CN110382662A

CN110382662A - 用于在压裂井中对聚合物进行微生物增强消化的组合物和方法

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Publication number: CN110382662A
Application number: CN201880015726.9A
Authority: CN
Inventors: 肖恩·法默; 肯·阿里贝克; 肯特·安达姆; 卡蒂克·N·卡拉瑟尔; 夏米萨·马赞德
Original assignee: Trajectory Petroleum Ip Co Ltd
Current assignee: Track Plan Ipco LLC
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2038-03-02
Also published as: CL2019002504A1; BR112019017788A2; CN110382662B; US20200071603A1; US10844276B2; AU2018227567A1; US11473007B2; CO2019009028A2; WO2018160995A8; US20210095185A1; SA519402572B1; EP3589719A4; MX2019010453A; AU2018227567B2; EP3589719A1; CA3054686A1; WO2018160995A1

Abstract

本发明提供用于对在压裂作业中使用以提高石油和天然气的采收率的聚合物进行降解的环境友好的组合物和方法。具体地，该组合物和方法利用微生物和/或其生长副产物来降解在压裂井中使用的聚合物，诸如PGA、PLA和PAM。

Description

用于在压裂井中对聚合物进行微生物增强消化的组合物和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求以下美国临时申请的权益：2017年3月3日提交的序列号为62/466,410；和2017年7月5日提交的序列号62/528,718；其中的每一篇均以引用的方式整体并入本文。

背景技术

对井筒周围地层的液压压裂(hydraulic fracturing)或“压裂(fracking)”是一种用于增加井产量的方法。标准垂直井在原始生产期间经历压裂，或为增产而经历压裂。其他应用涉及使用水平井，其中将垂直井钻到所需深度，此时钻头转动以开始水平钻井。这些井的水平部分可以延伸数千英尺长。

钻井一旦发生，成千上万加仑的“垫(pad)”流体、油基流体或水基流体，在极端压力下被注入地层。这会导致井筒处的岩石表面出现裂缝或压裂。持续的流体注入井中，然后使压裂的长度和宽度增加。在达到足够的宽度后，将称为“支撑剂(proppant)”的颗粒添加到流体中，通常用聚合物材料涂覆，以帮助在紧密的地下地层中正常运行。二氧化硅砂通常用作压裂应用中的支撑剂。

当流体注入停止后，压裂流体流出压裂层处，使压裂层的壁在支撑剂上闭合。然后支撑剂颗粒“支撑(prop)”分开的压裂层的壁。因为支撑剂颗粒通常远大于地层颗粒，所以支撑压裂的流体渗透率远大于天然地层的流体渗透率；因此，井的流量增加。在压裂处理结束时，通过无支撑剂的置换流体将支撑剂-装载(proppant-laden)的流体从井筒“冲洗(flushed)”到地层中。

尽管与使用压裂相关的石油和天然气产量增加，但是出现某些缺点和复杂性，特别是在使用支撑剂方面。例如，取决于所使用的支撑剂，支撑剂可以影响压裂流体的流速，和/或支撑剂可以不均匀地沉积到压裂处或不沉积到压裂处。因此，已经开发了克服这些复杂性的各种方案，诸如支撑剂涂覆层和化学压裂流体添加剂。

理论模型通常表明，在井筒处的压裂宽度随着压裂层注入的流体的有效粘度、流体注入的速率和流体注入的体积而增加。压裂流体必须能够支持产生宽度可接受支撑剂的压裂所需的高压。理想情况下，这是不使用大量的流体可达到；然而，当流体被泵入井筒，压裂流体的粘度通常由于压力损失受限。目前使用的压裂流体通过实施高度非牛顿(剪切稀化)的聚合物溶液将这种压力损失降到最低。否则，由于管道中的摩擦而造成的压力损失只会使注入流体以极小的速率流动。水溶性聚合物可以交联以增加粘度，并且这种交联有时会被延迟，以减少管中的压力损失。

在泵入期间，还可以在压裂流体中添加减摩剂(friction reducer)以降低摩擦压力。减摩剂是典型的长链、高分子量水溶性聚合物。当减摩剂被泵入井筒时，它们通过增加层流，及减少水中的湍流流动，从而降低水和支撑剂颗粒顺着井移动所需的能量。

此外，在流体回流回井之前，可以使用破乳剂(breaker)来降低压裂流体的粘度。在支撑剂混合或涂覆粘性压裂流体并泵入孔穴下形成压裂后，必须从支撑剂填料中去除压裂流体。留在压裂层中的未破乳的压裂流体会降低支撑剂填料的渗透率，减少流体回流与减少石油和天然气产量。理想的是，将压裂流体除去，而不移动压裂层中的支撑剂，并且也不破坏支撑剂层(proppant bed)的导电性。要做到这一点，携带支撑剂的粘性流体可以通过破乳剂、诸如酶或氧化剂稀释(thin)到接近水的状态。

支撑剂从压裂层回流并且到井筒也会阻碍石油和天然气的生产效率。如果支撑剂从压裂层处流入井中，压裂宽度减小，并且烃类产量下降。由例如聚丙交酯或聚乳酸(PLA)的制备的聚合物纤维被用来防止支撑剂回流。PLA纤维有助于将支撑剂悬浮在压裂流体中，并将其带入井筒并进入地层。这种纤维形成稳定支撑剂填料的网络，然后支撑剂填料在压裂层中沉积，同时这种纤维防止支撑剂沉降在压裂层的底部。聚丙交酯纤维随后溶解，留下“虫洞(wormhole)”，天然气和石油可以通过虫洞流入油井。PLA还可以作为减摩剂，以溶解的(dissolvable)球和/或薄片的形式使用。

在压裂作业中，另一种常用的可生物降解聚合物是以球或纤维的形式存在的聚乙交酯，或聚乙醇酸(PGA)。变尺寸压裂球常用于多层压裂区域(fra zone)的压裂。球的使用允许未处理的区域与已经处理的区域隔离开来，使得液压压力压裂就可以产生新的区域，而不仅仅是破坏已经压裂的区域。该过程包括将包括机械驱动滑动套筒的多个由球座(ball seat)接合的压裂套筒(fra sleeve)***到未处理的区域中。压裂套筒可能有越来越小的球座。

最小的压裂球(frac ball)首先***套筒中，穿过所有压裂套筒，但最后且和最小的一个压裂套筒除外——这些压裂球座落与此。从表面施加的压力使压裂球压紧球座，球座与滑动套筒机械接合。压力使套筒机械地移动，打开多个压裂口并暴露地层。高压压裂液(fracking fluid)从地面上注入，迫使压裂液(frac fluid)进入地层，并将该区域压裂。在压裂该区域后，将第二最小的压裂球泵入井筒，并使其座落于最远的可用套管中。该区域被压裂，并且该过程继续进行，压裂球越来越大，最后***最大的球。

此外，许多井操作人员使用聚丙烯酰胺(PAM)凝胶作为减摩剂，其用量为每1,000加仑水约1至2份；然而，一旦该凝胶下井，它就没有其他用途，不容易降解，而且不易回到地面回收。使用亚铬酸钠或溴化钠对该凝胶进行裂解的尝试，但无效，经常留下大量剩余的凝胶。

聚合物压裂物质的用途受到以下因素的限制：它们在井中温度和湿度条件下降解的能力，以及它们在井中回收的能力。增加压裂液(fracking fluid)的粘度甚至会造成进一步的限制，因为最常用于增加粘度的水溶性聚合物并没有完全降解。相反，它们留下的残留物会阻碍留在压裂层中的支撑剂的流动能力。此外，用作减摩剂、破乳剂、交联剂或其他添加剂的聚合物由于它们的降解速度慢，可能导致类似的困难。

例如，PLA或PGA的降解速率对于在地下环境中的成功应用是非常重要的，诸如前面描述的。人们认为PLA和PGA的降解主要是通过水解进行的，并且降解速率在很大程度上取决于当地的条件，例如温度。这些交联聚合物在地层中经受非常高的温度，当流体通过井管道泵出时温度迅速下降。

因此，需要有用于快速降解和回收PLA、PGA和其他用作减摩剂、破乳剂和/或其他压裂液添加剂(fracturing fluid additive)和涂覆层的聚合物物质的组合物和方法。

