CN111393088A - 一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物工程与油气开采工程技术领域，具体涉及一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法，主要包括以下步骤：S1、选取目标微生物进行扩培处理，并取扩培后的菌液备用；S2、取定量多孔陶瓷颗粒平铺在平板上，向其表面均匀喷洒定量的营养液后，静置24小时备用；S3、制备目标多孔陶瓷；S4、制备微生物固载产品；S5、制备微生物固井水泥浆。本发明所述的一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法，将微生物以此种方式固载于多孔材料中再制备微生物固井水泥浆，可以延长微生物在水泥浆中的活性，通过微生物的成矿作用可以将多孔陶瓷微粒与固井水泥浆固结成具有一定抗渗性和力学性能的胶结体，可以大大延长固井水泥环的服役寿命。

Description

一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法
技术领域
本发明属于生物工程与油气开采工程技术领域，具体涉及一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法。
背景技术
固井水泥环因结构开裂产生的微裂缝会导致水泥环力学完整性和水力密封性失效，严重者还会导致油气井报废。而随着水泥基裂缝微生物修复技术的成熟，其在水泥环微裂缝修复领域具有广阔的应用前景。但是，目前微生物自修复技术在固井水泥浆中的应用也面临一些挑战，例如固井水泥浆自身强碱性环境，井下不利于微生物生长繁殖的极端环境，水泥浆制备过程需要搅拌，水泥浆水化导致内部孔隙不断变化等势必都会造成微生物的大量死亡，同时，微生物和营养物质直接加入到固井水泥浆中将对固井水泥石的力学强度产生不利影响，这严重制约了微生物成矿修复的应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种保护微生物在固井水泥浆中活性的技术方法，为实现固井水泥环微裂缝的微生物自修复提供了一种新的辅助技术。
一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法，主要包括以下步骤：
S1、选取目标微生物，对所述目标微生物进行扩培处理，并取扩培后的菌液备用；
S2、取定量多孔陶瓷颗粒平铺在平板上，向其表面均匀喷洒定量的营养液后，静置24小时备用；
S3、将静置后的多孔陶瓷颗粒加入到S1中的菌液内，得到混合菌液，将所述混合菌液混合均匀，静置2～3小时后，去除所述混合菌液中的残留菌液，以得到目标多孔陶瓷；
S4、依次对所述目标多孔陶瓷进行抽真空和烘干处理，以得到微生物固载产品；
S5、制备微生物固井水泥浆：将S4中的所述微生物固载产品、水泥干粉、水、消泡剂和氯化钙按比例进行混合后，对所述混合液进行充分搅拌，以制得微生物固井水泥浆。
进一步地，S1中所述目标微生物的具体步骤为：选用兼性厌氧型产脲酶微生物，并对所述微生物经过菌种选育后，以得到所述目标微生物。
进一步地，S2中所述多孔陶瓷和所述营养液的质量比为1:1。
进一步地，S2中所述营养液为营养肉汤培养基、尿素、无菌水的混合物。
进一步地，S2中所述多孔陶瓷的粒径为0.5～1mm。
进一步地，S3中所述混合菌液中所述多孔陶瓷与所述菌液的质量比为1:1。
进一步地，S4中烘干温度为30～37℃，烘干时间为24h。
进一步地，S5中所述固井水泥浆中所述水泥干粉、所述微生物固载产品、所述水、所述消泡剂及所述氯化钙的质量比为700:300:500:1:6。
