高矿化度油田水系统杀菌除氧剂的复配研究

2022-09-27姚彬魏晓静高多龙闻小虎任天辉

工业水处理 2022年9期

姚彬，魏晓静，高多龙，2，闻小虎，任天辉

（1.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆乌鲁木齐 830011；2.中国石化缝洞型油藏提高采收率重点试验室，新疆乌鲁木齐 830011；3.上海交通大学化学化工学院，上海 200240）

微生物危害广泛地存在于石油天然气行业，造成了巨大的经济损失〔1-2〕。尤其在油田水系统中，微生物的繁殖生长和代谢活动会导致一系列的严重问题，如结垢堵塞管道、石油酸化、微生物腐蚀、传热损失、管道流体摩擦阻力增加造成能量损失等〔3〕。例如西北某油田生产开采过程中，微生物的活动加速了传统的腐蚀过程，对油田设备造成严重的金属腐蚀和设备故障损坏。这种微生物改变腐蚀反应动力学的过程被称为微生物诱导腐蚀〔4〕。由于具有温度适宜、有机和无机营养物质充分等有利条件，油田水系统为这些微生物提供了很好的繁殖环境。西北某油田回注水为高矿化度水质，循环使用导致管道结垢严重，细菌附着垢层并快速繁殖，进一步加剧了结垢，杀菌难度增加。此外油田水系统中含有大量溶解氧，其具有强烈的去极化作用，同时还是腐蚀促进剂，加速了腐蚀介质的腐蚀速率。溶解氧腐蚀随水系统的循环存在于油田设备运行的各个环节中，管道内腐蚀后会积盐、结垢，进一步加剧微生物腐蚀，影响设备运行和使用寿命。因此快速安全有效地杀死水系统中的微生物并对水体进行除氧，对于油田的正常开采运行具有实际意义和经济价值。

根据前期研究，西北某油田水系统和垢层中，微生物菌群以硫酸盐还原菌（SRB）、腐生菌（TGB）、铁细菌（IB）为主〔5〕。控制油田水系统中微生物生长的杀菌剂主要分为2类：氧化型和非氧化型〔6〕。其中，氧化型杀菌剂包括氯气、二氧化氯、臭氧等；非氧化型杀菌剂包括甲醛、戊二醛、异噻唑啉酮、季铵盐类化合物、四羟甲基硫酸磷等。虽然这些杀菌剂被广泛地应用到油田水系统中，以减少管道设备和封闭系统中生物污垢和微生物诱导腐蚀的发生，但在高矿化度的水系统中收效并没有那么好。在自然环境中，大多数微生物会以细胞生物膜群落的形式生存，细菌菌落在金属设备表面形成黏性生物膜，以保护其免受流体和化学试剂的伤害〔7〕。像油田水系统这种大规模杀菌应用场景，杀菌剂的选择本就有限，对细菌生物膜进行破坏是一个很好的办法。

本研究合成了一种混合氨基酸络合铜（AACu），用作常见油田杀菌剂双癸基二甲基氯化铵（DDAC）的增效剂〔8-9〕。AA-Cu能对垢层细菌生物膜进行破坏，帮助DDAC对附着型SRB、TGB和IB进行高效灭杀。结合前期研究成果，含铜络合物对除氧剂有较好的催化效果。进一步将AA-Cu、DDAC和工业除氧剂D-异抗坏血酸钠（DSE）进行复配，研究复配试剂在高矿化度油田模拟水系统中的杀菌和除氧性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：D-色氨酸、D-酪氨酸、D-缬氨酸购于上海毕得医药科技股份有限公司，质量分数97%；氯化钙、氯化镁、氯化钠、硫酸钠、硫酸氢钠、碳酸氢钠、硫酸铜、氨水、氢氧化钠、乙醇、D-异抗坏血酸钠购于上海国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯；DDAC购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，体积分数95%；油田专用SRB、TGB和IB细菌测试瓶购于北京华兴世纪仪器有限公司。

仪器：DHG-101型电热恒温鼓风干燥箱，上海华连医疗器械有限公司；FA2204B型精密电子天平，上海精密科学仪器有限公司；ST-400D型荧光法溶解氧测试仪，奥豪斯仪器（上海）有限公司；傅里叶变换红外光谱仪（FTIR，Spectrum 100），美国PerkinElmer公司；X射线粉末衍射仪（D8 ADVANCE），德国BRUKER AXS公司；扫描电子显微镜（VEGA 3-XMU），捷克TESCAN公司。

