CN113956860B - 一种油田系统微生物腐蚀控制体系构建方法 - Google Patents

一种油田系统微生物腐蚀控制体系构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种油田系统微生物腐蚀控制体系构建方法，该方法包括如下步骤：(1)对腐蚀油田系统中的硫酸盐还原菌进行活性分析，以确定主导腐蚀硫酸盐还原菌；(2)根据主导腐蚀硫酸盐还原菌，构建针对性的腐蚀控制体系。与现有技术相比，本发明可针对不同特性及理化条件的油藏，在明确对应环境中主导腐蚀硫酸盐还原菌的基础上，建立针对性的抑制策略，是一种既科学系统、又经济有效的腐蚀生物控制方法。

Description

一种油田系统微生物腐蚀控制体系构建方法
技术领域
本发明涉及油田系统微生物腐蚀控制领域，尤其涉及一种油田系统微生物腐蚀控制体系构建方法。
背景技术
油田系统中金属管道腐蚀会导致油田发生泄露、爆炸等重大安全事故，产生巨大的经济损失，同时对环境也会造成污染。我国大部分油田都不同程度地受到腐蚀的危害。中国工程院重大咨询项目调查表明，我国2014年腐蚀成本超2.1万亿元人民币，油气管网腐蚀成本高达347亿元。其中，由微生物腐蚀造成的损失约占20％。厌氧条件下，硫酸盐还原菌在微生物腐蚀中占主导地位，其发生阴极去极化等反应过程，会加快管道的腐蚀速率，产生的腐蚀性产物硫化氢也是造成油藏酸化的主要因素，使得油品性质下降、管道堵塞、聚合物降解、环境污染等，对石油生产造成严重不利影响。
目前控制硫酸盐还原菌的方法包括物理法、化学法和生物法。物理法是控制pH、温度、矿化度、溶解氧等，但其控制效果有限。化学法主要是加入杀菌剂，虽然有好的杀灭效果，一定程度上可以控制腐蚀，但是会造成微生物耐药性、成本增加、污染等一系列问题。考虑到长期抑制效果和环境保护等，生物法受到广泛关注，主要利用微生物之间的竞争与共生关系进行抑制。其中，应用最多的是通过促进硝酸盐还原菌生长代谢进而抑制硫酸盐还原菌的方法。然而，由于不同油藏的理化参数、开发过程等存在差异，使得油田系统中分布的腐蚀硫酸盐还原菌种类也不同，相应所采取的抑制策略也应更有针对性。但是目前已报道的油田硫酸盐还原菌生物抑制体系并未完全考虑上述油藏差异，仅简单地添加抑制药剂或抑制菌，效果存在局限性，更重要的是缺少科学系统、经济有效、普适性的腐蚀控制体系构建方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服目前仅简单地添加抑制药剂或抑制菌导致腐蚀硫酸盐还原菌抑制效果不佳的问题，提供一种科学系统、经济有效、普适性的腐蚀控制体系构建方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种油田系统微生物腐蚀控制体系构建方法，包括以下步骤：
(1)对腐蚀油田系统中的硫酸盐还原菌进行活性分析，以确定主导腐蚀硫酸盐还原菌；
(2)根据主导腐蚀硫酸盐还原菌，构建针对性的腐蚀控制体系。
相比现有技术，本发明在添加抑制药剂或抑制菌之前先对腐蚀油田系统中的硫酸盐还原菌进行活性分析，明确主导腐蚀硫酸盐还原菌，然后针对主导腐蚀硫酸盐还原菌具体情况，再结合不同油藏的理化参数、开发过程等情况，合理添加抑制药剂或抑制菌，从而达到最佳的微生物腐蚀控制效果。
进一步地，腐蚀油田是指通常在井口处会伴有硫化氢气体产生(硫化氢浓度>20ppm)，金属管道发生不同程度腐蚀(碳钢腐蚀速率>0.1mm/年)。
进一步地，步骤(1)所述的硫酸盐还原菌的活性分析通过提取油田水样中微生物的总DNA和RNA、RNA反转录为cDNA，分析功能微生物菌群组成来获得。
进一步地，功能微生物菌群组成分析包括但不限于细菌和古菌的菌群组成、硫酸盐还原菌功能基因分析，依据硫酸盐还原菌所占的丰度，或者计算在RNA和DNA水平微生物菌属相对丰度归一化后的比值，以相对丰度或者比值高者确定为代谢活跃的主导腐蚀菌。
本发明的关键在于准确确定主导腐蚀硫酸盐还原菌，现有技术通常都是基于DNA水平对微生物组成分析，但是无法区分实际环境中微生物的代谢状态(如死亡、活跃等)，而采用上述方法，引入在RNA水平进行微生物组成的分析，并依据相对丰度或活跃比值高低，进而确定代谢活跃的主导腐蚀硫酸盐还原菌，具有科学性和创新性。
进一步地，油田水样需在现场采集后30分钟内完成细胞的抽滤浓缩，并向浓缩的细胞液中添加RNA固定剂，用干冰或液氮低温保藏。
