用于监测流经流体输导和容纳系统的流动的组合物和方法

专利名称：用于监测流经流体输导和容纳系统的流动的组合物和方法
用于监测流经流体输导和容纳系统的流动的组合物和方法本发明涉及用于流体输导和容纳系统的潜在地可检测的示踪剂。更具体地，本发 明涉及用于监测流经所述系统的流动的潜在地可检测的示踪剂，使用所述示踪剂监测所述 流体流动的方法，以及用于在所述系统中监测所述流体流动的试剂盒，该试剂盒包含所述 示踪剂。流体输导和容纳系统易于因组件的损坏而导致效率低下和生产率损失。例如，油 气操控器每天因腐蚀、水垢和水合物累积以及微生物生长而可能损失几百万桶油的生产。 所述系统包括，例如，油库和气库、石油化学加工设备、精炼系统、造纸系统、采矿系统、冷却 塔和锅炉、水处理设备以及天然和人造水系统例如湖泊、水库、河流以及地热田。保持设备、管道和其他基础设施的良好运作是根本上确保最大生产和效率的最有 效途径。对这些系统的流体输导和容纳部分必须进行连续监测，因为许多因素例如管道腐 蚀和微生物生长、水垢、水合物、浙青质和蜡的累积都可降低流动效率。监测天然水系统对 于例如提供关于不同来源的水的流动的信息、评估某些过程的的环境影响以及收集关于水 流的信息也很重要。可检测部分(moiety)可用于监测系统中流体流动的效率和流体的具 体组分。应用包括但不限于勘测泄漏、流速以及来自不同系统的流体如何混合。化学介入的频率是关键的成本因素。尽管化学介入适当，也依然遭受许多损失，例 如，油气操控器每天因腐蚀、水垢和水合物累积以及微生物生长而可能损失几百万桶油的 生产。在监测流体流动过程中收集的信息可用于确保介入的有效部署，所述部署可帮助保 持设备完整性和系统中的最优化流动。例如，使用所谓的“处理物质”来帮助保持流动效率。 这些处理物质可包括阻垢剂、缓蚀剂、水合物抑制剂、蜡抑制剂、防污剂、浙青质抑制剂、PH 稳定剂、硫化氢净化剂、流动助剂、消泡剂、去垢剂和破乳剂。这些处理物质可用于油井和气 井、油和气的管道、石油化学加工设备、造纸系统、采矿系统、冷却塔、锅炉、水处理设备和天 然水道。术语“处理物质”并不意图限于本专利申请所提到的物质。因此，明显需要监测在工业流体输导和容纳系统以及天然水系统中的流体的流 动。此监测过程可能是劳动密集和昂贵的，特别是但不限于需要在例如油井处近海监测流 体流动的情况。对于后者，通常是将样品空运到岸上进行检测，这非常昂贵并且费时。当油 田建成后，到海岸的航班的频率变低，导致检测不详尽。因此，油井故障的风险增加并且对 简单近海检测的需要增长。通常，需要经济、简单、方便的就地检测样本的方法和用于这些 方法的组合物，以测量流经流体输导和容纳系统的流体的流动。具体地，能够监测流体流动使得确保流动方面的问题可得到早期检测并使得可采 取预防措施以使生产损失的风险最小化。例如，可通过监测流体流动实现的目标种类可包 括定量确定在系统中流动的水、油或其他流体的体积；定量确定在系统中流动的流体的速 度；确定系统例如水库的优选流向；确定用于产生流动关系的喷射器；勘测系统中的泄露 以及确定来自不同系统的流体是如何混合的，例如从不同井喷射或生产的水是如何混合 的。获得此信息后采取的预防措施可包括，例如，挤压处理的早期规划；告知针对管道中的 确保流动的问题使用处理物质和使处理物质的使用效率最大化，从而只在需要时加入它们 即在检测到具体流动问题时加入。
