可用于在高pH环境中水解瓜尔胶的组合物和与之相关的方法

可用于在高pH环境中水解瓜尔胶的组合物和与之相关的方法
【专利摘要】提供压裂地层的方法和组合物。压裂液包含随时间推移降低压裂液粘度的酶破胶剂。酶破胶剂可以用于具有约7至约12的pH值的环境中。
【专利说明】可用于在高pH环境中水解瓜尔胶的组合物和与之相关的 方法

【背景技术】 发明领域
[0001] 本发明涉及在井筒操作中使用的胶化压裂液。更具体地，本发明涉及使用在胶化 压裂液中掺入的酶、特别在具有升高pH值的环境中水解胶化压裂液的方法。
[0002] 相关技术的描述
[0003] 水力压裂法用来产生从钻孔延伸进入地层的地下裂隙以便增加可以由地层产生 流体的速率。通常，将高粘度压裂液以足够压力泵送入井中以压裂地下岩层。为了维持增 加的地层暴露量，将固态支撑剂添加至压裂液，所述压裂液由施加至流体的高压携带进入 裂隙。
[0004] 一些常规压裂液包含瓜尔胶（半乳甘露聚糖胶）或瓜尔胶衍生物，如羟丙基瓜尔 胶（HPG)、羧甲基瓜尔胶（CMG)或羧甲基羟丙基瓜尔胶（CMHPG)。这些聚合物可以交联在一 起以增加它们的粘度并增加它们的支撑剂运输能力。
[0005] -旦地层被适当地压裂并且支撑剂就位，则一般通过使用破胶剂回收压裂液。破 胶剂通常降低流体的粘度至足够低的值，该值允许支撑剂下沉至裂隙中并因而增加地层对 井的暴露。破胶剂通过降低聚合物分子量发挥作用，它"分解"聚合物。裂隙随后变成待产 生返回井的流体和气体的高通透性导管井。
[0006] 除了为胶化流体提供分解机制以促进回收流体外，破胶剂也可以用来控制压裂液 分解的时程，这是重要的。过早分解的凝胶可能造成悬浮的支撑剂材料在被引导进入产生 的裂隙中足够距离之前从凝胶中沉淀下来。过早分解也可以导致流体粘度过早降低，导致 裂隙中产生低于所需的裂隙长度。
[0007] 在另一方面，太缓慢分解的胶化流体可能造成压裂液的低回收率和恢复产生地层 流体的延迟。额外的问题可以造成例如支撑剂从裂隙被逐出的倾向性，导致低于所需的封 闭和压裂操作效率降低。
[0008] 出于本申请的目的，过早分解将理解成意指在将全部流体引入待压裂地层之前， 凝胶粘度削弱至不想要的程度。
[0009] 最佳地，压裂凝胶当泵送操作终结时将开始分解。出于实践目的，该凝胶应当在压 裂阶段完成后的特定时间段范围内完全分解。在较高温度，例如，约24小时是足够的。完 全分解的凝胶将视为意指可以由流动的地层流体从地层冲洗出来或可以通过抽汲操作回 收的一种凝胶。在实验室环境下，完全分解的非交联型凝胶是这样一种凝胶，其粘度是约10 厘泊或更小，如50型Farm粘度计R1/B1上以300转/分钟所测量，或由Brookfield粘度计 转子#1以0. 3转/分钟所测量，小于100厘泊。
[0010] 通过比较，某些凝胶，如基于瓜尔胶的那些聚合物，在无化学添加物介入情况下发 生天然断裂。然而，分解时间可能过分长。因此，为了减少压裂中使用的凝胶的分解时间， 将化学物质掺入凝胶中并使其变成凝胶本身的一部分。一般，这些物质是发挥降解高分子 凝胶结构作用的氧化剂或酶。
[0011] 然而，已经证明难以使用各种化学物质如氧化剂或酶获得受控分解。常见氧化剂 在从环境温度至130° F的低温范围无效。常见氧化剂需要较高温度以造成过氧化物键的 均裂或造成共反应物启动切割。常见氧化剂不将多糖主链分解成单糖单元。分解是非特异 的，产生大分子的混合物。另外，常见氧化剂难以控制，因为它们不仅攻击聚合物，它们还与 易于氧化的任何其他分子反应。氧化剂可以例如与石油工业中使用的管路和衬层以及树脂 包覆支撑剂上的树脂反应。
[0012] 在另一方面，酶具有催化性和底物特异性并且将催化聚合物上特定键的水解。使 用酶用于受控分解规避了氧化剂温度问题，因为酶在较低温度有效。酶将在其有效寿命过 程中降解许多聚合物键。不过，酶在狭窄pH范围下运行并且它们的功能状态经常在高pH 值失活。用来降解半乳甘露聚糖胶的常规酶在轻微酸性至中性条件（PH5至7)下具有最 大催化性活性。活性曲线已经表明经过这个点，酶保留微弱活性或无活性。酶活性在超过 PH8. 0后快速地下降并且在pH9. 0以上变性。在硼酸交联型瓜尔凝胶情况下，凝胶还是pH 依赖的，需要超过8.0的pH以启动胶化。随着pH增加，所产生的凝胶变得更坚硬。正常情 况下，当酶随硼酸盐交联型流体一起使用时，将这些凝胶缓冲以维持pH范围8. 2至8. 5以 确保胶化和酶降解。这项技术需要高浓度的硼酸盐和酶。不过，在确保良好分解的同时，初 始凝胶稳定性和支撑剂转运能力被削弱。最佳酶浓度的确定是初始凝胶稳定性和足够分解 作用之间的折中。
