[发明专利]一种生产中低温β-甘露聚糖酶的菌株及其应用

说明书

技术领域

本发明属于微生物技术领域，涉及一株产β-甘露聚糖酶的菌株及其发酵、酶分离提纯和该菌株在中低温井水力压裂破胶中的应用，以及利用该菌株制备β-甘露聚糖酶的方法。所述β-甘露聚糖酶具有嗜中低温、耐碱性的特点。

背景技术

水力压裂是油气井增产、水井增注的一项重要技术措施。当地面高压泵组将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底附近憋起超过井壁附近地应力及岩石抗张强度的压力后，即在地层中形成裂缝。随着带有支撑剂的液体注入裂缝中，裂缝逐渐向前延伸。这样在地层中形成了具有足够长度以及一定宽度和高度的填砂裂缝。由于人工裂缝具有很高的渗滤能力，使油气能够通畅流入井中，起到增产增注的作用。

在水基压裂液体系稠化剂选择方面，油田曾使用过田菁胶、魔芋胶、香豆胶等天然植物胶，但目前，主要使用的是瓜尔胶或其衍生物（羟丙基瓜尔胶HPG、羧甲基羟丙基瓜尔胶CMHPG，等）。这类植物胶除魔芋胶主要成分为葡萄甘露聚糖外，其他均属于半乳甘露聚糖类，经交联剂（中低温井用硼砂，中高温用有机硼）交联形成高强度的冻胶，具有很强的携砂能力。入井液连同支撑剂注入地缝后，为了不使改造的油层导流裂缝堵塞，必须降低粘度将胶体破胶后返排回地面，以保所造裂缝的高通透性。

目前油田主力破胶剂为过硫酸盐，如过硫酸铵，过硫酸钾等。作为化学物质，过硫酸盐的半衰期和释放游离氧的速率受温度影响极大；以过硫酸铵为例，其在100℃时的半衰期为0.17h，80℃为2.1h，60℃为38.5h，而在40℃时则长达1030h。这种特性决定其在操作上存在不可控性，即：过硫酸盐往往在高温环境下破胶过快，而在中低温时无法实现完全破胶，或必须添加激活剂方可部分起效。

在40-55℃中低温环境下，增大过硫酸盐的投加量，虽然可实现压裂液的最终水化破胶，但同时会导致压裂液粘度过低，从而影响压裂液携砂性能，施工安全性差；而且残渣量高、返排率低、压裂效果差，导致油气采出效率不高。若采用经修饰包装的胶囊破胶剂，虽可部分保障压裂液的流变性能，但过硫酸盐在井下低温环境下依然难以分离出使压裂液冻胶破胶水化所需的足够的游离氧；为了能满足快速破胶的施工目的，需要追加大量的胶囊破胶剂，最终导致成本大幅提高，同时增加了对地层的伤害风险。

而在低于40℃的低温环境下，过硫酸盐单独作用无法实现彻底破胶，必须添加激活剂物质。而这类激活剂通常具有强烈刺激性气味，因本身也是化学类物质，对地层存在伤害隐患；同时还可能存在水溶解性差、易被氧化、见光分解、稳定性差、成本高昂等缺点。

同时，过硫酸盐破胶后的残余聚合物分子量通常介于20-30万之间，虽然表观粘度下降，但实际对地层依然会造成一定的伤害。同时含硫过氧化物毒性大，腐蚀性强，对环境有一定的污染。

在上世纪晚期，油田工程师开始将生物酶应用于水力压裂破胶。其原理在于：特定的聚糖水解酶可与植物胶（主要为瓜尔胶及其衍生物）中的主要成分半乳甘露聚糖形成了远远低于糖键活化能的过渡物，使活化分子大大增多，从而显著提升糖键断裂速率。用于破胶的生物酶遵循酶配位催化动力学中的“锁钥”原理，只作用于瓜尔胶及其衍生物结构中的特定糖苷键，从而将聚合物降解为小分子量低聚糖，并可进一步在其他催化功能的复合酶的协同作用下，将低聚糖转化为非还原性的单糖和二糖。而生物酶本身在瓜尔胶及其衍生物降解前后不产生消耗，只是参与反应过程，反应后又恢复原状，继续发挥催化作用。所以在低浓度剂量下，在短时间内即可将大量的瓜尔胶及其衍生物彻底分解，此为其高效性的机制所在。

β-1,4-D-甘露聚糖酶（β-1,4-D-mannanmannanohydrolase，EC.3.2.l.78；以下简称β-甘露聚糖酶）是一类能水解以β-1,4-D-甘露糖为主链的多糖（包括甘露聚糖、半乳甘露聚糖、葡甘聚糖等）的内切酶，是目前被应用证明为最理想的压裂破胶用生物酶。

β-甘露聚糖酶用途广泛，目前被广泛应用在食品、医药、造纸、纺织印染、饲料工业等领域。与上述应用领域不同的是，因油气藏的特殊环境，破胶用酶需要耐受较高的矿化度，同时由于油田措施用压裂液一般为碱性，要求生物酶需要在偏碱条件下（pH8.0-11.0）保持较高的活力。同时还要保证其具有与杀菌剂、表活类物质等油田化学助剂良好的配伍性能。