监测流体流动的一种可用方法是使用一种其运动可被预测和监测并用于获得系 统信息的可检测部分。这些可检测部分也可称为“示踪剂”。许多系统适于用示踪剂进行监 测。这些系统可为工业系统，例如钻井现场的井下或地层或者地层的钻孔区，或者天然系统 例如水道。示踪剂目前用于监测系统中的流体流动和流体的具体组分。这些示踪剂包括化 学物质例如多种类型的盐包括氯化钾；惰性气体例如氪或氙；多种烃化合物；有色化学物 质和荧光化学物质例如荧光素和若丹明。也可使用放射性材料例如重水和氚。作为放射性 示踪剂应用的一个实例参见US 5，077，471，其中放射性示踪剂用于指示来自地层的流体流 动。重水和氚都是有效的放射性示踪剂，但都相对昂贵并因其放射性而受到严格的进出口 限制。化学示踪剂也已被使用。这些化学示踪剂因不具有放射性而使得使用限制较小，但 是可能昂贵，可能有溶解性问题，可能无法在非常低的浓度下被检测到并且——尤其是在 油井和气井中的苛刻条件下——可能被降解。WO 2005/000747,US 6，312，644,US 5，621，995 和 US 5，171，450 描述了荧光可检
测部分作为阻垢剂和其他水处理化学物质的缀合示踪剂的应用。然而，在这些系统中使用 的流体可能是黑色的例如黑色油，因此可能掩盖荧光或有色示踪剂的信号。或者，所述流体 可发出较强的荧光例如缓蚀剂、油或藻类，因此信号/背景的比值较小，必须使用复杂的数 据处理来检测所述示踪剂。优选地使用只能在加入试剂后用选定的检测方法潜在地可检测 到的部分用于监测流体流动。此外，这些专利未公开在流体中游离的荧光示踪剂的应用；而 只涉及所述部分连接在水处理化学物质上的情况。US 6，040，406描述了一种可聚合的、潜在地可检测的部分，其由光敏剂转化为可 吸收波长在300-800nm内的光的部分。换言之，此部分的检测方法为比色法，其中样品中 的颜色变化指示所述部分的存在情况和浓度。比色法并不总是适合作为检测方法，例如当 需要测量有色或不透明样品例如油或污水中的信号时。为了确保可测试许多不同类型的 样品，因此，优选地使用一系列潜在地可检测的部分，其中每种都可使用若干不同的方法检 测，所述方法不受到因背景信号而导致的可见度低的问题的困扰。US 6，218，491和US 6，251，680描述了引入了末端胺-巯基部分以连接胺反应性 可检测标记的水溶性聚合物。将所述可检测标记加入到采集自流体的样品中以分析所述水 溶性聚合物的浓度。所述胺_巯基末端部分为肽和多肽的各种衍生物。使用这些分子作为 处理物质的标记或作为监测流动的示踪剂的问题为在油和水处理设备内遭遇的极端条件 下，基于氨基酸聚合物的分子不稳定。仍然需要在这些工业系统的苛刻环境下稳定的潜在 地可检测示踪剂。包括盐在内的化学示踪剂也已被使用。例如，W02007102023描述了非放射性金属 及其盐的应用。这些示踪剂可具有低检测限，但例如在产生的流体中检测所述示踪剂所需 的技术要求有高级技术人员和昂贵的设备例如感应耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。总之，本领域需要的是如下所述的可检测示踪剂其在化学上和热学上稳定的，经 济的，安全性可接受(即无毒、不易燃、无腐蚀性、无放射性的)，不易受样品干扰，易于高特 异性地检测，并可在极低浓度优选小于百万分之一的浓度下被检测。仍然需要可用于监测 工业和/或天然输导和容纳系统中的流体流动。优选地，这些示踪剂以及使用所述示踪剂 的方法足够合适和简单从而可在线上(online)、线旁(atline)、线内(inline)或离线进行 监测。优选地，所述示踪剂和任何使用它们的方法对于被勘测的系统具有最小的有害影响。
6这些系统可包括油井、气井、烃流动管线、精炼设备、工厂或河流系统。对于油和气的应用， 需要所述示踪剂和反应方法在油井的苛刻环境下稳定，所述苛刻环境包括高温，高压，处理 化学物质、油和高离子强度溶液的存在。最后，提供易于在样品中检测的示踪剂是有益的， 由此可以解决信号与背景的比值低的任何问题。本发明的目标是提供试图解决上面强调的问题的组合物。定义就本说明书的目的而言，“示踪剂”被定义为特异性地与结合的生物大分子相互作 用的部分。所述示踪剂可以是潜在地可检测的，只在与所述结合的生物大分子相互作用时 产生可检测的信号。