Добыча нефти и горноресурсов. биотехнологии для нефте и горнодобывающей промышленности

метки: Добыча, Оператор, Нефть, Метод, Биополимер, Применение, Бактерия, Нефтеотдача

Подборка по базе: , Баскетбол реферат.docx , образец РЕФЕРАТ.doc , Темы рефератов ЛФ весенний семестр.doc , Васильченко Н.О, группа 512 реферат кольпоскопия.docx , 2-4пед Тарала АП реферат.rtf , Schapova_izobretenia Третьякова реферат 2 работа Патент.docx , 2Чижкова, презентация к реферату.pptx , Требования к оформлению реферата.doc , виды документов реферат.docx

---

Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Иркутский государственный университет»
(ФГБОУ ВО «ИГУ»)
Биолого-почвенный факультет
РЕФЕРАТ БИОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ НЕФТЕ- И ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

	Студент 2 курса очного отделения Группа 04212-ДМ
	Салчак В. Э.
	Преподаватель: д.б.н., профессор Саловарова В. П.

Иркутск, 2018

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В мире имеется три основных экономически значимых источника топлива: уголь, природный газ и нефть [4].

Нефть является жизненно важной частью нашей повседневной жизни и экономики государства. Ежедневно используется более трех тысяч продуктов, которые получают из нефти. Бензин и другое топливо, аспирин, косметика, синтетические ткани, удобрения – только некоторые из них [все о нефти].

Существующие способы разработки нефтяных месторождений дают возможность извлекать из недр 10-15 % геологических запасов нефти. Более того, коэффициент извлечения нефти во многих месторождениях снижается в связи с вовлечением в эксплуатацию месторождений с вязкой нефтью и сложными геолого-физическими свойствами. Добыча нефти на старых месторождениях, как правило, уменьшается вследствие обводненности. Создание высокоэффективных методов повышения нефтеотдачи является важнейшим инструментом поддержания высокого уровня добычи нефти на ближайшие десятилетия. [Биотехнология 2009].

Считается, что применение существующих технологий позволит увеличить извлекаемые запасы на 2,3 млрд м3, а применение методов биологических технологии (биотехнологии) может увеличить извлекаемые запасы до 4,37 млрд м3 нефти [2].

Биотехнология означает любой вид технологии, связанный с использованием биологических систем, живых организмов или их производных для изготовления или изменения продуктов, или процессов с целью их конкретного использования.

В подобной ситуации находится горнодобывающая промышленность: истощение богатых месторождений и рост доли трудно извлекаемых запасов, высокая себестоимость добычи и обработки требуют разработки новых эффективных, экологически безопасных и экономически выгодных методов добычи ценных металлов и руд [http://docplayer.ru/28742683-Mikrobnye-biotehnologii-dlya-resheniya-problem-gornodobyvayushchey-promyshlennosti.html ].

Биогеотехнология — использование геохимической деятельности микроорганизмов в горнодобывающей промышленности [8].

Цель: рассмотреть применения биотехнологии при добыче нефти и в горнодобывающей промышленности. Для этого были поставлены следующие задачи:

1. рассмотреть сведения о применении нефти, добычи традиционными методами;

2. изучить применение биотехнологии при добыче нефти;

3. рассмотреть сведения о применении полезных ископаемых, традиционные методы добычи в горнодобывающей промышленности;

4. изучить применение биотехнологии в горнодобывающей промышленности;

5. рассмотреть примеры перспектив биотехнологии в горнодобывающей промышленности.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Нефть — природная маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом, состоящая в основном из сложной смеси углеводородов различной молекулярной массы и некоторых других химических соединений [https://neftynik.ru/neft/].

Основными ее элементами являются углерод (83 — 87 %) и водород (11 – 14 %).

Наиболее часто встречающаяся примесь — сера (до 7 %).

Она усиливает коррозию металлов. Азота в нефти не больше 1,7 %; он совершенно безвреден в силу своей инертности. Кислород встречается в различных соединениях (кислоты, фенолы, эфиры и т. д.).

Его в нефти не более 3,6 %. Из металлов присутствуют железо, магний, алюминий, медь, натрий, олово, кобальт, хром, германий, ванадий, никель, ртуть и другие. Содержание металлов столь мало, что они обнаруживаются лишь в золе, остающейся после сжигания нефти.

Преимущества нефти и газа перед другими источниками энергии заключаются в относительно высокой теплоте сгорания и простоте использования с технологической точки зрения.

Так, при полном сгорании 1 кг нефти выделяется 46 МДж тепла; 1 м3 природного газа — 36; 1 кг антрацита — 34; 1 кг бурого угля — 9,3; 1 кг дров — 10,5 МДж. Если массу нефти принять за единицу, то для получения эквивалентного количества тепла масса антрацита должна составить 1,4; бурого угля—5,0; дров—4,4. Аналогичным достоинством обладает газ. Это дает огромные преимущества при транспортировке.

Сравнение различных энергоносителей с точки зрения технологичности. Нефть и газ транспортируются, в основном, по трубопроводам, работающим в любое время года и суток. Чтобы перекачать нефть (газ), а затем подать ее (его) в топку, достаточно включить насос (компрессор) или открыть задвижку (кран).

Транспортировка же твердого топлива требует обязательного проведения погрузочно-разгрузочных работ. Движение транспортных средств с углем, как правило, связано с простоями (при погрузке-разгрузке, заносах и т. д.).

