Исследование микробиологического метода снижения вязкости нефти

АННОТАЦИЯ

Приведены данные исследования микробиоты нефти Кумкольского месторождения республики Казахстан. А также представлены результаты по исследованию микробиологического метода снижения вязкости путем добавления в пробы нефти свекловичного и яблочного жмыхов.

ABSTRACT

The research data of the oil microbiota of the Kumkol field of the Republic of Kazakhstan are presented. And also presents the results of a study of the microbiological method of reducing viscosity by adding beet and apple meal to the oil samples.

Ключевые слова: нефть, микробиота, бактерии, вязкость, свекольный жмых, яблочный жмых.

Keywords: oil, microbiota, bacteria, viscosity, beet meal, apple meal.

В настоящее время в мировой структуре сырьевых ресурсов увеличивается доля высоковязких нефтей, к которым относятся тяжелые нефти с вязкостью более 30 мПа×с. Запасы таких видов нефти составляют около 1 трлн. тонн, это в пять раз превышает объём остаточных добываемых запасов нефти малой и средней вязкости.

И в настоящее время существует много различных методов снижения вязкости такие как: тепловые (внутрипластовое горение, вытеснение нефти паром), физико-химические (с помощью полимеров), газовые методы (при помощи CO2). И одним из самых перспективных методов является микробиологический [1].

Микробиологические методы повышения нефтеотдачи разрабатываются по двум направлениям: первый  – выращивание микроорганизмов в ферментерах и закачивание в пласт продуктов их жизнедеятельности, второй – активирование пластовой микробиоты с помощью различных веществ с целью получения метаболитов, способствующих вытеснению нефти из коллектора. Суть этих методов заключается в улучшении нефтевытесняющих свойств закачиваемой воды при помощи бактериальных метаболитов: биоПАВ, полисахаридов, кислот и растворителей и др. [2].

Механизм данных методов основан на изменении реологических свойств нефтей, в частности, снижение вязкости, коллекторских свойств пород и очистке их от асфальтосмолопарафиновых отложений.

Микробиологический метод обеспечивает комплексное действие на пласт: микроорганизмы блокируют промытые зоны, тем самым ограничивают движение воды по пласту, а продукты их жизнедеятельности обеспечивают дoотмыв нефти, что ведет к повышению нефтеотдачи пластов [3].

Местообитаниями естественных комплексов нефтеокисляющих микроорганизмов служат экстремальные экосистемы, такие как: естественные выходы и нефтепроявления на поверхности почвы, в водоемах, нефтеносные пласты почв, антропогенно-загрязненные почвы и воды. Рост микроорганизмов на нефти как единственном источнике углеводородов предполагает наличие у них соответствующих ферментных систем для деградации углеводородов и механизмов подавления токсического действия нефти [4].

Исследование особенностей биологического окисления углеводородов нефти бактериальными сообществами позволяют решать фундаментальные задач микробиологии, биохимии, экологии, а также могут применяться в области биотехнологии. Биотехнологический подход к переработке нефти позволяет облегчать процессы добычи, переработки нефти, получать нефтепродукты, легко утилизируемые микроорганизмами, а также устранять результаты загрязнений нефтепродуктами почвы и воды [5].

Материалы и методы исследования

Были изучены пробы нефти, привезенные из Кумкольского месторождения Кызылординской области Казахстана. Кумколь – нефтегазовое месторождение на территории Казахстана. Район месторождения расположен на юго-востоке Карагандинской области в Улутауском районе (рис. 1).

Рисунок 1. Обзорная карта Кызылординской области Казахстана

Выделение консорциумов бактерий осуществляли с использованием селективных сред: минеральная среда Раймонда (г/л: Nа₂СО₃ – 0,1; CaCl₂ – 0,01; MnSO₄ – 0,02; FeSO₄ – 0,01; MgSO₄ – 0,2; NH₄Cl – 0,2; NaCl – 3,0; Na₂HPO₄ – 1,5; КН₂РO ₄ – 1,0), среда Гетчинсона (г/л: KH₂PO₄ – 0,1; NaCl – 0,1; CaCl₂ – 0,1; FeCl₃ – 0,1; MgSO₄×7H₂O – 0,3; NaNO₃ – 2,5; агар – 2) [6]. В стерильные пенициллиновые флаконы помещали минеральную среду Раймонда, добавляли нестерильную нефть, закрывали флаконы стерильными пробками и инкубировали в течение 14 дней в термостате при температуре 28-30^◦С.

Для частичной идентификации мы использовали микроскопирование, которое проводили на микроскопе «Альтами», увеличение 20×100 (2000 раз) с иммерсией. А также проводили определение целлюлазной активности согласно методическим указаниям [7].