本说明书中使用的“潜在地可检测”是指直到示踪剂与生物大分子的识别位点相 互作用才能用选定的检测方法检测到该示踪剂。所述相互作用导致样品中的变化，或生物 大分子中的变化，所述变化可为选定的检测方法所检测。“流体输导和容纳系统”或“用于输导和容纳流体的系统”或“流体系统”是指任何 用于工业或为工业所用的这种系统。这可包括天然水系统。该术语也可指那些用于对于实 现高生产力或使效率最大化而言流动效率非常重要的工业的系统。该术语也可指任何用处 理物质处理的系统，所述处理物质用于增强所述系统内的流动效率。这些处理物质在本专 利申请中进行讨论。将从本发明受益的这些流体输导和容纳系统的实例包括油库和气库及 其相关基础设施(井、管线、分离设备等)、石油化学加工设备、精炼系统、造纸系统、采矿系 统、冷却塔和锅炉、水处理设备以及天然水系统例如湖泊、水库、河流以及地热田。如可为本 领域技术人员所理解的，这种系统一般很大，但可包括小组件；此外，某些这种系统可能较 小，例如微观流体的设备。就本说明书的目的而言，“生物大分子”被定义为包含针对小分子的特异性相互作 用、结合或置换的位点的生物大分子，例如蛋白，表1中列出了所述生物大分子的若干非限 制性实例。这种相互作用可基于所述示踪剂和/或所述生物大分子的构象或化学特征。这 也可包括示踪剂与已结合有生物大分子的配体的结合或相互作用，例如所述配体被所述标 记所置换。所述生物大分子在与所述示踪剂结合时可被改变以产生信号，或者可因生物大 分子固有的、业已存在的性质而产生信号。这种信号可为化学信号，例如过氧化氢的产生， 或所述信号可基于光。例如，可将荧光团连接在生物大分子例如链霉亲和素上。或者，所述 生物大分子可因业已存在的性质而产生信号，例如其可为发光蛋白并发出光，或者其可为 酶并在与所述示踪剂相互作用时产生一种分子。任何通过这种识别或结合位点与小分子特 异性结合的本领域已知的生物大分子都符合此定义。该术语可包括许多天然存在的小分 子-生物大分子对，如下面并非穷举地列出的表 1示踪剂该示踪剂结合的蛋白生物素链霉亲和素或抗生物素蛋白或 中性链亲和素(neutravidin )或 生物素连接蛋白(captavidin )， 以及它们的突变变体和衍生物硒生物素链霉亲和素或抗生物素蛋白或 中性链亲和素或生物素连接蛋 白，以及它们的突变变体和衍生 物氧生物素链霉亲和素或抗生物素蛋白或 中性链亲和素或生物素连接蛋 白，以及它们的突变变体和衍生 物素疏胺素结合蛋白核黄素和核黄素-5，-磷酸核黄素结合蛋白(黄素蛋白)烟酸(尼克酸)烟酸结合蛋白泛酸泛酸结合蛋白柠檬酸(citrate)柠檬酸结合蛋白钴胺素钴胺素结合蛋白叶酸叶酸结合蛋白抗坏血酸抗坏血酸结合蛋白视黄醇视黄醇结合蛋白维生素D、胆钙化醇和钙三醇维生素D结合蛋白，如组特异性 蛋白(Ge)、25-羟化酶、维生素D
权利要求
一种用于监测流经一种流体输导和容纳系统的流动的示踪剂，其中所述示踪剂和生物大分子之间的相互作用产生可检测的信号。
2.权利要求1的示踪剂，其中所述生物大分子包含与所述示踪剂特异性相互作用的位点ο
3.权利要求1或2的示踪剂，其中所述生物大分子和所述示踪剂结合成天然分子信号 传导复合物的一部分。
4.权利要求1-3的示踪剂，其中所述可检测信号为光学信号。
5.权利要求1-4之一的示踪剂，其中所述可检测信号在向含有所述示踪剂和所述生物 大分子的样品或流体中加入第二种分子时产生。
6.权利要求1-5之一的示踪剂，其中所述示踪剂是已知与特定天然生物大分子相互作 用的小分子。
