CN101838620B - 一株枯草芽孢杆菌和耐碱抗盐的油田压裂用酶及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一株枯草芽孢杆菌和耐碱抗盐的油田压裂用酶及其应用，从深海中分离出的枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis BIT09L1在以魔芋精粉等为碳源的培养基中培养，所得的发酵液经分离纯化后，获得b-半乳甘露聚糖酶。该酶耐受pH值6.0-10.0，温度为15-60℃。在上述温度和pH范围内，酶活力可保持80％以上。制成的生物酶制剂，在4-8℃保存，货架寿命长达18个月以上。本发明的工艺方便，原材料易得，产品易纯化，成本低，污染小。该酶制剂耐碱耐盐，尤其对油田用瓜尔胶或改性瓜尔胶压裂液具有高效破胶能力，与压裂液中绝大部分化学助剂无配伍禁忌，满足油田压裂工程需求。

Description

一株枯草芽孢杆菌和耐碱抗盐的油田压裂用酶及其应用

技术领域

本发明属于油田生物技术领域，尤其是以枯草芽孢杆菌为菌种发酵生产油田压裂工艺中的酶破胶剂，以及降解含半乳甘露聚糖高聚物的胶体或含糖废液。

背景技术

油田水基压裂是二、三次采油阶段地层改造，提高地层渗透率最常用的重要手段之一。通过射孔，以高强度的植物胶冻胶将地层撕裂，并向裂缝中加入支撑剂，一般是石英砂或陶粒。通常使用植物冻胶作为携带这些支撑剂进入地缝，我国曾使用过田菁胶，魔芋胶，香豆胶等天然植物胶，但目前，主要使用的是瓜尔豆胶原粉或其衍生物(羟丙基瓜尔胶HPG，羧甲基瓜尔胶等)。这类植物胶的特点为均是半乳甘露聚糖，经交联剂(中低温井用硼砂，中高温用有机硼)交联形成高强度的冻胶，具有很强的携砂能力。入井液连同支撑剂注入地缝后，为了不使改造的油层导流裂缝堵塞，必须降低粘度将胶体破胶后返排回地面，以保所造裂缝的高通透性。

目前油田主力破胶剂依然是过硫酸盐氧化破胶剂，如过硫酸铵，过硫酸钾等。但过硫酸盐破胶后的高分子分子量聚合物通常分子量介于20-30万之间，虽然表观粘度下降，但实际对地层依然造成一定的伤害。同时含硫过氧化物毒性大，腐蚀性强，对环境有一定的污染。尤其对中低温油气井(15-50℃)，过氧化合物破胶活性差，需要添加化学激活剂破胶，但依然存在破胶不彻底的现象，常造成地层的堵塞现象，影响油井产能。因此，高效绿色环保低伤害的中低温生物破胶剂一直是油田急需解决的难题。

油气田压裂生物酶破胶剂早在80年代，国内就开始应用，但至今尚没有大面积推广应用。主要是由于几乎绝大数的油田各自为政，化学助剂供应商庞杂，没有可以标准化的统一的压裂液体系，加之现场施工化学条件粗犷，生物酶配伍性问题常因改变化学原材料或供应商而产生，这些现实为生物酶破胶剂的推广带来一定的困难。

国外碱性生物酶破胶剂已广泛应用于油气田压裂工艺，尤其是适于中低温油气井的压裂破胶(15-50℃)。国内有关低温生物甘露聚糖酶报道较多，有通过天然诱变菌株或工程菌所产生的酸性，中性甘露聚糖酶，但大多是用作为饲料添加剂或洗涤剂和医药(黄遵锡等，公开号：CN101157903；吴月嫦等公开号：CN101182500；彭冬秋等公开号：CN101016531；邬敏辰等公开号：CN101067130；姚冬生等公开号：CN1793349；刘正初等公开号：CN1978636；陈一平公开号：CN1408879；马立新等公开号：CN1341714；J·-L·P·贝蒂奥尔等公开号：CN1469919和CN1276824)

碱性甘露聚糖也有专利报道，所述使用范围也有一定应用前景，但目前只是在洗涤剂和食品及饲料行业应用(马延和等公开：CN1266096)