[0013] 因为对于压裂应用，大多少瓜尔胶聚合物在9. 5和11. 0之间的pH值交联，需要可 以在这个范围内如在> 10. 5的pH范围降解基于瓜尔胶的压裂液部的破胶剂。还需要用于 井压裂操作的凝胶系统，所述凝胶系统可以在不干扰交联化学的情况下，在广泛类型pH值 范围内在低温至中温度分解凝胶聚合物。为胶化压裂液提供酶破胶剂系统将是有利的，所 述酶破胶剂系统在广泛pH值范围内和在低温产生受控分解并减少从地层回收流体后留在 地层中的残余物的量和尺寸。
[0014] 发明简述
[0015] 鉴于前述情况，提供用于压裂地下岩层的方法和组合物，所述方法和组合物有效 地水解压裂液，特别在升高的pH值时。用于压裂地下岩层的方法和组合物使用在升高的pH 值有效的酶破胶剂。
[0016] 作为本发明的实施方案，提供一种压裂由井筒穿透的地下岩层的方法。在这个实 施方案中，提供一种交联型聚合物凝胶，所述交联型聚合物凝胶包含水质流体、可水化聚合 物、能够交联可水化聚合物的交联剂和糖苷水解酶酶破胶剂。糖苷水解酶水解两个或更多 个糖之间或糖和非糖部分之间的糖苷键。随后将交联型聚合物凝胶在足够压力下泵送至井 筒内部的所需位置以压裂包围的地下岩层。一旦压裂完成，则允许酶破胶剂降解交联型聚 合物凝胶，从而它可以从地下岩层回收或移除。酶破胶剂在60° F至约225° F的温度范 围内有催化活性和温度稳定性。
[0017] 优选的糖苷水解酶酶破胶剂是选自糖苷水解酶家族5和糖苷水解酶家族26以及 其混合物的那些。
[0018] 在另一个实施方案中，优选的酶破胶剂是碱性β-甘露聚糖酶。特别优选的碱 性β -甘露聚糖酶破胶剂是衍生自下述基因的那些，其中所述基因具有分布于编码碱性 β-甘露聚糖酶的基因的5'和3'末端旁侧的工程化限制性核酸内切酶位点，如Xho I和 Bel I。在一个方面，该基因经密码子优化以便在大肠杆菌（E.coli)中表达。在另一个方 面，该基因产生GST-甘露聚糖酶融合蛋白。
[0019] 另一个实施方案涉及作为本发明的另一个实施方案提供的一种压裂围绕井筒的 地下岩层的方法。在这个实施方案中，形成交联型聚合物凝胶，所述交联型聚合物凝胶包含 水质流体、可水化聚合物、能够交联可水化聚合物的交联剂和选自糖苷水解酶家族5和糖 苷水解酶家族26的酶破胶剂以产生交联型聚合物，以及衍生自下述基因的那些碱性β -甘 露聚糖酶，其中所述基因具有分布于编码碱性β_甘露聚糖酶的基因的5'和3'末端旁侧 的工程化限制性核酸内切酶位点，如Xho I和Bel I。在一个方面，该基因经密码子优化以 便在大肠杆菌（E.coli)中表达。在另一个方面，该基因产生GST-甘露聚糖酶融合蛋白。一 旦形成交联型聚合物凝胶，则将它在足够压力下泵送至井筒内部的所需位置以压裂包围的 地下岩层。允许酶破胶剂降解交联型聚合物凝胶，从而它可以从地下岩层回收或移除。酶 破胶剂在60° F至约225° F的温度范围内和在约7至约12的pH范围内有催化活性和温 度稳定性，其中最大催化活性在PH10. 5-11. 5处。
[0020] 除了方法实施方案外，还提供组合物作为本发明的实施方案。作为本发明的另一 个实施方案，提供一种压裂液组合物。该压裂液包含水质流体、可水化聚合物、能够交联可 水化聚合物的交联剂；和酶破胶剂如选自糖苷水解酶家族5和糖苷水解酶家族26的那些以 及碱性β-甘露聚糖酶如上文命名的那些。与其他实施方案一样，酶破胶剂在60° F至约 225° F的温度范围内和在约7至约12的pH范围内有催化活性和温度稳定性，其中最大催 化活性在口1110.5-11.5处。
[0021] 在本发明的一个实施方案中，在本文所述的方法和组合物中使用的酶破胶剂可以 衍生自下述基因，所述基因具有分布于编码碱性β-甘露聚糖酶的基因的5'和3'末端旁 侧的工程化限制性核酸内切酶位点，如Xho I和Bel I。在一个方面，该基因经密码子优化 以便在大肠杆菌（E.coli)中表达。在另一个方面，该基因产生GST-甘露聚糖酶融合蛋白。
[0022] 附图简述
[0023] 图1A是编码根据本发明的实施方案产生的酶破胶剂的基因的序列；
[0024] 图1B是图1A的基因序列与编码现有技术酶的基因的基因序列的比较；
[0025] 图2是说明产生质粒pGS_21a_hp β和pUC57_hp β的示意图，所述质粒可以在根 据本发明实施方案的酶破胶剂中使用；
[0026] 图3是曲线图，其显示在pH值11. 0、12. 0和13. 0,在1小时和18小时后，由根据 本发明实施方案产生的酶破胶剂所致的18ppt交联型瓜尔胶GW-3的粘度下降；
[0027] 图4是柱状图，其显示比较没有酶破胶剂的交联型瓜尔胶GW-3和具有根据本发明 实施方案产生的酶破胶剂的交联型瓜尔胶GW-3时，在pH值11. 0、12. 0和13. 0,在1小时和 18小时后，18ppt交联型瓜尔胶GW-3的粘度下降；
[0028] 图5是曲线图，其显示在使用根据本发明实施方案产生的酶破胶剂18小时后 5〇ppt非交联型瓜尔胶GW-3中粘度降低；
