроорганизмов форму. Композиции, содержащие в своем соста-
ве карбамид, стимулировали уреазную активность микрофлоры в 5-8 раз по сравнению с контролем, что соответствовало выделению 0,51-0,57 мг аммиака/мл (рис. 3).
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
|0-6
|0.5
2 0.4 0.3 0.2 0.1
0
ч 0.6
2
Я 0.5
*
-о- 1 и а 0.4
^г3 0.3
0.2
0.1
0
§ а6
я °.5
и
2 0.4
^ 1
0.3
0.2
-о 0.1
-^ 0
10
20 30
Сутки
10
20 30
Сутки
10
20 „ 30 Сутки
Рис. 3. Динамика уреазной активности при биодеградации вязких парафинистых нефтей в жидкой
среде (1) с композициями ИХН-КА (2) и НИНКА (3):
нефти месторождений: Майского (а), Фестивального (б), Ландау (в)
Рост численности и ферментативной активности микроорганизмов сопровождался глубокой биодеструкцией исследуемых нефтей, что подтверждается методами ИК-спектроскопии, ГЖХ и ЯМР.
Изменение структурно-группового состава нефтей при биодеградации оценивали методом ИК-спектроскопии по четырем спектральным коэффициентам. С1 характеризует отношение ароматических соединений к н-парафинам, С3 -отношение групп СН2 к СН3, коэффициенты окисленности С = О/С-С и С = О/СН3 говорят о наличии кислородсодержащих соединений -карбоновых кислот, альдегидов, кетонов, сложных эфиров и др., которые являются промежуточными продуктами окисления н-парафинов и обладают поверхностно-активными свойствами.
По данным ИК-спектроскопии при биодеградации в нефтях уменьшается доля н-алканов по отношению к ароматическим УВ (С1), уменьшается алифатичность (С3) и увеличивается доля кислородсодержащих соединений (табл. 3).
Более заметный эффект на биоокислительные процессы оказала композиция ИХН-КА: в нефти Майского месторождения коэффициенты окисленности С=О/С=С и С=0/СН3 были выше контроля в 12 и 6 раз, в нефти месторождения Фестивальное в 7 и 8 раз, в нефти месторождения Ландау в 3,5 и 4,4 раза соответственно.
Кроме того, появились дополнительные полосы поглощения в области 1735 и 3350 см-1, относящиеся к карбонильным и гидроксильным группам. Перечисленные изменения отмечены для всех исследуемых нефтей, но в присутствии нефтевытесняющих композиций выражены более значительно.
По данным ЯМР, после биодеградации всех нефтей отмечено относительное увеличение ароматических (А) и кислородсодержащих компонентов, входящих в область (а), а также снижение средней длины алифатической цепи (1), рассчитанной из соотношения 1 = На + Нр + ^ /На (табл. 4).
Таблица 3
Изменение структурно-группового состава вязких парафинистых нефтей при биодеструкции с применением нефтевытесняющих композиций ИХН-КА и НИНКА
Месторож-дение Образец нефти Спектральные коэффициенты
С1 - D1610/D720 С3 - D720/D1380 С - О/С - С D171o/D161o С - С/СНэ ^1170/31380)
Майское исходная 0,13 0,94 0,02 0,01
контроль 0,18 0,70 0,32 0,15
ИХН-КА 1,30 0,32 3,90 0,89
НИНКА 1,20 0,33 3,80 0,82
Фестивальное исходная 0,16 0,82 0,03 0,01
контроль 0,31 0,57 0,45 0,12
ИХН-КА 1,40 0,21 3,30 0,95
НИНКА 1,30 0,20 3,10 0,91
Ландау исходная 0,47 0,45 0,01 0,01
контроль 0,52 0,39 0,41 0,21
ИХН-КА 2,20 0,20 3,10 0,92
НИНКА 2,10 0,18 2,90 0,91
а
0
0
0
Таблица 4
Распределение водорода по структурным группам нефти до и после биодеструкции
по данным ЯМР1Н
Месторождение Образец нефти Длина алифатической цепи (1) Содержание водорода, %
А а в У
Майское исходная 40,10 1,57 2,45 69,25 26,72
контроль 31,49 1,97 3,10 75,01 19,84
ИХН-КА 18,59 2,90 5,16 72,10 19,82
НИНКА 18,81 2,98 5,12 72,20 19,68
Фестивальное исходная 65,90 0,78 1,50 74,16 23,55
контроль 42,60 1,66 2,30 76,55 19,40
ИХН-КА 17,11 2,45 5,63 70,60 21,24
НИНКА 17,32 2,53 5,51 70,30 21,49
Ландау исходная 34,25 1,05 2,07 70,05 26,83
контроль 23,97 1,34 2,41 71,50 24,71
ИХН-КА 10,62 2,23 4,86 72,65 20,01
НИНКА 10,75 2,27 4,82 72,75 20,11
Рис. 4. Изменение ММР н-алканов нефти месторождения Ландау (а) после биодеградации пластовой микрофлорой (б) с композицией НИНКА (в) и ИХН-КА (г)
В контроле без моющих композиций длина цепи уменьшалась на 20-30 %, в опыте - на 5474 %. Это свидетельствует о том, что под влиянием композиций микроорганизмы утилизировали как короткие, так и длинноцепочечные н-алканы (табл. 4). Так, длина алифатической цепи после биодеградации нефти Майского месторождения с композицией НИНКА уменьшилась в 2,15 раза, с композицией ИХН-КА - в 2,2 раза; после биодеструкци нефти Фестивального месторождения с композицией НИНКА - в 3,8 раза, с композицией ИХН-КА - в 3,85 раза; после биодеструкции нефти месторождения Ландау с композицией НИНКА - в 3,18 раза, с композицией ИХН-КА - в 3,22 раза.