发明内容

本发明提供了微生物，以及它们生长的副产物，诸如生物表面活性剂、溶剂和/或酶。本发明还提供了在液压压裂作业中使用这些微生物及其副产物以提高聚合物压裂液添加剂和/或支撑剂涂覆层的溶解的方法。有利地，本发明的方法是环境友好、操作友好和成本有效的。

在优选的实施方式中，本发明提供了通过用能够溶解已经施加的聚合物——例如压裂液添加剂和/或支撑剂涂覆层——的基于微生物的组合物处理含有石油和天然气的地层进行液压压裂来改善石油和天然气生产的材料和方法。

在一个实施方式中，本发明提供了基于微生物的组合物，用于从含烃地层中增加石油和天然气采收率，该组合物包含微生物和/或其生长副产物。例如，该生长副产物可以是生物表面活性剂、溶剂、酶和/或其他代谢物。

在一个实施方式中，微生物是一种或多种产生生物表面活性剂、溶剂和/或酶的细菌或酵母，或其组合。在一个实施方式中，基于微生物的组合物包含“嗜杀酵母”，诸如例如，异常威克汉姆酵母(Wickerhamomyces anomalus)，和/或该物种生长的产物。在一个实施方式中，微生物是假丝酵母(Starmerella)进化枝酵母。在一个实施方式中，微生物是芽孢杆菌进化枝细菌。

在一个实施方式中，基于微生物的组合物可以进一步包含提高聚合物降解的酶，诸如例如蛋白酶、脂肪酶和/或酯酶。

在一个实施方式中，基于微生物的组合物可以进一步包含在施加期间提高微生物生长的材料。这些材料可以是例如营养物和/或萌芽增强剂。营养物源可包括例如氮、硝酸盐、亚硝酸盐、磷、镁和/或碳。萌芽增强剂可包括例如微摩尔量的L-丙氨酸、L-缬氨酸、L-天冬酰胺和/或锰。

在某些实施方式中，本发明的组合物具有优于单独的例如生物表面活性剂、溶剂和/或酶的优点，包括以下一种或多种：高浓度的甘露糖蛋白作为酵母细胞壁的外表面的一部分；β-葡聚糖在酵母细胞壁中的存在；及在培养物中存在生物表面活性剂和其他代谢物(例如乳酸、乙醇、乙酸乙酯等)。例如，这些代谢物可以作为溶剂。

在一个实施方式中，本发明提供酵母发酵产物，其可用于消化或提高压裂井中聚合物的降解。酵母发酵产物可以经由生物产生表面活性剂、溶剂和/或酶的酵母——诸如例如，异常威克汉姆酵母(Pichia anomala)——培养取得来获得。在25-30℃培养7天后的发酵液可含有酵母细胞悬浮液，和例如4g/L或更多的生物表面活性剂。

酵母发酵产物也可以经由产生生物表面活性剂、溶剂和/或酶的酵母——诸如例如，球拟假丝酵母(Starmerella bombicola)的培养来获得。在25℃培养5天后的发酵液可含有酵母细胞悬浮液，例如100g/L或更多的生物表面活性剂。

在一个实施方式中，根据本发明的组合物通过从小规模到大规模的培养工艺获得。培养工艺可以是例如浸没培养、固态发酵(SSF)和/或其组合。

如图1和图2所示，酵母发酵产物可以与含有例如PLA球的压裂液一起培育24小时。与酵母发酵产物培育后的PLA球完全溶解，而当仅用水培育相同时间段时，仅发生1％的总溶解(需要约一个月完全溶解)。

有利地，本发明基于微生物的组合物可用于消化或提高例如压裂井中聚合物的降解。本发明组合物还可用作回流溶液，其中生物表面活性剂和其它微生物生长副产物可有效地将水表面张力降低至所需的范围，例如28-30达因/厘米(dynes/cm)。该组合物还可以帮助减少冲洗出压裂材料后使用所需的能量输入。

在一个实施方式中，本发明提供了通过向油井施加包含产生生物表面活性剂、溶剂和/或酶的微生物和/或其生长副产物的组合物来改善石油和天然气生产效率的方法。生长副产物可以是任何微生物代谢物，诸如例如，生物表面活性剂、溶剂和/或酶。

在一个实施方式中，该方法可用于通过将基于微生物的组合物施加到经受液压压裂处理的油井来增加石油和天然气采收率。

该方法可以进一步包括在施加期间添加用于改善微生物生长和/或萌芽的材料(例如，添加促进微生物生长的营养物和/或萌芽增强剂)。在一个实施方式中，营养物源可包括例如氮、硝酸盐、磷、镁和/或碳。在一个实施方式中，萌芽增强剂可包括例如微摩尔量的L-丙氨酸、L-缬氨酸、L-天冬酰胺和/或锰。

在一个实施方式中，该方法可以进一步包括将聚合物降解酶添加到该地点以增强聚合物降解。

优选地，基于微生物的组合物和/或其生长副产物的微生物可以快速消化聚合物诸如聚乳酸(PLA)和/或聚乙醇酸(PGA)。在施加时，微生物可以是无活性的、活的(或有存活力的)或孢子形态。

在一个实施方式中，微生物是酵母，例如，异常威克汉姆酵母和/或球拟假丝酵母。在一个实施方式中，微生物是细菌，诸如例如，一种芽孢杆菌进化枝细菌。在一个实施方式中，微生物的组合应用在基于微生物的组合物中。

微生物可以就地生长，并且现场生产活性化合物。因此，可以容易且连续地在处理地点(例如油井)实现高浓度的例如生物表面活性剂、溶剂和/或酶以及产生生物表面活性剂的微生物。

在一个实施方式中，本发明提供了回收保留在压裂井中的聚合物质的方法。例如，通过本发明的方法和微生物生产的生物表面活性剂可以降低用于提升聚合物压裂物质——诸如聚丙烯酰胺(PAM)凝胶减摩剂——的流体的界面张力。在另一个实施方式中，生物表面活性剂可用于在提升之前裂解PAM凝胶。

本发明可用于完井(well completion)，特别是在压裂作业中，以及恢复石油和天然气相关的地层的健康。例如，本发明组合物和方法可以有助于修复井筒周围区域中的地层损害，并且可以修复从以往压裂作业中剩余的聚合物(例如PLA和PGA)和生物聚合物(例如，瓜尔胶和黄原胶)。因此，可以在地层内打开堵塞的通道以允许进一步的压裂机会。

在一个实施方式中，本发明提供了通过在适于生长和表面活性剂、溶剂、代谢物和/或酶产生的条件下培养本发明的微生物菌株来生产生物表面活性剂、溶剂、代谢物和/或酶的方法；并且根据本发明，用于后续使用的表面活性剂、溶剂、代谢物和/或酶的纯化方法。

有利地，可以使用本发明而不将大量无机化合物释放到环境中。另外，该组合物和方法利用可生物降解且毒理学安全的组分。因此，本发明可作为“绿色”处理用于石油和天然气生产的所有可能操作中。

附图说明

图1显示了PLA球(左)和施加酵母处理后的溶解的PLA球(右)。

图2显示了使用酵母消化处理(中间)与单独的水(右)在24小时时期的PLA消化。酵母消化导致完全溶解，而单独的水仅导致约1％的溶解。

具体实施方式

本发明提供了微生物，以及它们生长的副产物，诸如生物表面活性剂、溶剂和/或酶。本发明还提供了在液压压裂作业中使用这些微生物及其副产物以提高聚合物压裂液添加剂和/或支撑剂涂覆层的溶解的方法。有利地，本发明的方法是环境友好的、操作友好和成本有效的。