[0029] 图6是曲线图，其显示在pH10. 5使用根据本发明实施方案产生的酶破胶剂的不同 载量时对30ppt交联型瓜尔胶GW-3的粘度的影响；
[0030] 图7是曲线图，其显示在pH10. 5向根据本发明实施方案产生的酶破胶剂添加不同 类型的二价阳离子时对30ppt交联型瓜尔胶GW-3的粘度的影响；并且
[0031] 图8是曲线图，其显示根据本发明实施方案产生的酶破胶剂的货架期，其中酶破 胶剂以各种浓度和温度贮存并且其活性相对于时间而报道。
[0032] 尽管本发明可以有多种修改和替代形式，但是具体实施方案已经以举例方式在附 图显示并且将在此详细描述。然而，应当是理解本发明不意在限于公开的具体形式。相反， 意图覆盖落入如所附权利要求书定义的本发明精神和范围的全部修改、等同物和替代物。 [0033] 说明性实施方案的描述
[0034] 下文描述本发明的说明性实施方案，因为它们可能在操作中以及在油田应用处理 中使用。处于清晰目的，本说明书中未描述实际实施例的全部特征。当然将理解，在开发任 何这类实际实施方案时，必须作出许多实施特异性决定以实现开发者的特定目标，这些目 标将随在各个实施例之间不同。另外，将可以理解这种开发工作可能是复杂和耗时的，但仍 将是具有本公开利益的本领域普通技术人员的例行任务。本发明的多种实施方案的其他方 面和优点将从考虑以下描述中变得显而易见。
[0035] 作为本发明的实施方案，提供一种压裂围绕井筒的地下岩层的方法。在这个实施 方案中，提供一种交联型聚合物凝胶，所述交联型聚合物凝胶包含水质流体、可水化聚合 物、能够交联可水化聚合物的交联剂和糖苷水解酶酶破胶剂以产生交联型聚合物。随后将 交联型聚合物凝胶在足够压力下注射至井筒内部的所需位置并与岩层接触以压裂包围的 地下岩层破裂。一旦压裂完成，则允许酶破胶剂降解交联型聚合物凝胶，从而它可以从地下 岩层回收或移除。酶破胶剂在60° F至约225° F的温度范围内有催化活性和温度稳定性。
[0036] 提供另一种压裂围绕井筒的地下岩层的方法作为本发明的另一个实施方案。在这 个实施方案中，通过合并水质流体、可水化聚合物和糖苷水解酶酶破胶剂形成胶化流体随 后添加能够交联胶化流体的交联剂以形成具有促进地层压裂的足够粘度的交联型聚合物 凝胶。一旦形成交联型聚合物凝胶，将它在足够压力下注射至井筒内部的所需位置并与岩 层接触以压裂包围的地下岩层破裂。允许酶破胶剂降解交联型聚合物凝胶，从而它可以从 地下岩层回收或移除。酶破胶剂在60° F至约225° F的温度范围内和在约7至约12的 pH范围内有催化活性和温度稳定性，其中最大催化活性在ρΗΙΟ. 5-11. 5处。
[0037] 除了方法实施方案外，还提供组合物作为本发明的实施方案。作为本发明的另一 个实施方案，提供一种压裂液组合物。压裂液包含水质流体、可水化聚合物、能够交联可水 化聚合物的交联剂和糖苷水解酶酶破胶剂。与其他实施方案一样，酶破胶剂在60° F至约 225° F的温度范围内和在约7至约12的pH范围内有催化活性和温度稳定性，其中最大催 化活性在口1110.5-11.5处。
[0038] 本发明的酶破胶剂优选地包含如法国马赛AFMB的Glycogenomics小组开发、 2012年1月9日更新的Carbohydrate-Active enZYmes (糖活性酶）（CAZy)的家族5或 家族26糖苷水解酶。糖苷水解酶家族5 (GH5)是具有几种已知活性的保留酶；葡聚糖内切 酶（EC:3. 2. 1. 4) ; β -甘露聚糖酶（EC:3. 2. 1. 78);外切-1，3-葡聚糖酶（EC:3. 2. 1. 58); 内切-1，6-葡聚糖酶（EC:3. 2. 1.75);木聚糖酶（EC:3. 2. 1.8);神经节苷脂内切糖苷酶 (EC:3. 2. 1. 123)。家族5的糖苷水解酶包括壳聚糖酶（EC3. 2. 1. 132) ; β -甘露糖苷酶 (EC3. 2. 1. 25);纤维素酶（EC3. 2. 1. 4);葡聚糖β -1，3-葡糖苷酶（EC3. 2. 1. 58);地衣淀粉 酶（licheninase) (EC3. 2. 1. 73);葡聚糖内切-1，6-β -葡糖苷酶（EC3. 2. 1. 75);甘露聚糖 内切-β-1，4-甘露糖苷酶（EC3. 2. 1.78);内切-β-1，4-木聚糖酶（EC3. 2. 1.8);纤维素 β -1，4-纤维二糖酶（EC3. 2. 1. 91) ; β -1，3-甘露聚糖酶（EC3. 2. 1.-);木葡聚糖特异性内 切-β-1，4-葡聚糖酶（EC3. 2. 1. 151);甘露聚糖转糖基酶（EC2. 4. 1.-);内切-β-1，6-半 乳聚糖酶（EC3. 2. 1. 164)和神经节苷脂内切糖苷酶（EC3. 2. 1. 123)。