Значительная утилизация н-алканов после биодеградации под влиянием композиций ИХН-КА и НИНКА подтверждается данными ГЖХ (рис. 4). Исходное ММР н-алканов нефти месторождения Ландау характеризуется бимодальным распределением с максимумами С14 и С20 (рис., 4, а). После биодеградации пластовой микрофлорой форма ММР менялась (рис. 4, б), в присутствии моющих композиций н-алканы практически не определялись вследствие глубокого микробиологического окисления (рис. 4, в, г). Хроматограммы н-алканов нефтей месторождения Фестивальное и Майское не приводятся, но для них отмечены такие же изменения.
Вероятно, компоненты нефтевытесняющих композиций (карбамид, селитра) служат источником азотного питания для микроорганизмов, поверхностно-активные вещества, входящие в состав композиций и образующиеся в результате процесса биохимического окисления УВ, эмульгируют нефть, увеличивая поверхность контакта бактерий и УВ нефти.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показано, что в пластовых флюидах месторождений Майское, Фестивальное и Ландау содержится микрофлора численностью 20-45 тыс. клет/мл, принадлежащая к родам Bacillus, Pseudomonas, Arthrobacter и Micrococcus. Аборигенная пластовая микрофлора способна окислять нефтяные УВ с образованием промежуточных продуктов метаболизма, обладающих поверхностно-активными свойствами, способствующих десорбции нефти с пористой породы пласта. Биодеградация вязких парафинистых нефтей сопровождается снижением али-фатичности, увеличением разветвленности, ароматичности и окисленности.
Композиции ИХН-КА и НИНКА стимулируют рост численности микрофлоры на 3-4 порядка, а ферментативной активности - в 4-13 раз. Это сопровождается значительными изменениями структурно-группового и индивидуального УВ состава нефтей: по данным ИК-спектроскопии, алифатичность снижается в 2,0-2,5 раза, окисленность возрастает в 3,5-12,0 раз; по данным ЯМР, средняя длина алифатической цепи снижается в 2,15-3,85 раз; по данным ГЖХ, элиминируют н-алканы.
Результаты исследования могут быть использованы для создания комплексного физико-химического и микробиологического метода увеличения нефтеотдачи, который имеет перспективы на обводненных месторождениях, содержащих углеводородокисляющую микрофлору.
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта V 39.3.1, выполняемого в рамках программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008-2012 годы.
1. Полищук Ю.М., Ященко И.Г. Высоковязкие нефти: анализ пространственых и временных изменений физико-химических свойств // Нефтегазовое дело. 2005. Вып. 1.
2. Антониади Д.Г., Валуйский АА, Гарушев АР. Состояние добычи нефти методами повышения нефтеизвлечения в общем объеме мировой добычии // Нефтяное хозяйство. 1999. № 1. С.16-23.
3. Алтунина Л.К., Кувшинов В.А, Ширгазин Р.Г., Силин М.А Комплексная технология увеличения нефтеотдачи гелеобразующими и нефтевытесняющими композициями. Материалы V международной конференции «Химия нефти и газа».Томск : Изд-во ИОА СО РАН, 2003. С.191-194.
4. Алтунина Л.К., Сваровская Л.И., Овсянникова В.С. Перспективы применения комплексного физико-химического и микробиологического метода повыше-
СКИЙ СПИСОК
ния нефтеотдачи на месторождении Белый Тигр (Вьетнам) // Нефтехимия. 2008. Т. 48. № 6. С. 474-478.
5. Романенко В.И., Кузнецов С.И. Экология микроорганизмов пресных водоемов. Ленинград : Наука, 1974. 270 с.
6. Методы общей бактериологии. Пер. с англ. под ред. Ф. Герхарда. М. : Мир. 1983. 536 с.
7. Хазиев Ф.Х. Ферментативная активность почв. М.: Наука, 1967. 180 с.
8. Сваровская Л.И, Филатов Д.А, Гэрэлмаа Т., Алтунина Л.К. Оценка степени биодеструкции нефти методами ИК- и ЯМР 1Н-спектроскопии // Нефтехимия. 2009. Т. 49. № 2. С. 153-158.
9. Чуйкин АВ. Григорьев С.В., Великов АА Твердофазная микроэкстракция и хроматография водных образцов ароматических соединений // Журнал физической химии. 2006. Т. 80. № 2. С. 377-379.
Поступило в редакцию 30 апреля 2012 г