Для выделения чистой культуры использовали метод разведения по Коху. С помощью стерильной пипетки небольшое количество накопительной культуры помещали в первую пробирку со стерильной дистиллированной водой. 1 мл суспензии пипеткой переносили во вторую пробирку. Операцию повторяли до получения последнего разведения. Затем проводили посев на чашки Петри со средой Гетчинсона 0,1 мл из последнего разведения. Суспензию распределяли по поверхности агара стерильным шпателем. Затем инкубировали в течение 7 дней при температуре 28-30°С. После чего микроскопировали при увеличении 20×100 (2000 раз) с иммерсией.

Количественный учет проводили с учетом по формуле:

где X – количество клеток в 1 мл; a – среднее число колоний при, выросших на чашках; n – степень разведения; V – объем суспензии, взятый для посева.

Для исследования влияния яблочного и свекловичного жмыхов (свеклу и яблоко сначала измельчали с помощью овощерезки, после чего высушивали и снова измельчали в ступке до порошкообразного состояния) на вязкость нефти мы брали 3 колбы, в каждую наливали по 50 мл нефти: в первую добавляли 0,1 г свекольного жмыха, во вторую – 0,1 г яблочного жмыха и третья колба – контрольная. Все три колбы инкубировали в термостате при 30°C в течение 14 дней. Затем измеряли вязкость на вискозиметре ВПЖ-1 (d=1,52) следующим образом: сначала отфильтровывали нефть от жмыха, после этого заливали ее в чистый вискозиметр так, чтобы уровень установился между отметками М₃ и М₄. Вискозиметр устанавливали вертикально в водяной термостат (40°С) так, чтобы уровень воды находился на несколько сантиметров выше расширения 4 (рис. 2).

Рисунок 2. Вискозиметр ВПЖ-1 (d=1,52)

При температуре опыта, т.е. при 40°С, вискозиметр выдерживали не менее 15 мин, после чего при закрытом колене 3 засасывали нефть в колено 1 до половины расширения 8, затем определяли время опускания мениска от отметки М₁ до М_2.  Вязкость вычисляли по формуле, указанной в техническом паспорте вискозиметра:

где:

V – кинематическая вязкость в сантистоксах (сСт).

t – время истечения жидкости в секундах.

g – ускорение силы тяжести в месте измерения в см/сек².

После чего провели аналогичный опыт, но уже со стерильным жмыхом, чтобы выявить какие именно бактерии снижают вязкость нефти: бактерии, которые содержатся в нефти, или же те, которые в яблочном и свекольном жмыхе.

Посев образца нефти Кумкольского месторождения позволил выявить наличие штаммов бактерий палочковидной формы, образующих миксоспоры.  В молодой культуре это палочки (рис. 3), затем они укорачиваются и начинается миксоспорообразование (рис. 4).

Рисунок 3. Морфологические признаки молодой культуры штаммов бактерий (на 7 день), выделенных из нефти Кумкольского месторождения

Рисунок 4. Морфологические признаки старой культуры штаммов бактерий (на 14 день), выделенных из нефти Кумкольского месторождения

 Стрелкой указаны миксоспоры.

Рисунок 5. Культуральные признаки выделенных штаммов

На среде Гетчинсона они образуют мелкие мучнистые колонии матового белого цвета, с ризоидными краями и с шероховатой поверхностью (рис.5).

Выделенные нами штаммы бактерий, вероятно, являются как УВОБ, так и целлюлозоразрушающими микроорганизмами. И, скорее всего, это представители родов Cytophaga, Cellfalcicula, Cellivibrio, так как они являются палочками, которые по мере старения укорачиваются и образуют миксоспоры [8].

Подобные штаммы встречаются редко, чаще всего в нефти обнаруживаются УВОБ и СВБ. В литературе описывается только один случай обнаружения целлюлозоразрушающих бактерий, а именно рода Cytophaga из образцов нефти Возейского месторождения Усинского района Республики Коми [9].

Исследование на обнаружение и количественное определение целлюлазной активности показало наличие подобной, она составила 5,25 мкг/мин.

Количественный учет показал, что в исследованных пробах нефти  количество микроорганизмов составляет 56×10⁵ клеток/мл.

Таким образом, данные штаммы можно предположительно по сходству культуральных, морфологических признаков, а также по присутствию целлюлазной активности отнести к группе аэробных целлюлозоразрушающих бактерий.