选定的定义

如本文中使用的，提及“基于微生物的组合物”意指包含作为微生物或其他细胞培养物生长的结果所产生的组分的组合物。因此，基于微生物的组合物可以包含微生物本身和/或微生物生长的副产物。微生物可以处于营养状态、孢子形态、菌丝体形态、任何其他繁殖体形态或这些的混合物。微生物可以为浮游生物或生物膜形式，或者二者的混合物。生长的副产物可以是例如代谢物、细胞膜组分、表达的蛋白和/或其他细胞组分。微生物可以是完整的或裂解的。在优选的实施方式中，微生物与其中生长微生物的营养液存在于基于微生物的组合物中。细胞可以例如以每毫升组合物1×10⁴、1×10⁵、1×10⁶、1×10⁷、1×10⁸、1×10⁹、1×10¹⁰或1×10¹¹个或以上繁殖体的浓度存在。如本文中使用的，繁殖体是可以形成新生和/或成熟有机体的微生物的任何部分，包括但不限于细胞、孢子、分生孢子、菌丝体、芽孢和种子。

本发明进一步提供“基于微生物的产物”，其是在实践中要被施加以获得所需的结果的产物。基于微生物的产物可以仅仅是从微生物培养过程收获的基于微生物的组合物。可选地，基于微生物的产物可以包含已经添加的其他成分。这些另外的成分可以包括例如稳定剂、缓冲剂、恰当载剂诸如水、盐溶液，或者任何其他恰当载剂、添加的营养物以支持进一步的微生物生长、非营养物生长促进剂诸如植物激素，和/或有利于微生物和/或已施加其的环境中的组合物的追踪的制剂。基于微生物的产物还可以包含基于微生物的组合物的混合物。基于微生物的产物还可以包含已经以某种方式诸如但不限于过滤、离心、裂解、干燥、纯化等处理的基于微生物的组合物的一种或多种组分。

如本文所用，“分离的(isolated)”或“纯化的(purified)”核酸分子、多核苷酸、多肽、蛋白质或有机化合物诸如小分子(例如，下文描述的那些)基本上不含其他化合物，诸如与其天然结合的细胞材料。如本文所用，在微生物菌株的上下文中提及“分离的(isolated)”是指将菌株从其天然存在的环境中移出。因此，分离的菌株可以作为例如生物学纯的培养物存在，或作为与载体液结合的孢子(或其他形式的菌株)存在。

在某些实施方式中，纯化的化合物按重量计为目标化合物的至少60％(干重)。优选地，制剂按重量计为目标化合物的至少75％、更优选至少90％、并且最优选至少99％。例如，纯化的化合物按重量计为所需化合物的至少90％、91％、92％、93％、94％、95％、98％、99％或100％(w/w)的化合物。通过任何合适的标准方法测量纯度，例如，通过柱色谱、薄层色谱或高效液相色谱(HPLC)分析。纯化的或分离的多核苷酸(核糖核酸(RNA)或脱氧核糖核酸(DNA))不含在其天然存在状态下位于其侧翼的基因或序列。纯化或分离的多肽不含在其天然存在状态下位于其侧翼的氨基酸或序列。

如本文所用，“施加(applying)”组合物或产物是指使其与靶标或地点接触，使得组合物或产物可对该靶标或地点产生影响。该效果可归因于例如微生物生长和/或生物表面活性剂或其他生长副产物的作用。例如，可以将基于微生物的组合物或产物注入与石油井相关的石油井和/或管道、泵、罐等中。

如本文所用，“生物膜(biofilm)”是微生物诸如细菌的复杂聚集体，其中细胞彼此粘附。生物膜中的细胞在生理上不同于同一有机体的浮游细胞，其是可在液体培养基中漂浮或游浮的单细胞。

如本文所用，在微生物发酵的上下文中的“收获的(harvested)”是指从生长容器中移出一些或全部基于微生物的组合物。

“代谢物(metabolite)”是指由代谢产生的任何物质或参与特定代谢过程所必需的物质。代谢物可以是有机化合物，其是起始原料(例如葡萄糖)、中间体(例如乙酰-辅酶A)或代谢的终产物(例如正丁醇)。代谢物的实例可包括但不限于酶、毒素、酸、溶剂、醇、蛋白质、碳水化合物、维生素、矿物质、微量元素、氨基酸、聚合物和生物表面活性剂。

如本文所用，“调节(modulate)”是与改变(alter)(例如，增加或减少)可交换的。通过诸如本文所描述的标准技术已知方法检测这种改变。

如本文所用，“表面活性剂(surfactant)”是指降低两种液体之间或液体和固体之间的表面张力(或界面张力)的化合物。表面活性剂用作洗涤剂、润湿剂、乳化剂、发泡剂和/或分散剂。由微生物生产的表面活性剂是指“生物表面活性剂(biosurfactant)”。

在一些实施方式中，根据本发明使用的微生物是“表面活性剂过量产生”。例如，菌株可以产生至少0.1-10g/L，例如0.5-1g/L表面活性剂。例如，与其他采集油微生物菌株相比，该菌株可以产生至少10％、25％、50％、100％、2倍、5倍、7.5倍、10倍、12倍、15倍或更多的表面活性剂。在一个实施方式中，根据本发明使用枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis)，枯草芽胞杆菌ATCC 39307在本文中用作参考菌株。

本文提供的范围被理解为该范围内的所有值的简写。例如，1至20的范围应理解为包括由1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20，以及上述整数之间的所有中间十进制值诸如例如1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8和1.9组成的组中的任何数字、数字组合或子范围。关于子范围，特别考虑从该范围的任一端点延伸的“嵌套子范围(nested sub-range)”。例如，示例性范围1至50的嵌套子范围可以在一个方向上包括1至10、1至20、1至30和1至40，或者在另一个方向上包括50至40、50至30、50至20和是50至10。

如本文所用，“减少(reduces)”是指至少1％、5％、10％、25％、50％、75％或100％的负变化。

如本文所用，“参考(reference)”是指标准或对照条件。

如本文所用，“石油和天然气生产”是指从地球中提取原油和/或天然气、加工以及通过消费者最终购买和使用所涉及的任何和所有操作。石油和天然气生产可包括但不限于钻井、泵送、采收、压裂、水驱、传输、加工、精炼、运输和储存石油和/或天然气。

如本文所用，“增加石油和天然气采收率”是指增加或改善从含石油和天然气的地点提取并最终生产的油和/或气体的质量和/或数量。

如本文所用，“聚合物(polymer)”是指通过将一个或多个相似的分子单元或单体键合在一起而制备的任何大分子化合物。聚合物包括合成和天然聚合物。示例性聚合物包括橡胶、淀粉、树脂、瓜尔胶、氯丁橡胶、尼龙、PVC、硅酮、纤维素、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、多胺、多糖、多核苷酸、聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚琥珀酸丁酯(polybytlene succinate)(PBS)、聚己内酯(PCL)、聚乙醇酸(PGA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚酯诸如聚丙交酯(PLA)、聚丙烯酰胺(PAM)等。

如本文所用，聚合物的“降解(degradation)”可与“溶解(dissolution)”、“消化(digestion)”和“修复(remediation)”互换使用，并且指聚合物分解或解聚成能从井筒压裂流出更易溶于水的、能够流动的低分子量分子。降解可以通过任何方式发生，包括但不限于光诱导降解、热降解、化学降解、诸如臭氧分解、水解或氧化和生物降解。

如本文所用，“聚合物降解酶”是指能够降解或增强聚合物降解或溶解的任何酶。聚合物降解酶的非限制性实例包括蛋白酶(或蛋白酶(proteinase)，或蛋白酶(proteinaseenzyme))、酯酶和脂肪酶。已显示蛋白酶(proteinase enzyme)加速PLA的水解或降解。酯酶和脂肪酶也可适用于其它可降解聚合物，诸如聚(羟基丁酸酯)或脂族聚酯。通常，这些酶从植物、动物、细菌和真菌中分离，也可以从商业上获得。

与“包括(including)”或“含有(containing)”同义的过渡术语“包括(comprising)”是包含性的或开放性的，并且不排除另外的、未列举的元素或方法步骤。相反，过渡短语“由......组成(consisting of)”排除了权利要求中未指定的任何要素、步骤或成分。过渡短语“基本上由......组成(consisting essentially of)”将权利要求的范围限制于指定的材料或步骤“和那些不会对要求保护的发明的基本和新颖特征(一个或多个)产生实质影响的材料或步骤”。

除非特别说明或从上下文中显而易见，否则如本文所用，术语“或(or)”应理解为包括在内。除非特别说明或从上下文中显而易见，否则如本文所用，术语“一个(a，an)”和“该(the)”应理解为单数或复数。