Загрузка твердых топлив в топку очень часто связана с большими затратами ручного труда. Применение газа вместо угля дает большую экономию времени и средств, улучшает условия труда , а также санитарное состояние городов, жилых домов и предприятий. Поэтому в настоящее время почти все тепловые станции Урала и Европейской части России переведены на газ, проводится большая работа по газификации малых городов и сел [http://www.nnkinfo.ru/files/books/korshak_a_a_shammazov_a_m_osnovy_neftegazovogo_dela.pdf ].

Исторические данные объемов добычи нефти, предложены разделить развитие мировой нефтедобычи на два этапа: первый этап — с самого начала до 1979 года, когда был достигнут первый относительный максимум нефтедобычи (3235 млн. т.); второй этап — с 1979 года по настоящее время [ прил. 1 ].

Было отмечено, что с 1920 года по 1970 год мировая нефтедобыча увеличивалась не только почти в каждом новом году, но и по десятилетиям добыча росла практически в геометрической прогрессии (увеличивалась почти вдвое за каждые 10 лет).

С 1979 года происходит замедление темпов роста мировой нефтедобычи. Вначале 1980 годов даже происходит кратковременное снижение добычи нефти. В дальнейшем рост объемов добычи нефти возобновляется, но уже не такими стремительными темпами как на первом этапе.

Нефть обнаруживается вместе с газообразными углеводородами на глубинах от десятков метров до 5 — 6 км. Однако на глубинах свыше 4,5 — 5 км преобладают газовые и газоконденсатные залежи с незначительным количеством лёгких фракций. Максимальное число залежей нефти располагается на глубине 1 — 3 км. На малых глубинах и при естественных выходах на земную поверхность нефть преобразуется в густую мальту, полутвёрдый асфальт и другие образования — например, битуминозные пески и битумы [https://neftynik.ru/neft/].

По способам извлечения скважинной жидкости современные методы нефтедобычи делятся на: фонтанный способ, газлифтный и применение насосов.

Фонтанный способ. Освоение новых месторождений всегда осуществляется с использованием фонтанного способа добычи.

Это самый простой, эффективный и дешевый метод. Он не требует дополнительных затрат энергоресурсов и сложного оборудования, так как процесс подъёма продукта на поверхность происходит за счет избыточного давления в самой нефтяной залежи.

По завершению процесса фонтанирования, на скважине начинают применять механизированные методы добычи.

Газлифтный способ

Газлифт является одним из механизированных способов добычи нефти и логическим продолжением фонтанного способа. Когда энергии пласта становится недостаточно для выталкивания нефти, подъем начинают осуществлять с помощью подкачки в пласт сжатого газа. Это может быть простой воздух или сопутствующий газ с ближайшего месторождения. Для сжатия газа используют компрессоры высокого давления. Этот способ называют компрессорным. Бескомпрессорный способ газлифта осуществляют методом подачи в пласт газа, уже находящегося под высоким давлением. Такой газ подводят с ближайшего месторождения. Оборудование газлифтной скважины осуществляется методом доработки фонтанной с установкой специальных клапанов подвода сжатого газа на различной глубине с установленным проектом интервалом.

Главным недостатком газлифтного метода является высокая стоимость металлоёмкого оборудования. Низкий КПД и высокая стоимость оборудования вынуждают применять газлифт в основном только для подъёма легкой нефти с высоким показателем газовой составляющей.

Применение насосов.

Насосная эксплуатация обеспечивает подъем нефти по скважине соответствующим насосным оборудованием. Насосы бывают штанговые и бесштанговые. Бесштанговые — погружного типа электроцентробежные. Наиболее распространена схема откачки нефти штанговыми глубинными насосами. Это относительно простой, надёжный и недорогой метод.

Главными элементами конструкции являются насосные трубы и подвешенные в них на жёстких штанговых толкателях плунжеры. Возвратно-поступательное движение плунжеров обеспечивается станком-качалкой, расположенным над скважиной. Сам станок получает крутящий момент от электродвигателя через систему многоступенчатых редукторов.

В связи с невысокой надёжностью и производительностью штанговых плунжерных насосов в наше время все больше применяются насосные установки погружного типа — электроцентробежные насосы (ЭЦН).

Преимущества электроцентробежных насосов: простота технического обслуживания; очень хороший показатель производительности в 1500 м3 в сутки; солидный межремонтный период до полутора лет и более; возможность обработки наклонных скважин; производительность насоса регулируется количеством ступеней, общая длина сборки может варьироваться. Центробежные насосы хорошо подходят для старых месторождений с большим содержанием воды. Для подъёма тяжёлой нефти лучше всего подходят насосы винтового типа. Такие насосы обладают большими возможностями и повышенной надёжностью с высоким КПД. Один насос легко поднимает 800 кубических метров нефти в сутки с глубины до трех тысяч метров. Имеет низкий уровень сопротивляемости коррозии в агрессивной химической среде.

Метод добычи нефти зависит от величины давления в пласте и способе его поддержания. Можно выделить три метода:

• Первичный — нефть фонтанирует из скважины за счет высокого давления в нефтеносном пласте и не требует создания дополнительного искусственного нагнетания давления, коэффициент извлечения нефти 5-15 %;
• Вторичный — когда естественное давление в скважине падает и подъем нефти невозможен без дополнительного нагнетания давления за счет ввода в пласт воды или природного / попутного газа, коэффициент извлечение нефти 35-45 %;

— Третичный — увеличение извлечения нефти из пласта после снижения ее добычи вторичными методами, коэффициент извлечение нефти 40 — 60 %. [pronpz] Сюда относят: термические, газовые, химические и другие, к которым относят биотехнологические методы [2017 книга]. Данные методы позволяют повысить коэффициент извлечения нефти ещё на 5—15 %.