部分工程菌展示可以高效表达所述甘露聚糖酶(姚冬生等公开号：CN1807644；王正祥等公开号：CN1699577；丁宏标等公开号：CN1766098；罗科等公开号：CN101089185；M·S·考皮南公开号：CN101024826；吴道贫等公开号：CN100999738；李德发等公开号：CN1834237；王华伟等公开号：CN1478887；马延和等CN1351169；马延和等)但并无在油田压裂复杂体系中的运用实例，仅限于探索阶段或小试验水平或工艺研究阶段。所有这些专利报道及已在市场应用的产品用于压裂液的破胶，或者用量大，电解质及化学助剂耐受性差，受酸碱度影响较大，碱性条件(pH 9-11)一般很难取得较好的破胶效果，常受杀菌剂，表面活性剂及其他油田化学助剂的影响失活。在工程时间内(1-3小时)随着温度升高提前破胶或者破胶时间过长，难于满足工程需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一株枯草芽孢杆菌和一种具有高度耐温耐碱抗盐的中低温油气井压裂用酶及其制备和其在油田压裂液中的应用，以及生物酶破胶配方的调控技术。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明所采用的菌种是从大连黄渤海的深海淤泥中分离出来的Baillus subtilisBIT09L1，该菌种在中国科学院微生物所内微生物菌种保藏委员会普通微生物中心(CGMCC)保藏(保藏号CGMCC No.2946)，地址北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所。该菌株在魔芋精粉、糖蜜、瓜尔胶及其衍生物作为碳源培养可以产生芽孢，生长pH为7.0-11，温度20-38℃，盐度5-8％KCl或NaCl。

一种油田压裂用酶，其是利用枯草芽孢杆菌L1在液体培养基中发酵，发酵液经分离纯化、获得一种耐酸耐碱抗盐的半乳甘露聚糖酶，该酶能够高效降解植物胶魔芋胶、瓜尔胶及其衍生物，该酶最适反应pH为6-10，温度范围为15-60℃，最适温度45℃；在上述温度和pH范围内，酶活力可保持80％以上；该酶与绝大部分压裂助剂无配伍禁忌，可被用作高效生物环保的油气井压裂生物酶破胶剂。

本发明所采用的培养基为液体培养基(g/L)：

种子培养基：胰化蛋白胨10.0，酵母提取物5.0，NaCl 10.0，pH 7.0；

发酵培养基：L-谷氨酸5.0、KH₂PO₄1.0，MgSO₄ ^·7H₂O 0.5，KCl 0.5，MnSO₄ 5×10^-5，FeSO₄ ^·7H₂O 1.5×10^-6，CuSO₄ ^·5H₂O 1.6×10^-8，魔芋精粉或瓜尔胶5.0，pH 7.0；

半乳甘露聚糖酶的发酵条件：

种子液发酵条件：用接种环挑取平面培养基菌株于种子培养基中，装量50mL/250mL，37℃、200r/min培养24h；

发酵培养条件：将种子培养液以5％接种量，接入发酵培养基中，装量100mL/250mL三角瓶中，置于恒温摇床中进行发酵培养，转速为150r/min，37℃培养时间48h。

酶活力的测定方法：采用DNS法

把底物溶液加入到检测管(18×130mm)中，在40℃加热5min。加入设计量的酶溶液，混合均匀，在40℃孵育20min。然后加入DN-S乳糖混合溶液终止反应。塞紧检测管，在沸水浴中加热15min。用冷水冷却检测管至室温。离心除去不溶物。检测溶液在540nm的吸收值，用水作为参比。三次重复测试的读数误差应小于5％。如果差值大于5％，需重复实验，如果读数在可接受范围内，记录读数的平均值(平均每分钟吸光度)。

样品活性计算应根据以下公式：

$U/g=\frac{[(\mathrm{Ar}-\mathrm{As})-b]}{m}\×\frac{1000}{180}\×\frac{1}{10\min }\×\frac{1}{0.4\mathrm{mL}}\×\frac{1}{C}\×K$