1.2 实验步骤

1.2.1 AA-Cu的制备

分别称取D-色氨酸、D-酪氨酸和D-缬氨酸各0.5 g溶解于40 mL去离子水中，加入2.0 g CuSO4搅拌溶解。将混合溶液调节到pH=6，在60℃加热回流4 h进行螯合反应。冷却至室温后，在磁力搅拌下缓慢滴加NaOH溶液至pH=8，未螯合的Cu2+会以Cu（OH）2的形式沉淀分离。将上述溶液进行抽滤，取上清液。上清液经过醇洗、离心分离和干燥后，得到蓝色的AA-Cu。

1.2.2 杀菌性能评价

（1）垢层生长。将不锈钢片分别用丙酮、乙醇、去离子水清洗后，平放于含有11 g/L CaCl2和16.8 g/L NaHCO3的水溶液中，在80℃下保温3 h。用水冲去表面杂质，用烘箱烘干后，便能在不锈钢片表面得到约1 mm厚的CaCO3垢层。

（2）细菌培养。油田细菌水样来自于西北某油田水系统的现场采样。配制100 mL的SRB、TGB和IB这3种细菌富集培养基，经高温高压灭菌后，取5 mL油田细菌水样加入细菌培养基中。将长有垢层的不锈钢片放入培养基中培养2～7 d后（根据细菌成熟周期，TGB为2 d，SRB和IB为7 d），细菌便能在垢层附着并大量繁殖，以便后续使用。实验中的器皿和仪器均经过高温高压灭菌，所有操作在紫外灭菌后的超净台中完成。

（3）杀菌实验。西北某油田水矿化度为2.0×105～2.2×105mg/L。按照表1配制高矿化度盐溶液（210 000 mg/L）以模拟西北某油田水系统水质。将长有细菌垢层的不锈钢片放于100 mL的高矿化度盐溶液中，加入杀菌剂（100 mg/L DDAC）、杀菌复配剂（100 mg/L DDAC+30 mg/L AA-Cu）和杀菌除氧剂（100 mg/L DDAC+30 mg/L AA-Cu+70 mg/LD-异抗坏血酸钠），同时设置无添加的空白组，在36℃的恒温下进行培养。刮取相同体积的垢层，用细菌测试瓶以绝迹稀释法测得实验组和空白组垢层中的细菌含量〔10〕。实验中的器皿和仪器均经过高温高压灭菌，所有操作在紫外线灭菌后的超净台完成。按式（1）计算杀菌效果：

表1 模拟西北某油田水水质（高矿化度盐溶液）Table 1 Simulated water quality of water system in the oilfield in Northwest China（high salinity salt solution）

式中：η——杀菌率，%；

X0、X1——分别为空白组和实验组相同体积垢层中的细菌菌数，mL-1。

1.2.3 除氧性能评价

在测试瓶中装满高矿化度盐溶液，调节到设定pH后，在设定温度的烘箱中略微敞口并保温2 h，使水中溶解氧达到平衡。快速加入杀菌除氧剂（100 mg/L DDAC+30 mg/L混合氨基酸铜+70 mg/LD-异抗坏血酸钠）并拧紧瓶盖，摇匀后继续保温1 h，同时设置无添加的空白组，用溶解氧测试仪测试溶解氧浓度。按式（2）计算除氧率：

式中：X——除氧率，%；

C0、C1——分别为空白组和实验组的溶解氧质量浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 AA-Cu的红外谱图

用FTIR对制备的AA-Cu进行分析，D-色氨酸、D-酪氨酸和D-缬氨酸组成的混合氨基酸（AA）和氨基酸铜（AA-Cu）的红外谱图见图1。

由图1可知，AA在1 585.2 cm-1处有—NH2的伸缩振动吸收峰，3 403.74 cm-1处有—C==O的伸缩振动峰；在AA-Cu的红外光谱中，氨基和羰基的吸收峰分别位移到1 625.64 cm-1和3 416.48 cm-1处。上述现象说明AA的氨基和羧基与Cu2+发生了配位反应。AA-Cu在1 139.69 cm-1处的强吸收峰为C—O伸缩振动峰。此外，在619 cm-1处为O—H的面内摇摆振动峰，说明有水分子参与了配位反应。

