生物酶特性及在石油行业的应用

中国石油冀东油田公司 生物酶特性及其应用 卢淑芹 二0一0年十一月 中国石油冀东油田公司 一 前言二 生物酶的特性三 生物酶的种类四 生物酶是石油中的应用 中国石油冀东油田公司 前言 生物酶是一种无毒 对环境友好的生物催化剂 其化学本质为蛋白质 酶的生产和应用 在国内外已具有80多年历史 进入20世纪80年代 生物工程作为一门新兴高新术在我国得到了迅速发展 酶处理工艺已被公认为是一种符合环保要求的绿色生产工艺 它不仅使纺织品等的性能得到改善和提高 又因无毒无害 用量少 可生物降解废水 无污染而有利于生态环保的保护 中国石油冀东油田公司 生物酶是具有催化功能的蛋白质 酶分子由氨基酸长链组成 其中一部分链成螺旋状 一部分成折叠的薄片结构 而这两部分由不折叠的氨基酸链连接起来 而使整个酶分子成为特定的三维结构 生物酶是从生物体中产生的 它具有特殊的催化功能 其特性如下 高效性 用酶作催化剂 酶的催化效率是一般无机催化剂的103106倍 生物酶的特性 中国石油冀东油田公司 生物酶的特性 专一性 一种酶只能催化一类物质的化学反应 即酶是仅能促进特定化合物 特定化学键 特定化学变化的催化剂 低反应条件 酶催化反应不象一般催化剂需要高温 高压 强酸 强碱等剧烈条件 而可在较温和的常温 常压下进行 易变性失活 在受到紫外线 热 射线 表面活性剂 金属盐 强酸 强碱及其它化学试剂如氧化剂 还原剂等因素影响时 酶蛋白的二级 三级结构有所改变 所以在大生产时 如有条件酶还可以回收利用 可降低生化反应的反应活化能 酶作为一种催化剂 能提高化学反应的速率 主要原因是降低了反应的活化能 使反应更易进行 而且酶在反应前后理论上是不被消耗的 所以还可回收利用 中国石油冀东油田公司 把碳氢化合物从固体粒子表面附着物剥离 本身可以生物降解 PH值为7 催化反应的范围宽 速度快 完全溶于水 降解碳氢化合物 生物酶是生物体产生的具有催化作用的蛋白质 将微生物针对不同的用途 进行提取培养 有针对性地添加酶制剂以及营养物质和矿物质而成的一种生物工程复合产品 生物酶特点 生物酶的特性 中国石油冀东油田公司 生物酶的种类 脂肪酶脂肪酶能将脂肪水解成甘油和脂肪酸 脂肪酸进一步进行B一氧化 每次脱下一个C2物 生成乙酰COA N 环己基辛基胺 进入TCA 三羧酸 环彻底氧化或进入乙醛酸环合成糖类 中国石油冀东油田公司 生物酶的种类 蛋白酶由微生物分泌的蛋白酶因菌种不同而异 例如枯草杆菌分泌明胶酶和酪蛋白酶 可以水解明胶和酪蛋白 费氏链酶菌分泌角蛋白酶 可以水解动物的毛 角 蹄的角蛋白 蛋白酶将蛋白质分解成肽 再经肽酶水解成氨基酸 中国石油冀东油田公司 生物酶的种类 纤维素酶纤维素酶是一个多组分酶体系 纤维素酶大多数是由木酶属真菌制造的 纤维素酶中的纤维素二糖水解酶又称为外切纤维素酶 由CHBI和CHBII两种酶组成 而内切葡聚糖酶 又称为内切纤维素酶 至少由5种纤维素酶 EGI EGII EGHI EGIV EGV 组成 此外 还有13一葡萄糖醛酶 这些纤维素酶在纤维素的水解中具有协同作用 中国石油冀东油田公司 生物酶的种类 过氧化氢酶过氧化氢酶是一种氧化还原酶 催化分解过氧化氢成为水和氧气 它主要用于漂白工艺后去除残余的双氧水 提高后继染色性能和质量 并且没有过量危险 过氧化氢酶也可用于纱线染色机 溢流喷射染色机 绞盘染色机和卷染机等的氧漂生物净化处理 中国石油冀东油田公司 生物酶的种类 淀粉酶淀粉酶是水解淀粉和糖原的酶类总称 通常通过淀粉酶催化水解织物上的淀粉浆料 由于淀粉酶的高效性及专一性 酶退浆的退浆率高 退浆快 污染少 产品比酸法 减法更柔软 且不损伤纤维 淀粉酶的种类很多 