硫酸盐还原菌与油气的相互作用对硫化氢生成的影响

2022-08-09韩重莲王海静于中奇李庆松

大庆石油地质与开发 2022年4期

韩重莲王海静王力于中奇李庆松李国孙源

（1. 大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163453；2. 黑龙江省油气藏增产增注重点实验室，黑龙江大庆 163453；3. 青岛金智瑞油气田开发技术有限公司，山东青岛 266000）

0 引言

大庆油田近几年见硫化氢井逐年增多，目前共检测185 口井，其中有120 口井硫化氢浓度超过了安全阈限值（硫化氢在空气中的最大浓度为15 mg/m3，工作人员长期暴露不会产生不利影响），比例为64.9%；其中某采油厂共检测112 口井，首次检测超过安全临界浓度的井为84 口，这84 口井通过洗井等措施后复检仍有38 口超过安全临界浓度。见硫化氢井的增多给生产安全带来了很大压力，为确保油田采油作业安全，防止硫化氢中毒事件发生，避免硫化氢对生产设备的危害，减少硫化氢对环境的污染，开展了硫化氢生成的影响因素研究。对见硫化氢井较多的区块进行原油化验分析发现，这些区块中的原油均含硫，部分区块原油硫含率达0.215%。同时检测出见硫化氢井采出液中硫酸盐还原菌数量高于未见硫化氢井的。

通过大量文献查阅可知，实验人员主要是通过采出液中菌群生活环境、微生物存在条件下的生气机理［1］、微生物在原油降解过程中对硫化氢生成的贡献［2-3］、硫化氢还原菌生存抑制因素［4-5］等方面分析硫酸盐还原菌与原油作用及硫化氢生成影响因素。因此，需从菌种、接种量、环境温度、pH 值、矿化度、原油种类、环境压力等方面进行比前人更加全面细致的研究。

目前在大庆油田未系统开展硫化氢成因研究，硫酸盐还原菌与原油作用产生硫化氢影响因素目前并不清楚。辽河油田见硫化氢井油藏温度为150~300 ℃，驱替方式为蒸汽驱，硫化氢最高浓度为12 g/m3，硫化氢的形成主要是由于地层中的油气水在高温下发生了热裂解化学反应［6−7］。胜利油田见硫化氢井油藏温度为150~300 ℃，驱替方式为蒸汽驱，硫化氢最高浓度为20 g/m3，硫化氢形成以生物和热采成因为主，其中生物成因占49%，热采成因占38%［8-9］。大庆油田见硫化氢井油藏温度为45~113 ℃、驱替方式有污水驱、聚驱和三元复合驱等，硫化氢最高浓度为261 mg/m3，大庆油田油藏温度、驱替方式等与辽河、胜利油田有很大不同，其成因分析是否适用于大庆油田需进一步验证。因此，本文对大庆油田硫酸盐还原菌与原油作用产生硫化氢影响因素进行研究，结果将为大庆油田有效抑制油井产出硫化氢提供强有力的技术支持。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

1.1.1 仪器

厌氧工作站，英国DWS 公司；超级洁净工作台，上海智城；立式高压灭菌器，黑龙江天林科技有限公司；恒温培养箱，上海一恒；烘箱，德国wenticell；大容量低速离心机，BECKMAN；低温冷冻高速离心机，湖南湘仪；超低温冰箱，美国Thermo；Biolog 菌种鉴定仪，美国Biolog 公司；酸度计PHSJ-3F，济南欧莱博技术有限公司。

1.1.2 材料

硫酸钠，分析纯，天津市福晨化学试剂有限公司；碳酸氢钠，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司；氯化钙，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司；磷酸二氢钾，分析纯，天京市天大化学试剂厂；氯化铵，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司；六水氯化镁，分析纯，国药沪试；乳酸钠溶液，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；酵母膏，生物试剂，北京奥博星生物技术有限责任公司；七水硫酸亚铁，分析纯，沈阳市华东试剂厂；巯基乙酸钠，分析纯，淄博高环精细化工有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 硫酸盐还原菌培养基制作

磷酸二氢钾0.5 g、氯化铵1.0 g、六水氯化镁2.0 g、硫酸钠1.0 g、氯化钙0.05 g、D−乳酸钠溶液1.1 g、酵母膏1.0 g、七水硫酸亚铁0.5 g、巯基乙酸钠0.1 g、蒸馏水1 000 mL。将上述药品完全溶解后，用2 mol/L 碳酸氢钠溶液调节至pH 为6.8~7.4。然后倒入厌氧培养瓶中，加入抗坏血酸0.1 g，瓶口用锡纸包扎好，放入高压灭菌锅中121 ℃灭菌20 min，即可制作成硫酸盐还原菌细菌培养基，将灭菌后的厌氧培养瓶塞入厌氧瓶塞［10-12］。

