油田注水管道固著菌檢測及控制技術＊

王田麗劉宏芳韓霞

（1．中石化石油工程設計有限公司；2．華中科技大學）

油田注水管道固著菌檢測及控制技術＊

王田麗1劉宏芳2韓霞1

（1．中石化石油工程設計有限公司；2．華中科技大學）

油田注水管線內(nèi)壁的固著菌對水質(zhì)的穩(wěn)定性具有較大影響，為了能真實反映油田注水系統(tǒng)中固著菌的生長狀況及對系統(tǒng)的影響，研制了適合油田注水系統(tǒng)的固著菌取樣器，并優(yōu)化篩選了滲透剝離能力強的固著菌殺菌劑，在勝利油田勝利采油廠寧海站進行了應用試驗。試驗結果表明：研制的取樣器可實現(xiàn)現(xiàn)場固著菌原位取樣；在試驗周期內(nèi)材料表面附著了大量固著菌，并存在一定程度的微生物腐蝕；篩選的殺菌劑具有高效生物膜剝離能力，可有效控制管壁固著菌的生長。

注水管道；固著菌；取樣器；殺菌劑

0 引 言

油田注入水中含有一定量的硫酸鹽還原菌、腐生菌和鐵細菌等，在注水管線封閉的環(huán)境里，細菌在管線內(nèi)壁附著生長，一定時間后管壁會形成一層固著菌（主要由微生物體同水體中的鹽等形成的一層有機質(zhì)膜）。固著菌黏附在管線內(nèi)壁參與和加速了管道的腐蝕，由于老化、水流速度改變等原因造成的脫落惡化水質(zhì)［1-2］。

游離的微生物通常采用化學殺菌的手段加以控制，對液體介質(zhì)中細菌數(shù)量的檢測手段比較成熟。但固著菌中的微生物取樣困難，且其胞外聚合物阻礙了化學殺菌劑對膜內(nèi)細菌的作用，難以達到殺滅膜內(nèi)細菌的作用［3-4］。

由于固著菌的生長與水體環(huán)境密切相關，考察油田注水系統(tǒng)中固著菌對水質(zhì)的影響，實際水體中固著菌的檢測非常重要，為此研制了適合油田注水系統(tǒng)的固著菌取樣器，實現(xiàn)固著菌的原位檢測、取樣；針對固著菌控制，優(yōu)化篩選了滲透剝離能力強的固著菌殺菌劑并在勝利油田勝利采油廠寧海站進行了應用。

1 固著菌取樣器

實際生產(chǎn)過程，難以取到注水管線內(nèi)壁固著菌的樣品，室內(nèi)也難以模擬現(xiàn)場實際狀況，因此研制了注水管線固著菌取樣器，實現(xiàn)注水管壁固著菌的測取，該取樣器已申請國家發(fā)明專利。研制的固著菌取樣器結構見圖1。

圖1 固著菌取樣器的結構示意

具體步驟：將取樣器安裝在油田污水管道，把試片通過取樣桿掛在油田污水管道內(nèi)壁處，經(jīng)14 d以上的測取周期，取出試片：先卸松壓帽上的定位螺絲，用手輕提取樣桿，由于密封圈的作用，污水不會泄漏。把試片提到護套內(nèi)，用球閥開關手柄把球閥關閉，卸下護套，把試片固定螺絲從試片攜帶器上卸下即取到附著在試片上的固著菌。

2 固著菌殺菌劑篩選

室內(nèi)制備固著菌樣品，對國內(nèi)外油田常用效果較好的殺菌劑進行篩選試驗，考察殺菌劑對固著菌的殺菌效果及剝離能力。

2．1固著菌樣品的制備

將試片用金相砂紙打磨至鏡面，丙酮去油，無水乙醇脫脂，干燥后置于干燥器中，放于紫外線下消毒備用。懸掛于接種一定量SRB的菌液中，通氮趕氧后，將厭氧箱置于37℃恒溫箱中培養(yǎng)14 d，可觀察到試片表面生成了一層厚厚的固著菌。

2．2固著菌殺菌劑的篩選

2．2．1殺菌效果評價

取出已制備的帶固著菌的試片，置于含有不同殺菌劑的SRB培養(yǎng)基中，浸泡1 h后取出，置于100 m L已滅菌處理的0．8%生理鹽水中，用經(jīng)過紫外消毒的刷子刷下固著菌，并使之均勻分散于鹽水中，取1 m L此鹽水逐漸稀釋至1．0×10－10級測其菌量，同時做不加殺菌劑的空白試驗。

