CN111607372A - 一种用于稠油开采的生物纳米制剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于稠油开采的生物纳米制剂及其制备方法和应用，以质量份计，该用于稠油开采的生物纳米制剂由以下组分组成：微生物发酵液20～50份，脂肪醇聚氧乙烯醚5～15份，烷基糖苷5～15份，碳酸二甲酯15～20份，月桂醇硫酸酯钠1～10份以及有机溶剂2～15份。本发明通过引入特定条件下制备的微生物发酵液，并与其他组分混合后作为解堵剂使用，该生物纳米制剂在0～280℃条件下不仅能够很好的对胶质沥青质和蜡质等物质进行溶解，同时还能进行乳化分散，显著提高了解堵效果；混合组分均无毒无害，制备工艺简单，有利于工业大规模生产使用。

Description

一种用于稠油开采的生物纳米制剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及稠油资源开采技术领域，特别涉及一种用于稠油开采的生物纳米制剂及其制备方法和应用。
背景技术
目前，在油田的石油开采过程中往往会出现因为原油中有机重质组分(如蜡质、沥青质)在地层或者管道表面积累，从而使得水或者原油流通通道变窄，有效渗透率降低，严重影响石油开采。通常这种有机堵塞状况较为普遍地出现在稠油和高凝油的开采过程中。我们把地面密度大于0.943，且地下粘度大于50mPa·S的原油叫稠油；把凝固点高于35℃，且含蜡量大于30％的原油称为高凝油，它们均是区别于普通原油的油气资源，这两种油气资源在全世界的储量与普通原油相当。同时稠油由于沥青质和胶质含量较大，所以具有粘度高、密度大的特点；高凝油含蜡高，尤其是在地层与地表温度差别大的情况，蜡质析出明显；常常于近井地带或井筒堵塞、流动性差，所以难以正常开采。
为了清除油井有机堵塞或降低稠油粘度，目前一般采用加入稀释剂或者解堵剂的方式。其中，加入稀释剂的方法，对于粘度较大的稠油，需要加入的稀释剂的量很大，其经济性较差，而为了降低开采成本，一般采用加入清蜡剂的方法。油溶性清蜡剂按作用机理主要分为以下两种类型。一种是降凝剂类型的聚合物或缩合物，通过破坏原油中蜡的结晶，使一些高蜡高凝点原油粘度显著降低，如芳香烃、a-烯烃、聚丙烯酸酯等都属于这种类型。这类物质通常只需要几十到几百ppm就可以显著降低原油粘度，但仅适用于蜡含量较高的原油，而且只在较低温度有效，通常高于60℃以上就失去降粘作用。另一种是沥青质分散剂类型的化合物，其作用机理是利用分子结构中极性基团与沥青质、胶质的相互作用，降低沥青质分子间的范德华力，并破坏偶极作用力和氢键，使重叠堆砌的片状平面聚集体和交织的空间网络结构被拆散，达到解堵的目的。这类解堵剂由于含有毒有害物质，环保性和安全性较差，而且，稠油的粘度随着温度的降低而增加。现有的解堵剂，使用的温度环境都较高，一般要求60℃及以上，对于环境温度较低时，效果很差。故需要提出一种新的制剂用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于稠油开采的生物纳米制剂及其制备方法和应用，用于解决现有技术中解堵剂解堵效果不理想且环保性较差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的第一解决方案为：一种用于稠油开采的生物纳米制剂，以质量份计，用于稠油开采的生物纳米制剂由以下组分组成：微生物发酵液20～50份，脂肪醇聚氧乙烯醚5～15份，烷基糖苷5～15份，碳酸二甲酯15～20份，月桂醇硫酸酯钠1～10份以及有机溶剂2～15份。
其中，微生物发酵液为菌种Pseudomonas、Bacillus、Candidas、Pantoea中的一种或多种在特制培养基中发酵所得到的产物，微生物发酵液的成分种类包括糖脂类、脂肽类、多糖类、二元酸类、二元醇类中的一种或多种的混合物。
优选的，特制培养基以质量百分数计包括：0.5～10％的植物油，0.5～2.0％的玉米糖浆或维生素，0.1～1.0％的KH2PO4，0.01～0.5％的NaNO3，0.1～0.2％的酵母粉，0.1～0.2％的黄原胶，其余为水；特制培养基的pH值为6～8。