进一步地，RNA固定剂为TRIzol和无水乙醇的混合液，体积比为1:15～20，进一步优选为1:19，RNA固定剂的添加比例为细胞浓缩液总体积的5％-10％。
进一步地，功能微生物菌群组成分析包括但不限于细菌和古菌的菌群组成、硫酸盐还原菌功能基因分析等。
进一步地，腐蚀控制体系构建需针对确定的油田主导腐蚀硫酸盐还原菌，并结合对应油藏的理化参数和菌群组成，注入抑制药剂或/和抑制菌。
进一步地，当菌群中所含硝酸盐还原菌和反硝化菌活性较低时，可同时注入抑制药剂和抑制菌，反之，可仅注入抑制药剂。
进一步地，抑制药剂或/和抑制菌的注入方式，可采用通过井口套管间隔性持续注入的方式。
进一步地，抑制药剂包括但不限于硝酸盐、亚硝酸盐、营养物等。
进一步地，抑制菌为硝酸盐还原菌或反硝化菌，须对主导腐蚀硫酸盐还原菌有显著的抑制作用，如果兼具产表面活性剂能力更优，抑制菌包括但不限于地芽孢杆菌、无氧芽孢杆菌等。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明可应用于不同理化特性的腐蚀油藏，在明确了代谢活跃的主导腐蚀硫酸盐还原菌种类的基础上，再有针对性地建立抑制体系，提供了一套科学系统、经济有效、普适性的腐蚀控制体系构建方法。在明确代谢活跃的主导腐蚀硫酸盐还原菌的过程中，本发明引入了在RNA水平进行微生物组成分析，包括但不限于细菌和古菌的菌群组成、硫酸盐还原菌功能基因分析，并依据代谢活跃微生物的相对丰度或活跃比值高低，进而确定代谢活跃的主导腐蚀硫酸盐还原菌，避免了现有技术仅基于DNA水平分析而无法区分实际发挥作用微生物的局限，为有效构建油田系统微生物腐蚀控制体系提供了保障。
本发明可有效降低成本，应用效果显著，减少因抑制对象不明确而造成的不必要损失，且易于操作，适用范围广，更具科学性和创新性，显著提升了技术效果。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，是为了使本专业技术人员更好的理解本发明，但并非对本发明的限制。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出一些非本质性的改进和调整，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动，其均应涵盖在本发明的保护范围之中。
实施例1
江苏油田W7油井管线腐蚀严重，硫化氢浓度较高可达61ppm，碳钢的腐蚀速率为0.101mm/年，油藏温度约为65℃。
现场取样时，从井口采集油水样于25L灭菌塑料桶中，在30分钟内使用超滤浓缩装置将油水样浓缩至灭菌血清瓶中，并添加5％体积的RNA固定剂(TRIzol和无水乙醇的体积比为1:19)，将血清瓶放置于装有干冰的保温箱内，迅速运回实验室待处理分析。另外采集油水样无需添加RNA固定剂，迅速运送回实验室。
按照DNA和RNA提取试剂盒的操作步骤，分别提取浓缩样品的总DNA和RNA，RNA纯化后反转录为cDNA，并采用细菌和古菌16S rRNA基因的通用引物、硫酸盐还原菌dsrA功能基因引物扩增，测序后进行菌群、硫酸盐还原菌等组成分析。菌群组成分析结果表明，在古菌中Archaeoglobus(97.9％)占绝对主导地位，细菌中的Desulfotignum(16.6％)是优势菌属。dsrA基因克隆文库分析结果表明，Archaeoglobus占绝对优势，相对丰度约占86％，Desulfotignum约占12.5％，还存在其它类型的硫酸盐还原菌Desulfovibrio、Thermodesulforhabdus等。此外，通过计算在RNA和DNA水平微生物菌属相对丰度归一化后的比值发现，Archaeoglobus的比值最高。综上，确定Archaeoglobus为该油井中代谢活跃的主导腐蚀硫酸盐还原菌。
细菌的菌群组成分析结果发现，代谢活跃的硝酸盐还原菌和反硝化菌主要包括Roseovarius(5.5％)、Marinobacter(1.5％)、Pseudomonas(0.4％)和Sulfurimonas(0.2％)。与硫酸盐还原菌相比，代谢活跃的硝酸盐还原菌和反硝化菌的相对丰度较低，可选择同时注入抑制药剂和抑制菌进行控制。