其中：

Ar：样品的吸光度；As：空白的吸光度；1000：将毫克数转化为微克数；10min：反应时间；0.4mL：反应中加入酶溶液的量；C：反应中酶的浓度(g/mL)；m：标准曲线斜率；b：标准曲线截距；K：酶活力系数，K＝300；一个酶活性单位定义：本实验条件下，一个半乳甘露糖酶活单位定义为每分钟在反应条件下产生还原糖的微克量。

酶制剂的制备方法：本发明的一种半乳甘露聚糖酶的制备方法，包括以下步骤：

(1)将发酵液离心除菌，取上清液滤去残渣为粗酶液；

(2)向粗酶液加入硫酸铵至65％饱和度，4℃下放置24h，于4℃10000r/min离心20min，弃去上清液，所得沉淀物即为酶粗品；

(3)将酶粗品用pH 6.4的0.08mol/L Na₂HPO₄-NaH₂PO₄缓冲液溶解后，去沉淀，得到半乳甘露聚糖提纯浓酶液；得到的半乳甘露聚糖酶提纯浓酶液还可以通过冷冻干燥，得到粉状半乳甘露聚糖酶制剂。

(4)电泳分析：浓酶液纯度的鉴定采用聚丙烯酰胺凝胶常规电泳(图1)，据此可知所得半乳甘露聚糖酶的纯度不低于85％。

所获得β-半乳甘露聚糖酶：该酶耐受pH值6.0-10.0，最适pH 7.0-9.5，温度为15-60℃，最适温度45℃。在上述温度和pH范围内，酶活力可保持80％以上。所制成的生物酶制剂，在4-8℃保存，货架寿命长达18个月以上。本发明的工艺方便，原材料易得，产品易纯化，成本低，污染小。该酶制剂耐碱耐盐，尤其对油田用瓜尔胶或改性瓜尔胶压裂液具有高效破胶能力，与压裂液中绝大部分化学助剂无配伍禁忌，满足油田压裂工程需求。

所述半乳甘露聚糖酶可用作高效油田压裂液破胶剂，在3.0-4.5g/L瓜尔胶或改性瓜尔胶基液，半乳甘露聚糖酶制剂浓度5-20ppm，采用无机硼或有机硼作为交联剂，交联充分后45℃恒温水浴条件下，反应15-60min，破胶液粘度即可降至5mPa.s以下，获得油田用稳定高效的瓜尔胶冻胶破胶剂以谷氨酸和/或天冬氨酸作为酶破胶的稳定剂调控压裂液破胶剂pH＝8-10，进行生物酶破胶的调控，能够有效屏蔽压裂液复杂的化学环境对酶活性造成的伤害。

酶制剂的破胶室内评价：

酶破胶剂的室内评估方法：5-20ppm浓度的少量添加本发明的油田用高效酶破胶剂即可满足压裂破胶要求，且不影响压裂冻胶交联效果，有很强的耐碱耐温耐电解质性能，耐受pH值范围6.0-10.0，最适pH值7.0-9.5，温度范围15-60℃，最适温度45℃，在6.0％KCl盐环境中破胶性能无损失。

1)基础破胶实验：配制瓜尔胶(瓜尔胶或改性瓜尔胶)基液(3.5-4.5g/L)，每个实验样品取100mL，按5-20ppm的浓度向样品基液中加入酶制剂溶液，搅拌均匀后，加入交联剂(无机硼交联剂或有机硼交联剂)，搅拌基液成胶至挑挂状态，放入45℃恒温水浴槽中进行破胶实验，每隔一定时间观察破胶情况，测量破胶液粘度。在15-60min内，破胶液粘度可降至5mPa.s以下。

2)酶破胶剂的耐温性：配制瓜尔胶(瓜尔胶或改性瓜尔胶)基液(3.5-4.5g/L)，每个实验样品取100mL，按10ppm的浓度向样品基液中加入酶制剂溶液，搅拌均匀后，加入适量交联剂(无机硼或有机硼交联剂)，搅拌交联至挑挂状态，放入恒温水浴槽(温度梯度：20，25，30，35，40，45，50，55，60℃)中进行破胶实验，观测2小时后的破胶状况，测量破胶液粘度。结果证明，酶破胶剂对于长庆油田压裂体系在20-60℃环境内均能破胶，低温生物酶降解能力随温度的升高而增强(图2)。最适温度为45℃，10ppm酶破胶剂即可保证2小时内使冻胶压裂液粘度降至5mpa穝以下。在不同温度环境下，通过适当调节低温生物酶的添加量或破胶时间，完全可以使冻胶压裂液彻底破胶，保证油田施工顺利。