优选的，特制培养基以质量百分数计包括：0.5～2.5％的葡萄糖或蔗糖，0.1～0.5％维生素，0.1～0.5％的KH2PO4，0.01～0.1％的NaNO3，0.1～0.2％的酵母粉，其余为水；特制培养基的pH值为6～7。
优选的，脂肪醇聚氧乙烯醚为环氧乙烷数目处于3～12的脂肪醇聚氧乙烯醚。
优选的，有机溶剂为甲烷、乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、丁二醇、环己醇、戊醇、柠檬烯、戊二烯中的一种或多种的混合物。
优选的，有机溶剂为菌种Clostridium的发酵液。
为解决上述技术问题，本发明提供的第二解决方案为：一种如前述第一解决方案中用于稠油开采的生物纳米制剂的制备方法，其步骤包括：选取菌种，在特制培养基中制备微生物发酵液；将脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基糖苷和碳酸二甲酯加入微生物发酵液中，加热至50℃并搅拌20min，冷却后依次加入月桂醇硫酸酯钠和有机溶剂，混合均匀后得到用于稠油开采的生物纳米制剂。
其中，当以菌种Pseudomonas和Bacillus为制备微生物发酵液的菌株时，在特制培养基中制备微生物发酵液的过程具体包括：按质量百分数0.5～10％的植物油、0.5～2.0％的玉米糖浆或维生素、0.1～1.0％的KH2PO4、0.01～0.5％的NaNO3、0.1～0.2％的酵母粉、0.1～0.2％的黄原胶以及水配制特制培养基，且特制培养基的pH值为6～8；将菌种Pseudomonas、Bacillus置于特制培养基中，于20～37℃条件下边通气边搅拌反应72～90h，得到初级发酵液，其中搅拌速度为100～300rpm，通气量为0.1～0.6vvm；将初级发酵液经高速离心除去菌株和残余植物油，得到中间层液体；将中间层液体经有机纤维膜除去悬浮颗粒和絮体，在40～60℃条件下澄清并浓缩，得到微生物发酵液。
为解决上述技术问题，本发明提供的第三解决方案为：一种如前述第一解决方案中用于稠油开采的生物纳米制剂的应用，该用于稠油开采的生物纳米制剂作为解堵剂加入到含有稠油或高凝油油砂中，且该用于稠油开采的生物纳米制剂添加浓度为0.5～20％。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明一种用于稠油开采的生物纳米制剂及其制备方法和应用，通过引入特定条件下制备的微生物发酵液，并与其他组分混合后作为解堵剂使用，该生物纳米制剂在0～280℃条件下不仅能够很好的对胶质沥青质和蜡质等物质进行溶解，同时还能进行乳化分散，显著提高了解堵效果；此外混合组分均无毒无害，制备工艺简单，有利于工业大规模生产使用。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
对于本发明所提出的第一解决方案，提供了一种用于稠油开采的生物纳米制剂，以质量份计，该生物纳米制剂由以下组分组成：微生物发酵液20～50份，脂肪醇聚氧乙烯醚5～15份，烷基糖苷5～15份，碳酸二甲酯15～20份，月桂醇硫酸酯钠1～10份以及有机溶剂2～15份。下面对各组分的优选物质进行详细描述。
本实施方式中，微生物发酵液的成分种类包括糖脂类、脂肽类、多糖类、二元酸类、二元醇类中的一种或多种的混合物。具体地，微生物发酵液为菌种Pseudomonas、Bacillus、Candidas、Pantoea中的一种或多种在特制培养基中发酵所得到的产物，其作用在于，通过该微生物发酵液的加入，能够对胶质沥青质和蜡质等物质进行乳化分散，以提高解堵效果。
上述微生物发酵液存在如下优势：1)对于现有技术中常用的化学表面活性剂来说，通常需要1000ppm以上的浓度才能对胶质、蜡质、沥青质等含有杂原子的物质产生较好的分散及增溶效果，但上述生物发酵液中的主要成分为糖脂、脂肽等生物表面活性剂，这种生物表面活性剂在200ppm左右的浓度时便能起到较好的分散及增溶效果，其使用时所需浓度较普通化学表面活性剂来说，大大降低；2)上述生物发酵液对蜡质组分具有更强的分散蜡晶，以及防止聚并的功能，从而能够降低凝固点，通常有5～10℃的降幅，而一般化学降凝剂仅能降低2～5℃；3)上述发酵液中的多糖类、二元酸类和二元醇能够起到稳定乳液的作用，特别是降低有机溶剂颗粒粒径达到100纳米以下时，能够很好地促进稳定纳米乳液的形成。