[0039] 在一个优选实施方案中，可以使用糖苷水解酶家族5亚家族8的酶。这类保留酶 包括从嗜碱性芽孢杆菌属（Bacillus)物种Ν16-5的基因衍生的酶破胶剂。这类酶在约9. 5 显示出酶活性的最佳pH并且折叠成（β / α ) (8)-桶折叠，同时两个活性部位谷氨酸在序列 中相隔大约200个残基并且位于β-链4(酸/碱）和7(亲核体）的C末端处。
[0040] 在另一个优选实施方案中，酶破胶剂是碱性β -甘露聚糖酶如衍生自下述基因的 碱性β-甘露聚糖酶，其中所述基因具有分布于编码碱性β-甘露聚糖酶的基因的5'和3' 末端旁侧的工程化限制性核酸内切酶位点，如Xho I和Bel I。在一个方面，该基因经密码 子优化以便在大肠杆菌（E.coli)中表达。在另一个方面，该基因产生GST-甘露聚糖酶融 合蛋白。
[0041] 可以根据在本说明书的实施例1中描述的方法制备本发明的酶破胶剂。本发明的 酶破胶剂催化β-α，4)甘露糖苷键的随机水解并且可以用来破坏半乳甘露聚糖胶聚合物 的聚合物主链。不同于常规的酶现有产品，本发明的酶破胶剂不需要相关联的α-半乳糖 苷酶的作用来发挥作用。
[0042] 在本发明的实施方案中，酶破胶剂衍生自下述基因，所述基因具有分布于编码 β_甘露聚糖酶的基因的5'和3'末端旁侧的工程化限制性核酸内切酶位点，如Xho I和 Bel I。在一个方面，该基因经密码子优化以便在大肠杆菌（E.coli)中表达。在另一个方 面，基因编码表达的N端GST融合蛋白。
[0043] 此外，优选家族26 (GH26)糖苷水解酶中的酶。GH26涵盖β -甘露聚糖 酶（EC3. 2. 1.78,主要是随机水解甘露聚糖、半乳甘露聚糖、甘露聚糖和半乳葡甘露 聚糖中l，4-i3-D-键的甘露聚糖内切-1，4-β-甘露糖苷酶，以及β-1，3-木聚糖酶 (EC3. 2. 1. 32)。GH26的糖苷水解酶对其他植物细胞壁多糖显示微弱（如果有任何活性的 话）活性。
[0044] 酶破胶剂可以合并入水质流体之前贮藏。在一个实施方案中，例如，酶破胶剂可以 在与水质流体合并之前冷藏。在另一个实施方案中，从中衍生酶破胶剂的嗜碱性生物可以 在与水质流体合并之前冷藏。从贮藏取出时，酶随后可以从嗜碱性生物衍生。一般使酶破 胶剂在与水质流体合并之前达到室温。
[0045] 在另一个实施方案中，酶破胶剂或从其中衍生该酶的嗜碱性生物可以在冷冻的状 态贮藏。在这个实施方案中，酶破胶剂或嗜碱性生物可以在储存期间与防冻剂如丙三醇组 合。一旦解冻，酶破胶剂可以衍生自嗜碱性生物并且在添加至水质流体之前优选地使其达 到室温。在酶以冷冻状态贮藏情况下，将酶解冻并优选地在引入至水质流体之前达到室温。
[0046] 酶可以按有效并便利用于压裂工作中的各种浓度稀释。在一个方面，将本发明的 酶破胶剂稀释至约1:24的浓度并且在交联型聚合物凝胶中以约0. 25gpt至约4gpt范围存 在；可选地以约〇· 5gpt至约2. 5gpt的范围；可选地以约0· 5gpt至约lgpt的范围；或可选 地以约lgpt至约2gpt的范围存在。酶破胶剂的其他合适稀释浓度和量将是本领域技术人 员显而易见并且视为处于本发明的范围内。在一个方面，从中产生稀释液的母酶破胶剂的 总蛋白浓度大于lmg/mL。
[0047] 用来降解半乳甘露聚糖胶的常规酶在具有4. 0和8. 0之间pH值的环境中良好工 作。在升高的pH范围ΟρΗΙΟ.Ο)，这些酶迅速变性并丧失活性。常见的β-甘露聚糖酶酶 具有约5.0的最适pH。这将表明酶在大于8.0的pH值丧失>90%的活性。由于对于压裂 应用，大多数瓜尔胶聚合物在9. 5和11. 0之间pH值交联，因此具有下述酶是有益，所述酶 可以在没有首先降低pH的额外步骤时，在升高的pH条件下降解瓜尔胶。
[0048] 如本文中所示，本发明的酶破胶剂可以在宽范围的温度和pH值使用。在一个方 面，本发明的酶破胶剂可以用于具有范围从约60° F至约225° F或可选地约120° F至约 225° F的温度的应用中。在又一个方面，酶破胶剂可以在约7至约12 ;可选地约9. 5至约 11. 5 ;或可选地约10. 5至约11的pH范围内有催化活性和温度稳定性。
[0049] 在一个方面，本发明的酶破胶剂可以包含碱性酶。如本文所用，术语"碱性酶"通 常指在约8. 0至约14. 0的pH范围内某处显示其最大催化活性的酶。在一个方面，碱性酶 的最大催化活性可以在9.0以上的pH值处出现。在一个方面，碱性酶衍生自嗜碱性生物。 如本文所用，术语"嗜碱性生物"通常指在碱性条件中约8. 0至约14. 0的pH范围内某处繁 盛的极端嗜热性生物。
[0050] 本文所述的方法和组合物可以随多种可水化聚合物使用。在一个方面，可水化聚 合物具有由β_(1，4)甘露糖苷键连接的甘露糖重复单元。在另一个方面，可水化聚合物包 括瓜尔胶、瓜尔胶衍生物、纤维素衍生物、水溶性生物聚合物或它们的组合。可以在本文所 述的方法和组合物中使用的其他合适类型的可水化聚合物将是本领域技术人员显而易见 的并且视为处于本发明的范围内。