以所采集的油井油水样为接种物，接种于含有硝酸盐及营养物质的培养基中，进行抑制菌的富集与分离，培养基具体包括：2.0g/L NaNO3、0.33g/L KH2PO4、0.33g/LMgCl2·6H2O、0.02g/L CaCl2、0.33g/L KCl、5.0g/L NaCl、0.33g/L NH4Cl、3.0g/L、3.0g/L乙酸钠、0.33g/L NaHCO3、0.50g/L NaS2·9H2O、1.0mL/L Trace elements和Vitamin，pH为7.0～7.2，置于65℃恒温培养箱中进行富集培养。连续三次转接培养后，进行厌氧滚管分离单菌，将挑取的单菌在液体培养基中进行扩培，待达到一定菌浓后，提取DNA测序鉴定。经16S rRNA基因全长测序比对分析，分离到了一株嗜热地芽孢杆菌Geobacillus，与Geobacillus thermodenitrificans的相似度为99％，可作为抑制菌使用。同时，该菌株可以代谢产生表面活性剂，具有降低表面张力的能力。
以所采集的油井油水样为接种物，参照上述培养基，替换电子受体为硫酸钠，进行硫酸盐还原菌的富集，在60～65℃菌群生长良好，Archaeoglobus得到了有效富集，具有较强的产硫化氢能力。将分离的抑制菌与富集的硫酸盐还原菌接种到培养基中，添加20mmol/L的NaNO3作为抑制组，以只接种硫酸盐还原菌的为对照组，所有体系分别设置3个平行样，培养14天后分别测定硫化氢含量。结果表明，对照组中硫化氢含量为122.0mg/L，抑制组中硫化氢含量为1.2mg/L，计算得到硫化氢抑制率为99％，菌群分析发现代谢活跃的Archaeoglobus的相对丰度下降了63.6％，表明添加抑制药剂和抑制菌后抑制效果显著。
将抑制菌通过地面培养发酵制备成高浓度的菌液，抑制药剂NaNO3和营养物(乙酸钠、KH2PO4和NH4Cl)参照培养基比例配制成浓溶液，为了结合油藏自身的理化特性，可使用注入水或处理后的产出水直接配制。二者可采用通过井口套管间隔性持续注入的方式分别注入，可依据现场情况选择注入周期。
实施例2：
与实施例1不同之处在于，以所采集的油井油水样为接种物，接种于含有电子受体及营养物质的培养基中，进行抑制菌的富集与分离，培养基具体包括：1.0g/LKNO3、2.0g/L乙酸钠、0.2g/L KH2PO4、0.49g/L Na2HPO4、0.33g/L MgCl2·6H2O、0.55g/L CaCl2、0.10g/LKCl、5.0g/L NaCl、0.33g/L NH4Cl、0.20g/L NaHCO3、0.50g/L NaS2·9H2O、1.0mL/L Traceelements和Vitamin，pH为7.0～7.2，置于65℃恒温培养箱中进行富集培养。连续三次转接培养后，进行厌氧滚管分离单菌，将挑取的单菌在液体培养基中进行扩培，待达到一定菌浓后，提取DNA测序鉴定，获得抑制菌无氧芽孢杆菌Anoxybacillus。
以所采集的油井油水样为接种物，参照上述培养基，替换电子受体为硫酸钠，进行硫酸盐还原菌的富集，在60～65℃菌群生长良好，Archaeoglobus得到了有效富集，具有较强的产硫化氢能力。将分离的抑制菌与富集的硫酸盐还原菌接种到培养基中，添加20mmol/L的KNO3作为抑制组，以只接种硫酸盐还原菌的为对照组，所有体系分别设置3个平行样，培养18天后分别测定硫化氢含量。结果表明，对照组中硫化氢含量为140.0mg/L，抑制组中硫化氢含量为5.8mg/L，计算得到硫化氢抑制率为95.9％，菌群分析发现代谢活跃的Archaeoglobus的相对丰度明显下降，表明添加抑制药剂和抑制菌后抑制效果显著。
将抑制菌通过地面培养发酵制备成高浓度的菌液，将抑制药剂KNO3和营养物(乙酸钠、KH2PO4、Na2HPO4和NH4Cl)按照比例配制成浓溶液，为了结合油藏自身的理化特性，可使用注入水或处理后的产出水直接配制。二者可采用通过井口套管间隔性持续注入的方式分别注入，可依据现场情况选择注入周期。
实施例3：
海上油田X2油井管线腐蚀严重，硫化氢浓度约为30ppm，碳钢的腐蚀速率为0.159mm/年，油藏温度约为64℃。
现场取样时，从井口采集油水样于50L灭菌塑料桶中，在30分钟内使用超滤浓缩装置将油水样浓缩至灭菌血清瓶中，并添加10％体积的RNA固定剂(TRIzol和无水乙醇的体积比为1:15)，将血清瓶放置于装有干冰的保温箱内，迅速运回实验室待处理分析。另外采集油水样无需添加RNA固定剂，迅速运送回实验室。