7.权利要求1-6之一的示踪剂，其中所述示踪剂包括维生素——包括生物素、硒生物 素或氧生物素，硫胺素，核黄素，烟酸(尼克酸)，泛酸，柠檬酸，钴胺素，叶酸，抗坏血酸，视 黄醇，维生素C、D、E或K ；萤光素；腔肠素；几丁质；氨基酸如组氨酸；或单糖，多糖和碳水化 合物——包括阿拉伯糖、脱氧核糖、来苏糖、核酮糖、木糖、木酮糖、麦芽糖、葡萄糖、果糖、核 糖或海藻糖，咖啡因、咪唑啉、类固醇激素、氯丙嗪和cAMP，皮质醇，6-酮前列腺素，甲状腺 素，三碘甲腺原氨酸，花色素苷，胆固醇，L-古洛糖酸-1，4-内酯，胆汁盐包括胆酸、鹅去氧 胆酸、脱氧胆酸和甘油胆酸，类花生酸(前列腺素、前列环素、血栓素和白三烯)，半乳糖及 衍生物——包括2-N-乙酰半乳糖、1-甲基-β -D-半乳糖、1-辛基-β -D-半乳糖，黄嘌呤和 次黄嘌呤，儿茶酚胺例如肾上腺素和去甲肾上腺素，核苷酸例如腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、胸 腺嘧啶、尿嘧啶，为单磷酸盐、二磷酸盐和三磷酸盐形式；并且根据所用示踪剂，所述结合的 生物大分子选自抗生物素蛋白及其功能类似物例如链霉亲和素、中性链亲和素和硝基链 亲和素；硫胺素结合蛋白；核黄素结合蛋白(黄素蛋白)；烟酸结合蛋白；泛酸结合蛋白；柠 檬酸结合蛋白；钴胺素结合蛋白；叶酸结合蛋白；抗坏血酸结合蛋白；视黄醇结合蛋白；维 生素D结合蛋白如组特异性蛋白(Ge)；维生素E结合蛋白；维生素K结合蛋白；萤光素酶； 腔肠动物萤光素酶；几丁质结合蛋白；组氨酸转运蛋白；阿拉伯糖结合蛋白；脱氧核糖结合 蛋白；来苏糖结合蛋白；核酮糖结合蛋白；木糖结合蛋白；木酮糖结合蛋白；麦芽糖结合蛋 白；葡萄糖结合蛋白；果糖结合蛋白；核糖结合蛋白；海藻糖结合蛋白或凝集素；咖啡因结 合蛋白；咪唑啉结合蛋白；类固醇激素受体；氯丙嗪结合蛋白；cAMP结合蛋白；皮质醇结合 蛋白；6-酮-前列腺素抗体包括标记的抗体例如水母发光蛋白或GFP标记的抗体；甲状腺 素结合蛋白包括甲状腺素结合球蛋白、转甲状腺素蛋白和白蛋白；三碘甲腺原氨酸结合蛋 白；谷胱甘肽-S-转移酶；胆固醇结合蛋白例如VIP21/窖蛋白和胆固醇氧化酶；L-古洛糖 酸-1，4-内酯结合蛋白包括Rvl771、L-古洛糖酸_1，4-内酯脱氢酶和L-古洛糖酸_1，4-内 酯氧化酶；谷胱甘肽-S-转移酶和胆汁结合蛋白包括回肠胆汁酸结合蛋白和肝脂肪酸结合 蛋白，前列腺素受体包括PPARg，前列环素受体包括PTGIR和血栓素受体例如TXA2 ；L-抗 坏血酸结合蛋白包括L-抗坏血酸氧化酶；半乳糖结合蛋白包括半乳糖氧化酶，黄嘌呤氧化 酶、黄嘌呤脱氢酶、磷酸核糖基转移酶、黄嘌呤结合RNA，儿茶酚胺调节蛋白(CRP40)、儿茶 酚胺结合蛋白、肾上腺素能受体(α和β)、肾上腺素受体、去甲肾上腺素受体；核苷酸结合 蛋白例如G蛋白和ATP结合蛋白。
8.权利要求1-7之一的示踪剂，其中所述示踪剂与至少一种处理物质结合，所述处理 物质用于保持流体系统中的有效流动。
9.权利要求1-8之一的示踪剂，其中所述信号可用荧光检测器、发光检测器、拉曼检测 器、光学显微镜、CCD照相机、照相胶片、光导纤维设备、光度检测器、MEMS设备、单光子探测 器、分光光度计、色谱系统或用眼睛检测到。
10.权利要求1-9之一的示踪剂，其中当存在生物大分子时，所述示踪剂可在至少Ippb 的浓度下检测到。
11.权利要求1-11之一的示踪剂，其中所述示踪剂在需要高流动效率以实现高生产力 的流体输导和容纳系统中使用。
12.权利要求1-12之一的示踪剂，其中所述系统选自油库和气库及其相关基础设施 (井、管线、分离设备等)、石油化学加工设备、精炼系统、造纸系统、采矿系统、冷却塔和锅 炉、水处理设备以及水系统例如湖泊、水库、河流以及地热田。
13.—种监测流经一种流体输导和容纳系统的流体流动的方法，包括a)在所述系统中的第一位置加入预定量的至少一种权利要求1的示踪剂；b)在所述系统中的至少第二位置向所述流体中加入权利要求7的生物大分子，所述第 二位置在所述第一位置的下游，其中在所述第一位置的可检测示踪剂的预定量足以使在所 述第二位置的可检测示踪剂的浓度高于Ippb的检测限，所述结合的生物大分子的浓度足 以因所述可检测的示踪剂与所述生物大分子的特异性相互作用而在所述流体中产生可检 测变化；c)检测所述流体中的变化；d)分析所测量的可检测变化以确定所述第二位置处的所述示踪剂的浓度；e)使用在步骤d)中获得的数据来评估所述流体输导和容纳系统中的所述流体的流动 特征。