更具体地，在本实施方式中，关于制备微生物发酵液时所采用的特制培养基，其中一种优选方式是以质量百分数计包括：0.5～10％的植物油，0.5～2.0％的玉米糖浆或维生素，0.1～1.0％的KH2PO4，0.01～0.5％的NaNO3，0.1～0.2％的酵母粉，0.1～0.2％的黄原胶，该方式下特制培养基的pH值为6～8；另一种优选方式是以质量百分数计包括：0.5～2.5％的葡萄糖或蔗糖，0.1～0.5％维生素，0.1～0.5％的KH2PO4，0.01～0.1％的NaNO3，0.1～0.2％的酵母粉，该方式下特制培养基的pH值为6～7。在其他实施方式中，还可以根据实际情况，对培养基的组分和比例、或者菌种的组合和配比进行适应性调整，在此不做限定。
具体地，本实施方式中，优选的脂肪醇聚氧乙烯醚为环氧乙烷数目处于3～12的脂肪醇聚氧乙烯醚，少量的脂肪醇聚氧乙烯醚与月桂醇硫酸酯钠混合后构成乳化剂，对稠油的表面张力起到调节的作用。此外，加入一定量的烷基糖苷能够降低水活度，调节稠油的流动状态；而碳酸二甲酯具有较低的粘度和较强的溶解能力，有助于对胶质沥青质和蜡质等物质进行部分溶解。
具体地，本实施方式中，优选的有机溶剂为甲烷、乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、丁二醇、环己醇、戊醇、柠檬烯、戊二烯中的一种或多种的混合物；此外，还可以选择Clostridium等产酸产醇的菌种制备相应的发酵液，并将其作为有机溶剂使用，不仅能够起到提供溶剂环境的作用，还能配合前述微生物发酵液，进一步提高其乳化分散效果。
对于本发明提供的第二解决方案，提供了一种用于稠油开采的生物纳米制剂的制备方法，该制备方法用于制备前述第一解决方案中用于稠油开采的生物纳米制剂，其步骤包括：
a.选取菌种，在特制培养基中制备微生物发酵液。本步骤中，在制备微生物发酵液时，当选用不同的菌种，特制培养基的配置方案和制备微生物发酵液的工艺步骤均会发生变化，本实施方式中分别选取两类菌种，并对其制备工艺做详细描述。
其一，当以菌种Pseudomonas和Bacillus为制备微生物发酵液的菌株时，在特制培养基中制备微生物发酵液的过程具体包括：按质量百分数0.5～10％的植物油、0.5～2.0％的玉米糖浆或维生素、0.1～1.0％的KH2PO4、0.01～0.5％的NaNO3、0.1～0.2％的酵母粉、0.1～0.2％的黄原胶以及水配制特制培养基，且特制培养基的pH值为6～8；将菌种Pseudomonas、Bacillus置于特制培养基中，于20～37℃条件下边通气边搅拌反应72～90h，得到初级发酵液，其中搅拌速度为100～300rpm，通气量为0.1～0.6vvm；将初级发酵液经高速离心除去菌株和残余植物油，得到中间层液体；将中间层液体经有机纤维膜除去悬浮颗粒和絮体，在40～60℃条件下澄清并浓缩，得到微生物发酵液。
其二，当以菌种Bacillu和Pantoea为制备微生物发酵液的菌株时，在特制培养基中制备微生物发酵液的过程具体包括：按浓度1～30g/L的玉米糖浆、1～4g/L的生物质、2～10g/L的维生素B和微生物素C、1～5g/L的KH2PO4、0.1～1g/L的NaNO3、1～3g/L的酵母粉、2-7g/L的蛋白胨、2～8g/L的可溶性淀粉、1-8g/L的CaCO3、1～4g/L的(NH4)2SO4、0～2g/L的MgSO4、0.1～2g/L的K2HPO4、0.001～0.01g/L的CuSO4、0～0.01g/L的FeSO4以及水配制特制培养基，且特制培养基的pH值为6～7；将菌种Bacillu和Pantoea置于特制培养基中，先于30℃恒温条件下以转速100～150rpm振荡发酵培养3～5天，再于26℃恒温条件下以转速150～200rpm振荡发酵培养3～5天，得到初级发酵液；将初级发酵液经过滤除菌后调节pH值至1～3，沉降8～9h后，以转速5000rpm离心10min，得到沉淀物；将沉淀物溶于0.1mol/L NaOH-乙醇的水溶液，以转速5000rpm离心10min，得到上清液；向上清液中导入HCl调节pH值至1～3，以转速5000rpm依次在水和无水乙醇溶液中离心10min，得到微生物发酵液。