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

2.2 杀菌除氧剂的杀菌性能测试

2.2.1 对垢层细菌的杀菌效果

不锈钢片长上垢层后，将试样放于油田水样培育的SRB、TGB和IB这3种细菌富集液体培养基中，在36℃保温孵育2～7 d，使垢层接种上相应细菌且生物膜生长成熟。室温下3种不同试剂在高矿化度盐溶液中对垢层上SRB、TGB和IB杀菌12 h后的效果见表2。

表2 3种试剂对垢层SRB、TGB和IB的杀菌效果Table 2 The bactericidal effects of three kinds of reagent on the dirt-layer SRB，TGB and IB

由表2可知，单独的DDAC对SRB、TGB、IB的杀菌率分别为58.3%、64.3%、45.5%，难以满足西北某油田的95%垢层杀菌率指标要求。如果单纯地提高DDAC的添加浓度不符合经济性，因此本研究中将AA-Cu与其配合，经过垢层杀菌测试，能达到整体98%以上的杀菌率。这表明AA-Cu对DDAC垢层杀菌能力有很好的增强效果。此外，将D-异抗坏血酸钠与两者复配，对垢层的杀菌效果影响很小，可忽略不计。

2.2.2 垢层生物膜观察

本研究中取5 mL油田水样加入到高温高压灭菌后的混合细菌液体培养基中，将长有垢层的不锈钢片放入培养基中，在36℃下培养7 d，得到富集油田混合细菌的垢层。将上述细菌垢层放入高矿化度油田模拟盐溶液中杀菌12 h。空白组和添加杀菌除氧剂的实验组在12 h杀菌后，垢层表面的扫描电子显微镜（SEM）和X射线光谱（EDS）见图2。

图2 空白组（a）和添加杀菌除氧剂实验组（b）的垢层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）

由图2的SEM图谱可以看出，垢层中的CaCO3晶体表面附着着大量细菌，在细菌生物膜的保护下，形成一片片的菌落。添加杀菌除氧剂12 h后，垢层上的细菌数量有明显的减少，说明复配试剂能有效地破坏细菌的生物膜，在没有生物膜的保护下，细菌难以在垢层上黏附繁殖，最终被复配试剂中的DDAC杀死。AA-Cu对DDAC杀菌有明显的增效作用，在整个过程中主要起到2种作用：（1）对细菌生物膜的破坏作用；（2）抗菌作用〔11〕。AA-Cu和DDAC的协同杀菌过程见图3。

图3 混合AA-Cu和DDAC协同杀菌示意Fig.3 Schematic diagram of synergistic sterilization of mixed amino acid copper and DDAC

细菌生物膜有利于细菌在垢层表面的黏附，且生物膜被胞外基质保护，杀菌剂难以进入细菌内部进行破坏。外源性D-氨基酸是一种生物膜分散剂，通过影响细菌细胞壁肽聚糖的合成从而抑制细胞生物膜的形成〔12-13〕。与D-氨基酸相同，AA-Cu能促进已成熟的细菌生物膜破裂，将黏附在垢层上的生物膜转变为游离的细菌。在解离生物膜的过程中，由氨基酸释放的Cu2+能进入细菌内部，与酶、蛋白质中的—SH、—NH2、—OH等基团结合，从而使其失活变性，起到抗菌作用〔14〕。由图2的EDS图谱中可以看出，添加杀菌除氧剂后，垢层表面会沉积微量的Cu元素。此外，在生物膜被破坏后，DDAC与细菌的接触机会大大增加，能破坏其细胞壁致使其内部内容物外渗，最终游离细菌被DDAC快速杀死。综上，AA-Cu能有效破坏细菌生物膜，与DDAC具有很好的协同杀菌效应。

2.2.3 垢层杀菌效果与温度、时间和药剂量的关系

西北某油田水系统中的pH变化不大，但是不同工段的温度有着很大的变化，管道温度主要集中在60～65℃之间。为了研究不同温度下杀菌除氧剂的杀菌效果，在杀菌过程中，将高矿化度盐溶液分别放置于40～80℃的环境中进行模拟杀菌12 h，分别测试了杀菌除氧剂对SRB、TGB、IB细菌的杀菌率，结果见图4。

图4 杀菌除氧剂对垢层SRB、TGB和IB的杀菌率随温度的变化Fig.4 The sterilization rate of the bactericidal deoxidizer to the dirt-layer SRB，TGB and IB changes with temperature