Один из вариантов третичных методов, связан с нагревом нефти в пласте для уменьшения её вязкости. Часто применяется закачивание водяного пара, иногда также используют сжигание части нефти на месте (непосредственно в пласте).

Также в пласт могут закачиваться поверхностно-активные вещества (детергенты) для изменения поверхностного натяжения между водой и нефтью

Третичный метод начинают использовать, когда вторичный перестает быть адекватным, но только при условии, что добыча нефти остается рентабельной. Таким образом, использование третичного метода зависит как от стоимости выбранного способа извлечения, так и от цен на нефть.

Наиболее широко применяются тепловые и газовые третичные методы. В первом десятилетии XXI века за счет третичных методов добывалось по оценкам Aramco — национальной нефтяной компании Саудовской Аравии — около 3 миллионов баррелей в день (из них 2 миллиона — за счет тепловых методов), что составляет около 3,5 % от общемировой нефтедобычи [http://pronpz.ru/neft/sposoby-dobychi.html #i-2 ].

Анализ показывает, что в настоящее время наиболее интенсивно в практике нефтедобычи используют газовые методы, включающие нагнетание СО2, углеводородных газов, азота и др. Термические методы также развиваются стабильно — они дают около 70 % добычи нефти из всех используемых третичных методов. Проекты использования химических методов значительно сокращаются по экономическим соображениям. Стоимость паротепловой обработки составляет 18-32 долл./барр., закачка СО2- 27-37 долл./барр., полимерное заводнение — 30-43 долл./барр., пластовое горение — 23-32 долл/барр., а микробиологические методы — всего 3,24 долл./барр. В то же время рост добычи нефти за счет микробиологических методов составил уже 6,2 % и имеет дальнейшую устойчивую тенденцию к росту. Все это свидетельствует о перспективности использования биотехнологических методов.

Как и в любом микробиологическом производстве, в биотехнологии нефтедобычи ключевую роль играют свойства используемых культур микроорганизмов. Предпочтение обычно дается смешанным культурам , иногда — монокультурам. Идеального микроорганизма не существует, а разнообразие нефтевытесняющих агентов, которые можно получать с помощью микроорганизмов, определяется разнообразием самих микроорганизмов и химической природой используемых ими субстратов питания. Большинство из испытанных ныне культур микроорганизмов получено из природных источников, в частности из пластовых вод. Однако выделенные из природных источников культуры были улучшены путем культивирования в условиях, характерных для данного процесса (для повышения биомассы и продуктов разложения).

Большинство микробиологических методов повышения нефтеотдачи основаны на введении в пласт активных культур аэробных или анаэробных газообразующих микроорганизмов. Для внесения в пласт используют различные физиологические группы микроорганизмов.

Использование аэробных микроорганизмов, способных разлагать нефтяные углеводороды и вырабатывать биоПАВ, например, представителей рода псевдомонад, заслуживает большого внимания. На практике предлагается вводить в пласт как непосредственно сами указанные микроорганизмы, разрушающие нефть и другие органические соединения с продуцированием биоПАВ, так и культуральные жидкости, образующиеся при культивировании этих микроорганизмов в специальных аппаратах — биореакторах. Одно из таких предложений было выдвинуто Вагнером (Германия).

В его экспериментах использовалась культуральная жидкость, полученная при выращивании микобактерий на эмульсии нефти и затем освобожденная от остатков неиспользованной нефти и биомассы. Это позволило повысить выход нефти на 30% по сравнению с простой водой.

Преобладающая часть биотехнологий основана на использовании микроорганизмов, продуцирующих газы, обладающих бродильными свойствами, в основном представителей родов Клостридиум и Бациллус. Считается, что наиболее эффективно вносить в пласт не чистые культуры газообразующих микроорганизмов, а композиции разных физиологических групп, включающие как аэробные, вырабатывающие микробные биоПАВ за счет утилизации нефтяных углеводородов, так и бродильные газообразующие микроорганизмы, способные вырабатывать кислоты, спирты, газы и другие агенты вытеснения нефти. В этой связи представляется перспективным использование для этих целей избыточного активного ила в качестве источника различных групп микроорганизмов — как аэробных, так и факультативно анаэробных.

Эффективность биотехнологических процессов определяется также характером субстратов, используемых для питательного заводнения нефтяного пласта. Они должны отвечать ряду требований:

• быть растворимыми в воде и не осаждаться в пластовой воде;
• разлагаться как аэробной, так и анаэробной микрофлорой;
• обладать (желательно) определенными реологическими свойствами;
• наличием больших ресурсов, доступностью, стоимостью.

Наиболее полно отвечают этим требованиям углеводсодержащие субстраты: меласса, молочная сыворотка и др.

В преобладающих случаях в биотехнологиях нефтедобычи используется меласса. Ее использование связано с доступностью и составом , обеспечивающим интенсивное газообразование за счет развития газообразующих микроорганизмов. Меласса представляет собой побочный продукт при производстве сахара из сахарного тростника и сахарной свеклы. Основным экспортером тростниковой мелассы является Мексика, где ее образуется около 1 млн т в год. Важнейшими производителями свекольной мелассы являются страны Европы, Северной Америки, Украина, Россия. Годовое производство свекольной мелассы в мире составляет примерно 1,5 млн т в год.

Свекольная меласса представляет собой темно-коричневую густую вязкую жидкость. Меласса содержит 45-50 % сахарозы, 0,1 — 0,5 % инвертного сахара и около 0,2% раффинозы. Содержание микроорганизмов в 1 г мелассы колеблется от 1 до 5 тысяч и только в отдельных партиях достигает 15-20 тыс.