在其他实施方式中，可根据具体所选菌种的类型搭配方式，对特制培养基的配置方案和制备微生物发酵液的工艺过程做适应性调整，在此不做一一列举。
b.将脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基糖苷和碳酸二甲酯加入微生物发酵液中，加热至50℃并搅拌20min，冷却后依次加入月桂醇硫酸酯钠和有机溶剂，混合均匀后得到用于稠油开采的生物纳米制剂。本步骤中，依次加入月桂醇硫酸酯钠和有机溶剂进行混合的目的在于，使有机溶剂更容易维持100纳米尺寸，并均匀分散在水相中，从而混合后能够形成均匀稳定的纳米乳液。
对于本发明提供的第三解决方案，提供了一种用于稠油开采的生物纳米制剂的应用，将前述第一解决方案中用于稠油开采的生物纳米制剂作为解堵剂，加入到含有稠油或高凝油油砂中，且该用于稠油开采的生物纳米制剂添加浓度为0.5～20％，本实施方式中优选添加质量浓度为0.5～20％的该生物纳米制剂，在其他实施方式中，可根据实际需求对所加入制剂的浓度进行适应性调节，在此不作限定。
下面通过具体实施例对上述用于稠油开采的生物纳米制剂的解堵效果做详细描述。以下实施例1～4中所有微生物发酵液的制备方法，均遵循上述以菌种Pseudomonas和Bacillus为制备微生物发酵液的菌株时的制备步骤，具体在此不做赘述。
实施例1
于pH值为6～7的特制培养基中制备微生物发酵液；以质量份计，将5份脂肪醇聚氧乙烯醚、6份烷基糖苷和5份碳酸二甲酯加入20份微生物发酵液中，加热至50℃并搅拌20min，冷却后依次加入2份月桂醇硫酸酯钠和8份有机溶剂，混合均匀后得到用于稠油开采的生物纳米制剂A。
实施例2
于pH值为6～7的特制培养基中制备微生物发酵液；以质量份计，将10份脂肪醇聚氧乙烯醚、7份烷基糖苷和10份碳酸二甲酯加入30份微生物发酵液中，加热至50℃并搅拌20min，冷却后依次加入5份月桂醇硫酸酯钠和10份有机溶剂，混合均匀后得到用于稠油开采的生物纳米制剂B。
实施例3
于pH值为6～7的特制培养基中制备微生物发酵液；以质量份计，将15份脂肪醇聚氧乙烯醚、10份烷基糖苷和15份碳酸二甲酯加入40份微生物发酵液中，加热至50℃并搅拌20min，冷却后依次加入10份月桂醇硫酸酯钠和15份有机溶剂，混合均匀后得到用于稠油开采的生物纳米制剂C。
实施例4
于pH值为6～7的特制培养基中制备微生物发酵液；以质量份计，将15份脂肪醇聚氧乙烯醚、10份烷基糖苷和15份碳酸二甲酯加入50份微生物发酵液中，加热至50℃并搅拌20min，冷却后依次加入10份月桂醇硫酸酯钠和15份有机溶剂，混合均匀后得到用于稠油开采的生物纳米制剂D。
实验1
制备实验所需的两种不同油砂，其工艺步骤分别如下：
(1)高凝油油砂制备：从油田取得含蜡量35％且凝固点48℃的原油2g；选择目数在200和500的1:1混合石英砂10g；将5克石英砂倒入20ml的玻璃管，然后加入2g高凝油，至于60℃下老化2天，使得高凝油和石英砂完全接触浸润，得到高凝油油砂。
(2)稠油油砂制备：稠油油砂制备，从某油田取得密度为0.997，地面黏度12万的稠油2g；选择目数在200和500的1:1混合石英砂10g；将5g石英砂倒入20ml的玻璃管，然后加入2g稠油，至于60℃下老化2天，使得高凝油和石英砂完全接触浸润，得到稠油油砂。
将上述实施例1～4中所制得的生物纳米制剂A～D分别加入到上述油砂中，生物纳米制剂A～D的使用浓度均为10％，分别检测出油率、出油的黏度、降低凝固点等参数，其结果如表l所示，表1中出油率为60℃条件下从油砂出来油重量占原有油量的百分比，降粘率为60℃条件下从油砂出来的油的粘度占原有油粘度的百分比，降凝率为从油砂出来的油的凝固点占原有油凝固点的百分比；同时选取现有市面上常用的三种解堵剂I、II、III，分别为Stepan Bio-soft、石油磺酸盐、异构醇聚氧乙烯醚，对比可以看出，相比于现有技术中解堵剂来说，本发明中所制得的生物纳米制剂A～D均具有优异的降粘率和降凝率，其中生物纳米制剂D的性能尤为突出，由此可以证实，本发明中用于稠油开采的生物纳米制剂具有较好的解堵效果。
表1高凝油油砂和稠油油砂中的解堵效果对比表
Figure BDA0002509271210000081
Figure BDA0002509271210000091