除非特别说明或从上下文中显而易见，否则如本文所用，术语“约(about)”应理解为在本领域的正常耐受范围内，例如，在平均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文另外清楚，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。

本文中对变量的任何定义中的化学基团列表的叙述包括该变量作为任何单个组或所列组的组合的定义。本文对变量或方面的实施方式的叙述包括作为任何单个实施方式或与任何其他实施方式或其部分组合的实施方式。

本文提供的任何组合物或方法可以与本文提供的任何其他组合物和方法中的一种或多种组合。

本发明的其他特征和优点将从以下对其优选实施方式的描述和权利要求中变得显而易见。本文引用的所有参考文献均通过引用并入本文。

根据本发明微生物菌株生长

根据本发明的***和方法生长的微生物可以是例如微生物、酵母和/或真菌。这些微生物可以是天然的或遗传改造微生物。例如，微生物可以利用特定基因转化以展现出特定的特性。微生物也可以是所需菌株的突变体。如本文所用，“突变体(mutant)”是指参考微生物的菌株、遗传变体或亚型，其中突变体与参考微生物相比具有一种或多种遗传变异(例如，点突变、错义突变、无义突变、缺失、复制、移码突变或重复扩展(repeat expansion))。制备突变体的方法在微生物学领域中是众所周知的。例如，为此目的广泛使用紫外突变作用(UV mutagenesis)和亚硝基胍。

在一个实施方式中，微生物是酵母或真菌。根据本发明适合使用的酵母和真菌属包括念珠菌(Candida)、酵母属(Saccharomyces)(酿酒酵母(S.cerevisiae)、布拉迪酵母(S.boulardii sequela)、圆酵母(S.torula)、伊萨酵母(Issalchenkia)、克鲁维氏酵母(Kluyveromyces)、毕赤酵母(Pichia)、威克汉姆酵母(Wickerhamomyces)(例如异常威克汉姆酵母)、假丝酵母属(例如球拟假丝酵母(S.bombicola))、菌根(Mycorrhiza)、被孢霉(Mortierella)、须霉(Phycomyces)、布拉氏霉(Blakeslea)、破囊壶菌(Thraustochytrium)、腐霉(Phythium)、虫霉(Entomophthora)、出芽短梗霉菌(Aureobasidium pullulans)、蚜虫拟酵母(Pseudozyma aphidis)、镰孢霉(Fusariumvenenalum)、曲霉菌(Aspergillus)、木霉菌属(Trichoderma)(例如里氏木霉(T.reesei)、哈茨木霉(T.harzianum)、钩状木霉(T.hamatum)、绿色木霉(T.viride)和/或根霉属(Rhizopus)的若干种。

在一个实施方式中，酵母是嗜杀酵母。如本文中使用的，“嗜杀酵母”意指这样的酵母菌株，其特征在于其分泌该菌株自身是免疫的毒性蛋白或糖蛋白。由嗜杀酵母分泌的外毒素能够杀灭其他的酵母菌株、真菌菌株或微生物菌株。例如，可以通过嗜杀酵母防治的微生物的实例包括镰孢霉属(Fusarium)和其他丝状真菌。根据本发明的嗜杀酵母的实例是可以在食品和发酵工业例如啤酒、白酒、和面包制作中安全使用的那些酵母；可以用于防治可能污染这样的生产过程的其他微生物的那些；可以用于食品保藏的生物防治的那些酵母；可以用于治疗人类和植物二者中的真菌感染的那些酵母；以及可以用于重组DNA技术的那些酵母。这样的酵母可以包括但不限于威克汉姆酵母、毕赤酵母(例如，异常毕赤酵母(p.anomala)、季也蒙毕赤酵母(P.guielliermondii)、库德毕赤酵母(P.kudriavzevii)、香柏毕赤酵母(P.occidentalis))；汉逊酵母(Hansenula)、酿酒酵母(Saccharomyces)、孢汉逊酵母(Hanseniaspora)(例如、葡萄有孢汉逊酵母(H.uvarum)、玉米黑穗菌(Ustilagomaydis)、汉斯德巴氏酵母(Debaryomyces hansenii)、念珠菌、隐球酵母(Cryptococcus)、克鲁维氏酵母、球拟酵母(Torulopsis)、黑粉菌(Ustilago)、拟威尔酵母(Williopsis)、接合酵母(Zygosaccharomyces)(例如拜氏接合酵母(Z.bailii))等。

在某些实施方式中，微生物菌株是选自异常毕赤酵母(异常威克汉姆酵母)，季也蒙毕赤酵母(Pichia guilliermondii)和库德毕赤酵母的毕赤酵母。异常威克汉姆酵母，尤其有效生产各种溶剂，酶，嗜杀毒素以及槐糖脂生物表面活性剂。

在一个实施方式中，微生物菌株选自假丝酵母进化枝。根据本发明有用的假丝酵母微生物的培养物，球拟假丝酵母，可以从American Type Culture Collection(ATCC),10801 University Blvd.,Manassas,Va.20110-2209USA获得。保藏所已向该保藏分配了保藏号ATCC No.22214。

在一个实施方式中，本发明提供酵母菌株ATCC 22214及其突变体的用途。该菌株能有效生产槐糖脂生物表面活性剂。

在优选的实施方式中，微生物是包括革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的细菌。细菌可以是例如芽孢杆菌(例如，枯草芽胞杆菌、地衣芽孢杆菌(B.licheniformis)、坚强芽孢杆菌(B.firmus)、侧孢芽孢杆菌(B.laterosporus)、巨大芽孢杆菌(B.megaterium)、解淀粉芽孢杆菌(B.amyloliquifaciens))、梭菌(Clostridium)(丁酸梭菌(C.butyricum)、酪丁酸梭菌(C.tyrobutyricum)、醋酪酸杆菌(C.acetobutyricum)、梭菌NIPER 7和拜氏梭菌(c.beijerinckii))、固氮菌(Azobacter)(定氮菌(A.vinelandii)、褐色球形固氮菌(A.chroococcum))、假单胞菌(Pseudomonas)(金色绿针假单胞菌亚种(克吕沃尔氏菌属)(P.chlororaphis subsp.aureofaciens(Kluyver)、绿脓假单胞菌(P.aeruginosa))、放射形土壤杆菌(Agrobacterium radiobacter)、巴西固氮螺菌(Azospirillumbrasiliensis)、根瘤菌属(Rhizobium)、少动鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas paucimobilis)、真氧产碱杆菌(Ralslonia eulropha)和/或深红红螺菌(Rhodospirillum rubrum)。

在一个实施方式中，微生物是枯草芽胞杆菌的菌株，诸如例如，枯草芽胞杆菌的位点B1变种或位点B2变种，它们能有效生产例如表面活性肽和其他生物表面活性剂以及生物聚合物。本发明说明书通过引用将公开号WO 2017/044953A1并入本文，其程度与本文公开的教导一致。在另一个实施方式中，微生物是地衣芽孢杆菌的菌株，其能有效生产生物表面活性剂，以及生物聚合物，诸如果聚糖。

在某些实施方式中，与野生型枯草芽胞杆菌以及与采油中使用的其他微生物相比，本发明利用具有提高生物表面活性剂生产的枯草芽胞杆菌菌株。这种枯草芽胞杆菌被称为B系列的成员，包括但不限于B1、B2和B3。

在优选的实施方式中，与野生型枯草芽胞杆菌菌株相比，此类菌株的特征在于提高生物表面活性剂的产量。在某些实施方式中，枯草芽胞杆菌菌株具有增加的生物聚合物溶剂和/或酶产生。

与枯草芽胞杆菌的参考菌株相比，枯草芽胞杆菌的B菌株系列生产生物表面活性剂更多。此外，枯草芽胞杆菌菌株在高盐和厌氧条件下比其他众所周知的芽孢杆菌菌株更好地存活。菌株也能够在厌氧条件下生长。枯草芽胞杆菌B系列菌株也可用于生产降解或代谢油或其他石油产物的酶。