幾種殺菌劑對SRB固著菌中細菌的殺菌率見表1。

表1 幾種殺菌劑對固著菌中SRB殺菌率 %

由表1可看出，1＃殺菌劑對SRB固著菌的抑制可達到97%，明顯優(yōu)于其他常用殺菌劑。這是因為1＃殺菌劑具有［（CH3）2，NR2］＋，其結構為直鏈型。這類有機陽離子具有不隨p H值變化的永久正電荷，當離子被吸附到細菌體表面時，這些正電荷可以和其質(zhì)膜上的負電荷相互作用，改變細菌胞漿膜通透性，使菌體內(nèi)重要的酶和營養(yǎng)物質(zhì)外滲，病原微生物的呼吸及糖酵解過程受阻，菌體蛋白變性，水向菌體內(nèi)滲入使病原體破解或者融裂而死亡，從而呈現(xiàn)殺菌作用。由于1＃、2＃和5＃殺菌效果較好，因此選擇這3種殺菌劑進行后續(xù)試驗。

2．2．2剝離能力評價

取出已制備的帶固著菌的試片，置于含有不同濃度的殺菌劑的無菌SRB培養(yǎng)基中，浸泡1 h后取出，分別放入裝滿新鮮無菌SRB培養(yǎng)基的透明廣口瓶中，并放置在37℃恒溫烘箱中。觀察培養(yǎng)基變黑的時間，可間接反映試片表面存活的細菌數(shù)量，從而評價殺菌劑對固著菌的剝離作用。結果見表2。

5＃和2＃對試片表面固著菌基本沒有剝離作用，因此也無法殺死隱藏在固著菌內(nèi)大量的微生物，即殺死固著菌內(nèi)的細菌比殺死游離介質(zhì)中的細菌需要高出數(shù)倍的殺菌劑投加量。1＃對固著菌的剝離作用優(yōu)于上述兩種殺菌劑，對固著菌的剝離可有利于水相介質(zhì)中的殺菌劑分子滲入固著菌內(nèi)殺死大部分細菌，延緩了細菌向游離介質(zhì)中的遷移和繁殖。

表2 三種殺菌劑對固著菌的剝離能力

但同時應注意到，添加足夠量的殺菌劑后試片表面仍然有存活的SRB，因此在放置于無菌培養(yǎng)基后迅速繁殖，并且更多固著菌上的細菌會進入游離介質(zhì)中，與游離介質(zhì)中殺菌劑的最低殺菌濃度相比，要抑制固著菌中SRB的活性需要更高用量的殺菌劑，這也是化學殺菌劑難以徹底抑制油田采出水管道中SRB的關鍵所在。

3 現(xiàn)場試驗

3．1試驗方案

在寧海站開展固著菌測取及控制的現(xiàn)場試驗，試驗周期兩個月，在寧海站外輸口安裝固著菌取樣器。試驗第一個月，污水站不投加殺菌劑，考察管線固著菌的生長情況；試驗第二個月，投加室內(nèi)篩選的固著菌殺菌劑，考察管線固著菌的生長情況及控制效果。

固著菌的生長情況通過以下評價方法考察：

◆介質(zhì)及固著菌中細菌含量檢測 分別檢測水中游離細菌的含量和試片表面固著菌含量。介質(zhì)中游離細菌檢測，參照SY／T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標及分析方法》；固著菌中細菌含量檢測方法為：將試片表面的固著菌刷下1／4，溶解于一定體積的生理鹽水溶液中，參照SY／T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標及分析方法》，測試刷下的固著菌中可懸浮于水溶液中的菌量。

◆固著菌掃描電鏡觀察 參照SY／T 6189—1996《巖石礦物能譜定量分析方法》，對固著菌進行能譜定量分析，測試其主要成分［5］。

◆試片腐蝕形貌觀察 試片經(jīng)酸洗處理，干燥，氮氣吹干后，利用顯微鏡平面成像和3D成像技術觀察試片的腐蝕狀況及蝕孔深度。

3．2試驗結果分析

3．2．1未投加殺菌劑條件下試驗結果

3．2．1．1介質(zhì)及固著菌中細菌含量檢測

介質(zhì)及固著菌中細菌含量檢測結果見表3。

表3 介質(zhì)及固著菌中細菌含量檢測結果個／mL

檢測結果表明，固著菌中的SRB比介質(zhì)中的游離SRB細菌高103數(shù)量級，腐生菌和鐵細菌含量相當。寧海注入水中，固著菌中主要細菌以厭氧菌SRB為主，固著菌中的厭氧環(huán)境導致SRB大量繁殖，細菌含量比介質(zhì)中含量高。SRB是典型的與腐蝕過程相關細菌，因此固著菌首要危害是參與和加速了管道及相關設備的腐蝕。

3．2．1．2固著菌形貌觀察及物質(zhì)測定

通過固著菌3D顯微照片可以觀察到固著菌的厚度在170～250μm。勝利油田污水中SRB細菌呈球形，細菌體多生鞭毛，大小1．5×0．5μm，放大50 000倍后的固著菌圖像，如圖2（b），可以觀察到SRB細菌菌體。圖2（a）表明，固著菌呈蜂窩狀多孔結構，具有比表面積大的特征，同時為厭氧細菌提供了良好的生存環(huán)境，在這樣的結構特征下，介質(zhì)中的游離細菌很容易附著和生長，SRB和其他腐蝕性微生物在膜下厭氧環(huán)境中生長更加旺盛。由此可見，在污水管網(wǎng)中添加殺菌劑抑制了流動介質(zhì)中的微生物后，固著菌中的細菌仍可輕易游離出來，重新污染水質(zhì)。

