高礦化度油田水系統(tǒng)殺菌除氧劑的復配研究

姚彬，魏曉靜，高多龍，2，聞小虎，任天輝

（1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830011；2.中國石化縫洞型油藏提高采收率重點試驗室，新疆烏魯木齊 830011；3.上海交通大學化學化工學院，上海 200240）

微生物危害廣泛地存在于石油天然氣行業(yè)，造成了巨大的經(jīng)濟損失〔1-2〕。尤其在油田水系統(tǒng)中，微生物的繁殖生長和代謝活動會導致一系列的嚴重問題，如結垢堵塞管道、石油酸化、微生物腐蝕、傳熱損失、管道流體摩擦阻力增加造成能量損失等〔3〕。例如西北某油田生產(chǎn)開采過程中，微生物的活動加速了傳統(tǒng)的腐蝕過程，對油田設備造成嚴重的金屬腐蝕和設備故障損壞。這種微生物改變腐蝕反應動力學的過程被稱為微生物誘導腐蝕〔4〕。由于具有溫度適宜、有機和無機營養(yǎng)物質充分等有利條件，油田水系統(tǒng)為這些微生物提供了很好的繁殖環(huán)境。西北某油田回注水為高礦化度水質，循環(huán)使用導致管道結垢嚴重，細菌附著垢層并快速繁殖，進一步加劇了結垢，殺菌難度增加。此外油田水系統(tǒng)中含有大量溶解氧，其具有強烈的去極化作用，同時還是腐蝕促進劑，加速了腐蝕介質的腐蝕速率。溶解氧腐蝕隨水系統(tǒng)的循環(huán)存在于油田設備運行的各個環(huán)節(jié)中，管道內腐蝕后會積鹽、結垢，進一步加劇微生物腐蝕，影響設備運行和使用壽命。因此快速安全有效地殺死水系統(tǒng)中的微生物并對水體進行除氧，對于油田的正常開采運行具有實際意義和經(jīng)濟價值。

根據(jù)前期研究，西北某油田水系統(tǒng)和垢層中，微生物菌群以硫酸鹽還原菌（SRB）、腐生菌（TGB）、鐵細菌（IB）為主〔5〕。控制油田水系統(tǒng)中微生物生長的殺菌劑主要分為2類：氧化型和非氧化型〔6〕。其中，氧化型殺菌劑包括氯氣、二氧化氯、臭氧等；非氧化型殺菌劑包括甲醛、戊二醛、異噻唑啉酮、季銨鹽類化合物、四羥甲基硫酸磷等。雖然這些殺菌劑被廣泛地應用到油田水系統(tǒng)中，以減少管道設備和封閉系統(tǒng)中生物污垢和微生物誘導腐蝕的發(fā)生，但在高礦化度的水系統(tǒng)中收效并沒有那么好。在自然環(huán)境中，大多數(shù)微生物會以細胞生物膜群落的形式生存，細菌菌落在金屬設備表面形成黏性生物膜，以保護其免受流體和化學試劑的傷害〔7〕。像油田水系統(tǒng)這種大規(guī)模殺菌應用場景，殺菌劑的選擇本就有限，對細菌生物膜進行破壞是一個很好的辦法。

本研究合成了一種混合氨基酸絡合銅（AACu），用作常見油田殺菌劑雙癸基二甲基氯化銨（DDAC）的增效劑〔8-9〕。AA-Cu能對垢層細菌生物膜進行破壞，幫助DDAC對附著型SRB、TGB和IB進行高效滅殺。結合前期研究成果，含銅絡合物對除氧劑有較好的催化效果。進一步將AA-Cu、DDAC和工業(yè)除氧劑D-異抗壞血酸鈉（DSE）進行復配，研究復配試劑在高礦化度油田模擬水系統(tǒng)中的殺菌和除氧性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：D-色氨酸、D-酪氨酸、D-纈氨酸購于上海畢得醫(yī)藥科技股份有限公司，質量分數(shù)97%；氯化鈣、氯化鎂、氯化鈉、硫酸鈉、硫酸氫鈉、碳酸氫鈉、硫酸銅、氨水、氫氧化鈉、乙醇、D-異抗壞血酸鈉購于上海國藥集團化學試劑有限公司，均為分析純；DDAC購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，體積分數(shù)95%；油田專用SRB、TGB和IB細菌測試瓶購于北京華興世紀儀器有限公司。