根据设备组合不同和工艺流程不同而不同 淀粉酶 中国石油冀东油田公司 生物酶的用途 此种新型的钻井液体系利用生物酶的生物降解特性 将钻进过程中侵入地层和粘附在井壁上的钻井材料转化为二氧化碳和水 将钻井和完井相结合 并兼顾环境保护和储层保护 在钻井完成后不需要采用压力解堵 酸化解堵 油溶解堵 破胶解堵等技术 储层先前形成的泥饼在生物酶的作用下自动降解破除 且破除的时间可以根据生物酶对体系的催化降解特性人为控制 泥饼破除后产层孔隙中的阻塞物消除 从而使地下流体通道畅通 从根本上改进了解堵工艺 实现对地层无污染 无伤害钻进 完井后地层的渗透性恢复高 油气井产量大 节约生产成本 一 生物酶在钻井过程中的应用 中国石油冀东油田公司 在钻井过程中的应用 钻进时 生物酶可解堵钻井液在近井壁形成一个渗透率几乎为零的封堵层 稳定井壁和保护油气层 钻进结束后 钻井液在生物酶催化作用下发生生物降解 粘度逐渐下降 先前形成的泥饼自动破除 产层孔隙中的阻塞物消除 从而使地下流体通道畅通 恢复储层渗透率 中国石油冀东油田公司 生物酶随滤液进入储层 生物酶及其代谢产物在岩石表面油膜下生长繁殖 占据了孔隙空间 使原油从岩石表面剥离而驱出原油 降解原油 主要表现在可以降解长链饱和烃为中短链烃 使饱和烃平均分子链长变短 起到降低原油粘度 改善原油流动性的作用 其代谢过程中会产生大量的气体 这些气体溶解在原油中 可以降低原油粘度 增强原油流动能力 当这些气体以小气泡形式存在时 可以增加油层压力 减小残余油饱和度 作用原理 在钻井过程中的应用 中国石油冀东油田公司 处理剂根据累积耗氧量的不同将其分为以下三类 易生物降解处理剂 累计耗氧量始终大于空白耗氧量 较易生物降解处理剂 累积耗氧量初始小于空白样的累积耗氧量 但随着培养时间的增加 其累积耗氧量最终大于空白样的累积耗氧量 生物不可降解处理剂 累计耗氧量小于空白耗氧量 处理剂初步优选 DO衰减法 优选方法 在钻井过程中的应用 中国石油冀东油田公司 易生物降解钻井液处理剂 HV PAC 改性淀粉 A 糖类抑制剂 B 天然高分子包被剂 C 天然高分子抗温降失水剂 D 等天然或天然改性纤维素 以及生物聚合物XC 较易生物降解钻井液处理剂 高 中 低粘CMC以及PAC141等 生物不可降解处理剂 一般磺化类处理剂 PAM 铵盐和两性离子聚合物等 生物酶可解堵钻井液体系处理剂主要选用的是易生物降解处理剂和较易生物降解处理剂 使其复配体系首先满足一般钻井液性能要求 并依据它们在生物酶的作用下降解速度的不同 结合工程解堵时间的实际需求选择复配 处理剂初步优选 在钻井过程中的应用 中国石油冀东油田公司 综合钻井液的性能需要 初步遴选出以下四种类型的钻井液处理剂进行再次优选 粘度衰减法 测定自然降解性能 测定生物降解性能 评价方法 增粘剂 HV PAC HV CMC降失水剂 LV CMC A D流型调节剂 XC包被抑制剂 PAC 141 B C 处理剂类型 处理剂优选 在钻井过程中的应用 中国石油冀东油田公司 以处理剂降解性能数据做降解速率 AV t数据如下表 在钻井过程中的应用 中国石油冀东油田公司 处理剂自然降解速度比较如下 HV PAC HV CMC LV CMC PAC 141 B C D XC A 加生物酶后降解速度比较如下 HV PAC HV CMC PAC 141 LV CMC D A B C XC 在钻井过程中的应用 中国石油冀东油田公司 Pre0 3 搬土浆 0 2 HV CMC 0 3 D 0 2 LV CMC 0 3 A 0 1 HV PAC 0 1 XC 1 YFP 2 最终配方 配方性能 钻井液体系配方及性能评价 在钻井过程中的应用 中国石油冀东油田公司 生物酶浓度对钻井液降解性能的影响 