3)酶破胶剂的耐碱性：配制瓜尔胶(瓜尔胶或改性瓜尔胶)基液(3.5-4.5g/L)，每个实验样品取100mL，按10ppm的浓度向样品基液中加入酶制剂溶液，搅拌均匀后，将各样品分别调至不同的pH值(6.0，7.0，8.0，9.0，10.0，11.0)加入适量交联剂(无机硼或有机硼交联剂)，搅拌交联至挑挂状态，放入45℃恒温水浴槽中进行破胶实验，观测2小时后的破胶状况，测量破胶液粘度。结果证明(图3)，酶破胶剂在pH＝6.0-11.0范围内均有破胶能力，在pH值7.0-9.5时酶的破胶能力最强，酶破胶剂对较宽pH范围的压裂液具有适用性。

4)酶破胶剂的耐盐性：在压裂施工工艺中，压裂液不可避免的会遇到地层水，而在部分油气田中往往会碰到地层水盐度比较高的情况。为了了解酶的耐盐性能，本实验设置了3个盐度梯度，分别为2％、4％和6％KCl水溶液，以测试生物酶在不同盐度环境下的破胶效果。结果显示(图4)，酶具有较强的耐盐性，盐溶液对酶活性的影响很小。

酶制剂的配伍禁忌分析：在瓜尔胶基液样品中加入酶制剂使其终浓度为20ppm，混合均匀后，在每个基液样品中分别添加压裂液体系化学助剂，包括：助排剂、发泡剂、防膨剂、杀菌剂、交联剂以及全助剂添加，搅拌均匀后，置于45℃恒温水浴进行破胶实验。同时做空白对照(除瓜尔胶、酶不添加其它助剂)。结果表明(图5)，该发明所述的半乳甘露聚糖酶在压裂液中助剂的耐受性较强，破胶效果基本不受影响，与压裂液各助剂不存在配伍禁忌问题，以其强大的破胶能力和化学环境耐受性，满足作为高效生物环保破胶剂的工程要求。

酶与其他压裂用化学助剂可以配伍筛选：在0.30-0.45％瓜尔胶(或改性瓜尔胶)基液样品中添加10-30ppm的酶破胶剂，分别加入不同的化学助剂，包括：助排剂、发泡剂、防膨剂、杀菌剂、交联剂以及全助剂，同时做空白对照(除瓜尔胶、酶不添加其它助剂)，置于45？恒温水浴反应2小时，结果显示，本发明所述的半乳甘露聚糖酶在压裂液中的化学耐受性较强，破胶效果基本不受影响。

酶稳定剂的筛选：

在油气井压裂工程中，由于各化学助剂生产、存放及现场添加作业较为粗犷，易产生如产品有机副产物繁杂，批次质量不稳定，恶劣环境下储存时间久造成pH值及化学成分变化等问题，有可能对酶破胶产生负面影响，该发明筛选了旨在复杂的压裂液化学环境中保护酶活性的酶稳定剂，通过大量的室内实验和现场施工评估，筛选出天冬氨酸和谷氨酸及其配套的添加工艺。两种氨基酸一方面可以调节压裂液pH值，为酶提供适宜且较稳定的溶液pH缓冲环境，另一方面，从酶催化机理角度，酶破胶剂催化中心主要由天冬氨酸和谷氨酸残基构成，两种氨基酸的加入对酶催化中心起到保护作用。针对不同实际情况，设计剂量和工艺条件下加入谷氨酸或天冬氨酸能够有效屏蔽化学助剂对酶制剂破胶可能的抑制和伤害。

附图说明

一株枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis BIT09L1，该菌保藏号CGMCC No.2946；保藏日期：2009年3月11日；保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心