儀器：DHG-101型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海華連醫(yī)療器械有限公司；FA2204B型精密電子天平，上海精密科學儀器有限公司；ST-400D型熒光法溶解氧測試儀，奧豪斯儀器（上海）有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR，Spectrum 100），美國PerkinElmer公司；X射線粉末衍射儀（D8 ADVANCE），德國BRUKER AXS公司；掃描電子顯微鏡（VEGA 3-XMU），捷克TESCAN公司。

1.2 實驗步驟

1.2.1 AA-Cu的制備

分別稱取D-色氨酸、D-酪氨酸和D-纈氨酸各0.5 g溶解于40 mL去離子水中，加入2.0 g CuSO4攪拌溶解。將混合溶液調節(jié)到pH=6，在60℃加熱回流4 h進行螯合反應。冷卻至室溫后，在磁力攪拌下緩慢滴加NaOH溶液至pH=8，未螯合的Cu2+會以Cu（OH）2的形式沉淀分離。將上述溶液進行抽濾，取上清液。上清液經(jīng)過醇洗、離心分離和干燥后，得到藍色的AA-Cu。

1.2.2 殺菌性能評價

（1）垢層生長。將不銹鋼片分別用丙酮、乙醇、去離子水清洗后，平放于含有11 g/L CaCl2和16.8 g/L NaHCO3的水溶液中，在80℃下保溫3 h。用水沖去表面雜質，用烘箱烘干后，便能在不銹鋼片表面得到約1 mm厚的CaCO3垢層。

（2）細菌培養(yǎng)。油田細菌水樣來自于西北某油田水系統(tǒng)的現(xiàn)場采樣。配制100 mL的SRB、TGB和IB這3種細菌富集培養(yǎng)基，經(jīng)高溫高壓滅菌后，取5 mL油田細菌水樣加入細菌培養(yǎng)基中。將長有垢層的不銹鋼片放入培養(yǎng)基中培養(yǎng)2～7 d后（根據(jù)細菌成熟周期，TGB為2 d，SRB和IB為7 d），細菌便能在垢層附著并大量繁殖，以便后續(xù)使用。實驗中的器皿和儀器均經(jīng)過高溫高壓滅菌，所有操作在紫外滅菌后的超凈臺中完成。

（3）殺菌實驗。西北某油田水礦化度為2.0×105～2.2×105mg/L。按照表1配制高礦化度鹽溶液（210 000 mg/L）以模擬西北某油田水系統(tǒng)水質。將長有細菌垢層的不銹鋼片放于100 mL的高礦化度鹽溶液中，加入殺菌劑（100 mg/L DDAC）、殺菌復配劑（100 mg/L DDAC+30 mg/L AA-Cu）和殺菌除氧劑（100 mg/L DDAC+30 mg/L AA-Cu+70 mg/LD-異抗壞血酸鈉），同時設置無添加的空白組，在36℃的恒溫下進行培養(yǎng)。刮取相同體積的垢層，用細菌測試瓶以絕跡稀釋法測得實驗組和空白組垢層中的細菌含量〔10〕。實驗中的器皿和儀器均經(jīng)過高溫高壓滅菌，所有操作在紫外線滅菌后的超凈臺完成。按式（1）計算殺菌效果：

表1 模擬西北某油田水水質（高礦化度鹽溶液）Table 1 Simulated water quality of water system in the oilfield in Northwest China（high salinity salt solution）

式中：η——殺菌率，%；

X0、X1——分別為空白組和實驗組相同體積垢層中的細菌菌數(shù)，mL-1。

1.2.3 除氧性能評價

在測試瓶中裝滿高礦化度鹽溶液，調節(jié)到設定pH后，在設定溫度的烘箱中略微敞口并保溫2 h，使水中溶解氧達到平衡?？焖偌尤霘⒕鮿?00 mg/L DDAC+30 mg/L混合氨基酸銅+70 mg/LD-異抗壞血酸鈉）并擰緊瓶蓋，搖勻后繼續(xù)保溫1 h，同時設置無添加的空白組，用溶解氧測試儀測試溶解氧濃度。按式（2）計算除氧率：