Молочная сыворотка. В биотехнологии добычи нефти наиболее целесообразно использование сгущенной или сухой сыворотки, что позволяет использовать ее для отдаленных от молокоперерабатывающих предприятий нефтяных месторождений и снижать транспортные расходы. Наиболее распространенным способом переработки сыворотки в настоящее время является сушка, которая позволяет сохранить ее наиболее ценные компоненты. Сухую сыворотку получают путем высушивания сгущенной сыворотки. Это мелкий гигроскопический порошок от желто-зеленого до кремового цвета. Упаковывают его в трехслойные бумажные мешки. Срок хранения до 6 месяцев. Сухая сыворотка содержит (%): 63-74 — углеводов; 10,8-14,1 — белков; 0,7-5,4 — жиров и 4,4-9,9 — золы. Предполагается, что производство сухой сыворотки в странах Северной Америки и Западной Европы увеличится и ее мировое производство составит около 3,0 млн т.

Одним из основных продуктов переработки сыворотки в большинстве стран является также молочный сахар (лактоза).

На производство молочного сахара используется до 50% всей перерабатываемой в промышленности сыворотки. При производстве молочного сахара из сыворотки остается не утилизируемый остаток — меласса, содержащая 10-15% лактозы и часть других компонентов, которые вредны для окружающей среды. Эти отходы обезвреживают в основном на основе создания очистных сооружений, но это не всегда позволяет полностью прекратить поступление вредных веществ в биосферу. К тому же строительство их обходится весьма дорого. В этой связи указанные отходы как углеводсодержащее сырье могут быть весьма эффективно использованы в биотехнологии добычи нефти в процессе питательного заводнения пластов.

Ценным сырьем для питательного заводнения нефтяных пластов могут являться отходы при производстве пекарских дрожжей, в частности дрожжевая бражка. В настоящее время пекарские дрожжи во всем мире получают путем культивирования дрожжей из рода Сахаромицес на сахарной мелассе. По окончании выращивания дрожжей путем сепарирования их отделяют из бражки в виде дрожжевого концентрата, а бражку спускают в канализацию. В то же время в этой бражке содержатся сухие вещества, в состав которых входят железо, фосфор, калий и азот. Бражка и промывные воды после сепарации являются отходом производства. Количество промывных вод составляет примерно 70 м3 на 1 т прессованных дрожжей. В этих водах содержатся дрожжевые клетки в виде взвешенных коллоидов (примерно 1,4%), а также растворимые вещества в количестве около 280 кг на 1 т прессованных дрожжей. Наличие в составе дрожжевой бражки органических веществ, солей азота, калия, фосфора делает возможным использование этих вод в составе композиций в качестве источника минеральных соединений в биотехнологии нефтедобычи. Использование дрожжевой бражки целесообразно в регионах, где производство дрожжей территориально близко расположено к месторождению нефти, например, в Баку (Апшеронские месторождения).

В качестве субстратов, предназначенных для закупорки высокопроницаемых пропластков, могут быть использованы сырые осадки первичных отстойников. Их преимущество перед субстратами, в том числе мелассой или сывороткой, — дешевизна. Наряду с этим они содержат достаточно высокое количество органических и неорганических соединений, обеспечивающих продуцирование газов и других продуктов брожения. Сырой осадок первичных отстойников образуется на этапе механической очистки сточных вод и представляет собой суспензию серого или светло-коричневого цвета с кисловатым запахом. Влажность сырых осадков составляет 80-95%.

Наличие в составе сырых осадков ПАВ делает их особо ценными для биотехнологии нефтедобычи. Ресурсы сырых осадков первичных отстойников достаточно велики. При переработке в день 400-500 тыс. м3 бытовых сточных вод образуется 2000-2500 т сырых осадков при влажности 95%.

Активный ил представляет для биотехнологии нефтедобычи особый интерес с разных точек зрения. Во-первых, избыточный активный ил по своему качественному составу (численности и разнообразию микроорганизмов и биологически активных соединений) представляет интерес как источник большого разнообразия микроорганизмов различных физиологических групп. Закачивая избыточный активный ил в нефтяной пласт, можно за короткий период времени создать в нем биофильтр, активно перерабатывающий органические соединения в нефтевытесняющие агенты. Активный ил образуется при длительной аэрации бытовых и производственных вод и представляет собой среду обитания микроорганизмов, образующих сложный биоценоз, основными представителями которого являются микроорганизмы, осуществляющие биохимические процессы разложения органических веществ — безазотистых и азотсодержащих соединений, гидролиз белков, углеводородов, жиров, органических кислот и др. Численность микроорганизмов в активном иле достигает 108-1012 кл/мл. В 1 м3 активного ила содержится 2*1014 клеток микроорганизмов. Состав основной группы бактерий, составляющих биоценоз активного ила , следующий:

• псевдомонады — 50-60%;
• бациллы — 10—35%;
• микрококки — 5-10%.

Численность грибов и дрожжей не превышает 1-2%. Сухое вещество активного ила содержит от 70 до 90% органических и 10-30% неорганических веществ.

Во-вторых, использование избыточного активного ила в биотехнологии нефтедобычи — это решение важной экологической задачи, связанной с их утилизацией. Достаточно отметить, что в 1985 г. в Канаде планировалось сжечь 350 тыс. т ила.

На обычной установке биологической очистки сточных вод 50-75% органических веществ, содержащихся в сточной воде, используются микроорганизмами активного ила для размножения (прироста ила).

В связи с этим ресурсы активного ила во всех странах достаточно велики, они непрерывно возобновляются и могут быть использованы:

• как источник микроорганизмов различных физиологических групп;
• как органическое сырье для анаэробного сбраживания (в композиции с другими углеводными субстратами) не в метантенках, а непосредственно в нефтяном пласте для продуцирования биогаза в качестве нефтевытесняющего агента.