Результаты опыта по исследованию влияния свекловичного и яблочного жмыхов представлены в виде гистограмм (рис. 6), по которым видно, что при добавлении нестерильного яблочного и свекольного вязкость значительно снизилась. В процентном соотношении получается, что при добавлении яблочного порошка вязкость нефти снизилась на 23%, а при добавлении свекольного – на 28%. 

Рисунок 6. Изменение вязкости нефти при добавлении нестерильного яблочного и свекловичного жмыхов

Рисунок 7. Изменение вязкости нефти при добавлении стерильного яблочного и свекловичного жмыхов

Что же касается опыта со стерильными порошками, то по гистограмме видно (рис. 7), что вязкость при добавлении яблочного порошка практически не снизилась, при добавлении свекловичного порошка вязкость снизилось всего лишь на 4%.  Возможно это происходит из-за того, что бактерии, содержащиеся именно в порошке как раз и снижают вязкость нефти путем выделения различных метаболитов: биогазы, биокислоты, биополимеры и т. д.

Выводы

Из образцов нефти Кумкольского месторождения выделены штаммы палочковидных аэробных бактерий, образующих миксоспоры. Консорциумы выделенных штаммов обладают не только углеводородокисляющей способностью, но и целлюлазной активностью, которая составляет 5,25 мкг/мин. Количество микроорганизмов в исследованных пробах нефти составляет 56×10⁵ клеток/мл.

Вязкость при добавлении нестерильного яблочного порошка снизилась на 23%, при добавлении свекольного на 28%, а при добавлении стерильных порошков вязкость достоверно снизилась на 4% лишь при добавлении свекольного порошка, при добавлении яблочного вязкость практически не изменилась. При добавлении в нефть бактерий, выделенных из свекольного и яблочного порошков, вязкость не изменяется.

Список литературы:
1 Антониади Д.Г. Состояние добычи нефти методами повышения нефтеизвле- чения в общем объеме мировой добычи / Д.Г. Антониади, А.А. Валуйский, А.Р. Гарушев // Нефтяное хозяйство. – 1999. – № 1. – С. 16 –23.
2 Ибатуллин Р. Р. Применение современных микробиологических технологий увеличения нефтеотдачи на объектах НГДУ «Лениногорскнефть» / Р. Р. Ибатуллин, Р. С. Хисамов, Г. Ф. Кандаурова, С. С. Беляев, И. А. Борзенков, Т. Н. Назина // Нефтяное хозяйство. – 2005. – № 7. – С. 42-45. Кузнецова З.И. Роль денитрифицирующих бактерий в образовании биогенного азота в подземных водах [Текст]: Тематический сборник НИИ гидрогеологии и инженерной геологии / З.И.Кузнецов. – 1969. – Вып 20. – С. 146- 161
3 Тимергазина И.Ф. К проблеме биологического окисления нефти и нефтепродуктов углеводородокисляющими микроорганизмами [Текст]: Нефтегазовая геология. Теория и практика / И.Ф. Тимергазина, Л.С. Переходова. – 2012. – №1. – С.7.
4 Нуртдинова Л.А. Исследование процессов ремедиации нефтезагрязненных природных объектов с использованием биопрепарата «Ленойл» [Текст]: дис. ... канд. биол. наук: 03.00.23.: защищена 26.01.2006./ Нуртдинова Лариса Амирхановна. – Уфа, 2005. – С. 58-59. – FB 9 05-12/1048-5
5 Богомолов А.И. Химия нефти и газа [Текст]: учеб. пособие для вузов / А.И. Богомолов А.А. Гайле, В.В. Громова; под общ. ред. В.А. Проскурякова. – 3-е изд., доп. и испр. – СПб.: Химия, 1995. – 446 с.
6 Алтунина Л.К. Комплексный физико-химический и микробиологический метод увеличения нефтеотдачи вязких нефтей низкотемпературных залежей Монголии [Текст] / Л.К. Алтунина, Л.И. Сваровская, Т. Гэрэлмаа // Нефтехимия. 2013. Т. 53, № 2. – С. 101-106.
7 Клёнова Н.А. Лабораторный практикум [Текст]: учебное пособие / Н.А. Кленова. – Самара: «Самарский университет», 2012. – 102 с.
8 Хоулта Дж. Уильямс С. Определитель Берджи [Текст] / Дж. Хоулта, Н. Криг, П. Снит, Дж. Стейли. В 2-х т. Т.2. – М.: Мир. 1997. – 368 с.
9 Рузин Л.М. Совершенствование методов разработки высоковязких нефтей Усинского месторождения с применением физико-химических и микробиологических методов [Текст] / Л.М. Рузин. – Институт ПечорНИПИнефть ООО «Лукойл-Коми».