在某些实施方式中，枯草芽胞杆菌菌株是耐盐的。耐盐性可以是关于各种盐中的任何一种或多种。例如，盐可以是单价盐，诸如钠盐或钾盐，例如NaCl或KCl，或盐可以是二价盐，诸如镁盐或钙盐，例如MgCl₂或CaCl₂，或盐可以是三价盐。

在一些实施方式中，枯草芽胞杆菌菌株能够在低氧条件下繁殖。

根据本发明，可以使用其他微生物菌株，包括例如能够积累大量例如糖脂-生物表面活性剂的菌株。根据本发明有用的其他微生物副产物包括甘露糖蛋白、β-葡聚糖和具有生物乳化和表面/界面张力降低性质的其他代谢物。

根据本发明的微生物的生长

本发明利用微生物培养和微生物代谢物的生产和/或微生物生长的其他副产物的方法。本发明进一步利用适用于微生物培养和所需规模微生物代谢物的生产的培养方法。这些培养方法包括但不限于浸没发酵、固态发酵(SSF)及其组合。

微生物培养***通常使用浸没培养物发酵；然而，也可以使用表面培养物和混合***。如本文所用，“发酵(fermentation)”是指在受控条件下细胞的生长。生长可能是有氧的或厌氧的。

在一个实施方式中，本发明提供用于生产生物质(例如，活细胞材料)、细胞外代谢物(例如小分子和***蛋白)、残留营养物和/或细胞内组分(例如酶和其他蛋白质)的材料和方法。

根据本发明使用的微生物生长容器可以是任何用于工业用途的发酵罐或培养反应器。在一个实施方式中，该容器可具有功能控制器/传感器或可连接至功能控制器/传感器以测量培养过程中的重要参数，诸如pH、氧气、压力、温度、搅拌轴功率、湿度、粘度、和/或微生物密度和/或代谢物浓度。

在进一步的实施方式中，所述容器还能够监测容器内微生物的生长(例如细胞数和生长期的测定)。可选地，可以从容器中取出每日样品，并通过本领域已知的技术诸如稀释涂布技术进行计数。稀释涂布是一种简单的用于估算样品中细菌数量的技术。该技术还可以提供用以比较不同环境或处理的指标。

在一个实施方式中，所述方法包括给培养补充氮源。例如，氮源可以是例如硝酸钾、硝酸铵、硫酸铵、磷酸铵、氨、尿素和/或氯化铵。这些氮源可以单独使用，或可以两种或以上组合使用。

所述培养方法可为生长培养物提供氧化作用。一个实施方式利用空气的慢速运动来去除低氧含量的空气并引入含氧空气。含氧空气可以是每天通过机械补充的环境空气，所述机械包括用于机械搅动液体的叶轮以及用于将气体的气泡供应到液体中以将氧气溶解到液体中的空气分布器。

该方法可进一步包括给培养补充碳源。所述碳源通常是碳水化合物诸如葡萄糖、蔗糖、乳糖、果糖、海藻糖、甘露糖、甘露醇和/或麦芽糖；有机酸，诸如乙酸、富马酸、柠檬酸、丙酸、苹果酸、丙二酸和/或丙酮酸；醇诸如乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、异丁醇和/或丙三醇；脂肪和油类诸如大豆油、菜籽油、米糠油、橄榄油、玉米油、芝麻油和/或亚麻籽油等。这些碳源可单独使用或两种或以上组合使用。

在一个实施方式中，培养基包括微生物的生长因子和痕量营养物。当生长的微生物不能产生它们所需要的所有维生素时，这是尤其优选的。培养基也可含有无机营养物，其包括诸如铁、锌、铜、锰、钼和/或钴的痕量元素。此外，维生素、必需氨基酸和微量元素的来源可以包括，例如，面粉或膳食，诸如玉米粉的形式，或提取物的形式，诸如酵母提取物、马铃薯提取物、牛肉提取物、大豆提取物、香蕉皮提取物等，或纯化形式。还可以包括氨基酸，诸如例如，可用于蛋白质生物合成的氨基酸，例如L-丙氨酸。

在一个实施方式中，亦可包括无机盐。可用无机盐可以是磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸氢二钠、硫酸镁、氯化镁、硫酸铁、氯化铁、硫酸锰、氯化锰、硫酸锌、氯化铅、硫酸铜、氯化钙、碳酸钙和/或碳酸钠。这些无机盐可单独使用或以两种或以上的组合使用。

在一些实施方式中，培养方法可以进一步包括在培养过程之前和/或在培养过程期间在液体培养基中添加另外的酸和/或抗菌剂。抗菌剂或抗生素用于保护培养物免受污染。此外，还可以添加消泡剂，以防止在培养期间产生气体时泡沫的形成和/或积聚。

混合物的酸碱度应适合目标微生物。缓冲剂和pH调节剂(诸如碳酸盐和磷酸盐)可用于将pH值稳定在优选值附近。当金属离子以高浓度存在时，可能需要在液体培养基中使用螯合剂。

用于培养微生物和产生微生物的副产物的方法和设备可以分批地、准连续的过程或连续的过程进行。

微生物可以以浮游生物形式或作为生物膜生长。在生物膜的情况下，所述容器内可装有基质，微生物可以在基质上以生物膜状态生长。该***还可具有例如施加促进因素(诸如剪切应力)的能力，其促进和/或改善生物膜生长特性。

在一个实施方式中，微生物培养方法是在约5℃至100℃下执行，优选在15至60℃下执行，更优选在25至50℃下执行。在进一步的实施方式中，培养可以在恒定温度下连续执行。在另一个实施方式中，培养可以经受变化的温度。

在一个实施方式中，该方法和培养过程中使用的是无菌设备。诸如反应器/容器的培养设备可与消毒单元例如高压釜分离但与消毒单元相连。培养设备还可具有在接种开始之前就地消毒的消毒单元。可以通过本领域已知的方法对空气进行消毒。例如，可使环境空气在被引入容器之前通过至少一个过滤器。在其他实施方式中，可以对培养基进行巴氏消毒，或者任选地完全不加热，以利用低水活性和低pH来控制细菌生长。

发酵液的生物质含量可以是例如5g/L至180g/L或更高。在一个实施方式中，培养液的固体含量为10g/L至150g/L。

由目标微生物产生的微生物生长副产物可保留在微生物中或分泌到生长培养基中。在另一个实施方式中，用于产生微生物生长副产物的方法可以进一步包括浓缩和纯化目标微生物生长副产物的步骤。在进一步的实施方式中，生长培养基可含有稳定微生物生长副产物活性的化合物。

在一个实施方式中，代谢物是通过在适于生长和代谢物生产的条件下培养本发明的微生物菌株；并且，任选地，纯化代谢物生产的。代谢物可以是微生物生长产生的任何生物表面活性剂、酶、溶剂、蛋白质、酸、毒素或其他化合物。

在一个实施方式中，在培养完成后(例如在达到所需细胞密度或培养液中特定代谢物密度后)去除所有微生物培养成分。在该批次程序中，收获第一批产物后开始一个全新的批次。

在另一个实施方式中，在任何一次仅去除发酵产物的一部分。在本实施方式中，具有活细胞的生物质作为新培养批次的接种剂保留在容器中。去除的成分可以是无细胞培养液或可以含有细胞。以这种方式就形成了一个准连续***。

基于微生物的组合物

在一个实施方式中，本发明提供了基于微生物的组合物，用于从含烃地层中增加石油和天然气采收率，该组合物包含微生物和/或其生长副产物。该生长副产物可以是例如生物表面活性剂、溶剂、酶和/或其他代谢物。

本发明组合物可用于在液压压裂井中降解聚合物添加剂或增强聚合物添加剂的降解。该组合物可用于高效地消化聚乳酸(PLA)用作减摩剂、破乳剂或其他压裂液添加剂。该组合物可用于消化例如PLA纤维、球或薄片。该组合物还可用于高效地消化(例如，以纤维或压裂球的形式的)聚乙交酯(PGA)。该组合物可以进一步用于提高石油和/或天然气采收率。

有利地，本发明基于微生物的组合物可用于消化例如压裂井中聚合物，或提高其降解。本发明组合物还可用作回流溶液(flowback solution)，其中生物表面活性剂和其它微生物生长副产物可有效地将水表面张力降低至所需的范围，例如28-30达因/厘米。该组合物还可以有助于减少冲洗出压裂材料后使用所需的能量输入。