Только на Гоусанинской аэраторной станции г. Баку (Азербайджанская Республика), очищающей ежедневно около 600 000 м3 бытовых и производственных сточных вод во вторичных отстойниках накапливается до 40 т (сухой вес) избыточного активного ила.

Пластовая вода, омывающая призабойный биофильтр, в процессе массообмена насыщается продуктами микробного разложения органических веществ — биоПАВ, биополимерами и др. соединениями и приобретает определенные реологические свойства. Для биологических процессов наиболее важным параметром является вязкость жидкостей -пластовой воды или культуральных жидкостей [https://studref.com/327413/geografiya/biotehnologiya_neftedobychi_printsipy_i_primenenie].

Биополимеры. Бурное развитие биотехнологии, происходящее в последние годы, привело к появлению возможности использования в нефтяной промышленности экзогенных высокомолекулярных продуктов микробиологического синтеза – полисахаридов, получивших в технике название «биополимеры». Практическая ценность биополимеров определяется прежде всего их способностью в малых концентрациях резко менять реологические свойства водных систем – повышать вязкость, образовывать гели, служить стабилизаторами суспензий и эмульсий. Эти свойства привлекли внимание нефтедобытчиков, и биополимеры в последние два десятилетия стали испытывать и применять в практике разведочного и эксплуатационного бурения, изменения приемистости призабойных зон, повышения эффективности процессов нефтевытеснения [2].

По сравнению с традиционно применяемыми при добыче нефти водорастворимыми синтетическими полимерами, в частности, полиакриламидом (ПАА), биополимеры обладают рядом существенных преимуществ, в том числе такими, которые позволяют применять их в очень жестких условиях, где использование синтетических полимеров неэффективно.

Из всех биополимеров в добыче нефти используются полисахариды природного и растительного происхождения. Наиболее широко применяются растительные полисахариды: эфиры целлюлозы и крахмалы, в том числе модифицированные – в бурении, гуар – в качестве стабилизатора пен и гелеобразующего агента при гидроразрыве пласта (ГРП).

Основным преимуществом природных растительных полисахаридов является низкая стоимость, однако их технологические показатели невысоки, что сужает область применения. Поэтому используют химически модифицированные производные целлюлозы, крахмала и гуара, обладающие комплексом технологических свойств.

Биополимеры устойчивы при температурах до 100-120 °С, а некоторые представители даже до 150 °С, что перекрывает весь температурный диапазон разрабатываемых месторождений. Биополимеры устойчивы в широком интервале рН, как в кислой, так и в щелочной среде.

Проблема интенсификации добычи нефти, снижения обводненности продукции и повышение нефтеотдачи пластов является одной из ключевых задач нефтяной промышленности. Это обусловлено рядом факторов, основными из которых являются разработка большинства высокопродуктивных нефтяных месторождений на завершающей стадии и ввод в эксплуатацию новых месторождений трудноизвлекаемыми запасами.

В настоящее время различные методы интенсификации добычи и увеличения нефтеотдачи пластов, в том числе с применением различных химических реагентов и композиций на их основе. Однако возрастающие требования по охране окружающей среды ставят на одно из первых мест вопросы применения достаточно экологически чистых реагентов [3].

В рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» Минпромнауки России в 1993 г. были начаты работы по разработке и созданию технологического комплекса (технология и оборудование) по применения отечественного биополимера, произведенного непосредственно на промысле.

Авторами проекта – научно-техническим объединением «ИТИН» был выделен штамм-продуцент экзополисахаридов Azotobacter vinelandii ФЧ-I (патент РФ № 2073712).

Свойства получаемой при культивировании указанного штамма-продуцента постферментационной жидкости, получивший впоследствии товарный знак «Продукт БП-92», позволили создать на ее основе композиции для организации полимерного заводнения. Следует подчеркнуть, что производимые на Западе биополимеры типа «Ксантан» получают в виде сухого порошка, что значительно удешевляет транспортировку продукта, так как в готовом виде раствор содержит 98-99 % воды. Вместе с тем «сухой» продукт обусловливает ряд проблем: многократное (на порядок) удорожание производства, необходимость использования токсичных веществ в процессе выделения и сушки , загрязнение окружающей среды, необходимость специального оборудования для приготовления раствора из порошка. Проведенными исследованиями было также установлено, что реологические свойства и нефтевытесняющие характеристики водных растворов постферментационной жидкости лучше, чем водных растворов на основе сухого порошка. Указанные обстоятельства поставила задачу создания производство биополимера непосредственно на промысле. Эта задача была решена – создан мобильный автоматизированный блочно-модульный технологический комплекс по производству биополимера производительностью 0,5 м3 /сут культуральной жидкости. На установку получен патент РФ № 42785. На ней отработаны условия культивирования штамма-продуцента экзополисахаридов и разработан способ непрерывного получения «Продукта БП-92» (патент РФ № 2062788).

Разработанные составы на основе биополимеры «Продукт БП-92» обладают некоторыми преимуществами по сравнению с ПАА (как наиболее распространенными полимерами) – высокими термостойкостью (до 120 °С) и механической деструкцией (устойчивость к сдвиговой деградации) [1].

Снижение стоимости биополимеров можно достичь организацией производства вблизи нефтяных месторождений, а также использованием непосредственно разбавленной послеферментационной суспензии.

Другим недостатком биополимеров является их деструкция при соприкосновении с микрофлорой, находящейся в пластовых и особенно в закачиваемых пресных водах.