本发明的有益效果是：本发明所述的一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法，以固载微生物的方式将微生物添加到固井水泥浆中，可以实现较长时效的微生物自修服作用，固井水泥石的力学强度、密实度和抗渗性能都得到提高，固井水泥环的服役寿命大大延长。
附图说明
图1是本发明所述一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法的流程图；
图2是本发明所述微生物固载产品的结构示意图；
图3是4组固井水泥石的抗压强度测试结果图；
图4是4组固井水泥石的抗折强度测试结果图；
图5是4组固井水泥石的渗透率测试结果图；
图6是C组和D组不同龄期水泥石中存活微生物数量测试结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1-2，本发明的实施例提供了一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法，其主要包括以下步骤：
S1、选取目标微生物，对所述目标微生物进行扩培处理，并取扩培后的菌液备用；本发明选用兼性厌氧型产脲酶微生物，具体为巴氏芽孢杆菌，并对该微生物经过菌种选育处理后，筛选耐高温70℃的菌种，以得到目标微生物，该目标微生物在极端环境下会以休眠体(芽孢)形式存在，当水泥环发生开裂产生微裂缝时，水和氧气进入到裂缝中，微生物被激活，通过新陈代谢及成矿作用，可以实现定点修复；将目标微生物放在液体培养基中进行培养，采用分光光度计对细菌细胞浓度进行测试，当测得细菌细胞浓度为每毫升1×1010～1.5×1010时，取菌液备用；其中，微生物固载时选用的细胞浓度范围，合适的细胞浓度可以最大程度的实现修复效果，若细胞浓度过大，后期细胞死亡，细胞裂解的产物将会对水泥石产生不利影响，同时细胞浓度过大也造成了不必要的浪费，固载难度增大；若细胞浓度过低，将不能为微生物矿化提供足够的修复材料，当水泥环内部产生的微裂缝时，微生物不能及时被激活，低浓度的细胞矿化反应不迅速、微生物修复效果也不够明显；
S2、取定量多孔陶瓷颗粒平铺在平板上，向其表面均匀喷洒定量的营养液后，静置24小时备用；其中，所述营养液为18g/L营养肉汤培养基、20g/L尿素和无菌水配成的混合物。
本实施例中的多孔陶瓷的粒径为0.5～1mm，此粒径范围的多孔陶瓷可以作为固井水泥浆的添加剂，且与水泥浆组分具有较好的兼容性；此外，采用多孔陶瓷材料还具有以下优点：(1)多孔陶瓷在水泥浆中起到了骨架支撑的作用，可提高固井水泥浆的抗压强度和整体完整度；(2)多孔陶瓷材料本身具有一定的强度，避免了制备固井水泥浆过程中因机械搅拌导致导致细胞破碎死亡，且在多孔陶瓷材料多孔结构的的保护下，还可以减少因水泥水化内部孔径变小导致微生物细胞受到挤压产生细胞破碎而死亡的现象，此外，多孔材料内部的孔隙空间还为微生物后期激活及自修复过程提供了微环境；
本实施例中的所述多孔陶瓷与所述营养液的质量比为1:1，在该配比下的营养液和多孔陶瓷可以实现微生物固载最大饱和度，同时，还能避免材料的浪费。
S3、将静置后的多孔陶瓷颗粒加入到S1中的菌液内，得到混合菌液，采用磁力搅拌器将所述混合菌液混合均匀，静置2～3小时后，去除所述混合菌液中的残留菌液，以得到目标多孔陶瓷；其中，所述混合溶液中所述多孔陶瓷与所述菌液的质量比为1:1，静置的目的是为了使得多孔陶瓷内部连通孔隙基本达到饱和，待残留菌液吸出后，即可初步制得固载有微生物和营养物质的目标多孔陶瓷；
S4、将目标多孔陶瓷置于接有真空泵的容器中，依次对其进行抽真空和烘干处理，以得到微生物固载产品；抽真空的目的是让微生物进一步吸附在多孔材料的表面和多孔陶瓷的内部孔隙中，其中，烘干温度为30～37℃，烘干时间为24h；此外，制得的所述微生物固载产品可保藏于4℃的恒温箱中备用；
S5、制备微生物固井水泥浆：将S4中的所述微生物固载产品、水泥干粉、水、消泡剂和氯化钙按比例进行混合后，以转速3000r/min充分搅拌2min，制得微生物固井水泥浆。其中，所述水泥干粉为市面购买的G级油井水泥，所述固井水泥浆中所述水泥干粉、所述微生物固载产品、所述水和所述消泡剂及所述氯化钙的质量比为700:300:500:1:6。