14.权利要求13的方法，还包括从所述第二位置处采集流体样品的步骤。
15.权利要求14的方法，还包括处理所述样品以提高所述信号的可检测性的步骤。
16.权利要求14或15的方法，其中所述样品被浓缩、漂白、过滤或固定以提高所述信号 的可检测性。
17.权利要求13-16之一的方法，其中所述示踪剂和所述生物大分子之间的相互作用产生光学信号。
18.权利要求13-17之一的方法，还包括在检测所述流体中的所述变化之前加入第二 种分子的步骤。
19.权利要求18的方法，其中所述第二种检测分子与所述标记与所述生物大分子之间 相互作用的化学产物反应。
20.权利要求19或20的方法，其中所述化学产物为过氧化氢。
21.权利要求18-20之一的方法，其中所述第二种检测分子为在过氧化物酶存在下的 Amplex Red ；在过氧化物酶存在下的酚红；在二甲酚橙存在下的亚铁离子；或者在过氧化 物酶存在下的环状二酰基酰胼。
22.权利要求13-21之一的方法，其中监测多种示踪剂。
23.权利要求13-22之一的方法，其中在所述生物大分子的存在下，所述示踪剂可用荧光检测器、发光检测器、拉曼检测器、光学显微镜、CCD照相机、照相胶片、光导纤维设备、光 度检测器、MEMS设备、单光子探测器、分光光度计、色谱系统或用眼睛检测到。
24.权利要求13-23之一的方法，其中示踪剂的检测离线进行。
25.权利要求13-23之一的方法，其中示踪剂的检测在线内进行。
26.权利要求13-23之一的方法，其中示踪剂的检测在线旁进行。
27.权利要求13-23之一的方法，其中示踪剂的检测在线上进行。
28.权利要求13-23之一的方法，其中所述示踪剂与一种处理物质结合。
29.权利要求13-28之一的方法，还包括使用所获得的数据以告知将所述至少一种处 理物质供给至所述系统中以保持所述处理物质的有效浓度的步骤。
30.权利要求13-29之一的方法，其中所述方法在需要高流动效率以实现高生产力的 系统中实施。
31.权利要求13-30之一的方法，其中所述系统选自油库和气库及其相关基础设施 (井、管线、分离设备等)、石油化学加工设备、精炼系统、造纸系统、采矿系统、冷却塔和锅 炉、水处理设备以及水系统例如湖泊、水库、河流以及地热田。
32.一种用于监测流经一种流体输导和容纳系统的流体流动的试剂盒，包含a)权利要求1的示踪剂；和b)根据所述试剂盒中所含的示踪剂而选择的生物大分子。
33.权利要求32的试剂盒，还包含用于从所述系统中采样的工具。
34.权利要求32或33的试剂盒，还包含第二种检测分子。
35.权利要求32-34之一的试剂盒，还包含选自荧光检测器、发光检测器、拉曼检测器、 光学显微镜、CCD照相机、照相胶片、光导纤维设备、光度检测器、MEMS设备、单光子探测器、 分光光度计、色谱系统的光学检测器，或通过眼睛检测。
全文摘要
本发明涉及用于流体输导和容纳系统的潜在的可检测的示踪剂，其中所述示踪剂和生物大分子之间的相互作用产生可检测信号。更具体地，本发明涉及用于监测流经这类系统的流动的潜在的可检测的示踪剂，使用所述示踪剂监测流体流动的方法，以及用于监测这类系统中的流体流动的试剂盒，其包含所述示踪剂。
文档编号G01N33/18GK101952546SQ200880126864
公开日2011年1月19日 申请日期2008年12月17日 优先权日2007年12月17日
发明者A·穆萨维, A-M·弗勒, C·罗利-维拉姆斯, C·麦肯辛, E·坡范科特, F·麦凯, V·麦格达伦尼克 申请人:卢克斯创新有限公司