Биополимеры, закачиваемые в пласт, необходимо стабилизировать специальными добавками – бактерицидами – для защиты от разрушения микроорганизмами.

Бактерициды должны удовлетворять следующим требованиям: надежно предотвращать биологическую деструкцию, незначительно изменять свойства раствора биополимера, не оказывать вредного воздействия на людей, быть дешевым и доступным. Этим требованиям удовлетворяет формалин. Изучаются свойства таких биоцидов, как камцид, карбазин, тетрацид, вазин. Для предотвращения микробиологического разрушения полимеров предлагается использовать бензол, толуол, ксилол, а также полиэтиленгликоль, полиметиленгликоль [3].

Горная промышленность — это совокупность отраслей производства, занимающихся разведкой и добычей (горнодобывающая промышленность) полезных ископаемых, а также их первичной обработкой и получением полуфабриката.

По масштабам производства горная промышленность капиталистического мира представляет собой одну из наиболее крупных отраслей промышленности. Так, в капиталистических и развивающихся странах около 90% добычи 22 видов важнейших полезных ископаемых, исключая топливно-энергетическое сырьё, приходится на предприятия, перерабатывающие ежегодно свыше 150 тысяч т руды. В капиталистическом мире в 1984 насчитывалось 668 крупных шахт. Наибольшее число самых крупных горнодобывающих предприятий сконцентрировано в Канаде, США, ЮАР — около 50% всех шахт и карьеров годовой мощностью 1-3 млн. т и более.

Минеральное сырьё занимает 1-е место по тоннажу в мировой торговле. Ежегодно экспортируется (без социалистических стран) свыше 150 млн. т угля (объём экспорта постоянно растёт), около 300 млн. т железных руд, десятки млн. т бокситов и глинозёма, фосфатного сырья, несколько млн. т марганцевых руд, хромитов и другого металлического сырья, а общий объём ежегодного экспорта приближается к 2,5 млрд. т. Значительные объёмы перевозок сырья и топлива между странами потребовали создания соответствующего грузового морского флота и прежде всего танкерного, тоннаж которого в 1981 — 346 млн. т дедвейт.

Выщелачивание (а. leaching, lixiviation; н. Auslaugung; ф. lixiviation, lessivage; и. lixiviacion) — перевод в раствор, обычно водный, одного или нескольких компонентов твёрдого материала. В технике с целью извлечения металла (иногда удаления вредных примесей) выщелачиванию подвергают руды и продукты их обогащения (концентраты, промпродукты, хвосты), продукты пирометаллургического передела (огарки, штейны, анодные шламы и т.д.), а также отходы, образующиеся при обработке металлов и сплавов.

Выщелачивание широко используют в производстве урана, золота, меди, цинка, молибдена, вольфрама, алюминия и других металлов. При необходимости перед выщелачиванием (или во время него) материал подвергают дроблению и измельчению, а также химической обработке, т.н. вскрытию, для перевода извлекаемого компонента из труднорастворимого соединения в легкорастворимое. Для этого используют различные виды обжига (окислительный, восстановительный, хлорирующий, сульфатизирующий), спекание, окисление или восстановление в пульпе. Пример вскрытия: окислительный обжиг сульфидных концентратов, в процессе которого металл переходит в форму окисла, легко растворяющегося в водных растворах щелочей (выщелачивание молибдена) или кислот (выщелачивание цинка).

Обычно выщелачивание осуществляют с помощью водных растворов неорганических кислот (серной, соляной, азотной), щелочей (едкий натр, аммиак) и солей (углекислый натрий или аммоний, цианиды и др.).

Растворитель выбирается исходя из свойств и состава материала , с учётом селективности, токсичности, стабильности состава, коррозионного действия, возможности регенерации и других свойств, а также его стоимости и дефицитности. Иногда выщелачивание представляет собой простое растворение (например, водное выщелачивание соединений тяжёлых металлов после сульфатизирующего или хлорирующего обжига).

В большинстве случаев растворение при выщелачивании сопровождается следующими процессами: комплексообразованием (например, при цианировании золота, обработке сульфидов никеля аммиачными растворами); обменной реакцией (при выщелачивании окислов или карбонатов металлов растворами кислот); окислительно-восстановительной реакцией (при выщелачивании электроотрицательных металлов кислотами; выщелачивании сульфидов кислыми растворами) [http://www.mining-enc.ru/v/vyschelachivanie/].

В первую очередь к биотехнологии относится к экстракции и концентрированию металлов при биологической очистке сточных вод предприятий горнодобывающей промышленности и флотационным процессам: выщелачивание бедных и отработанных руд, десульфирование каменного угля, окисление пиритов и пиритсодержащих пород. Биогеотехнология выщелачивания металлов заключается в использовании тионовых (окисляющих серу и серосодержащие соединения) бактерий для извлечения металлов из руд, рудных концентратов и горных пород. Одним из возможных путей извлечения металлов из растворов является адсорбция металлов клетками живых микроорганизмов (биосорбция металлов); при этом металлы включаются в состав специфических белков – металлотионеинов. Тионовые бактерии удаляют из углей серосодержащие соединения (обессеривание углей).

Метанокисляющие бактерии используются для снижения концентрации метана в угольных пластах и выработанных пространствах. Для этого их выращивают в ферментерах и в виде суспензии в питательной среде подают в поровый объем угольных пластов и выработанные пространства. Для увеличения нефтеотдачи пластов используют комплекс углеводородокисляющих и метанобразующих бактерий, обладающих геохимической деятельностью в нефтяных слоях [5].