[0051] 因为本发明的酶破胶剂在碱性pH范围下具有最大活性，所以它可以与在不同pH 范围发挥作用的其他破胶剂组合以允许在大得多的pH范围内更好地控制压裂液水解。在 一个方面，交联型聚合物凝胶还可以包含在约4至约8的pH范围内有催化活性并且温度稳 定的第二酶破胶剂。可以使用的合适酶包括在美国专利号5, 201，370中描述的那些，所述 专利因而通过引用的方式完整并入。
[0052] 二价阳离子可能影响本发明酶破胶剂的活性，如实施例5中显示和描述。在一个 方面，交联型聚合物凝胶还可以包含二价阳离子。合适的二价阳离子可以包括Mg 2+、C〇2+或 Me2+。可以在本文所述的方法和组合物中使用的其他合适二价阳离子将是本领域技术人员 显而易见的并且视为处于本发明的范围内。
[0053] 本文所述的方法和组合物可以随多种交联剂使用。合适的交联剂可以是通过化学 交联、物理交联或任何其他机制增加可水化聚合物之粘度的任何化合物。例如，可水化聚合 物的胶化可以通过将可水化聚合物与包含金属离子的硼酸盐化合物、锆化合物、钛化合物、 铝化合物、锑化合物、铬化合物、铁化合物、铜化合物、锌化合物或其混合物交联来实现。一 个类别的合适交联剂是锆基交联剂。合适的交联剂可以包括氯氧化锆、乙酸锆、乳酸锆、苹 果酸锆、羟乙酸锆、三乙醇胺乳酸锆、柠檬酸锆、锆基化合物、锆三乙醇胺、有机锆化物或它 们的组合。XLW-14是特别合适的基于锆酸盐的交联剂，所述交联剂从贝克休斯公司可商业 获得并且在美国专利号4, 534, 870中描述，所述专利通过引用的方式完整并入。含有硼酸 盐的合适交联剂可以例如包括碱土金属硼酸盐、碱金属-碱土金属硼酸盐、基性硼钠石、硼 钠隹丐石、四水硼I丐石、水硼I丐石、硬硼I丐石、焙烧硬硼I丐石、白硼I丐石、pateroniate、水硼隹丐 石（hydroboractie)、硼钾镁石或它们的组合。合适的含钛交联剂可以例如包括乳酸钛、苹 果酸钛、柠檬酸钛、乳酸钛铵、三乙醇胺钛、乙酰丙酮钛或它们的组合。合适的含铝交联剂可 以例如包括乳酸铝、柠檬酸铝或它们的组合。与本文所述的方法和组合物相容的其他合适 交联剂将是本领域技术人员显而易见的并且视为处于本发明的范围内。
[0054] 除了本文所述的聚合物、交联剂和酶破胶剂外，多种添加物可以用于本发明中。也 可以在本发明的实施方案中使用在石油及天然气工业中使用并且本领域已知的添加物， 包括但不限于腐蚀抑制剂、非乳化剂（non-emulsifier)、控铁剂、迟延添加物、粉砂助悬剂 (silt suspender)、回流添加剂、支撑剂和凝胶破胶剂。可以在本文所述的方法和组合物中 使用的其他合适添加物将是本领域技术人员显而易见的并且视为处于本发明的范围内。
[0055] 本发明中使用的交联剂和其他添加物的量可以取决于添加物的所需作用而变动。 例如，交联剂可以在交联型聚合物凝胶中以足以在可水化聚合物内部的分子之间提供所需 交联程度的量存在。可以在本文所述的方法和组合物中使用的添加物的量将是本领域技术 人员显而易见的并且视为处于本发明的范围内。
[0056] 作为本发明的一个优点，与常规的现有技术酶相比时，可以使用较少的本发明酶 破胶剂。需要的酶破胶剂的量减少导致酶生产、运输和储存方面的成本节省。 实施例
[0057] 包括以下实施例以展示根据本发明实施方案的组合物的用途。本领域技术人员应 当理解，在后续的实施例中公开的技术代表由发明人发现的在实施本发明时发挥良好作用 的技术。然而，根据本公开，本领域技术人员应当理解可以在公开的具体实施方案中产生许 多变化并且仍获得类似或相似的结果而不脱离本发明的范围。
[0058] 实施例1
[0059] 首先分离嗜碱性极端微生物-芽孢杆菌属物种N16-5中的新β -甘露聚糖酶酶 (见 Ma 等人，（2004) Characterization and Gene Cloning of a Novel β-mannanase from Alkaliphilic Bacillus sp.N16_5，Extremophiles8, 447-454)。将编码这种 β-甘 露聚糖酶的基因测序并且序列数据以登录号ΑΥ534912保藏于NCBI (国家生物技术信息中 心）PubMed数据库中。显示这种基因结构编码一种50. 7kDa蛋白质，带有一个翻译后加工 的32氨基酸信号序列。发现更小的该酶成熟形式从该微生物分泌至胞外环境中。