在优选的实施方式中，基于微生物的组合物包含微生物和/或其副产物。在一个实施方式中，本发明方法中使用的微生物是产生生物表面活性剂、溶剂和/或酶的一种或多种细菌或酵母，或其组合。在一个实施方式中，基于微生物的组合物包含“嗜杀酵母”，诸如例如，异常威克汉姆酵母，和/或该物种生长的产物。在一个实施方式中，微生物是假丝酵母进化枝酵母。在一个实施方式中，微生物是芽孢杆菌进化枝细菌。

基于微生物的组合物可包含含有活培养物和/或由微生物和/或任何残留营养物产生的微生物代谢物的发酵培养基。发酵产物可以直接使用而无需提取或纯化。可以使用文献中描述的标准提取和/或纯化方法或技术可以根据需要容易地获得提取和纯化。

基于微生物的组合物可包含其中生长微生物的培养液或培养基。该产物可以是，例如至少按重量计的1％、5％、10％、25％、50％、75％或100％的培养液。产物中的生物质的量按重量计可以是，例如0％至100％的任何，包括其间的所有百分比。

发酵液的生物质含量可以是例如5g/L至180g/L或更多。在一个实施方式中，培养液的固体含量为10g/L至150g/L。

可以将其他组分添加至基于微生物的组合物中，例如，缓冲剂、载体、在相同或不同设施中产生的其他基于微生物的组合物、粘度调节剂、防腐剂、用于微生物生长的营养物、追踪剂、抗微生物剂、其他微生物、表面活性剂、乳化剂、润滑剂、溶解度控制剂、pH调节剂，防腐剂、稳定剂和紫外线耐光剂。

在一个实施方式中，聚合物降解酶可以包括在基于微生物的组合物中。根据本发明有用的酶可包括，例如，蛋白酶、酯酶、脂肪酶、氧化还原酶、水解酶、裂解酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、黄原胶酶、甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶、淀粉酶及其混合物、它们是能够在地下地层中发现的pH水平下对聚合物基底(polymeric substrate)进行降解的。在一个实施方式中，酶是链霉蛋白酶。在另一个实施方式中，酶是蛋白酶K.

在某些实施方式中，酶可以是喷雾干燥的、冷冻干燥的等。在某些实施方式中，组合物的酶尤其可以以纯化形式、部分纯化形式、全细胞、全细胞裂解物或其任何组合的形式提供。酶的浓度应该是在给定条件下对于加速将井筒中可降解聚合物水解至所需程度为有效的量。例如，如果需要相对较快的水解速率，则可以包括更高浓度的所选酶或酶混合物。所包括的实际量尤其取决于井筒的温度、可降解聚合物的浓度、所选择的特定酶和所需的水解速率。

在一个实施方式中，基于微生物的组合物可以进一步包含在施用期间提高微生物生长的材料。这些材料可以是例如营养物和/或萌芽增强剂。营养物源可包括例如氮、硝酸盐、亚硝酸盐、磷、镁和/或碳，或可用于培养本公开中提供的微生物的任何其他营养物源。萌芽增强剂可包括例如微摩尔量的L-丙氨酸、L-缬氨酸、L-天冬酰胺和/或锰。

在一个实施方式中，该组合物可进一步包含缓冲剂，其包括有机和氨基酸或其盐，以使pH稳定在接近优选值附近。合适的缓冲剂包括但不限于柠檬酸盐、葡糖酸盐、酒石酸盐、苹果酸盐、乙酸盐、乳酸盐、草酸盐、天冬氨酸盐、丙二酸盐、葡庚糖酸盐、丙酮酸盐、半乳糖酸盐、葡糖二酸盐、酒石酸盐、谷氨酸盐、甘氨酸、赖氨酸、谷氨酰胺、蛋氨酸、半胱氨酸、精氨酸及其混合物。也可以使用磷酸和亚磷酸或其盐。适合使用合成缓冲剂，但优选使用天然缓冲剂，诸如有机和氨基酸或它们的盐。

在进一步的实施方式中，pH调节剂包括氢氧化钾、氢氧化铵、碳酸钾或碳酸氢钾、盐酸、硝酸、硫酸及其混合物。

基于微生物的组合物的pH应适合于目标的微生物。在优选的实施方式中，基于微生物的组合物的pH范围为7.0-7.5。

在一个实施方式中，基于微生物的组合物可以包括另外的组分，诸如盐的含水制剂，诸如碳酸氢钠或碳酸钠、硫酸钠、磷酸钠或磷酸二氢钠的含水制剂。

在某些实施方式中，本发明的组合物具有优于例如单独的生物表面活性剂或酶的优点，包括以下一种或多种：高浓度的甘露糖蛋白(生物乳化剂)作为酵母细胞壁外表面的一部分；酵母细胞壁中存在生物聚合物β-葡聚糖(乳化剂)；在培养物中的存在的生物表面活性剂能够降低表面和界面张力二者；以及溶剂和/或代谢物(例如乳酸、乙醇、乙酸乙酯等)的存在。

基于微生物的产物的制备

本发明的一种基于微生物的产物仅仅是含有微生物和/或由微生物生产微生物代谢物和/或任何残留营养物的发酵液。发酵产物可以直接使用而无需提取或纯化。例如，可以从生长容器中去除由微生物生长产生的微生物和/或培养液，并经由例如管道输送转移用于立即使用。

如果需要，可以使用文献中描述的标准提取和/或纯化方法或技术容易地实现提取和纯化。

在从生长容器中收获基于微生物的组合物时，可以添加进一步的组分，因为收获的产物被放入容器和/或使其被管道运输(或以其他方式运输使用)。添加剂可以是，例如，缓冲剂、载体、在相同或不同设施中生产的其他基于微生物的组合物、粘度调节剂、防腐剂、用于微生物生长的营养物、萌芽增强剂等。

在一个实施方式中，组合物(微生物、培养液、或微生物和培养液)可以放置在适当大小的容器中，考虑到例如预期用途、预期的施加方法、发酵罐的大小和从微生物生长设施到使用地点的任何运输方式。因此，放置基于微生物的组合物的容器可以是例如1加仑至1,000加仑或更多。在其他实施方式中，容器是2加仑、5加仑、25加仑或更大。

可以根据本发明使用其他微生物菌株，包括例如能够消化聚合物诸如PLA或积累大量的例如糖脂-生物表面活性剂和/或溶剂和/或酶的的其他真菌菌株。根据本发明有用的生物表面活性剂和溶剂包括甘露糖蛋白、β-葡聚糖、乙醇、乳酸和具有例如生物乳化和表面/界面张力降低性质的其他代谢物。根据本发明有用的酶包括聚合物降解酶，其能够在地下地层中在存在的条件(例如，pH和温度)下降解聚合物质。

可以包含在根据本发明的制剂中的其他合适的添加剂包括通常用于这种制剂的物质。这种添加剂的实例包括表面活性剂、乳化剂、润滑剂、缓冲剂、溶解度控制剂、pH调节剂、防腐剂、稳定剂和紫外线耐光剂。

在一个实施方式中，组合物可以进一步包含包括有机和氨基酸或其盐的缓冲剂。合适的缓冲剂包括柠檬酸盐、葡糖酸盐、酒石酸盐、苹果酸盐、乙酸盐、乳酸盐、草酸盐、天冬氨酸盐、丙二酸盐、葡庚糖酸盐、丙酮酸盐、半乳糖酸盐、葡糖二酸盐、酒石酸盐、谷氨酸盐、甘氨酸、赖氨酸、谷氨酰胺、蛋氨酸、半胱氨酸、精氨酸及其混合物。也可以使用磷酸和亚磷酸或其盐。适合使用合成缓冲剂，但优选使用天然缓冲剂，诸如有机和氨基酸或它们的盐。