Своими корнями биогеотехнология уходит в геологическую микробиологию. Микроорганизмы принимали и принимают активное участие в геологических процессах. Биологические свойства различных групп микроорганизмов и особенности их жизнедеятельности в месторождениях полезных ископаемых составляют научные основы биогеотехнологии.

Биогеотехнология стихийно зародилась еще в XVI в. До нас дошли сведения о том, что в те далекие времена в Венгрии для получения меди груды добытой руды орошали водой. Этот нехитрый технологический прием оказался прообразом современного бактериально-химического метода кучного выщелачивания металлов из руд. Конечно, тогда еще не знали, что используемый процесс получения меди по своей природе является микробиологическим. Это стало известно только в 1922 г. благодаря работам немецких ученых Рудольфа и Хельброннера. По-видимому, 1922 г. следует считать официальной датой рождения биогеотехнологии. В дальнейшем биогеотехнология развивалась неровно и своего совершеннолетия достигла к началу 80-х годов нашего века. К этому времени наряду с бактериальным выщелачиванием металлов сформировались и другие разделы биогеотехнологии — удаление серы из углей, борьба с метаном в угольных шахтах, повышение нефтеотдачи пластов.

Биогеотехнология выщелачивания металлов — использование главным образом тионовых (окисляющих серу и серосодержащие соединения) бактерий для извлечения металлов из руд, рудных концентратов и горных пород. При переработке бедных и сложных руд тысячи и даже миллионы тонн ценных металлов теряются в виде отходов, шлаков, «хвостов». Происходят также выбросы вредных газов в атмосферу. Бактериально-химическое выщелачивание металлов уменьшает эти потери. Основу этого процесса составляет окисление содержащихся в рудах сульфидных минералов тионовыми бактериями. Окисляются сульфиды меди, железа, цинка, олова, кадмия и т. д. При этом металлы из нерастворимой сульфидной формы переходят в сульфаты, хорошо растворимые в воде. Из сульфатных растворов металлы извлекаются путем осаждения, экстракции, сорбции. Одним из возможных путей извлечения металлов из растворов является адсорбция металлов клетками живых микроорганизмов, так называемая биосорбция металлов. Металлы включаются в состав специфических белков – металлотионеинов. Полезными для биогеотехнологии добычи металлов свойствами обладает целый ряд микроорганизмов. Но основным из них, безусловно, является открытый в 1947 г. Колмером и Кинкелем вид тионовых бактерий, названный Thiobacillus ferrooxidans. Необходимую для роста энергию эти бактерии получают при окислении восстановленных соединений серы и двухвалентного железа в присутствии свободного кислорода. Они окисляют практически все известные в настоящее время сульфиды металлов. Источником углерода для роста бактерий служит при этом углекислый газ. Характерной особенностью их физиологии является потребность в очень кислой среде. Они развиваются при рН от 1 до 4,8 с оптимумом при 2 — 3. Интервал температур, в котором могут развиваться бактерии этого вида, составляет от 3 до 40 °С с оптимумом при 28 °С. Тионовые бактерии широко распространены в природе. Они обитают в водоемах, почвах, угольных и золоторудных месторождениях. В значительных количествах встречаются они в месторождениях серных и сульфидных руд. Но в условиях естественного залегания таких руд активность тионовых бактерий сдерживается отсутствием кислорода. При разработке сульфидных месторождений руды вступают в контакт с воздухом, и в них развиваются микробиологические процессы, приводящие к выщелачиванию металлов. Применяя определенные биотехнологические мероприятия, этот естественный процесс можно ускорить.

Основной технологической операцией этого способа является орошение отвалов добытой руды растворами, содержащими серную кислоту, ионы двух- и трехвалентного железа, а также жизнеспособные клетки тионовых бактерий. Иногда для усиления процессов выщелачивания внутрь отвала подают воздух. В таких условиях выщелачивающий раствор фильтруется через толщу руды и в результате микробиологических и химических процессов обогащается извлекаемыми из руды металлами. Затем этот раствор собирают с помощью системы коллекторов, и из него извлекают металлы одним из физико-химических методов. Ежегодно в мире таким способом добывают сотни тысяч тонн меди , или примерно 5 % от ее общей добычи. В ряде стран этим способом получают также значительные количества урана [8].

1. ТОО «Kazcopper» — предприятие по добыче и переработке медных руд на месторождении Бенкала в Актюбинской области. Данное месторождение обрабатывается традиционной технологией сернокислотного кучного выщелачивания.

Проблематика: увеличение доли упорных халькозиновых руд, неподдающихся сернокислотному выщелачиванию.

2. ТОО «Корпорация Казахмыс» – крупнейший производитель меди в Казахстане и один из лидирующих в мире.

Проблематика: накоплено порядка 155 млн. тонн техногенных отвалов, содержащих 1,9 млн. тонн меди на сумму 9,8 млрд. долларов США.

Шахта Западный Портал: в результате многочисленных обвалов шахтных выработок в глубине шахты недоступны около 40 млн. тонн сульфидной руды, содержащих 320 тыс. тонн меди на сумму 1,6 млрд. долларов США.

Из медных месторождений Бенкала и Анненское выделены микроорганизмы, активно окисляющие сульфиды меди в различных интервалах температур: 10-25оС–психротолерантные Acidithiobacillus ferrivorans SU-8 (депонирован под номером B-RKM-0644); 25-35оС–мезофильные Acidithiobacillus thiooxidans BS (B-RKM-0643), Acidithiobacillus ferrooxidans FT-22 (B-RKM-0627), Acidithiobacillus ferrooxidans FT-23 (B-RKM-0628); 40-50оС–умеренно-термофильные Sulfobacillus thermosulfidooxidans ST-12 (B-RKM-0642).