式中：X——除氧率，%；

C0、C1——分別為空白組和實驗組的溶解氧質量濃度，mg/L。

2 結果與討論

2.1 AA-Cu的紅外譜圖

用FTIR對制備的AA-Cu進行分析，D-色氨酸、D-酪氨酸和D-纈氨酸組成的混合氨基酸（AA）和氨基酸銅（AA-Cu）的紅外譜圖見圖1。

由圖1可知，AA在1 585.2 cm-1處有—NH2的伸縮振動吸收峰，3 403.74 cm-1處有—C==O的伸縮振動峰；在AA-Cu的紅外光譜中，氨基和羰基的吸收峰分別位移到1 625.64 cm-1和3 416.48 cm-1處。上述現(xiàn)象說明AA的氨基和羧基與Cu2+發(fā)生了配位反應。AA-Cu在1 139.69 cm-1處的強吸收峰為C—O伸縮振動峰。此外，在619 cm-1處為O—H的面內搖擺振動峰，說明有水分子參與了配位反應。

圖1 AA和AA-Cu的FTIR譜Fig.1 FTIR spectra of mixed amino acid and amino acid copper

2.2 殺菌除氧劑的殺菌性能測試

2.2.1 對垢層細菌的殺菌效果

不銹鋼片長上垢層后，將試樣放于油田水樣培育的SRB、TGB和IB這3種細菌富集液體培養(yǎng)基中，在36℃保溫孵育2～7 d，使垢層接種上相應細菌且生物膜生長成熟。室溫下3種不同試劑在高礦化度鹽溶液中對垢層上SRB、TGB和IB殺菌12 h后的效果見表2。

表2 3種試劑對垢層SRB、TGB和IB的殺菌效果Table 2 The bactericidal effects of three kinds of reagent on the dirt-layer SRB，TGB and IB

由表2可知，單獨的DDAC對SRB、TGB、IB的殺菌率分別為58.3%、64.3%、45.5%，難以滿足西北某油田的95%垢層殺菌率指標要求。如果單純地提高DDAC的添加濃度不符合經(jīng)濟性，因此本研究中將AA-Cu與其配合，經(jīng)過垢層殺菌測試，能達到整體98%以上的殺菌率。這表明AA-Cu對DDAC垢層殺菌能力有很好的增強效果。此外，將D-異抗壞血酸鈉與兩者復配，對垢層的殺菌效果影響很小，可忽略不計。

2.2.2 垢層生物膜觀察

本研究中取5 mL油田水樣加入到高溫高壓滅菌后的混合細菌液體培養(yǎng)基中，將長有垢層的不銹鋼片放入培養(yǎng)基中，在36℃下培養(yǎng)7 d，得到富集油田混合細菌的垢層。將上述細菌垢層放入高礦化度油田模擬鹽溶液中殺菌12 h?？瞻捉M和添加殺菌除氧劑的實驗組在12 h殺菌后，垢層表面的掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線光譜（EDS）見圖2。

圖2 空白組（a）和添加殺菌除氧劑實驗組（b）的垢層SEM和EDSFig.2 SEM and EDS images of the dirt layer of the blank group（a）and the experimental group with the sterilization deoxidizer（b）

由圖2的SEM圖譜可以看出，垢層中的CaCO3晶體表面附著著大量細菌，在細菌生物膜的保護下，形成一片片的菌落。添加殺菌除氧劑12 h后，垢層上的細菌數(shù)量有明顯的減少，說明復配試劑能有效地破壞細菌的生物膜，在沒有生物膜的保護下，細菌難以在垢層上黏附繁殖，最終被復配試劑中的DDAC殺死。AA-Cu對DDAC殺菌有明顯的增效作用，在整個過程中主要起到2種作用：（1）對細菌生物膜的破壞作用；（2）抗菌作用〔11〕。AA-Cu和DDAC的協(xié)同殺菌過程見圖3。

圖3 混合AA-Cu和DDAC協(xié)同殺菌示意Fig.3 Schematic diagram of synergistic sterilization of mixed amino acid copper and DDAC

