Биодеструкция полимерных реагентов, используемых для...

II квартал 372002№ 4ÇÇ ÖÖ ëë íí çç àà ää àà çç ÜÜ àà çç àà êê àà çç ÉÉ éé ÇÇ éé ÉÉ éé ññ ÖÖ çç íí êê ÄÄ ûû ää éé ëë

В связи с тем, что большинство отечественных месторождений

находятся в длительной эксплуатации и постепенно переходят из высо-

копродуктивной стадии в период падающей добычи, стало возрастать

значение различных технологий повышения нефтеотдачи пластов

(ПНП). В настоящее время в России среди современных методов ПНП

постоянно увеличивается роль технологий увеличения нефтеотдачи с

применением полимерных реагентов, и соответственно ежегодно рас-

тут объемы промышленного использования таких реагентов.

Применение биологических ПАВ и биополимеров микробиологиче-

ского происхождения для повышения нефтеотдачи является сравни-

тельно новым направлением в научных исследованиях и технологиче-

ских разработках последних лет [1-3]. Обладая ценными эксплуатаци-

онными свойствами (гелеобразующими, псевдопластичными, нефтеэ-

мульгирующими и др.), биополимеры имеют существенный недоста-

ток — высокую подверженность биодеградации, которая в условиях,

благоприятных для развития микроорганизмов-деструкторов, может

осуществляться в течение нескольких суток, что значительно снижает

эффективность применения биополимеров. В литературе, посвящен-

ной биодеструкции и биоцидной защите химреагентов в условиях за-

водняемого нефтяного пласта (Праздникова З.Ф., Хазипов Р.Х., Га-

рейшина А.З.), к сожалению, отсутствуют работы методического ха-

рактера, позволяющие унифицировать тест-испытания реагентов в

микробных субстратах и объективно сравнить биостойкость химреа-

гентов различной природы и структуры. В связи с этим систематиче-

ское изучение микробиологической деструкции полимерных реаген-

тов и разработка способов повышения их биостойкости представляют

актуальную задачу.

Целью настоящей работы было изучение в длительном лабораторном

опыте динамики биодеструкции и оценка биостойкости полимерных

реагентов (полиакриламида марки Sedipur, метилцеллюлозы МЦ-100,

карбоксиметилцеллюлозы Finfix HC, полианионной целлюлозы Staflo

Regular, ксантанового биополимера Kem X), широко применяющихся в

практике нефтедобычи.

Методика модельного экспериментаВ качестве источников биозаражения исследуемых водных

растворов полимеров (с содержанием последних в массовых долях

0,2-0,5%) были использованы образцы воды, отобранной из системы

очистки КНС, подтоварная вода и искусственно приготовленный сме-

шанный образец из нескольких проб пластовой воды, бурового рас-

твора, образцов сырой нефти, почвы и др., содержащий поливидовые

микробные ассоциации с «гарантированной» деструктивной активно-

стью и именуемый в дальнейшем «инокулят».

После тщательного перемешивания с помощью лабораторной мешал-

ки растворы были простерилизованы в автоклаве при 0,5 атм в течение

30-40 минут для удаления бактерий — деструкторов, которые могли

содержаться в образцах полимеров.

Стерильные растворы исследуемых полимеров в 0,1 М фосфатном бу-

фере, рН=6,8, в количестве 450 мл были помещены в 0,5-литровые со-

суды из ПЭТФ с завинчивающимися пластиковыми пробками, после че-

го в качестве инфицирующего материала соответственно вариантам

опыта в них вносили по 50 мл проб: 1) подтоварной воды, 2) воды из си-

стемы КНС и 3) искусственно обогащенного инокулята, разбавленного

1 : 10. Инокулированные растворы полимеров помещали в термостат и

выдерживали в течение 12-16 недель при двух температурных режимах

(25°С и 60°С).

Условия инкубирования не были строго анаэробными, так как доступ

кислорода был возможен за счет диффузии газа через стенку пласти-

кового сосуда, т.е. конкретные условия эксперимента допускали раз-

витие как факультативно анаэробной, так и факультативно аэробной

микрофлоры.

Доза инокулята после внесения соответствующих объемов подтовар-

ной воды и воды из системы КНС составила примерно 1х106 колоние-

образующих единиц (КОЕ) на 1 сосуд для первых двух вариантов опы-

та и ˜5х106 КОЕ для варианта 3.