<实施例1>
S1、选取目标微生物，对所述目标微生物进行扩培处理，并取扩培后的菌液备用；
S2、取200g多孔陶瓷颗粒平铺在平板上，向其表面均匀喷洒200ml的营养液后，静置24小时备用；
S3、将静置后的多孔陶瓷颗粒加入到S1中的菌液内，得到混合菌液，采用磁力搅拌器将所述混合菌液混合均匀，静置2.5h后，去除所述混合菌液中的残留菌液，以得到目标多孔陶瓷；
S4、将目标多孔陶瓷置于接有真空泵的容器中，对其进行抽真空处理后，在烘干温度为34℃的条件下烘干处理24h，以得到微生物固载产品；
S5、制备微生物固井水泥浆：分别称取S4中的所述微生物固载产品300g、水泥干粉700g、水500g、消泡剂1g和氯化钙6g进行混合，以得到混合物，将上述混合物以转速3000r/min充分搅拌2min，制得含微生物的固井水泥浆，然后，将制备的固井水泥浆倒入到40mm*40mm*160mm的标准钢制模具和直径为25mm、长度为100mm的圆柱形模具中，分别振捣20次后，刮平模具表面多余的水泥浆，将水泥浆连同模具放入在恒温恒湿箱中养护，分别在3天、7天、28天时取出测试水泥石块的力学强度和抗渗性能。
本实施例中设置A、B、C、D组4组，并分别测试了4组实验中水泥试块的抗压强度、抗折强度以及渗透率，其测试结果分别如图3、图4和图5所示。其中，A组(空白对照组)由G级油井水泥、消泡剂、氯化钙和纯水按重量比为700：1：6：300制备的固井水泥浆；B组为由G级油井水泥和多孔陶瓷按质量比为7：3，水灰比为0.5制得的固井水泥浆；C组为由G级油井水泥和目标微生物菌液(替换A组的纯水)按水灰比为0.5制得的固井水泥浆；D组为采用实施例1所述方法制得的微生物固井水泥浆。
从图3可知，相比于A组，B组和D组的抗压强度在3天、7天、28天时均有所提高，而C组相比于A组有所降低，这表明采用将目标微生物和营养液直接添加到固井水泥中的方式会对水泥石的抗压强度造成不利影响。而多孔陶瓷微粒的加入填充了水泥石内部的微孔隙，提高了水泥石的密实度，因此，B组相对于A组有所提高；D组相对于B组和A组的抗压强度分别提高了1.7％～5.4％和3.7％～7.5％，这表明微生物通过固载的方式加入到水泥浆中，通过微生物成矿的作用，弥补了营养物质加入对水泥石抗压强度造成的负面影响，同时微生物诱导矿化沉积产物进一步填充了水泥石内部的微孔隙，因此，在多孔陶瓷和矿化产物的双重作用下，水泥石的抗压强度整体得到明显提高。
从图4可知，相对于A组，B组和C组的样品抗折强度在不同龄期均有所降低，其中，B组是由于多孔陶瓷直接添加到固井水泥中，只能起到填充作用，因此，发生折断破坏时，水泥石更容易从多孔材料的表面发生破坏，因此单一的多孔陶瓷对水泥石抗折强度是不利的，而C组同样是因为微生物和营养液直接添加到固井水泥中对水泥石的抗折强度产生不利影响；但D组的抗折强度相高于A组和B组的抗折强度，这表明采用微生物以固载于多孔陶瓷中添加到固井水泥中的方式，微生物成矿发挥了积极作用，尤其是微生物诱导矿化沉积产物起到了胶结多孔陶瓷与水泥水化产物的作用，因此水泥石的抗折强度有所提高。
由图5可知，C组中微生物和营养物质直接加入固井水泥浆中，造成微生物大量死亡，因此水泥石内部产生不多微孔隙和微裂隙，且相比于A组，水泥石的抗渗性能也有所降低；B组和D组均因为多孔陶瓷的加入，提高了水泥石的密实度，故水泥石的抗渗性能有所提高。另外，D组相对于B组水泥石的抗渗性能也有所提高，这表明采用微生物以固载于多孔陶瓷中添加到固井水泥中的方式，微生物诱导矿化沉积产物进一步填充了水泥石的微孔隙和微裂隙，通过固载的方式，避免了微生物的大量死亡，而使微生物可以在水泥水化后期发挥积极的修复作用。