[0060] 为了制备本发明的酶破胶剂，将Ma等人分离的编码β -甘露聚糖酶酶的基因结构 工程化以移除编码蛋白质信号序列的部分，以尝试产生比Ma等人分离的其野生型前体具 有更多稳定性、活性和产率的基因产物。另外，使用GenScript密码子优化算法，将该基因 序列针对大肠杆菌中表达进行密码子优化以增加其在大肠杆菌中表达的效率。最后，将Xho I和Bel I限制性核酸内切酶位点分别工程化至该基因的5'和3'末端中。在本发明的酶 破胶剂中使用的基因 N16-5与野生型β-甘露聚糖酶基因具有75%的相同序列，如图1A和 图1Β中所显示。在图1Β中，基因序列的上部行根据Ma等人教授的方法产生的现有基因的 行并且基因序列的第二行是本发明酶破胶剂的行。用ClustalW序列比对算法比对野生型 基因和优化基因的基因序列，从而将两个基因逐行比较。将本发明基因（命名为hpi3)克隆 至表达载体pGS-21a和克隆载体pUC57中。这产生图2中显示的两个新质粒pGS-21-hp β 和pUC57-hp β。Απ^编码β -内酰胺酶，rep (pMBl)和flori代表其相应载体中的复制起 点，并且MCS表示多克隆位点。GST融合位点的编码区由基因 gst代表。pGS-21a表达载体 含有编码谷胱甘肽S-转移酶（GST)蛋白的区域，该蛋白质可以用来辅助纯化β-甘露聚糖 酶。所产生的基因产物是GST-甘露聚糖酶融合蛋白。
[0061] 将质粒pGS-21a-hp0和pUC57-hp0是转化至感受态BL21(DE3)大肠杆菌中并 且在98. 6。F以200转/分钟在5mL LB-Miller营养培养基中培养16小时。培养液补 充有100 μ g/mL氨苄青霉素，其中使用所述培养液作为100mL携带质粒pGS-21a-hp β和 pUC57-hpi3的大肠杆菌培养物的接种物。将培养物在104° F和200转/分钟培育。4小 时后，向培养物添加异丙基_β -D-硫代半乳糖吡喃糖苷（IPTG)至终浓度0. ImM。在IPTG 存在的情况下温育3小时后，将细胞冷却至39° F并通过离心收获。随后弃去培养基并且 将细胞贮存在-4° F直至使用。
[0062] 将细胞解冻并重悬于5mL冰冷的50mM磷酸钠缓冲液中。添加溶菌酶至终浓度lmg/ mL并将培养物在室温温育30分钟。通过短脉冲超声处理破碎核酸。随后使所产生的无细 胞提取物（CFX)按照制造商的规定穿过GST高亲和力树脂（Genscript)。将洗脱的级分汇 集、浓缩并透析入20mM2-(正环己基氨基）乙磺酸（CHES)缓冲液，pH9.0。酶纯度由十二烷 基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE)估计并且发现纯度> 95%。
[0063] 将质粒pUC57_hp β转化至感受态DH5 α大肠杆菌中并且在30°C以200转/分钟 在TYE营养培养基中培养40小时。该培养液补充有50 μ g/mL氨苄青霉素和4%丙三醇。 在16小时后，添加新鲜的氨苄青霉素至该培养液。在温育40小时后，将细胞冷却至4°C并 通过在3, 000转/分钟离心20分钟收获。随后弃去培养基并且将细胞贮存在-20°C直至使 用。
[0064] 将细胞重悬于4. 5倍（w/v)冰冷的50mM磷酸钠缓冲液，pH8. 0中并且在冰上超声 处理3分钟。通过离心移除细胞残片并留下上清液用于试验。
[0065] 在对比研究中，将细胞如上文那样超声处理并且使用超声处理物（细胞提取物） 作为实施例2和3中的酶样品。
[0066] 实施例2
[0067] 在这个例子中，检验本发明酶破胶剂水解瓜尔胶聚合物的聚甘露聚糖主链的能 力。如图2、3和4中所示，本发明的酶破胶剂，即酶Ηρ-β，包括碱性β-甘露聚糖酶，在升 高的pH范围有效地水解瓜尔胶聚合物。酶Ηρ- β可以作为独立产物用来降解高pH瓜尔凝 胶或与现存的常规酶产品组合用来在宽得多的pH范围内降解瓜尔胶凝胶。
[0068] 使用从贝克休斯公司可商业获得的18ppt (磅/千磅流体）瓜尔胶聚合物GW-3在 pHll. 0、12. 0和13. 0针对交联型瓜尔胶聚合物凝胶测试Ηρ-β酶。在1小时并在18小时 测量这些聚合物凝胶中每种凝胶的粘度以观察粘度的降低。如可以在图3和图4中见到， 本发明的碱性β -甘露聚糖酶在测试的全部pH范围内导致18小时后瓜尔胶的粘度几乎彻 底降低。不采用酶时，流体在测试的全部pH范围内不分解。出于比较目的包括在pH12.0 的对照（无酶）（图4)。
[0069] 实施例3
[0070] 在这个例子中，评价来自实施例1的本发明酶Ηρ- β的酶破胶剂的活性。将来自 实施例1的酶破胶剂添加至50ppt GW-3聚合物。在约4至约13的pH范围内针对GW-3聚 合物测量粘度降低，如图5中所显示。在pH值之间的总降低针对自身归一化。如可以在图 5中见到，酶Ηρ-β似乎在约11的pH值显示最大活性。
[0071] 实施例4