在进一步的实施方式中，pH调节剂包括氢氧化钾、氢氧化铵、碳酸钾或碳酸氢钾、盐酸、硝酸、硫酸或混合物。

在一个实施方式中，制剂中可包括另外的组分，诸如多元酸的盐的含水制剂，诸如碳酸氢钠或碳酸钠、硫酸钠、磷酸钠、磷酸二氢钠。

有利地，根据本发明基于微生物的产物可包含其中生长微生物的培养液。该产物可以是，例如，至少按重量计，1％、5％、10％、25％、50％、75％或100％的培养液。产物中的生物质的量，以重量计，可以是例如，0％至100％，包括其间的所有百分比。

任选地，产物可在使用前储存。储存时间优选短。因此，储存时间可以少于60天、45天、30天、20天、15天、10天、7天、5天、3天、2天、1天或12小时。在优选的实施方式中，如果产物中存在活细胞，则将产物储存在较冷的温度下，诸如例如低于20℃、15℃、10℃或5℃。另一方面，生物表面活性剂组合物通常可以在环境温度下储存。

在一个实施方式中，本发明提供酵母发酵产物，其可用于压裂井中聚合物的消化或降解的提高。酵母发酵产物可以经由培养产生生物表面活性剂、溶剂和/或酶的酵母，诸如例如，异常威克汉姆酵母(Pichia anomala)来获得。在25-30℃培养7天后的发酵液可含有酵母细胞悬浮液，和例如4g/L或更多的生物表面活性剂。

酵母发酵产物也可以经由培养产生生物表面活性剂、溶剂和/或酶的酵母，诸如例如，球拟假丝酵母(Starmerella bombicola)来获得。在25℃培养5天后的发酵液可含有酵母细胞悬浮液，和例如100g/L或更多的生物表面活性剂。

基于微生物的组合物中的微生物可以是活性或非活性形式。微生物可以是营养形态、孢子形态或任何其他形态的微生物繁殖体或其组合。可以使用基于微生物的产物而无需进一步稳定化、保藏和储存。有利地，直接使用这些基于微生物的产物可以保持微生物的高存活率，减少外来试剂和不期望的微生物的污染的可能性，并保持微生物生长副产物的活性。

基于微生物的产物的本地生产

在本发明优选的实施方式中，微生物生长设施以所需的规模生产新鲜的、高密度的目标微生物和/或微生物生长副产物。微生物生长设施可位于应用地点处或在应用地点附近。该设施以分批地、准连续或连续培养方式生产高密度基于微生物的组合物。

本发明的分布的微生物生长设施可位于将使用基于微生物的产物的位置(例如矿)或靠近使用位置的位置。例如，微生物生长设施可以距离使用位置小于300、250、200、150、100、75、50、25、15、10、5、3或1英里。

因为基于微生物的产物是本地生产的，而不诉诸于传统微生物生产的微生物稳定化、保藏、储存和运输过程，所以可以产生密度高得多的有生长力的营养状态或繁殖体状态的活微生物，从而要求基于微生物的产物体积更小以便用于现场应用，或者在必要时允许高得多的密度的微生物应用以获得所需功效。这允许按比例缩小的生物反应器(例如，较小的发酵罐、较小的起始材料、营养物、pH控制剂和消泡剂的供应)，没有理由将细胞稳定化或将它们与其培养液分开，这使***高效，并有助于产物的可运输性。

基于微生物的产物的本地生产也有助于将生长培养液包含在产物中。培养液可含有在发酵期间产生的特别适合本地使用的试剂。

本地生产的高密度、健硕的微生物培养物在现场比那些已经经历营养细胞稳定化或已经处于供应链中一段时间的更有效。与传统产物(其中细胞已经与发酵生长培养基中存在的代谢物和营养物分离)相比，本发明的基于微生物的产物是特别有利的。减少的运输时间允许按照当地需求所要求的时间和量生产和交付新批次的微生物和/或其代谢物。

本发明的微生物生长设施产生新鲜的基于微生物的组合物，其包括微生物本身、微生物代谢物和/或其中生长微生物的培养液的其他组分。该组合物可根据需要具有高密度的营养细胞或营养细胞、生殖孢子、分生孢子和/或菌丝体的混合物。

有利地，可以定制组合物以便在指定位置使用。在一个实施方式中，微生物生长设施位于将使用基于微生物的产物的地点或在将使用基于微生物的产物的地点附近。

有利地，这些微生物生长设施提供解决当前问题的方案，该问题是依赖于广泛的工业规模的生产者，其产物质量因上游处理延迟、供应链瓶颈、不适当的储存以及其他妨碍及时交付和应用的突发事件而受到影响，例如，有存活力的高细胞计数产物和相关的其中细胞最初生长的培养液和代谢物。

有利地，在优选的实施方式中，本发明的***利用天然存在的本地微生物及其代谢副产物的能力来改善石油生产。微生物生长设施通过定制基于微生物的产物的能力提供制造多功能性，以改善与目的地地理区域的协同作用。本地微生物可以基于例如耐盐性和在高温下生长的能力来鉴定。

各个容器的培养时间可以是例如1至7天或更长。培养产物可以以多种不同方式中的任何一种来收获。

本地生产和交付在例如24小时的发酵产生纯的、高细胞密度组合物和基本上更低的运输成本。鉴于开发更有效和更强大的微生物接种剂的快速发展的前景，消费者将从这种快速交付基于微生物的产物的能力中极大受益。

在一个实施方式中，根据本发明的组合物通过范围从小(例如，实验室装置)到大(例如工业装置)规模培养过程获得。这些培养过程包括但不限于浸没培养/发酵、固态发酵(SSF)及其组合。

有利地，基于微生物的产物可以在偏远地区生产。微生物生长设施可以通过利用例如太阳能、风能和/或水力发电而在电网外运行。

提高石油和天然气采收率和提高聚合物的降解与回收

在一个实施方式中，本发明提供了通过增强对聚合物添加剂的降解来改善石油和天然气井性能或增加石油和天然气采收率的方法，所述聚合物添加剂是被利用在压裂液中、被用作支撑剂涂覆层的，或者是被利用在压裂球中的。

该方法也可用于完井，特别是在压裂作业中，以及恢复含有石油和天然气地层的健康(即旧的破碎地层的恢复)。例如，本发明组合物和方法可以有助于修复井筒周围区域中的地层破坏，并且可以修复从之前的压裂作业遗留下来的聚合物(例如PLA和PGA)和生物聚合物(例如，瓜尔胶和黄原胶)。因此，堵塞的通道可以在地层内打开，以允许进一步的压裂机会。

在一个实施方式中，该方法包括将包含一种或多种微生物菌株和/或其生长副产物的组合物施加到进行液压压裂处理的油井中。生长副产物可以是任何微生物代谢物，诸如例如，生物表面活性剂、溶剂和/或酶。该方法可以应用于垂直井以及水平井。

优选地，基于微生物的组合物的微生物和/或其生长副产物可以快速消化聚合物，诸如例如PLA或PGA；因此，该方法可以通过减少压裂井的压裂处和井筒内的PLA、PGA或其它聚合物和/或树脂的累积，来改善采收烃资源的能力。

在一个实施方式中，微生物是酵母，例如，异常威克汉姆酵母和/或球拟假丝酵母。在一个实施方式中，微生物是细菌，诸如例如，一种芽孢杆菌进化枝细菌。在一个实施方式中，微生物的组合在基于微生物的组合物中被利用。施加时，微生物可以是活的(或有存活力的)，或可以是孢子形态。

微生物可以就地生长，并且现场生产活性化合物。因此，可以容易且连续地实现在处理地点(例如油井)的高浓度的例如生物表面活性剂、溶剂和/或酶以及产生生物表面活性剂的微生物。

该方法可以进一步包括在施用期间添加用于改善微生物生长和/或萌芽的材料(例如，添加促进微生物生长的营养物和/或萌芽增强剂)。在一个实施方式中，营养物源可包括例如氮、硝酸盐、磷、镁和/或碳。在一个实施方式中，萌芽增强剂可包括例如微摩尔量的L-丙氨酸、L-缬氨酸、L-天冬酰胺和/或锰。

在一个实施方式中，该方法可以进一步包括将聚合物降解酶添加到该地点以提高聚合物降解。

该方法可以通过将组合物和可选的营养物和/或其他试剂直接施加到油藏或压裂液中而就地进行。

在一个实施方式中，可以使用标准泵送和/或盘绕管道将处理顺着到井的套管施加。位于井表面的泵迫使组合物流体进入地层，并且管道有助于隔离不同的压裂区域，从而井内的所有区域都可以到达。一些井可以具有多达20个或更多个不同的压裂区域。