图1为酶粗品的聚丙烯酰胺凝胶电泳结果，结果显示其在72kDa和95kDa，43kDa和55kDa，34kDa和43kDa之间分别具有一个条带；

图2为酶破胶剂耐温性试验结果；

图3为酶破胶剂的耐碱性试验结果；

图4为酶破胶剂耐盐性试验结果；

图5为酶破胶剂的配伍禁忌试验结果。

具体实施方式

实施例1：将胰化蛋白胨1.0g、酵母提取物0.5g、NaCl 1.0g，和水100mL混合，调pH 7.0，制成种子液体培养基，灭菌。将枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis BIT09L1)斜面菌株接种一环到种子液体培养基中，37℃，200r/min连续培养24h，得到种子液100mL。将L-谷氨酸5.0、KH₂PO₄1.0，MgSO₄ ^·7H₂O 0.5，KC1 0.5，MnSO₄ 5×10^-5，FeSO₄ ^·7H₂O 1.5×10^-6，CuSO₄ ^·5H₂O 1.6×10^-8、魔芋精粉或瓜尔胶0.5g，和水100mL混合，调pH 7.0，灭菌，接入种子液5mL，摇匀后37℃，150r/min恒温摇床培养48h，得到发酵液。将发酵液于8000r/min离心20min除菌体等杂质，得上清粗酶液。向粗酶液加入硫酸铵至65％饱和度，4℃下放置24h，于4℃10000r/min离心20min，弃去上清液，所得沉淀物即为酶粗品；将酶粗品用pH 6.4的0.08mol/L Na₂HPO₄-NaH₂PO₄缓冲液溶解后，去沉淀，得到半乳甘露聚糖提纯浓酶液。

DNS法酶活检测实验：以瓜尔胶粉作为底物，用0.04mol/L的磷酸盐缓冲液配制瓜尔胶基液，瓜尔胶浓度0.5％，室温溶胀30min后在沸水浴中温浴10min，冷却至室温待用。用5mM磷酸盐缓冲液稀释酶样品，配制酶溶液，稀释后样品在540nm处吸光度为0.40左右。

1)绘制标准曲线(甘露糖标准溶液和底物的空白)，加入0.4mL的水(为底物空白)或0.4mL的甘露糖标准溶液(为标准曲线)到试管(18×130mm)中。加入1.6mL底物溶液，混合均匀。加入4mL DNS-半乳糖溶液，混合均匀。塞紧试管，在沸水浴中加热15min。用冷水冷却试管至室温。10,000rpm离心10min除去不溶物。检测540nm处的吸收值，用蒸馏水作为参比。

2)酶反应：在5mL的离心管中加入1.6mL底物溶液，在40癈水浴加热5min，加入0.4mL稀释五倍的酶溶液，混合均匀，在40℃反应10min。将反应体系转移到试管(18×130mm)中，加入4mL的DNS-半乳糖混合溶液终止反应。塞紧检测管，在沸水浴中加热15min。用冷水冷却检测管至室温。10,000rpm离心10min除去不溶物。检测540nm处的吸收值，用蒸馏水作为参比。

3)测定(Ar)空白值，在试管(18×130mm)中加入1.6mL底物溶液，在40℃水浴中加热5min。加入4mL的DNS-半乳糖混合溶液和0.4mL的酶溶液，混合均匀。塞紧检测管，在沸水浴中加热15min。用冷水冷却检测管至室温，10,000rpm离心10min除去不溶物。检测540nm处的吸收值，用蒸馏水作为参比。

4)计算酶活性：通过0.4mL的甘露糖标准溶液所含有的甘露糖量(mg)制作甘露糖量/吸光度标准曲线(R²＞0.99)。通过斜率m和截距b计算酶活公式如下：

酶活性：

$U/g=\frac{[(\mathrm{Ar}-\mathrm{As})-b]}{m}\×\frac{1000}{180}\×\frac{1}{10\min }\×\frac{1}{0.4\mathrm{mL}}\×\frac{1}{C}\×K$

其中：

Ar：样品的吸光度；As：空白的吸光度；1000：将毫克数转化为微克数；10min：反应时间；0.4mL：反应中加入酶溶液的量；C：反应中酶的浓度(g/mL)；m：标准曲线斜率；b：标准曲线截距；K：酶活力系数，K＝300；经测定，该酶液活力为690IU/mL。