Штаммы депонированы в Депозитарии РГП «Республиканская коллекция микроорганизмов» КНМОНРК» г. Астан. Разработан консорциум микроорганизмов, активно выщелачивающий медные сульфидные минералы. Подана заявка на инновационный патент — Консорциум микроорганизмов Acidithiobacillus ferrivorans, Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans, Sulfobacillus thermosulfidooxidans для биовыщелачивания цветных металлов из сульфидных руд 19.09.2014, регистрационный номер 2014 / 1226.1.

Применение разработанного консорциума и двух стадийной технологии бактериального выщелачивания позволило извлечь за 90 суток 70 % меди по сравнению с 38 % при стандартном сернокислотном выщелачивании. Расход серной кислоты снижен на 40 %.

Разрабатываются регламенты технологии кучного бактериального выщелачивания меди для рудников ТОО «Корпорация Казахмыс»: Северный Карашошак, Анненский Запад, Больничный, Клубный. Получен один патент РК и поданы две заявки.

3. АО «ГМК Казахалтын» занимается добычей и переработкой золотосодержащих руд.

Проблематика: высокое содержание мышьяка в золотых концентратах рудника Бестобе, препятствующего использованию традиционных способов переработки (пирометаллургия).

Предприятие вынуждено отправлять концентрат на переработку в Россию.

4. ТОО «Корпорация Казахмыс» –крупнейший производитель меди в Казахстане и один из лидирующих в мире.

Проблематика: рудник простаивает 8 лет – отсутствие рентабельной технологии переработки золото-мышьяк-кобальтовой руды шахты Саяк-4.

Выделены активные хемолитотрофные микроорганизмы, обладающие повышенной устойчивостью к мышьяку, из рудного материала золотоносных месторождений Бестобе и Саяк-4, характеризующихся высоким содержанием мышьяка: Sulfobacillus thermosulfidooxidans ОТ-1–B-732; Sulfobacillus thermosulfidooxidans ST-12–B-733; Acidithiobacillus ferrooxidans AF-2–B-738; Acidithiobacillus thiooxidans AS-1–B-734. Штаммы депонированы в ТОО КазНИИППП г. Алмата. Проведена адаптация на устойчивость к повышенному содержанию мышьяка. Достигнутая в результате селекции устойчивость микроорганизмов к мышьяку отвечала необходимым технологическим требованиям для разработки технологии биоокисления арсенопиритных концентратов.

Результаты испытаний: степень деарсенизации концентрата составила 90 %; выход золота при цианировании составил 95 %, что на 53% выше по сравнению с прямым цианированием [7].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Можно отметить не только простоту и технологичность биотехнологических методов, но и низкую стоимость по сравнению с известными физико-химическими методами.

Биотехнологические (микробиологические) методы повышения нефтеотдачи универсальны — они включают в себя почти все известные физико-химические методы воздействия на пласт, за исключением тепловых: полимерное заводнение, кислотную обработку, нагнетание ПАВ, углеводородных газов, углекислого газа, азота, и др. При этом существенно, что все указанные нефтевытесняющие агенты образуются непосредственно в пласте и почти одновременно в различных зонах пласта, что и определяет высокую эффективность биотехнологических методов.

Аналогично решается вопрос в горнодобывающей промышленности. Биотехнологии позволяют в то же самое время получить в разы больше выхода полезных ископаемых, при этом методы – как и в случае добычи нефти – дешевле и экологически перспективней, что показывают примеры предприятии по добыче металлов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/operator-po-dobyichi-nefti-i-gaza/

1. Булавин, В. Д. Технологический комплекс для интенсификации добычи нефти и увеличения нефтеотдачи на основе отечественного биополимера / В. Д. Булавин // Нефтяное хозяйство. – 2002. –№ 4. – С. 116-117.

2. Дерябин, В. В. Биополимеры в нефтяной промышленности / В. В. Дерябин. – М. : ВНИИОЭНГ, 1990. – 38 с.

3. Ибатуллин, Р. Р. Бополимеры – полисахариды для увеличения нефтеотдачи пластов / Р. Р. Ибатуллин [и др.] // Нефтяное хозяйство. – 2006. –№ 3. – С. 46-47.

4. Тараканов Г. В. Основные термины в нефтегазопереработке. Краткий справочник. / Г. В. Тараканов. – Астрахань: издательство АГТУ. – 2011.

5. Тарантул В. З. Толковый биотехнологический словарь. Русско-английский. / В. З. Тарантул / М.: Языки славянских культур, 2009. — 2009. — 936 с.

6. John J. Kilbane, II. Future Applications of Biotechnology to the Energy Industry. / II, Kilbane J/ John. – Front Microbiol. – v.7. – 2016.

7. Микробные биотехнологии для решения проблем горнодобывающей промышленности / Министерство образования и науки Республики Казахстан Комитет науки [электронный ресурс] // Минск – 2015. – URL: // http://docplayer.ru/28742683-Mikrobnye-biotehnologii-dlya-resheniya-problem-gornodobyvayushchey-promyshlennosti.html (дата обращения: 27.09.2018).

8. Микробные биотехнологии для решения проблем горнодобывающей промышленности / Министерство образования и науки Республики Казахстан Комитет науки [электронный ресурс] // Минск – 2015. – URL: // http://docplayer.ru/28742683-Mikrobnye-biotehnologii-dlya-resheniya-problem-gornodobyvayushchey-promyshlennosti.html (дата обращения: 27.09.2018).

9. Промышленная биотехнология / Наталья Кузьмина [электронный ресурс] / Биотехнология – 2013. – URL: // (дата обращения: 27.09.2018).