細菌生物膜有利于細菌在垢層表面的黏附，且生物膜被胞外基質保護，殺菌劑難以進入細菌內部進行破壞。外源性D-氨基酸是一種生物膜分散劑，通過影響細菌細胞壁肽聚糖的合成從而抑制細胞生物膜的形成〔12-13〕。與D-氨基酸相同，AA-Cu能促進已成熟的細菌生物膜破裂，將黏附在垢層上的生物膜轉變?yōu)橛坞x的細菌。在解離生物膜的過程中，由氨基酸釋放的Cu2+能進入細菌內部，與酶、蛋白質中的—SH、—NH2、—OH等基團結合，從而使其失活變性，起到抗菌作用〔14〕。由圖2的EDS圖譜中可以看出，添加殺菌除氧劑后，垢層表面會沉積微量的Cu元素。此外，在生物膜被破壞后，DDAC與細菌的接觸機會大大增加，能破壞其細胞壁致使其內部內容物外滲，最終游離細菌被DDAC快速殺死。綜上，AA-Cu能有效破壞細菌生物膜，與DDAC具有很好的協(xié)同殺菌效應。

2.2.3 垢層殺菌效果與溫度、時間和藥劑量的關系

西北某油田水系統(tǒng)中的pH變化不大，但是不同工段的溫度有著很大的變化，管道溫度主要集中在60～65℃之間。為了研究不同溫度下殺菌除氧劑的殺菌效果，在殺菌過程中，將高礦化度鹽溶液分別放置于40～80℃的環(huán)境中進行模擬殺菌12 h，分別測試了殺菌除氧劑對SRB、TGB、IB細菌的殺菌率，結果見圖4。

圖4 殺菌除氧劑對垢層SRB、TGB和IB的殺菌率隨溫度的變化Fig.4 The sterilization rate of the bactericidal deoxidizer to the dirt-layer SRB，TGB and IB changes with temperature

由圖4可知，殺菌除氧劑在溫度為40℃時對IB的殺菌率在98%左右，在40～80℃的環(huán)境中，殺菌除氧劑對SRB、TGB、IB殺菌率都在99%以上。表2中常溫（25℃）下的殺菌效果與之相同。隨著溫度的升高，殺菌除氧劑對3種細菌的殺菌率呈現(xiàn)上升的趨勢；在溫度為80℃時，殺菌除氧劑對3種細菌的殺菌率幾乎達到100%。上述結果表明，高溫不會對殺菌除氧劑產(chǎn)生影響，反而促進了其殺菌性能。因此，此殺菌除氧劑適用于西北某油田水系統(tǒng)的高溫環(huán)境。

為了探究殺菌除氧劑的殺菌過程，將長有垢層的不銹鋼片放于高礦化度鹽溶液中保溫65℃（西北某油田管道結垢最嚴重的工段溫度）。每隔2 h檢測垢層中的細菌含量并計算殺菌率，研究試劑殺菌效果與時間的變化規(guī)律，結果見圖5。

由圖5可知，在添加殺菌除氧劑2 h后，對SRB、TGB、IB這3種細菌的殺菌率都較低，分別為46.2%、36.4%、20%?？赡苁且驗榍捌谥饕茿A-Cu分解細菌生物膜的過程，高礦化度鹽溶液中游離的細菌較少。在添加試劑2～6 h后，垢層表面的細菌生物膜被大量轉換為游離細菌，復配試劑中的DDAC此時起到主要的殺菌作用。6 h后，在AA-Cu和DDAC的協(xié)同作用下，對SRB、TGB、IB這3種細菌的殺菌率快速上升到85%以上。添加復配試劑10 h后，3種細菌的殺菌效果均滿足西北某油田的95%殺菌指標要求。最終當殺菌時間達到12 h后，殺菌除氧劑對SRB、TGB、IB的殺菌率達到99%以上，說明此復配試劑具有高效快速殺菌的特點。

圖5 殺菌除氧劑對垢層SRB、TGB和IB的殺菌率隨著時間的變化Fig.5 The sterilization rate of the bactericidal deoxidizer to the dirt-layer SRB，TGB and IB changes with time