按照DNA和RNA提取试剂盒的操作步骤，分别提取浓缩样品的总DNA和RNA，RNA纯化后反转录为cDNA，并采用细菌和古菌16S rRNA基因的通用引物、硫酸盐还原菌dsrA功能基因引物扩增，测序后进行菌群、硫酸盐还原菌等组成分析。菌群组成分析结果表明，细菌多样性较高，其中代谢活跃的硫酸盐还原菌主要有Thermodesulforhabdus(0.35％)和Thermodesulfovibrio(0.28％)。通过计算在RNA和DNA水平微生物菌属相对丰度归一化后的比值发现，Thermodesulforhabdus菌属的比值较高。dsrA基因克隆文库分析结果表明，Thermodesulforhabdus的相对丰度为47.1％，是优势菌属。由此，确定Thermodesulforhabdus为该油井中代谢活跃的主导腐蚀硫酸盐还原菌。
细菌的菌群组成分析结果发现，代谢活跃的硝酸盐还原菌和反硝化菌主要包括Bosea(68.8％)、Pseudomonas(1.4％)、Methylobacterium(1.9％)和Paracoccus(0.03％)。与硫酸盐还原菌相比，代谢活跃的硝酸盐还原菌和反硝化菌的相对丰度明显较高，可选择注入抑制药剂来进行控制。
以所采集的油井油水样为菌群和物质基础，添加营养物(0.20g/L NH4Cl、0.18g/LKH2PO4、0.50g/L Na2HPO4和2.0g/L乳酸钠)和抑制药剂10mmol/L的NaNO2作为抑制组，以不添加抑制药剂和营养物的为对照组，所有体系分别设置3个平行样，64℃培养21天后分别测定硫化氢含量。结果表明，对照组中硫化氢含量为38.2mg/L，抑制组中硫化氢含量为4.3mg/L，计算得到硫化氢抑制率为88.7％，菌群分析发现代谢活跃的Thermodesulforhabdus的相对丰度下降了31.3％，表明添加抑制药剂可进行有效控制。
将抑制药剂NaNO2和营养物(乳酸钠、KH2PO4、Na2HPO4和NH4Cl)按照比例配制成浓溶液，为了结合油藏自身的理化特性，可使用注入水或处理后的产出水直接配制。可采用通过井口套管间隔性持续注入的方式注入，可依据现场情况选择注入周期为2天或4天。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种油田系统微生物腐蚀控制体系构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 对腐蚀油田系统中的硫酸盐还原菌进行活性分析，以确定主导腐蚀硫酸盐还原菌；
其中，所述的硫酸盐还原菌的活性分析通过提取油田水样中微生物的总DNA和RNA、RNA反转录为cDNA，分析功能微生物菌群组成来获得；功能微生物菌群组成分析包括但不限于细菌和古菌的菌群组成、硫酸盐还原菌功能基因分析，依据硫酸盐还原菌所占的丰度，或者计算在RNA和DNA水平微生物菌属相对丰度归一化后的比值，以相对丰度或者比值高者确定为代谢活跃的主导腐蚀菌；
(2) 根据主导腐蚀硫酸盐还原菌，构建针对性的腐蚀控制体系，针对油田主导腐蚀硫酸盐还原菌，并结合对应油藏的理化参数和菌群组成，注入抑制药剂或/和抑制菌。
2.根据权利要求1所述的一种油田系统微生物腐蚀控制体系构建方法，其特征在于，所述油田水样需在现场采集后30分钟内完成细胞的抽滤浓缩，并向浓缩的细胞液中添加RNA固定剂，用干冰或液氮低温保藏。
3.根据权利要求2所述的一种油田系统微生物腐蚀控制体系构建方法，其特征在于，所述RNA固定剂为TRIzol和无水乙醇的混合液，二者体积比为1:15~20；所述RNA固定剂的添加比例为细胞浓缩液总体积的5%-10%。
4.根据权利要求1所述的一种油田系统微生物腐蚀控制体系构建方法，其特征在于，当菌群所含硝酸盐还原菌和反硝化菌活性较低时，同时注入抑制药剂和抑制菌；反之，仅注入抑制药剂。
5.根据权利要求4所述的一种油田系统微生物腐蚀控制体系构建方法，其特征在于，所述的抑制药剂或/和抑制菌的注入方式采用通过井口套管间隔性持续注入的方式。
6.根据权利要求5所述的一种油田系统微生物腐蚀控制体系构建方法，其特征在于，所述的抑制药剂包括硝酸盐、亚硝酸盐；所述的抑制菌为地芽孢杆菌或无氧芽孢杆菌。
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