1.2.2 硫化氢浓度测定方法

硫化氢浓度测定采用硫化氢检测管法，检测管选择与实验方法依据《中华人民共和国煤炭行业标准——硫化氢检测管（MT 51—1994）》与《天然气中硫化氢含量的测定——检测管着色长度法（SN/T 2943—2011）》进行实验设计，实施方案结合厌氧微生物实验室培养特点进行培养方式改良（图1）。

图1 硫化氢测定装置（SN/T 2943—2011）Fig.1 Hydrogen sulfide determination instrument（SN/T 2943—2011）

由于厌氧微生物需要在封闭容器中培养，避免与空气接触，根据此特点，将样品直接加入测定瓶中，并采用标准中500 mL 聚乙烯瓶进行实验，保证厌氧菌正常生长同时进行硫化氢测定，硫化氢的测定严格按照标准进行，实验装置如图1 虚框处。

硫化氢浓度测定标准为（0~40 ℃） 1 标准大气压下，每冲程气量100 cm3，冲程时间100 s 时测定，分别记录5 口井样品的上述实验数据。

根据培养液体积、培养瓶气体体积、检测管硫化氢浓度来计算单位体积培养液的硫化氢产量，计算公式为

式中：Q——单位体积培养液硫化氢产量，mg/L；

X——硫化氢检测管测定的硫化氢质量浓度，mg/L；

V1——1 个大气压下培养瓶中气体总体积，mL；

V2——培养液体积，L。高压下由于硫化氢培养装置不同，单位体积液体硫化氢产量计算方法为

式中：W——单位体积液体硫化氢产量，mg/L；

V——培养液体积，mL。

2 结果与讨论

对不同条件下硫酸盐还原菌产生硫化氢进行模拟实验，在不同实验条件下对样品分别于0 ，1，3，5，7，14，30 d 进行样品采集，测定不同培养时间下硫化氢生成量。

2.1 硫酸盐还原菌（SRB）种类对硫化氢（H2S）质量浓度的影响

SRB 分为两大亚类：Ⅰ类SRB 如脱硫弧菌属、脱硫单胞菌属、脱硫叶菌属和脱硫肠状菌属；Ⅱ类SRB 如脱硫菌属、脱硫球菌属、脱硫八叠球菌属和脱硫线菌属。需要确定这两类SRB 哪一类生成硫化氢多，在SRB 1 000~5 000 个/mL，1#原油，温度45 ℃，pH 值7，矿化度5 000 mg/L 条件下分别进行Ⅰ类SRB、Ⅱ类SRB 生成硫化氢实验，实验结果见图2。Ⅰ类SRB 不同时间下的H2S 生成量明显高于Ⅱ类，Ⅰ类SRB 在3 d 后H2S 生成量明显增多， 14 d 时培养物中H2S 生成量最高（14.055 mg/L）。Ⅱ类SRB 不同时间下H2S 生成量无明显变化，少于Ⅰ类SRB 产生的H2S 质量浓度。

图2 SRB种类对H2S质量浓度的影响Fig.2 Influence of SRB types on mass concentration of H2S

2.2 硫酸盐还原菌接种量对硫化氢质量浓度的影响

在Ⅰ类SRB、1#原油、温度45 ℃、pH 值7、矿化度5 000 mg/L 条件下分别进行SRB 小于100 个/mL、 SRB 100~1 000 个/mL、 SRB1 000~5 000 个/mL 、SRB 5 000~25 000 个/mL、SRB 大于25 000 个/mL 生成H2S 实验，实验结果见图3。

图3 SRB接种量对H2S质量浓度的影响Fig.3 Influence of SRB inoculation amount on mass concentration of H2S

从图3 可知，不同SRB 接种量培养物在整个培养过程中H2S 生成量都呈现先上升后降低的趋势。在培养0~3 d 过程中大体表现为SRB 接种越大，H2S 生成量越高。接种量大于25 000 个/mL H2S 的生成量最高峰在第5 d 出现，接种量小于100 个/mL H2S 的生成量最高峰在14 d 出现，其他接种量下H2S 生成量高峰大多在第7 d 出现。由此可知，接种量越大微生物前期生长越旺盛，H2S 生成量提高速度快，但后期都会有明显降低；接种量最小时H2S 前期生成量低，但后期生成量较平稳，30 d 培养物H2S 生成量未出现大幅度降低趋势。

主要原因是由于接种量大的样品中菌群类型与数量多，前期营养物充足，微生物生长速度快，硫化氢生成量较高。随培养时间延长，由于营养物质消耗、代谢废物积累等原因，菌群间对营养物的争夺竞争激烈，后期硫化氢质量浓度就出现了明显的降低趋势。接种量较小的培养物由于菌数峰值出现的较晚，在培养后期硫化氢生成量降低不明显。