区别于现有技术的情况，本发明一种用于稠油开采的生物纳米制剂及其制备方法和应用，通过引入特定条件下制备的微生物发酵液，并与其他组分混合后作为解堵剂使用，该生物纳米制剂在0～280℃条件下不仅能够很好的对胶质沥青质和蜡质等物质进行溶解，同时还能进行乳化分散，显著提高了解堵效果；此外混合组分均无毒无害，制备工艺简单，有利于工业大规模生产使用。
需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于稠油开采的生物纳米制剂，其特征在于，以质量份计，所述用于稠油开采的生物纳米制剂由以下组分组成：微生物发酵液20～50份，脂肪醇聚氧乙烯醚5～15份，烷基糖苷5～15份，碳酸二甲酯15～20份，月桂醇硫酸酯钠1～10份以及有机溶剂2～15份。
2.根据权利要求1中所述的用于稠油开采的生物纳米制剂，其特征在于，所述微生物发酵液为菌种Pseudomonas、Bacillus、Candidas、Pantoea中的一种或多种在特制培养基中发酵所得到的产物，所述微生物发酵液的成分种类包括糖脂类、脂肽类、多糖类、二元酸类、二元醇类中的一种或多种的混合物。
3.根据权利要求2中所述的用于稠油开采的生物纳米制剂，其特征在于，所述特制培养基以质量百分数计包括：0.5～10％的植物油，0.5～2.0％的玉米糖浆或维生素，0.1～1.0％的KH2PO4，0.01～0.5％的NaNO3，0.1～0.2％的酵母粉，0.1～0.2％的黄原胶，其余为水；所述特制培养基的pH值为6～8。
4.根据权利要求2中所述的用于稠油开采的生物纳米制剂，其特征在于，所述特制培养基以质量百分数计包括：0.5～2.5％的葡萄糖或蔗糖，0.1～0.5％维生素，0.1～0.5％的KH2PO4，0.01～0.1％的NaNO3，0.1～0.2％的酵母粉，其余为水；所述特制培养基的pH值为6～7。
5.根据权利要求1中所述的用于稠油开采的生物纳米制剂，其特征在于，脂肪醇聚氧乙烯醚为环氧乙烷数目处于3～12的脂肪醇聚氧乙烯醚。
6.根据权利要求1中所述的用于稠油开采的生物纳米制剂，其特征在于，所述有机溶剂为甲烷、乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、丁二醇、环己醇、戊醇、柠檬烯、戊二烯中的一种或多种的混合物。
7.根据权利要求1中所述的用于稠油开采的生物纳米制剂，其特征在于，所述有机溶剂为菌种Clostridium的发酵液。
8.一种如权利要求1～7中任一所述用于稠油开采的生物纳米制剂的制备方法，其特征在于，其步骤包括：
选取菌种，在特制培养基中制备微生物发酵液；
将脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基糖苷和碳酸二甲酯加入所述微生物发酵液中，加热至50℃并搅拌20min，冷却后依次加入月桂醇硫酸酯钠和有机溶剂，混合均匀后得到用于稠油开采的生物纳米制剂。
9.根据权利要求8中所述用于稠油开采的生物纳米制剂的制备方法，其特征在于，以菌种Pseudomonas和Bacillus为制备所述微生物发酵液的菌株，所述在特制培养基中制备微生物发酵液的过程具体包括：
按质量百分数0.5～10％的植物油、0.5～2.0％的玉米糖浆或维生素、0.1～1.0％的KH2PO4、0.01～0.5％的NaNO3、0.1～0.2％的酵母粉、0.1～0.2％的黄原胶以及水配制所述特制培养基，且所述特制培养基的pH值为6～8；
将菌种Pseudomonas、Bacillus置于所述特制培养基中，于20～37℃条件下边通气边搅拌反应72～90h，得到初级发酵液，其中搅拌速度为100～300rpm，通气量为0.1～0.6vvm；
将所述初级发酵液经高速离心除去菌株和残余植物油，得到中间层液体；
将所述中间层液体经有机纤维膜除去悬浮颗粒和絮体，在40～60℃条件下澄清并浓缩，得到所述微生物发酵液。
10.一种如权利要求1～7中任一所述用于稠油开采的生物纳米制剂的应用，其特征在于，所述用于稠油开采的生物纳米制剂作为解堵剂加入到含有稠油或高凝油油砂中，且所述用于稠油开采的生物纳米制剂添加浓度为0.5～20％。
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