未投加殺菌劑時固著菌能譜分析圖譜及計算結果分別見圖3、表4。

圖3及表4結果表明，固著菌中O，S，F(xiàn)e的含量非常高；主要為硫鐵致密化合物；而試驗介質(zhì)本身不含O，S；說明固著菌中腐蝕性微生物的存在是硫化物腐蝕和污染的來源。微生物腐蝕的特點是容易導致局部腐蝕和點蝕，帶來管線材料穿孔的風險。如圖4所示，固著菌經(jīng)清洗后，試片表面存在大量坑蝕狀，最大蝕孔深度達58．94μm。SRB在固著菌內(nèi)部富集，腐蝕產(chǎn)物硫鐵化合物已經(jīng)在固著菌底部取代了鋼鐵表面的鐵氧化合物或羥基氧化鐵，加速了局部腐蝕［6］。

圖2 未投加殺菌劑時固著菌形貌電鏡觀察結果

圖3 未投加殺菌劑時固著菌能譜分析圖譜

表4 未投加殺菌劑時固著菌能譜譜圖計算結果 %

圖4 固著菌清洗后試片表面腐蝕形貌3D成像

3．2．2投加殺菌劑條件下試驗結果

通過固著菌3D顯微照片可以觀察到投加殺菌劑后產(chǎn)物膜厚度在48．62～106．6μm之間。投加殺菌劑后固著菌能譜譜圖計算結果見表5，由表5可知，試片上主要腐蝕產(chǎn)物是鐵氧化物。

表5 投加殺菌劑后固著菌能譜譜圖計算結果 %

投加殺菌劑后固著菌清洗后試片表面腐蝕形貌3D成像見圖5。圖5顯示，投加殺菌劑后，試片表面局部腐蝕不嚴重，點蝕較少，塊斑狀腐蝕最大深度只有20μm，微生物腐蝕較輕。這說明殺菌劑能較好的抑制細菌的聚集和固著菌的生長。

圖5 投加殺菌劑后固著菌清洗后試片表面腐蝕形貌3D成像

4 結 論

研制的固著菌取樣器，能實現(xiàn)現(xiàn)場原位取樣，測定生物污損的狀態(tài)（固著菌厚度、膜中腐蝕有害菌的含量、膜下局部腐蝕的程度等）。固著菌取樣器分析表明，在試驗周期內(nèi)材料表面附著生長了大量的固著菌，固著菌中細菌含量高，疏松多孔，掃描電鏡可觀察到細菌的存在，元素分析證實固著菌中有大量的硫元素和鐵元素，且膜下材料腐蝕嚴重。篩選的殺菌劑具有高效生物膜剝離能力，可有效控制管壁固著菌的生長。

研究反映了油田注水管線固著菌的實際存在，檢測結果表明固著菌對水質(zhì)穩(wěn)定及腐蝕具有一定程度影響。目前油田注水系統(tǒng)對固著菌的研究較少，固著菌對腐蝕及回注水水質(zhì)的具體影響程度、周期等還需進一步的研究。

［1］ 孫翠霞，弓愛君，邱麗娜，等．硫酸鹽還原菌對環(huán)境的影響及其應用［J］．腐蝕科學與防護技術，2006，18（3）：196-198．

［2］ 劉慧娜，孫吉慧，沈加艷．給水管網(wǎng)中管壁生物膜對水質(zhì)二次污染的影響［J］．環(huán)?？萍?，2009，15（4）：9-13．

［3］ 王海峰，徐冉，李風亭．飲用水系統(tǒng)生物膜形成和控制研究［J］．給水排水，2010，36（4）：17-22．

［4］ 徐冉，王梓，王海峰，等．固體表面生物膜結構特征與控制技術研究進展［J］．工業(yè)用水與廢水，2009，40（6）：5-8．

［5］ 張金蓮，吳振斌．水環(huán)境中生物膜的研究進展［J］．環(huán)境科學與技術，2007，30（11）：102-104．

［6］ 劉宏芳，許立銘，鄭家燊，等．SRB生物膜與碳鋼腐蝕的關系［J］．中國腐蝕與防護學報，2000，20（1）：41-46．

1005-3158（2014）04-0008-04

2014-03-03）

（編輯 王蕊）

10．3969／j．issn．1005-3158．2014．04．003

＊國家科技重大專項“勝利油田薄互層低滲透油田開發(fā)示范工程”2011ZX05051。專利名稱：油田污水管道內(nèi)壁生物膜測取及生物膜分析方法，ZL201110387595．7。

王田麗，2004年畢業(yè)于煙臺大學應用化學專業(yè)，現(xiàn)在中石化石油工程設計有限公司從事油田采出水處理、腐蝕與防護方面的工作。通信地址：山東省東營市濟南路49號，257026