在一个实施方式中，施加到井上的基于微生物的组合物的量和浓度由压裂区域的长度和井的深度确定。例如，所施加的处理的量可以在300加仑至3,000加仑或更多的范围内。

在一个实施方式中，在初级压裂完成后(例如，多达五年或更多年之后)施加处理。在另一个实施方式中，一旦井由于聚合物积聚而开始失去生产力，就施加处理。在另一个实施方式中，在压裂完成后立即施加处理。

在一个实施方式中，该方法可以进一步包括将热量施加到压裂处理的步骤，以便进一步加速聚合物降解速率。

在一个实施方式中，本发明提供了通过在适于生长和酶产生的条件下培养本发明的微生物菌株来生产聚合物降解酶(并且任选地纯化酶)的方法。

本发明的方法可用于降解各种聚合物，特别是那些在液压压裂液中用作添加剂的聚合物。聚合物的非限制性实例包括聚乳酸、或聚(乳酸)(poly(lactic acid))、或聚丙交酯(PLA)、其他聚酯、瓜尔胶基添加剂、淀粉、聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚琥珀酸丁酯(PBS)、聚己内酯(PCL)、聚乙醇酸(PGA)、聚羟基丁酸酯(PHB)和/或这些材料的共混物。这些聚合物的性质，包括在所选环境下的降解时间，可取决于分子量分布、结晶度、共聚物和添加剂。

在优选的实施方式中，本发明可用于降解聚乳酸或PLA。PLA是可生物降解的热塑性聚酯，熔点约为150℃。例如，它被用于制造食品安全容器、模塑部件、薄膜、泡沫、纤维，以及用作3D打印的材料。在石油和天然气工业中，PLA用作在压裂处理中的添加剂，用于增加压裂井的产量。例如，PLA纤维用于防止支撑剂回流，并且PLA薄片和球用作减摩剂和破乳剂。

在进一步的实施方式中，本发明可用于降解聚乙交酯或PGA。PGA也是可生物降解的热塑性聚酯，熔点约为200℃。例如，它已被用于制造医疗植入物和药物递送载体以及可吸收缝合线。在石油和天然气工业中，PGA已被用作腐蚀抑制剂的时间释放剂、分散剂、用于移动设备中润滑剂的分解抑制剂、转向剂、或溶解水垢和防止腐蚀，或以压裂球形式允许区域压裂。

PLA和PGA可以得自化学合成或来自可再生资源，例如来自糖或玉米淀粉的发酵。PLA也可以是用石油生产的。由于PLA和PGA的化学性质，这些特定的聚合物可能需要数天或甚至数月才能降解使用，例如仅使用水或其他天然方法。

因此，本发明的有利之处在于它提供了用于聚合物诸如PLA或PGA的降解或提高其降解的组合物和方法，所述聚合物可以在压裂井中积聚并降低井的产量。如本文所用，“提高降解”是指减少发生降解的时间。

在一个实施方式中，本发明提供了回收保留在压裂井中的聚合物质或将其带至地面的方法。例如，通过本发明的方法和微生物生产的生物表面活性剂可以降低流体的界面张力。因此，然后这些流体可以更容易和更少的能量消耗用于提升聚合物压裂物质，诸如聚丙烯酰胺(PAM)凝胶减摩剂。在另一个实施方式中，生物表面活性剂可用于裂解PAM凝胶。

在另一个实施方式中，本发明的基于微生物的产物和组合物可用于经历酸性压裂处理的井中。在酸压裂中，使用酸诸如盐酸、甲酸和乙酸蚀刻通入井的岩层的通道。转向剂用于在地层中的某些穿透中形成障碍，从而将酸引导到其他所需区域。

在一个实施方式中，提供了使用本发明的基于微生物的组合物来修复(即降解)在酸处理中使用的酸和其他转向剂的方法。特别地，提供了修复苯甲酸转向剂的方法，包括将本发明的基于微生物的组合物施加到经历酸压裂的井中。

苯甲酸薄片或粉末可溶于甲苯、二甲苯、乙醇和一些冷凝液中，但它们在水或气体中溶解非常缓慢。苯甲酸通常用作转向剂，因为它可溶于井中通常遇到的流体中；但是，如果没有充分地分散或混合，它会堵塞穿孔。当发生这种堵塞时，由于流体流动减少，它不能快速溶解。例如，用苯甲酸处理后，苯甲酸堵塞可能需要六个月或更长时间才能恢复正常产量。

实施例

从以下通过说明的方式给出的实施例可以更好地理解本发明及其许多优点。以下实施例说明了本发明的一些方法、应用、实施方式和变异体。它们不应被视为限制本发明。可以对本发明进行许多改变和修饰。

实施例1：培养异常威克汉姆酵母和球拟假丝酵母产物

通过在马铃薯葡萄糖琼脂平板上划线新鲜液体培养物并在30℃下使种子培养物生长3天来维持种子培养。然后，种子培养板可以在4℃下储存最多2周。

YGSU培养基用于培养酵母。对于异常威克汉姆酵母，将初始pH调节至5.5。将种子培养物从琼脂平板转移至具有200mL工作体积的1L烧瓶。将培养物在30℃的振荡器中以200rpm的振荡速度培养。7天后，观察到生物表面活性剂为棕色沉淀层，浓度约为4g/L.

对于球拟假丝酵母，在25℃培养5天后的发酵液可含有酵母细胞悬浮液，以及例如100g/L或更多的生物表面活性剂。

实施例2：用酵母产物处理PLA球

如图1和2所示，酵母发酵产物可以与含有例如PLA球的压裂液一起培育24小时。与酵母发酵产物培育后的PLA球完全溶解，而当仅用水培育相同时间段时，仅发生1％的总溶解(需要约一个月完全溶解)。

Claims

1.一种用于对被用在液压压裂液中并且被用作支撑剂涂覆层的聚合物进行降解的组合物，其中所述组合物包括一种或多种微生物和/或其生长副产物，并且任选地包括一种或多种营养物和/或萌芽增强剂。

2.根据权利要求1所述的组合物，其包括嗜杀酵母微生物和/或其生长副产物。

3.根据权利要求2所述的组合物，其包括异常威克汉姆酵母。

4.根据权利要求1所述的组合物，其包括球拟假丝酵母。

5.根据权利要求1所述的组合物，其包括枯草芽胞杆菌的位点变种。

6.根据权利要求1所述的组合物，其进一步包括糖脂生物表面活性剂。

7.根据权利要求1所述的组合物，其进一步包括表面活性肽。

8.根据权利要求1所述的组合物，其中所述微生物为孢子形式。

9.根据权利要求1所述的组合物，其进一步包括一种或多种聚合物降解酶。

10.一种在压裂井中对聚合物进行降解的方法，其中所述方法包括将权利要求1至9所述的组合物施加至井。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法用于降解聚乳酸(PLA)和/或聚乙交酯(PGA)。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述施加所述组合物的步骤包括将所述组合物注入井筒中。

13.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括施用用于微生物生长和/或萌芽的营养物和/或增强剂。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述营养物包括氮、硝酸盐、磷、镁和/或碳。

15.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括施用聚合物降解酶。

16.根据权利要求10所述的方法，其用于通过改善通过油田管线、罐、套管、管道、杆、泵和/或井筒的传输来增加压裂井的石油产量。

17.根据权利要求10所述的方法，其中所述组合物在距离所述井不超过50英里的距离处现场生产。

18.一种在压裂井中回收聚丙烯酰胺(PAM)凝胶的方法，其中所述方法包括将权利要求1至9所述的组合物施加到流体，然后使用所述流体从所述井中提升所述凝胶。

19.根据权利要求18所述的方法，其中在提升之前，所述组合物被用于使所述PAM凝胶裂解。

20.一种在经历酸压裂的井中修复酸转向剂的方法，其中所述方法包括将权利要求1至9所述的组合物施加到所述井。

21.权利要求19所述的方法，其中所述酸转向剂是苯甲酸。