一种特异酶降解聚丙烯酰胺的室内研究

时间：2024-07-28

王娟方艾马宁

（1.中国石油川庆钻探公司钻采工程技术研究院，四川广汉 618300；2.中国石油川庆钻探公司四川科宏石油天然气工程有限公司，四川成都 610051）

一种特异酶降解聚丙烯酰胺的室内研究

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（1.中国石油川庆钻探公司钻采工程技术研究院，四川广汉 618300；2.中国石油川庆钻探公司四川科宏石油天然气工程有限公司，四川成都 610051）

采用一种特异酶解决聚合物驱油过程中注聚井堵塞的问题。实验研究了此特异酶对聚合物驱分子量为1 400×104聚丙烯酰胺的降解情况，主要讨论了酶的加量、作用时间、温度、矿化度等因素对特异酶降解聚丙烯酰胺的影响，并进行了渗透率恢复实验。实验显示，该特异酶的加量为聚丙烯酰胺浓度的3倍、温度为50℃左右时对聚丙烯酰胺的降解效果较好，并且此特异酶具有一定的抗盐性能。

特异酶降解聚合物驱聚丙烯酰胺

0 引言

注聚合物对油田进行开发是一种常用的提高油田最终采收率的三次采油技术。随着聚合物注入量的增加，聚合物固体颗粒逐渐沉积在孔隙中，这些附着物将会干扰聚合物的继续注入。由于注聚堵塞造成注聚井欠注或停注，严重制约了一些聚注区块的开发，从而影响油田的经济效益。笔者采用一种特异酶对聚合物驱用聚丙烯酰胺（HPAM）进行了室内降解研究。

文献资料表明，生物酶一般对生物聚合物降解效果较好，对合成聚合物的降解效果不明显。通过实验证明，笔者所用的特异酶对HPAM有较好的降解效果，并在矿化度较大的情况下也能降解HPAM。

1 特异酶作用机理

生物酶是一种由生物有机体生成的特殊蛋白质。应用于石油工业的酶通常为几种酶的混合物，此类混合酶对天然高分子化合物（如淀粉、纤维素）及天然改性高分子化合物（如改性淀粉、羧甲基纤维素）有很好的降解作用，但几乎不能降解合成聚合物。实验所用的特异酶为一种含巯基（—SH）肽链的内切酶，其具有蛋白酶和酯酶的活性，有较广泛的特异性，对酰胺、多肽、酯等有较强的水解能力，其反应催化类型为水解反应，机理如下：

2 模拟实验

2.1 实验仪器及药品

实验仪器为：数字显示恒温水浴锅，ZNN-D6型旋转黏度计，岩心流动仪。

药品为：HPAM分子量为1 400×104；应用浓度为0.1%；特异酶活性为75×104。

2.2 实验方法

模拟井口温度50℃，改变特异酶的加量，并在不同的反应时间内测量HPAM溶液的表观黏度，根据降黏率的大小确定特异酶的最佳加量及反应时间；按照特异酶的最佳加量，反应时间为6 h的条件下改变水浴温度，根据降黏率的大小确定温度对特异酶作用的影响；在水浴温度为50℃，反应时间为6 h的条件下改变矿化度，确定矿化度对特异酶的影响，其中矿化度的调节是由NaCl、MgCl2、CaCl23种盐模拟地层水所得；最后通过渗透率恢复实验，确定特异酶对由HPAM引起的堵塞进行解堵的情况。

3 实验结果分析

3.1 酶的加量及作用时间对降黏率的影响

从理论上讲，酶对聚合物的降解能力是非常强的，因为在降解过程中，酶的立体结构可能发生某种变化，但在反应结束后，酶本身不消耗，并恢复到原来的状态[1]，所以酶的用量较少。

对特异酶在50℃条件下加量随时间对降黏率的影响进行考察，结果见图1。从图1可知，特异酶对HPAM具有较强的水解作用。当HPAM浓度为0.1%时，随着特异酶加量的增加，其对HPAM的降黏率大幅增加，但当加量加到一定程度（0.30%）时，继续增大特异酶的加量，此时降黏率增加的幅度很小。同时，随着反应时间的增加，其对HPAM的降黏率也是呈逐渐增加的趋势，当反应时间为6 h左右时，降黏率趋于稳定，最大降黏率为70%左右。根据实验数据与经济性考虑，确定特异酶的最佳用量为0.30%，最佳反应时间为3.5～6.0 h。

图1 50℃时特异酶加量随时间对降黏率的影响图

3.2 温度对降黏率的影响

温度从两方面影响酶促反应的效率。首先，升高温度增加底物分子的热能，加快反应速率，然而较高的温度会带来第二种效应，增加构成酶本身蛋白质结构的分子热能，也就增加了多重弱的非共价键相互作用（氢键、范德华力等）破裂的机会。这些相互作用维系着整个酶的三维结构，最终将导致酶的变性[2]。因此，酶只能在有效温度范围内才可以进行催化反应。一般而言，温度每升高10℃，酶的反应速度相应地加快1～2倍，在40℃左右时酶的活性最大。温度再升高时，酶的活性反而会降低，即当温度升高到酶的变性温度时，发生了酶的变性。在较高的温度下，酶的变性和酶的反应速度将一样快，而且这种变性是不可逆的[2]。所以当超过最适合的温度后，酶的反应速度逐步降低，一般酶在60℃以上会变性失活[3]。

在特异酶加量为0.30%的情况下，考察了在不同温度下特异酶对HPAM的降黏率的影响（图2）。由图2可知，随着温度的逐渐升高，特异酶对HPAM的降黏率逐渐增加，当温度达到50℃左右时，降黏率最大，随后随着温度的继续升高，特异酶对HPAM的降黏率又逐渐减小。

图2 不同温度下特异酶对HPAM的降黏率的影响图

3.3 矿化度对降黏率的影响

一般情况下，盐的存在对酶催化作用有负面影响，会降低酶的活性，尤其是在重金属盐存在的情况下，会导致酶的变性。变性后的酶会出现各种不同的现象，如溶解度降低、黏度增大、生物活性丧失等。因此，考察了不同矿化度条件下特异酶对HPAM的降黏率，结果如表1所示。实验结果表明，即使在盐的存在下，特异酶对HPAM的降黏率并没有大幅度地下降，而是基本保持不变，这说明此种特异酶具有较好的抗盐性能。

表1 不同矿化度条件下特异酶对HPAM的降黏率表

3.4 渗透率恢复实验

为评价特异酶解堵效果，在改变矿化度的情况下利用人造岩心进行了一系列岩心驱替实验。在整个岩心流动实验过程中，保持岩心流动仪的温度在50℃左右，特异酶加量为0.30%，解堵时间为6 h，其中矿化度的改变是由配制特异酶解堵剂溶液时改变溶剂的矿化度得到的，实验结果见表2。从表2可知，随着矿化度的增大，渗透率的恢复率有所下降，但下降幅度不大，这说明此特异酶受盐的影响比较小。

表2 岩心堵塞及其恢复渗透率数据表