由图4可知，杀菌除氧剂在温度为40℃时对IB的杀菌率在98%左右，在40～80℃的环境中，杀菌除氧剂对SRB、TGB、IB杀菌率都在99%以上。表2中常温（25℃）下的杀菌效果与之相同。随着温度的升高，杀菌除氧剂对3种细菌的杀菌率呈现上升的趋势；在温度为80℃时，杀菌除氧剂对3种细菌的杀菌率几乎达到100%。上述结果表明，高温不会对杀菌除氧剂产生影响，反而促进了其杀菌性能。因此，此杀菌除氧剂适用于西北某油田水系统的高温环境。

为了探究杀菌除氧剂的杀菌过程，将长有垢层的不锈钢片放于高矿化度盐溶液中保温65℃（西北某油田管道结垢最严重的工段温度）。每隔2 h检测垢层中的细菌含量并计算杀菌率，研究试剂杀菌效果与时间的变化规律，结果见图5。

由图5可知，在添加杀菌除氧剂2 h后，对SRB、TGB、IB这3种细菌的杀菌率都较低，分别为46.2%、36.4%、20%。可能是因为前期主要是AA-Cu分解细菌生物膜的过程，高矿化度盐溶液中游离的细菌较少。在添加试剂2～6 h后，垢层表面的细菌生物膜被大量转换为游离细菌，复配试剂中的DDAC此时起到主要的杀菌作用。6 h后，在AA-Cu和DDAC的协同作用下，对SRB、TGB、IB这3种细菌的杀菌率快速上升到85%以上。添加复配试剂10 h后，3种细菌的杀菌效果均满足西北某油田的95%杀菌指标要求。最终当杀菌时间达到12 h后，杀菌除氧剂对SRB、TGB、IB的杀菌率达到99%以上，说明此复配试剂具有高效快速杀菌的特点。

图5 杀菌除氧剂对垢层SRB、TGB和IB的杀菌率随着时间的变化Fig.5 The sterilization rate of the bactericidal deoxidizer to the dirt-layer SRB，TGB and IB changes with time

进一步探究杀菌除氧剂最适合的杀菌剂DDAC添加量，模拟用的高矿化度盐溶液仍旧保持在65℃，控制其余2种试剂的添加量不变（D-异抗坏血酸钠70 mg/L，AA-Cu 30 mg/L）。杀菌12 h后，检测垢层中的细菌含量并计算杀菌率，研究试剂杀菌效果与DDAC质量浓度之间的关系，结果见图6。

由图6可知，在DDAC质量浓度为50～120 mg/L的范围内，对SRB、TGB和IB的杀菌效果随着DDAC添加量的增加而增大。在质量浓度为100 mg/L时，杀菌除氧剂对3种细菌的垢下杀菌率接近99%，继续增大DDAC的质量浓度对杀菌效果的整体提升没有明显的效果。因此，本着经济性原则，DDAC的质量浓度选择为100 mg/L。

2.2.4 对游离细菌的杀菌效果

油田水系统中同样存在着大量的游离细菌。取5 mL细菌富集培养基中的细菌菌液加入到100 mL高矿化度油田模拟盐溶液中，在溶液中分别加入杀菌剂（100 mg/L DDAC）、杀菌复配剂（100 mg/L DDAC+30 mg/L AA-Cu）和杀菌除氧剂（100 mg/L DDAC+30 mg/L AA-Cu+70 mg/LD-异抗坏血酸钠），同时设置无添加的空白组。在36℃杀菌1 h后，用绝迹稀释法测定并计算3种试剂的杀菌效果，结果见图7。

图7 3种试剂对游离SRB、TGB和IB的杀菌效果Fig.7 The bactericidal effect of three kinds of reagent on scattered SRB，TGB and IB

由图7可知，DDAC作为工业杀菌剂对于游离细菌有着很好的灭杀作用，对SRB、TGB和IB有高达96%以上的杀菌率。杀菌复配剂和杀菌除氧剂对3种细菌的杀菌率都能达到99%以上。说明AA-Cu也能增强DDAC对游离细菌的消杀效果；除氧剂D-异抗坏血酸钠的加入，对消灭游离细菌没有明显的干扰。

2.3 杀菌除氧剂的除氧性能测试

根据近年来的研究成果发现，Cu2+或Cu（Ⅱ）络合物对工业除氧剂有很好的催化效果。为了充分利用AA-Cu的特性，进一步提高整体试剂在油田水系统的实际经济价值。将工业除氧剂D-异抗坏血酸钠与AA-Cu进行复配除氧。在水中，AA-Cu催化D-异抗坏血酸钠除氧的反应涉及电子转移理论，较为复杂，见反应方程式（1）～（3）〔15〕：