从图中可看出 在生物酶加入的初期 随着生物酶浓度的增加 钻井液降解速度增加 说明体系降解速度随生物酶浓度的增加而加快 钻井液体系性能评价试验 体系降解性能 注 Pre1 Pre0 0 1 酶1 Pre2 Pre0 0 2 酶1 Pre3 Pre0 0 3 酶1 中国石油冀东油田公司 钻井液体系性能评价试验 体系降解性能 不同生物酶对体系降解速度影响 四种生物酶降解速度 酶3 酶2 酶4 酶1体系降解程度 酶3 酶4 酶2 酶1 配置体系要求降解速度较慢时 考虑选用生物酶酶4或酶1 若想快速降解 24h内 可以考虑选用酶3 酶2 中国石油冀东油田公司 从表中数据可以看出 生物酶可解堵钻井液配方经解堵后对高低渗岩心的渗透率恢复效果良好 恢复率都能达到80 以上 尤其是加入生物酶后 体系渗透率恢复值在90 以上 说明配方的油气层保护性能较好 生物酶能最优化体系油气层保护效果 Pre0 Pre1配方分别对高渗和低渗岩心进行渗透率恢复试验 结果下表 渗透率恢复试验 钻井液体系性能评价试验 中国石油冀东油田公司 Pre0 Pre1配方 同渗透率恢复试验配方 分别对高渗和低渗岩心进行动态污染评价试验 结果如下 动态污染评价试验显示该体系具有良好的油气层保护效果 尤其是加入酶3后降低了堵塞比 1 和表皮系数 0 3 动态污染评价试验 钻井液体系性能评价试验 中国石油冀东油田公司 现场应用显示生物酶可解堵钻井液体系不仅具有良好的流变性 抑制性及润滑性 在钻进过程中保证井壁稳定 同时泥饼清除效果好 渗透率恢复值高 具有良好的油气层保护效果 有利于环境保护 取得了较好的经济效益和社会效益 现场试验 桩西油区曲堤油区潍北油区吉林油田 应用区块 总数 38口井 在钻井过程中的应用 中国石油冀东油田公司 现场试验 采油消息反馈 在钻井过程中的应用 中国石油冀东油田公司 在水处理中的应用 A是anoxic的第一个字母 厌氧缺氧的意思 O是oxic的第一个字母 有分子态氧供氧好氧的意思 A O就是厌氧好氧两段式处理废水工艺 这里讲的A O工艺只是两段串联 充分发挥两种状态下的各自优势 预处理过的废水 冷却塔 厌氧池 中沉池 好氧池 二沉池 外排池 污泥干化池 冀东油田 外排 中国石油冀东油田公司 在完井过程的应用 完井液中 常常要加入黄原胶来增加黏度 以保证石油开采工作的正常进行 为了保护油层 在这些工作结束后 又要将这些黏性极大的工作液返排地面 这时 黄原胶成了 双刃剑 它的黏性阻碍着工作液的返排 长江大学易绍金教授率领研究小组 深入研究低温状况下生物酶破胶技术 经1年努力 终于研发出了生物破胶酶 实验室研究结果显示 在温度低于60 的情况下 利用这种生物酶对黄原胶破胶 能在4 8小时内使黄原胶的黏度下降80 90 中国石油冀东油田公司 在采油过程的应用 生物酶对原油的乳化及改变岩石表面的润湿性 所有浓度的生物酶溶液都能完全将原油乳化 但随着生物酶浓度的增加 对原油的乳化效果逐渐加强 同时随着静置时间的增加 其乳化效果降低 由此可知 在动态乳化过程中 生物酶对原油有乳化作用并且随着生物酶浓度的增加 乳化效果增强 生物酶吸附在岩石表面后 改变了岩石表面的润湿性 使岩石表面由原来的亲油或弱亲油变成亲水或强亲水 中国石油冀东油田公司 在采油过程的应用 生物酶驱油 解堵原理是生物酶具有非常高的释放固体表面原油的能力 这是由生物酶自身剥离原油的生物性质所决定的 生物酶驱油 三次采油 中国石油冀东油田公司 在采油过程的应用 生物酶驱油 酶 的作用表现为 当生物环保酶与原油污染物相接触时 一是原油与酶的 靠近 及 定向 酶与原油发生诱导楔合 由于酶活性中心的结构有一种可适应性 当原油与活性中心结合时 酶蛋白发生一定的构象变