Изменение вязкости образцов в процессе инкубации определяли с по-

мощью капиллярного вискозиметра ВПЖ-4 с диаметром капилляра

D=1,12. На графиках представлено изменение вязкости полимерных

растворов в процентном выражении от возможного.

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 ПОЛИМЕРНЫХРЕАГЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ

1100

101

102

103

104

105

106

107

2 3 4 5 6 7 8�èï ïèòàòåëüíîé ñðåäû

�èñëî ìèêðîîðãàíèçìîâ, ��/ìë

�îäòîâàðíàß âîäà

�îäà èç ��

�íîêóëßò

Численность микроорганизмов в образцах, использованных для инфицирования растворов исследуемых полимерных реагентов

Ри

с.1

ukos 11++ 5/21/02 17:25 Page 37

БИОДЕСТРУКЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ РЕАГЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ

II квартал38 2002 № 4 ÇÇ ÖÖ ëë íí çç àà ää àà çç ÜÜ àà çç àà êê àà çç ÉÉ éé ÇÇ éé ÉÉ éé ññ ÖÖ çç íí êê ÄÄ ûû ää éé ëë

Динамика биодеструкции полимеровРезультаты непосредственных измерений для каждой серии

опытов показаны в координатах (абсолютное значение вязкости,

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

опытов, дополнительно рассчитывали относительные изменения, вы-

раженные в % уменьшения вязкости (С%) по отношению к исходному

показателю:

где: ηдин. — значения вязкости, полученные в динамике,

η Н20 — вязкость воды,

ηисх — исходная вязкость раствора полимера, измерен-

ная в начале опыта (контроль).

Предварительный микробиологический анализ проб подтоварной во-

ды и воды из системы КНС, проведенный с целью определения степе-

ни их естественной бактериальной зараженности и наличия потенци-

альных деструкторов полимерных реагентов, выявил несущественные

различия исследуемых образцов по показателям численности основ-

ных физиологических групп микроорганизмов, среди которых домини-

ровали бактерии, использующие азот органических источников (Рис.1).

В пробе воды из системы КНС отмечена невысокая численность угле-

водородокисляющих бактерий ( ˜ 1*103 КОЕ в 1 мл). Деструкторы КМЦ

и биополимера ксантана в исследуемых образцах воды в отличие от

искусственно обогащенного микроорганизмами инокулята методом

прямого высева не были обнаружены.

Результаты длительного модельного опыта показали, что все исследо-

ванные полимеры были подвержены биодеструкции, степень которой

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 зараже-

ния, а также в разных температурных режимах (25°С и 60°С), имелись

определенные различия (Рис.2).

При этом очевидно, что в пробах подтоварной воды и воды из КНС со-

держится лишь небольшое число микроорганизмов, адаптированных к

развитию при высокой температуре и способных синтезировать фер-

менты, разрушающие ксантан. Вместе с тем полученные результаты не

исключают вероятности развития бактерий, деградирующих ксантан

при температуре 60°С и выше. В проведенных опытах даже с неадапти-

рованным к ксантану инокулятом степень деструкции этого полимера

достигала 90%.

Низкая биостойкость ксантана обусловлена следующими факторами:

• ксантан — это природный полисахарид, синтезируемый микроорга-

низмами, 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

качестве источника углерода и энергии, т.е. самой эволюцией предо-

пределено существование множественных форм бактерий, способ-

ных к деструкции ксантана;

• ксантан относится к полисахаридам, имеющим нерегулярное строе-

ние, состоит из звеньев, соединенных различными типами связей и,

соответственно, подвержен действию не одного (как в случае с цел-

люлозой, в молекуле которой остатки глюкозы соединены бета-1-4

гликозидными связями), а многих типов ферментов, которые в свою

20

�êñïîçèöèß, ñóò



�íîêóëßò

0

0

20

40

60

80

100

120

�àäåíèå âßçêîñòè, %

40 60 80 100

20




�íîêóëßò

0

0

20

40

60

80

100


40 60 80 100 120

Динамика микробиологической деструкции биополимера ксантана

Ри

с.2

20




�íîêóëßò

00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140


40 60 80 100

20




�íîêóëßò

0

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190


40 60 80 100 120

Динамика биодеградации метилцеллюлозы

Ри

с.3

ukos 11++ 5/21/02 17:26 Page 38

II квартал 392002№ 4


ÇÇ ÖÖ ëë íí çç àà ää àà çç ÜÜ àà çç àà êê àà çç ÉÉ éé ÇÇ éé ÉÉ éé ññ ÖÖ çç íí êê ÄÄ ûû ää éé ëë

очередь могут быть синтезированы микроорганизмами самых раз-

личных таксономических групп, т.е. это мишень, атакуемая с самых

разных сторон.