[0072] 这个例子表示本发明的酶破胶剂（酶Ηρ-β)在广泛类型的温度（甚至直至约 225° F)并且在广泛类型的载量下维持其有效性。为展示本发明酶破胶剂在225° F的有 效性，制备交联型GW-3聚合物的5份样品，每份样品具有不同载量的含于其中的本发明酶 破胶剂。样品Α表示没有酶破胶剂的交联型聚合物。样品Β表示具有0.5gpt稀释的本发 明酶破胶剂的交联型聚合物。样品C表示具有lgpt稀释的本发明酶破胶剂的交联型聚合 物。样品D表示具有2gpt稀释的本发明酶破胶剂的交联型聚合物。样品E表示具有4gpt 稀释的本发明酶破胶剂的交联型聚合物。如图6中所示，在大约3小时后，载量0. 5gpt酶 (样品B)足以降低压裂液的粘度至200cps以下。另外，一旦聚合物冷却至室温，则不存在 聚合物的再复原（数据未显示）。已经显示更高载量的酶在降解聚合物方面太有攻击性，导 致流体粘度快速下降。
[0073] 如图6中所示，酶Ηρ-β是强效的并且迅速降低压裂液粘度。在操作人员希望维 持高粘度流体较长时间段的情况下，减缓酶活性的方式将是有益的。重要的将是减缓酶活 性并且不阻碍或消除任何催化参数，以避免冷却的聚合物再复原的结果。
[0074] 实施例5
[0075] 二价阳离子可能对本发明酶破胶剂的活性具有有益或有害影响。如Ma等 人,(2004)Characterization and Gene Cloning of a Novel β -mannanase from Alkaliphilic Bacillus sp.N16-5,Extremophiles8, 447-454 中先前报道，l.OmM Mg2+具有 增加酶Ηρ-β活性的作用，而l.OmM Co2+的存在降低酶活性。将酶Ηρ-β在l.OmM每种二 价阳离子存在的情况下温育并且再次针对交联型30ppt GW-3，pH10.5测量样品的活性。如 图7中所示，在l.OmM Mg2+存在的情况下温育时，酶Ηρ-β具有大幅度增加的活性。与该二 价阳离子不存在情况下酶的活性相比时，尽管1. 〇mM Co2+的确似乎具有轻微下降的酶活性， 但是这种作用似乎不是非常显著的。需要额外试验以证实或否定这个结果。还存在可以用 来降低酶活性的额外金属离子。目前，二价阳离子增加或减少催化速率的用途显得有前景。
[0076] 实施例6
[0077] 为了比较本发明酶破胶剂的稳定性，制备并比较几份酶样品。图8中显示结果。样 品A表示在40° F和72° F贮存的1.0mg/mL酶Ηρ-β样品的数据，和在40° F、72° F和 120° F贮存的5.0mg/mL酶Ηρ-β样品的数据。在全部情况下，数据相同。样品B表示在 120° F贮存的1.0mg/ml酶Ηρ-β样品的数据。为测量酶活性，稀释温育的酶样品，从而酶 Ηρ- β样品的最终工作浓度是0. 4ng ml/1 (纳克/毫升）。在交联型20ppt GW-3存在的情 况下，将酶在PH10. 5,102° F温育16小时。在16小时后，在允许溶液冷却至室温持续至少 60分钟以允许交联型聚合物再复原后，在Fann35上测量样品粘度。
[0078] -般，酶溶液越浓，它维持其构象稳定性并且因此维持其活性的时间越长。制备不 同浓度的酶母液并且将它们贮存在如这个实施例中所述和图8中显示的多种温度。高度浓 缩的酶Ηρ-β (样品A)显示明显的稳定性，甚至在120° F贮存2周后，如没有可观察的活 性下降所佐证。lmg/mL酶Ηρ-β母液（样品Β)甚至在2周时间范围内稳定。然而，贮存在 120° F的样品的活性存在可观察的下降。这个结果不出乎意料，因为温度的增加导致与浓 溶液中的那些构象熵相比，酶在稀溶液中的构象熵较大增加。随时间推移，这导致酶样品中 较大群体的解折叠（和无活性）状态。
[0079] 本发明的酶破胶剂-酶Ηρ- β似乎在作为高度浓缩的母液（彡5mg/ml)贮存时最 稳定。为增加运送中和/或贮存的酶的寿命，酶Ηρ-β的母液浓度应当彡5.0mg/ml。
[0080] 可以在不进行过多实验的情况下根据本公开制得并实施本文中公开且要求保护 的全部组合物和/或方法。虽然已经就优选的实施方案而言描述本发明的组合物和方法， 但是本领域技术人员将显而易见，变型可以适用于本文所述的组合物和/或方法中以及用 于本文所述方法的各步骤或系列步骤中而不脱离本发明的构思、精神和范围。更具体地，将 显而易见的是，在化学相关的某些试剂可以代替本文所述的试剂，同时将实现相同或相似 的结果。本领域技术人员将显而易见，全部这类相似的代用品和修改形式视为处于本发明 的范围和构思内。
【权利要求】
1. 一种压裂围绕井筒的地下岩层的方法，所述方法包括步骤： a) 将水质流体、可水化聚合物、交联剂和选自糖苷水解酶家族5、糖苷水解酶家族26及 其混合物的嗜碱性生物衍生型酶破胶剂合并，以产生交联型聚合物流体； b) 将交联型聚合物凝胶在足够压力下注入井筒中并与岩层接触以压裂包围的地下岩 层；和 c) 使酶破胶剂降解交联型聚合物凝胶，从而可以从地下岩层移除所述交联型聚合物凝 胶，酶破胶剂在约60° F至约225° F的温度范围和在约7至约12的pH范围有催化活性 和温度稳定性。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中酶破胶剂选自糖苷水解酶家族5。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中酶破胶剂选自糖苷水解酶家族5亚家族8。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中酶破胶剂选自糖苷水解酶家族26。