進一步探究殺菌除氧劑最適合的殺菌劑DDAC添加量，模擬用的高礦化度鹽溶液仍舊保持在65℃，控制其余2種試劑的添加量不變（D-異抗壞血酸鈉70 mg/L，AA-Cu 30 mg/L）。殺菌12 h后，檢測垢層中的細菌含量并計算殺菌率，研究試劑殺菌效果與DDAC質量濃度之間的關系，結果見圖6。

由圖6可知，在DDAC質量濃度為50～120 mg/L的范圍內，對SRB、TGB和IB的殺菌效果隨著DDAC添加量的增加而增大。在質量濃度為100 mg/L時，殺菌除氧劑對3種細菌的垢下殺菌率接近99%，繼續(xù)增大DDAC的質量濃度對殺菌效果的整體提升沒有明顯的效果。因此，本著經(jīng)濟性原則，DDAC的質量濃度選擇為100 mg/L。

2.2.4 對游離細菌的殺菌效果

油田水系統(tǒng)中同樣存在著大量的游離細菌。取5 mL細菌富集培養(yǎng)基中的細菌菌液加入到100 mL高礦化度油田模擬鹽溶液中，在溶液中分別加入殺菌 劑（100 mg/L DDAC）、殺 菌 復 配 劑（100 mg/L DDAC+30 mg/L AA-Cu）和殺菌除氧劑（100 mg/L DDAC+30 mg/L AA-Cu+70 mg/LD-異抗壞血酸鈉），同時設置無添加的空白組。在36℃殺菌1 h后，用絕跡稀釋法測定并計算3種試劑的殺菌效果，結果見圖7。

圖7 3種試劑對游離SRB、TGB和IB的殺菌效果Fig.7 The bactericidal effect of three kinds of reagent on scattered SRB，TGB and IB

由圖7可知，DDAC作為工業(yè)殺菌劑對于游離細菌有著很好的滅殺作用，對SRB、TGB和IB有高達96%以上的殺菌率。殺菌復配劑和殺菌除氧劑對3種細菌的殺菌率都能達到99%以上。說明AA-Cu也能增強DDAC對游離細菌的消殺效果；除氧劑D-異抗壞血酸鈉的加入，對消滅游離細菌沒有明顯的干擾。

2.3 殺菌除氧劑的除氧性能測試

根據(jù)近年來的研究成果發(fā)現(xiàn)，Cu2+或Cu（Ⅱ）絡合物對工業(yè)除氧劑有很好的催化效果。為了充分利用AA-Cu的特性，進一步提高整體試劑在油田水系統(tǒng)的實際經(jīng)濟價值。將工業(yè)除氧劑D-異抗壞血酸鈉與AA-Cu進行復配除氧。在水中，AA-Cu催化D-異抗壞血酸鈉除氧的反應涉及電子轉移理論，較為復雜，見反應方程式（1）～（3）〔15〕：

式中：(AA)Cu2+——AA-Cu；

HA-——D-異抗壞血酸鈉在水中電離得到的離子；

A——C6H6O6。

結合以前的研究，將D-異抗壞血酸鈉的添加量確定為70 mg/L，與AA-Cu和DDAC復配，得到殺菌除氧劑〔16〕。為了評價復配試劑的除氧性能，以高礦化度油田模擬鹽溶液為除氧環(huán)境，探究在不同溫度和pH下的除氧效果。

溫度對水中的溶解氧含量影響很大。添加除氧劑工段的管道溫度較殺菌劑的低些，故選取30～70℃的溫度區(qū)間，將除氧劑（70 mg/L DSE）、復配除氧劑（70 mg/L DSE+30 mg/L AA-Cu）和殺菌除氧劑（70 mg/L DSE+30 mg/L AA-Cu+100 mg/L DDAC）進行1 h除氧測試，結果見圖8。

圖8 3種試劑除氧率隨反應溫度的變化Fig.8 The curve of the deoxygenation rate of the three kinds of reagent with the reaction temperature