Несколько парадоксальными оказались результаты изучения динами-

ки изменения вязкости растворов метилцеллюлозы. Данные, получен-

ные в процессе изучения биодеструкци метилцеллюлозы марки МЦ-

100, показаны на Рис.3. Из рисунка видно, что в двух случаях опыта,

проведенного при 25°С, вязкость не уменьшалась, а наоборот, суще-

ственно возрастала. По-видимому, в процессе трансформации этого

соединения происходит не деполимеризация, а изменение структуры

функциональных групп самих глюкозных остатков в цепи этого поли-

мера (целлюлозы). Можно также предположить окисление метильных

групп заместителей с образованием карбоксильных, т.е. трансформа-

цию метилцеллюлозы в аналог КМЦ. И хотя в некоторых случаях сте-

пень деградации, определяемая по относительной вязкости, достига-

ла 30-50%, очевидно, что модификация молекул целлюлозы после

введения гидрофобных заместителей, в частности метильной группы,

делает их малодоступными для воздействия микробных целлюлаз и

других гидролаз, осуществляющих деполимеризацию этого полисаха-

рида.

Таким образом, можно сделать вывод, что метилцеллюлоза обладает

более высокой биостойкостью по сравнению с другими реагентами на

основе полисахаридов.

Относительно КМЦ известно, что она подвержена действию многих

целлюлаз и других гидролаз. Биостойкость полианионной целлюлозы

в различных условиях менее изучена. Результаты проведенных опы-

тов, представленные на Рис.4, 5, показывают, что степень деструкции

ПАЦ и КМЦ, сопровождающейся снижением вязкости, была пример-

но одинаковой.

На Рис.6 показана динамика биодеструкции полиакриламида марки

Sedipur, который, как и всякий субстрат, имеющий искусственное про-

исхождение, должен быть более устойчивым к воздействию фермент-

ных систем микроорганизмов. Действительно, при температуре 25°С

на протяжении всего срока наблюдения (14 недель) вязкость раство-

ров ПАА во всех вариантах опыта не претерпевала заметных измене-

ний. Однако при температуре 60°С за этот же период произошло прак-

тически полное разрушение ПАА под воздействием микрофлоры под-

товарной воды и воды, отобранной из системы КНС.

По-видимому, в пробах КНС и подтоварной воды имеются штаммы ми-

кроорганизмов, адаптированных как к высокой температуре, так и к

ПАА, присутствие которого в нефтепромысловых средах запускает ме-

ханизм селекции и накопления бактерий, способных к его утилизации.

Отсутствие изменения вязкости при заражении раствора ПАА искусст-

венным инокулятом также свидетельствует о развитии в нефтепромы-

словых средах специфических штаммов — деструкторов ПАА, выде-

ление которых из обычных природных ниш весьма затруднительно в

модельных лабораторных опытах с обычной накопительной культу-

рой, полученной, например, из почвы или других экониш, ранее не

вступавших в контакт с этим соединением.

На Рис. 7 представлена суммарная номограмма по значениям относи-

тельных изменений вязкости полимерных растворов во всех вариантах

опытов. Очевидно, что корректная оценка биостойкости различных по-

лимеров не может быть осуществлена лишь по относительным значе-

ниям изменения вязкости их растворов. В этом плане важно знание аб-

солютных скоростей снижения вязкости полимерных растворов.

С целью получения этих данных были рассчитаны первые производные

от графических функций в координатах «абсолютное значение вязко-

20




�íîêóëßò

0

50

60

70

80

90

100


40 60 80 100

20




�íîêóëßò

00

20

40

60

80

100


40 60 80 120100

Динамика биодеградации карбоксиметилцеллюлозы

Ри

с.5

20




�íîêóëßò

0

50

60

70

80

90

100


40 60 80 100

20




�íîêóëßò

0

0

20

40

60

80

100


40 60 80 100 120

Динамика биодеструкции полианионной целлюлозы

Ри

с.4

ukos 11++ 5/21/02 17:26 9

сти — время». Преобразования были выполнены с помощью програм-

мы Origin 6.0 Pro.

Данные по максимально достигнутым скоростям деструкции за весь

период наблюдения для каждого из вариантов представлены в Табл. 1 и

на номограмме (Рис.8).