2.3 温度对H2S质量浓度的影响

在Ⅰ类SRB、1#原油、SRB 1 000~5 000 个/mL、pH值7、矿化度5 000 mg/L条件下分别进行45、60、80 ℃生成H2S 实验，实验结果见图4。

图4 温度对H2S质量浓度的影响Fig.4 Influence of temperature on mass concentration of H2S

从图4 可以看出，不同培养温度下H2S 生成量随反应时间总体呈现先上升后降低的趋势。在45 ℃和60 ℃时H2S 生成量在7 d 时达到最高，随培养时间延长，H2S 生成量逐步降低；80 ℃时H2S 生成量在3 d 时达到最高然后逐渐降低，H2S 最高生成量明显低于45 ℃与60 ℃，是由于45 ℃是菌群生长的较适宜温度，随温度升高，SRB 数量出现减少的趋势，H2S 生成量与微生物生长趋势相符。

2.4 pH值对H2S质量浓度的影响

在Ⅰ类SRB、1#原油、SRB 1 000~5 000 个/mL、温度45 ℃、矿化度5 000 mg/L条件下分别进行pH值5、7、9生成H2S实验，实验结果见图5。

从图5 可以看出，在pH=5 和pH=7 时H2S 生成量总体呈现先上升后降低的趋势，生成量最高峰都出现在7 d。H2S 产生的最适宜条件为中性环境，过酸、过碱都对H2S 生成量有较大的影响，尤其是碱性环境几乎检测不到H2S。

图5 pH对H2S质量浓度的影响Fig.5 Influence of pH value on mass concentration of H2S

2.5 矿化度对H2S质量浓度的影响

在Ⅰ类SRB、1#原油、SRB 1 000~5 000 个/mL、温度45 ℃、pH 值7 条件下分别进行矿化度2 000、5 000、7 500、10 000 mg/L 生成H2S 实验，实验结果见图6。

图6 矿化度对H2S质量浓度的影响Fig.6 Influence of salinity on mass concentration of H2S

从图6 可以看出，矿化度对于H2S 的生成量有较大影响，在矿化度5 000 mg/L 的培养条件下H2S生成量最高，H2S 生成量在3 d 后有明显升高，7 d达到最高随后有降低趋势。矿化度7 500 mg/L H2S生成量较小，在14 d 达到最大峰，但明显少于矿化度5 000 mg/L；矿化度10 000mg/L 培养条件下在实验过程中几乎未检测到H2S，说明高矿化度对于H2S 产生具有较大的影响。矿化度2 000 mg/L 培养条件下H2S 生成量少于矿化度5 000 mg/L，说明过低矿化度对于H2S 产生也有一定的影响，因此矿化度5 000 mg/L 更适宜生成H2S。

2.6 原油种类对H2S质量浓度的影响

在Ⅰ类SRB、SRB 1 000~5 000 个/mL、温度45 ℃、pH 值7、矿化度5 000 mg/L 条件下分别进行1#原油、2#原油生成H2S 实验，实验结果见图7。

从图7 可以看出，不同类型的原油对于H2S 的生成量及产气量高峰出现时间有一定的影响，其中1#原油是集中脱水处理过的联合站原油，培养初期（0~7 d）H2S 生成量明显较2#原油高，在7 d时H2S 生成量达到最高。2#原油是油田井口采出原油，前期H2S 生成量较低，7 d 时生成量出现明显提高，30 d 时生成量达到最高且明显高于1#原油，说明未经处理的原油更适宜生成硫化氢，表明原始的原油中含硫更多，而在集中脱水处理过程中减少了含硫物质。

图7 不同原油种类对H2S质量浓度的影响Fig.7 Influence of different types of crude oil on mass concentration of H2S

2.7 压力对H2S质量浓度的影响

在Ⅰ类SRB、1#原油、SRB 1 000~5 000 个/mL、温度45 ℃、pH 值7、矿化度5 000 mg/L 条件下分别进行压力5、10、18 MPa 生成H2S 实验，实验结果见图8。

图8 压力对H2S质量浓度的影响Fig.8 Influence of pressure on mass concentration of H2S

从图8 可以看出，在不同压力条件下随培养时间延长，H2S 总体呈现逐步上升的趋势，在30 d 时生成量的均达到最高值。观察不同培养时间下压力对H2S 生成量影响可以看出，在5、10MPa 较低压力条件下培养14 d 后H2S 上升明显，在18 MPa较高压力条件下H2S 呈现缓慢上升趋势，总体H2S生成量随压力升高有上升变缓的趋势，说明高压对于H2S 的生成量有一定的影响。主要原因是由于高压导致某些代谢通量发生改变，H2S 产生较缓慢，整个培养周期微生物处于逐步适应过程，H2S生成量呈现逐步上升趋势。