此外，本发明还同时还测试了C组和D组在不同龄期下水泥石中存活的微生物数量(按每1g水泥石中存活的微生物来计算)，其结果如图6所示。由图6可知，C组中微生物在早期阶段便出现大量死亡的现象，而在7天和28天时，基本检测不到存活的微生物，而D组中微生物在水泥石不同龄期时存活的数量均比C组高，这是由于D组中微生物和营养物质通过固载方式加入在水泥浆中，避免了直接加入方式导致微生物大量死亡的问题，且在水泥水化后期由于固载材料微生物提供了生存的空间，避免了水泥水化导致的孔隙减小而造成的细胞破碎死亡，因此，这进一步表明本发明所述固载方法为微生物成矿技术在固井水泥浆中的应用提供了一套切实可行的方法，可以大大提高微生物的活性。
综上可知，可以说明微生物在水泥浆内的成矿作用发挥了积极作用，微生物修复作用效果明显。微生物固载材料的加入使得微生物固井水泥石的密实度增大，同时抵消了微生物直接加入水泥浆中对水泥石力学强度造成的负面影响。水泥石的微孔隙被微粒多孔陶瓷和微生物矿化产物占据，水泥石的抗渗性能也得到增强，这对于抵抗井下高压流体的侵蚀具有重要意义。另外，加入固载微生物的多孔陶瓷相比于加入未固载微生物的多孔陶瓷的固井水泥石的抗折强度提高了60％～75％，说明微生物的成矿作用，起到了胶结多孔陶瓷和水泥基材的作用，水泥石的韧性和完整度提高。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
S1、选取目标微生物，对所述目标微生物进行扩培处理，并取扩培后的菌液备用；
S2、取定量多孔陶瓷颗粒平铺在平板上，向其表面均匀喷洒定量的营养液后，静置24小时备用；
S3、将静置后的多孔陶瓷颗粒加入到S1中的菌液内，得到混合菌液，将所述混合菌液混合均匀，静置2～3小时后，去除所述混合菌液中的残留菌液，以得到目标多孔陶瓷；
S4、依次对所述目标多孔陶瓷进行抽真空和烘干处理，以得到微生物固载产品；
S5、制备微生物固井水泥浆：将S4中的所述微生物固载产品、水泥干粉、水、消泡剂和氯化钙按比例进行混合后，对所述混合液进行充分搅拌，以制得微生物固井水泥浆。
2.根据权利要求1所述的一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法，其特征在于，S1中所述目标微生物的具体步骤为：选用兼性厌氧型产脲酶微生物，并对所述微生物经过菌种选育后，以得到所述目标微生物。
3.根据权利要求1所述的一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法，其特征在于，S2中所述多孔陶瓷和所述营养液的质量比为1:1。
4.根据权利要求3所述的一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法，其特征在于，S2中所述营养液为营养肉汤培养基、尿素、无菌水的混合物。
5.根据权利要求3所述的一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法，其特征在于，S2中所述多孔陶瓷的粒径为0.5～1mm。
6.根据权利要求1所述的一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法，其特征在于，S3中所述混合菌液中所述多孔陶瓷与所述菌液的质量比为1:1。
7.根据权利要求1所述的一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法，其特征在于，S4中烘干温度为30～37℃，烘干时间为24h。
8.根据权利要求1所述的一种提高固井水泥浆中微生物活性的固载方法，其特征在于，S5中所述固井水泥浆中所述水泥干粉、所述微生物固载产品、所述水、所述消泡剂及所述氯化钙的质量比为700:300:500:1:6。
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