由圖8可知，單獨D-異抗壞血酸鈉就有很好的除氧效果，除氧率整體能保持在85%以上。隨著溫度的升高，D-異抗壞血酸鈉的除氧率會增加，但是無法達到90%。與AA-Cu復配后，D-異抗壞血酸鈉的除氧效果有非常明顯的提升，在30～70℃溫度區(qū)間除氧率都在99%以上。相對于復配除氧劑，殺菌除氧劑的除氧率隨著溫度的升高，除氧率與前者的差距會越來越大。這里可能是因為DDAC溶解水中為酸性，隨著溫度的升高，DDAC的電離程度增大，會對D-異抗壞血酸鈉除氧微區(qū)環(huán)境的pH產(chǎn)生一定干擾。即使如此，殺菌除氧劑的除氧率也能保持在99%以上，說明殺菌除氧劑具有高溫除氧能力。

除了溫度外，水體環(huán)境的pH對于除氧劑的性能有很大的影響，油田水系統(tǒng)的pH在6～10區(qū)間，在此范圍內將除氧劑（70 mg/L DSE）、復配除氧劑（70 mg/L DSE+30 mg/L AA-Cu）和殺菌除氧劑（70 mg/L DSE+30 mg/L AA-Cu+100 mg/L DDAC）進 行1 h除 氧 測試，測試溫度為室溫，結果見圖9。

圖9 3種試劑除氧率隨pH的變化Fig.9 The curve of deoxygenation rate of three kinds of reagent with pH

由圖9可知，D-異抗壞血酸鈉的除氧效果在pH＜7時，除氧能力被抑制，除氧率只達到78.7%。隨著水體pH的增加，D-異抗壞血酸鈉的除氧率也隨著升高。D-異抗壞血酸鈉的除氧反應見方程式（4），堿性環(huán)境能中和除氧過程中生成的酸性產(chǎn)物C6H6O6，促進反應朝著正方向進行。在加入AA-Cu后，同一pH環(huán)境下D-異抗壞血酸鈉的除氧能力被大大提高，除氧率保持在99%以上。說明AA-Cu無論在酸性或者堿性環(huán)境都對D-異抗壞血酸鈉有很好的催化能力。而且在DDAC加入后，殺菌除氧劑的除氧率也能保持在99%以上。同時可以觀察到，相對于除氧溫度的變化，pH的變化對殺菌除氧劑和除氧復配劑除氧率差距的影響較小。綜上所述，殺菌除氧劑在不同pH的水環(huán)境中，同樣具有優(yōu)異的除氧性能。

為了探究殺菌除氧劑最適合的D-異抗壞血酸鈉添加量，測試中控制其他2種藥劑添加量不變（AA-Cu 30 mg/L，DDAC 100 mg/L），水體溫度為室溫，pH為7，除氧時間為1 h，改變D-異抗壞血酸鈉的投加量，測量除氧前后的溶解氧，研究試劑除氧效果與D-異抗壞血酸鈉質量濃度之間的關系，結果見圖10。

圖10 除氧率隨D-異抗壞血酸鈉質量濃度的變化Fig.10 The curve of deoxygenation rate with the mass concentration of DSE

由圖10可知，單一的D-異抗壞血酸鈉具有較好的除氧效果，除氧率最高能達到85%附近，但是達不到工業(yè)除氧需求。D-異抗壞血酸鈉添加在30～70 mg/L的范圍內時，除氧殺菌劑的除氧率整體高于90%，且隨著添加量的增加而增加，在70 mg/L時除氧率達到99%以上，之后增加不明顯。所以，考慮到經(jīng)濟性和實際應用的要求，D-異抗壞血酸鈉最適宜的添加量為70 mg/L。

3 結論

（1）混合AA-Cu對DDAC有很好的增效作用。混合AA-Cu能有效分解和破壞垢層細菌生物膜，將其轉化為游離細菌，以便于DDAC進行快速殺菌。

（2）殺菌除氧劑在油田模擬高礦化度鹽溶液中，對垢層上黏附的SRB、TGB和IB這3種細菌的殺菌率均在98%以上。在40～80℃水體溫度中，殺菌除氧劑對3種細菌的12 h后殺菌率超過99%。

（3）AA-Cu中的Cu2+對除氧劑D-異抗壞血酸鈉有明顯的催化效果。在油田模擬高礦化度鹽溶液中，殺菌除氧劑在溫度為30～70℃或pH為6～10的范圍內，除氧效率都能達到99%以上。