实施例2：称取4.0g羟丙基瓜尔胶粉剂，边搅拌边徐徐加入到1000mL水中，搅拌10分钟瓜尔胶溶解均匀后，常温溶胀2小时，依次加入压裂液配方助剂，助排剂(HY-05)5.0mL，防膨剂(DW-1)3mL，杀菌剂(S-100)0.5mL，碳酸钠1.0g，搅拌均匀，所得即为压裂液基液，pH值为10.0左右。取0.5g谷氨酸、0.5g天冬氨酸，分别用5mL蒸馏水溶解，配制成10％溶液。每个实验样品取100mL压裂液基液，分别用醋酸、谷氨酸、天冬氨酸、盐酸、葡萄糖酸调节pH值至9.0，以压裂液基液样品(pH9.0)做空白对照，在各样品中分别加入实施例1所得的酶浓缩液使其在基液中的终浓度为30ppm，搅拌均匀后，分别加入1％硼砂水溶液作为交联剂(交联比100∶5，v/v)，快速搅拌30-60s，使基液交联。将各样品冻胶放入破胶瓶(200mL)，置于50℃恒温水浴中，观察1-3h内冻胶破胶状态，测量破胶液粘度。结果显示，在同样pH值基液条件下，比较各样品2h破胶效果，用谷氨酸、天冬氨酸作为基液调节剂的样品，破胶液粘度均在5mPa.s以下，比其他酸液调节的样品粘度降低4-8mPa.s，比空白对照降低8-9mPa.s。

Claims (3)

1.一种枯草芽孢杆菌，其特征在于：其是从黄渤海深海淤泥中分离出来的Bacillus subtilis BIT09L1，该菌保藏号CGMCC No.2946；保藏日期：2009年3月11日；保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心。

2.一种耐酸耐碱抗盐的油田压裂用酶生产方法，其特征在于：其是利用权利要求1所述的枯草芽孢杆菌BIT09L1在液体培养基中发酵，发酵液经分离纯化、获得一种耐酸耐碱抗盐的半乳甘露聚糖酶，该酶能够高效降解植物胶魔芋胶、瓜尔胶，最适反应pH为6-10，温度范围为15-60℃，最适温度45℃；在上述温度和pH范围内，酶活力可保持80％以上；该酶与绝大部分压裂助剂无配伍禁忌，可被用作高效生物环保的油气井压裂生物酶破胶剂；其中，权利要求1所述的枯草芽孢杆菌BIT09L1在液体培养基中发酵培养过程为，

1)种子培养基(g/L)：胰化蛋白胨10.0，酵母提取物5.0，NaCl 10.0，pH 7.0；装量50 mL/250 mL，接种量为BIT09L1斜面菌株一环，在37℃，200r/min，pH7.0条件下培养24h；

2)发酵培养基(g/L)：魔芋精粉或瓜尔胶5.0，L-谷氨酸5.0、KH₂PO₄ 1.0，MgSO₄·7H₂O 0.5，KC1 0.5，MnSO₄ 5×10^-5，FeSO₄·7H₂O 1.5×10^-6，CuSO₄·5H₂O 1.6×10^-8，pH 7.0；装量100 mL / 250 mL 三角瓶中，接种量为5％体积种子培养液，在37℃，150r/min条件下培养48h，即可得到高活力半乳甘露聚糖酶发酵液。

3.一种如权利要求1所述的枯草芽孢杆菌BIT09L1在制备油田压裂用酶中的应用，其发酵产生的半乳甘露聚糖酶可用作高效油田压裂液破胶剂，其特征在于：在3.0-4.5g/L瓜尔胶或改性瓜尔胶基液，半乳甘露聚糖酶制剂浓度5-20 mg/L，采用无机硼或有机硼作为交联剂，交联充分后45℃恒温水浴条件下，反应15-60min，破胶液粘度即可降至5mPa.s以下；以谷氨酸和/或天冬氨酸作为酶破胶的稳定剂调控压裂液破胶剂pH＝8-10，进行生物酶破胶的调控，能够有效屏蔽压裂液复杂的化学环境对酶活性造成的伤害。

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