5. 根据权利要求2所述的方法，其中酶破胶剂选自葡聚糖内切酶、β-甘露聚糖酶、夕卜 切-1，3-葡聚糖酶、内切-1，6-葡聚糖酶、木聚糖酶、神经节苷脂内切糖苷酶。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中酶破胶剂选自糖苷水解酶家族5并且衍生自嗜碱 性芽孢杆菌属物种（Bacillus sp.)N16-5基因。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中酶破胶剂在约10. 5至约11. 5的pH范围内具有最 大催化活性。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中可水化聚合物具有由β_(1，4)甘露糖苷键连接的 甘露糖重复单元。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中可水化聚合物包括瓜尔胶、瓜尔胶衍生物、纤维素 衍生物、水溶性生物聚合物或它们的组合。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中与水质流体、可水化聚合物和交联剂合并之前， 酶破胶剂贮存于冷藏温度或冷藏温度以下。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中将酶破胶剂冷冻，任选地与防冻剂混合，随后与 水质流体、可水化聚合物和交联剂合并之前解冻。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中，在酶破胶剂与水质流体、可水化聚合物和交联 剂合并之前： (a) 将从中衍生酶破胶剂的酶的嗜碱性生物冷冻并任选地与防冻剂混合； (b) 将步骤（a)的产物解冻；并且 (c) 酶破胶剂衍生自嗜碱性生物。
13. -种压裂由井筒穿透的地下岩层的方法，所述方法包括步骤： a) 提供交联型聚合物凝胶，所述交联型聚合物凝胶包含水质流体、可水化聚合物、能够 交联可水化聚合物的交联剂和酶破胶剂，所述酶破胶剂包含选自糖苷水解酶家族5、糖苷水 解酶家族26及其混合物的嗜碱性生物衍生型酶破胶剂，以产生交联型聚合物流体； b) 将交联型聚合物凝胶在足够压力下注入井筒中并与岩层接触以压裂包围的地下岩 层；和 c) 使酶破胶剂降解交联型聚合物凝胶，从而可以从地下岩层移除所述交联型聚合物凝 胶，酶破胶剂在约60° F至约225° F的温度范围有催化活性和温度稳定性。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中可水化聚合物包括瓜尔胶、瓜尔胶衍生物、纤维 素衍生物、水溶性生物聚合物或它们的组合。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中嗜碱性生物衍生型酶破胶剂在约8至约14的 pH范围有催化活性。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中酶破胶剂在约10. 5至约11. 5的pH范围具有最 大催化活性。
17. -种压裂液组合物，其包含： a) 水质流体； b) 可水化聚合物； c) 能够交联可水化聚合物的交联剂；和 d) 酶破胶剂，所述酶破胶剂包含选自糖苷水解酶家族5、糖苷水解酶家族26及其混合 物的嗜碱性生物衍生型酶破胶剂，以产生交联型聚合物流体，所述酶破胶剂在约60° F至 约225° F的温度范围和在约7至约12的pH范围有催化活性和温度稳定性。
18. 根据权利要求17所述的组合物，其中酶破胶剂衍生自嗜碱性芽孢杆菌属物种 N16-5基因。
19. 根据权利要求17所述的组合物，其中可水化聚合物具有由β-(1，4)甘露糖苷键连 接的甘露糖重复单元。
20. 根据权利要求17所述的组合物，其中酶破胶剂选自糖苷水解酶家族5。
21. 根据权利要求20所述的组合物，其中酶破胶剂选自糖苷水解酶家族5亚家族8。
22. 根据权利要求17所述的组合物，其中酶破胶剂选自糖苷水解酶家族26。
【文档编号】C09K8/68GK104066811SQ201380005594
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年1月11日 优先权日:2012年1月16日
【发明者】C·D·阿姆斯特朗 申请人:贝克休斯公司