ВыводыРезультаты проведенных исследований позволяют сделать

следующие выводы:

1. В проведенном длительном модельном эксперименте наименее под-

верженными биологической деструкции являются полимеры полиак-

риламид и метилцеллюлоза.

2. Показатели динамики биодеструкции КМЦ и полианионной целлю-

лозы вполне сопоставимы, хотя при этом ПАЦ обладала сравнительно

меньшей биостойкостью, что, по-видимому, связано с более высокой

степенью сродства микробных целлюлаз к данному субстрату.

3. Наиболее подверженным биодеструкции является биополимер ксан-

тан, полностью разлагающийся в течение 5-20 дней в зависимости от

условий проведения опыта.

��

1. �� .�., �� .�., �� .�., �� .�., ��-

�� .�. �� !��" !�� #��$��%�. //�#. ��-

�'�(� �� )�*�+,+��, (!. 96, ./��, 1999, $.131-138

2. �� .�., �� 3.�., �� .�., �� .�. ��-

�� !� (*��" ��'� $ !�� !�%�4�5 #��!�-

�� #��,��. //�#. ��'�(� �� )�*�+,+��, (!. 99,

./��, 1999, $.147-152

3. )�� .�., ��$� �.�., ��$��!� 4� � �.�., ,��9�� .�.

(��; «+�+�» +�3>), ��"*� ).�. («��>��@�A��B�;�;-

@+C»), D�"�� .�., + �� .�., �� C.�., 3"%�� .,.,

>�� .�. («�� »), )��%�4��5 �.�., DE�� +.�., ��-

'� >.�., F�� >.�. («��»), @��5�� .+., A��

�.�. («3+�G�»). �� " !� (*��" ��'� !��$�� , $��-

E��" �# ��$�� $��4�� #('� $ �$!��%� ��

#��!�� !�%�4�5 �� $�� . //��. �$��$$�5$�� $�-

�9��" !� ��%��#�� "�(� ��$��E��5, '�$�� HH, ��-

�� $�, 5-9 �I�" 2000 ��, $. 35-63


II квартал40 2002 № 4 ÇÇ ÖÖ ëë íí çç àà ää àà çç ÜÜ àà çç àà êê àà çç ÉÉ éé ÇÇ éé ÉÉ éé ññ ÖÖ çç íí êê ÄÄ ûû ää éé ëë

20




�íîêóëßò

020

30

50

60

40

70

80

90

110

100


40 60 80 100

20




�íîêóëßò

040

60

80

100

120

140


40 60 80 120100

Динамика биодеградации полиакриламида

Ри

с.6

25¡c 60C¡

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

�êîðîñòü áèîäåñòðóêöèè, ìì2/ñåê/ñóò

КСАНТАН

МЦ

ПАЦ

ПАА

КМЦ

25¡c 60C¡ 25¡c 60C¡ 25¡c 60C¡ 25¡c 60C¡

�îäòîâàðíàß âîäà 25¡

�îäà èç �� 25¡

�íîêóëßò 25¡


�îäà èç �� 60¡


Влияние природы полимера на скорость биодеградации

Ри

с.8

10

-25

-50

-75

-100

25

50

75

100

�çìåíåíèå âßçêîñòè çà âðåìß îïûòà, %

КСАНТАН

МЦ

ПАЦ

ПАА

КМЦ

2 3


�îäà èç �� 25¡



�îäà èç �� 60¡


4 5

Суммарные изменения вязкости образцов полимеров в процессе биодеструкции

Ри

с.7

Субстрат T=25°С T=60°С1 2 3 1 2 3

КМЦ -0,29 -0,45 -0,48 -0,15 -0,11 -0,16

ПАА -0,035 -0,025 -0,042 -0,096 -0,25 -0,025

ПАЦ -0,54 -0,68 -0,73 -0,26 -0,54 -0,26

МЦ -0,03

0 -0,015 -0,017 -0,053 -0,051

Ксантан -2,85 -2,03 -4,21 -0,32 -0,95 -1,004

Источник бактериального заражения:

1. Подтоварная вода

2. Вода из системы КНС

3. Искусственный инокулят

Численные значения первой производной от функции«вязкость-время», характеризующей динамикубиодеструкции полимеров

табл. 1

ukos 11++ 5/21/02 17:28 0

Биодеструкция полимерных реагентов, используемых для...

Documents