式中：(AA)Cu2+——AA-Cu；

HA-——D-异抗坏血酸钠在水中电离得到的离子；

A——C6H6O6。

结合以前的研究，将D-异抗坏血酸钠的添加量确定为70 mg/L，与AA-Cu和DDAC复配，得到杀菌除氧剂〔16〕。为了评价复配试剂的除氧性能，以高矿化度油田模拟盐溶液为除氧环境，探究在不同温度和pH下的除氧效果。

温度对水中的溶解氧含量影响很大。添加除氧剂工段的管道温度较杀菌剂的低些，故选取30～70℃的温度区间，将除氧剂（70 mg/L DSE）、复配除氧剂（70 mg/L DSE+30 mg/L AA-Cu）和杀菌除氧剂（70 mg/L DSE+30 mg/L AA-Cu+100 mg/L DDAC）进行1 h除氧测试，结果见图8。

图8 3种试剂除氧率随反应温度的变化Fig.8 The curve of the deoxygenation rate of the three kinds of reagent with the reaction temperature

由图8可知，单独D-异抗坏血酸钠就有很好的除氧效果，除氧率整体能保持在85%以上。随着温度的升高，D-异抗坏血酸钠的除氧率会增加，但是无法达到90%。与AA-Cu复配后，D-异抗坏血酸钠的除氧效果有非常明显的提升，在30～70℃温度区间除氧率都在99%以上。相对于复配除氧剂，杀菌除氧剂的除氧率随着温度的升高，除氧率与前者的差距会越来越大。这里可能是因为DDAC溶解水中为酸性，随着温度的升高，DDAC的电离程度增大，会对D-异抗坏血酸钠除氧微区环境的pH产生一定干扰。即使如此，杀菌除氧剂的除氧率也能保持在99%以上，说明杀菌除氧剂具有高温除氧能力。

除了温度外，水体环境的pH对于除氧剂的性能有很大的影响，油田水系统的pH在6～10区间，在此范围内将除氧剂（70 mg/L DSE）、复配除氧剂（70 mg/L DSE+30 mg/L AA-Cu）和杀菌除氧剂（70 mg/L DSE+30 mg/L AA-Cu+100 mg/L DDAC）进行1 h除氧测试，测试温度为室温，结果见图9。

图9 3种试剂除氧率随pH的变化Fig.9 The curve of deoxygenation rate of three kinds of reagent with pH

由图9可知，D-异抗坏血酸钠的除氧效果在pH＜7时，除氧能力被抑制，除氧率只达到78.7%。随着水体pH的增加，D-异抗坏血酸钠的除氧率也随着升高。D-异抗坏血酸钠的除氧反应见方程式（4），碱性环境能中和除氧过程中生成的酸性产物C6H6O6，促进反应朝着正方向进行。在加入AA-Cu后，同一pH环境下D-异抗坏血酸钠的除氧能力被大大提高，除氧率保持在99%以上。说明AA-Cu无论在酸性或者碱性环境都对D-异抗坏血酸钠有很好的催化能力。而且在DDAC加入后，杀菌除氧剂的除氧率也能保持在99%以上。同时可以观察到，相对于除氧温度的变化，pH的变化对杀菌除氧剂和除氧复配剂除氧率差距的影响较小。综上所述，杀菌除氧剂在不同pH的水环境中，同样具有优异的除氧性能。

为了探究杀菌除氧剂最适合的D-异抗坏血酸钠添加量，测试中控制其他2种药剂添加量不变（AA-Cu 30 mg/L，DDAC 100 mg/L），水体温度为室温，pH为7，除氧时间为1 h，改变D-异抗坏血酸钠的投加量，测量除氧前后的溶解氧，研究试剂除氧效果与D-异抗坏血酸钠质量浓度之间的关系，结果见图10。

图10 除氧率随D-异抗坏血酸钠质量浓度的变化Fig.10 The curve of deoxygenation rate with the mass concentration of DSE

由图10可知，单一的D-异抗坏血酸钠具有较好的除氧效果，除氧率最高能达到85%附近，但是达不到工业除氧需求。D-异抗坏血酸钠添加在30～70 mg/L的范围内时，除氧杀菌剂的除氧率整体高于90%，且随着添加量的增加而增加，在70 mg/L时除氧率达到99%以上，之后增加不明显。所以，考虑到经济性和实际应用的要求，D-异抗坏血酸钠最适宜的添加量为70 mg/L。