生物破乳技术及其在石油领域的应用

生物破乳技术及其在石油领域的应用

原油的开采、生产和精制过程中形成了大量复杂的油田乳液。根据连续相和分散相的不同,油田乳状液主要分为W/O型、O/W型和O/W/O型乳状液。由于目前二次和三次采油技术的引入,现场作业注入了大量的水和表面活性剂,使得原油的含水率增高,乳化程度进一步加剧。油田乳状液使原油品质下降,并且增加原油炼化的难度;原油含水率过高会导致石油开采、炼化过程中的金属装置生锈,还会加重输油管道的腐蚀程度,更为严重的是油田乳状液若不经过妥善处理还会破坏生态环境。目前我国对油田乳状液采用的主要破乳方法是化学破乳,但该方法的破乳效果不理想,并且生产和研发费用较高。除此之外,化学破乳剂化学成分复杂,会对生态环境造成伤害。生物破乳剂具有破乳效率高、适应性好、投加量小、可重复使用、生产及研发费用低、环境友好等优点,与化学破乳剂相比,其更适用于大面积油田和地下储藏条件的破乳,因而受到相关研究机构的高度重视。1细胞破乳机理生物破乳法是通过在乳化液中加入1种由天然微生物菌体经筛选、驯化、发酵等生化处理过程制成的生物制品及其发酵培养液,从而使乳化液破乳脱水。其破乳机理如下:具有活性的细菌细胞表面被原油乳状液的非连续相(液滴)不完全润湿,该细胞在连续相和非连续相的界面占据1个平衡位置,其一半以上浸入非连续相中。破乳过程中,非连续相的2个单元(2个乳状液液滴或者1个乳状液液滴与1个已分层的非连续相)与同1个细胞表面接触、润湿并铺展,2个单元在到达平衡前在细胞表面上聚结。由于细胞尺寸一般要比聚合物等乳化剂的尺寸大若干数量级,加上其相对较高的表面活性,使液滴能较快地润湿、铺展,使2个液滴凝聚并排液。细菌破乳机理说明,菌体破乳能力与菌体表面的性质有关,即细菌破乳的首要条件是分散相能优先润湿细胞表面,其中O/W型乳化液破乳需要亲水细胞表面,而W/O型乳化液破乳需要疏水细胞表面。另外,生物固体粒子和乳化液液滴的相对大小及生物固体粒子的形状都会影响破乳效果。2关于研究现状2.1noctoriaamrae破乳活性的培养1999年,Fukumi等从土壤、活性污泥、海水和保存的菌体中分离出了一系列气单胞菌属和红球菌属的菌体。菌体细胞、培养液和将细胞移走的上清液均具有破乳能力,可以实现对煤油乳状液和油田废水的破乳。2000年,lee等用7L发酵罐培养Nocardiaamarae菌体,培养时间为7d,然后将培养物固定,考察了过滤柱中固定化的Nocardiaamarae破乳活性。发现当细胞生长在不溶培养基中,表现出较高的破乳活性,其中正十六烷和煤油是最佳有机组分,另外成熟后的菌体在不溶(有机)培养基中易结团,这样会使菌体在无纺布上容易脱落而不易被固定。2002年,Nalina等从石油污染地筛选出一组混合菌群,发现其具有很好的破乳能力。混合菌株在以原油为碳源的培养基上生长,其所表现出的生物破乳活性比在以糖类为碳源的培养基上生长时的生物破乳活性强。2.2生物破乳剂与微生物细菌国内在20世纪90年代末开始该方面研究。苗芳等对用生物发酵法制备的生物破乳剂的性能进行了研究,结果表明,生物破乳剂具有较好的耐温性和较高的破乳能力,对于煤油和十六烷乳浊液,破乳效率达95%以上,优于市售破乳剂E-3453的破乳性能。2002年,郭东红研究了微生物表面活性剂与破乳剂GE-189、XE-120和XP-120复配对乳状液的破乳作用,发现随时间的变化,其界面膜电容升高幅度与电阻下降幅度均比单独使用破乳剂时有明显增大,因而复配生物破乳剂可提高破乳效能。2005年,周劲等从井厂油泥中筛选得到具有较高稳定性和破乳活性的菌株DH1与DH2,初步鉴定2菌株分别属于棒杆菌属和芽孢杆菌属。2006年,马挺等在对红球菌PR-1菌体细胞进行研究后发现,其破乳活性与菌体细胞是否完整和菌体形状有关,但与菌体细胞产生的酶类或代谢产物无关。同时在对PR-1菌体细胞进行有机溶液处理后发现其破乳活性大大降低,由此推测菌体细胞表面的脂溶性疏水物质与破乳活性相关。3生物破乳剂与原油的脱水效果国内外研究机构在大量进行室内生物破乳试验的同时,还将其中的部分研究成果逐步应用于作业现场。一家名为Micro-Bac的美国公司用其生产的产品Para-BacS和M-1000H处理某原油精炼厂的乳状液,含水32%的原油乳化液经过24h的破乳反应和48h的沉淀,原油回收率达到78%,回收原油的含水量仅为1%。韦良霞等从HRB系列的7种生物破乳剂中选出对含水原油脱水效果最好的生物破乳剂HRB-4。当生物破乳剂HRB-4加量达到100mg/L时,在90min内对纯梁首站、纯西站和正理庄站含水原油的脱水率分别为99.0%、95.0%和91.1%,均高于相同加量的现用油溶性化学破乳剂BSH-06的脱水率,而且脱出污水的含油量降低27%~49%。现场试验结果表明,生物破乳剂比化学破乳剂具有更好的脱水性,并且原油脱水过程相当稳定。冯志强等研制了一种原油生物破乳剂,并考察了其对胜利油田孤二联合站采出原油的破乳脱水作用,取得了良好的效果。在使用生物破乳剂期间,该站外输原油的含水率一直保持在0.4%左右,且脱出水中含油量降低,比使用化学破乳剂脱出水的含油量下降61%,效果明显。4进一步开展破乳发酵技术研究由于生物破乳剂具有生产工艺简单、成本低、能耗小、环境友好和破乳效率高等优点,因而对其研究具有重要意义。目前应进一步开展如下研究工作:①进一步应利用发酵罐对破乳菌连续培