高效原油降解菌的生物降解作用與室內(nèi)模擬巖心驅(qū)油研究

梁 勇,黑華麗,田春雨

(1.長江大學(xué)地球化學(xué)系,湖北荊州434023;2.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室·長江大學(xué);3.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠)

高效原油降解菌的生物降解作用與室內(nèi)模擬巖心驅(qū)油研究

梁 勇1,黑華麗2,田春雨3

(1.長江大學(xué)地球化學(xué)系,湖北荊州434023;2.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室·長江大學(xué);3.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠)

從遼河油田原油中分離出其中的本源微生物,研究表明該本源微生物由三種菌株組成,分別命名為菌株1#、菌株2#和菌株3#,分別對其菌落和菌體特征進(jìn)行了研究。該混合菌具有較強(qiáng)的抗堿性生長能力,在p H值高達(dá)10.6的培養(yǎng)液中菌株2#仍能良好生長。對被此混合菌降解了不同時段的遼河原油和未被降解的遼河原油進(jìn)行全烴氣相色譜對比分析,結(jié)果表明該混合菌種具有較強(qiáng)的生物降解能力,原油被降解后,Pr/nC17和 Ph/nC18的值明顯升高,Pr/Ph和∑C-21/C+22的值明顯下降。大慶室內(nèi)模擬巖心微生物驅(qū)油實驗表明,在300×10-3μm2和100×10-3μm2的滲透率巖心中,用無菌水配制的10%菌液驅(qū)油使原油的采收率分別提高15.90%和12.73%;用采油廠現(xiàn)場水配制的10%菌液驅(qū)油使原油采收率分別提高9.00%和6.05%,表明該混合菌具有較好的微生物驅(qū)油能力。

本源微生物;生物降解;全烴氣相色譜;模擬巖心

生物降解是指由生物催化復(fù)雜化合物的分解過程[1]。利用微生物降解作用提高原油采收率稱為微生物強(qiáng)化采油,是利用微生物自身的有益活動與代謝產(chǎn)物,通過降低原油的表面張力,增加原油流動性,并產(chǎn)生對驅(qū)油有利的代謝產(chǎn)物,例如生物表面活性劑、有機(jī)酸、醇、酯以及溶劑、氣體等來提高原油的采收率[2]。

近年來,微生物采油技術(shù)在油田開發(fā)中得到了較為廣泛的應(yīng)用,已從微生物菌液的單井吞吐發(fā)展到井組的微生物驅(qū)油,獲得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益[3]。微生物采油的關(guān)鍵技術(shù)在于如何獲得優(yōu)質(zhì)菌種,由于原始油藏處于缺氧狀態(tài),在正常開采與注水過程中往往由于注入水中的溶氧增加了油藏含氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù),實際使用中無法做到真正的絕對無氧,故微生物采油所用菌種最好為兼性厭氧菌[2]。油田原油中的本源微生物相對而言較能適應(yīng)油藏的兼性厭氧環(huán)境,筆者從遼河油田原油中分離出其中的本源微生物,通過前期微生物降解實驗,發(fā)現(xiàn)其具有較強(qiáng)的生物降解能力。推測遼河油田原油沒有被其本源微生物降解的原因可能是由于缺乏足夠的氧氣,也有可能是油藏中同時存在著厭氧菌和好氧菌,兩者協(xié)同降解原油,但需要好氧菌先好氧降解來啟動整個油藏的微生物降解體系。

1 實驗材料與方法

1.1 材料

(1)菌種來源:遼河油田原油本源微生物。

(2)巖心模型:石英砂環(huán)氧膠結(jié)人造均質(zhì)膠結(jié)巖心(4.5×4.5×30cm),變異系數(shù)0.72。

(3)培養(yǎng)條件:菌種活化和富集培養(yǎng)基以牛肉膏和蛋白胨為碳源,45℃搖床培養(yǎng)3～4d,搖床轉(zhuǎn)速為120r/min;分離純化培養(yǎng)基為營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基,37℃培養(yǎng)3d;模擬巖心驅(qū)油試驗的細(xì)菌培養(yǎng)以原油為碳源,厭氧培養(yǎng)降解7d。

1.2 方法

1.2.1 原油的全烴氣相色譜

將油樣進(jìn)行油水分離,向油樣中加入活化后的無水硫酸鈉(馬福爐中400℃,活化4h),對油樣進(jìn)行進(jìn)行脫水,放置過夜,稱取約10mg的原油做色譜分析。

氣相色譜分析條件:氣相色譜儀為 HP-5890Ⅱ型;色譜柱:DB-5石英毛細(xì)管柱;氣化室溫度:300℃;程序升溫:100℃恒溫2min,以升溫速率為4℃/min升溫到300℃,然后再恒溫20min,載氣N2流速1.2mL/min,H2流速35mL/min,空氣流速400mL/min,尾吹氣(N2)流速26mL/min。

1.2.2 菌株的菌落和菌體特征研究

通過分離純化混合菌得到單個菌株,平板培養(yǎng)觀察其菌落形態(tài);通過掃描電鏡和革蘭氏染色分析來研究單個菌株的形態(tài)、大小特征和革蘭氏染色情況。

1.2.3 微生物耐堿性研究

將活化的菌種分別接種于p H值為7.8、8.2、8.6、9.0、9.4、9.8、10.2、10.6 的培養(yǎng)液中 ,37 ℃搖床培養(yǎng)3～4d,搖床轉(zhuǎn)速120r/min,平板計數(shù),作細(xì)菌數(shù)隨p H值的變化曲線圖。

1.2.4 模擬巖心驅(qū)油實驗方案及流程

人造300×10-3μm2和 100 ×10-3μm2滲透率的巖心均有A和B兩組平行試驗如表1所示,模擬驅(qū)油試驗流程如圖1所示。

圖1 模擬巖心驅(qū)油實驗流程圖

表1 模擬巖心微生物驅(qū)油實驗方案

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 菌落和菌體形態(tài)特征研究結(jié)果

經(jīng)分離純化,該本源微生物混合菌由三種菌株組成,分別命名為菌株1#、菌株2#和菌株3#,菌落和菌體形態(tài)特征如表2所示。

圖2表明,菌總數(shù)隨著p H值的上升而降低,在p H值由8.6升至9.0和由9.8升至10.2時,菌總數(shù)下降幅度明顯,但數(shù)量級整體保持在107～108左右。而且當(dāng)p H值由7.8逐漸上升到9.4時,由菌落形態(tài)可以觀察到菌株1#和菌株3#的生長明顯受到抑制,基本上只有菌株2#生長,菌株2#的數(shù)量也隨著p H值的升高而略有降低,這表明菌株2#具有比其他兩菌株更強(qiáng)的抗堿性生長能力,這為在三元驅(qū)油后的堿性油藏環(huán)境中后續(xù)微生物驅(qū)油提供了可能。

表2 三種菌株的菌落和菌體形態(tài)特征

圖2 細(xì)菌數(shù)隨p H值的變化曲線

2.2 微生物降解前后原油分子結(jié)構(gòu)變化

對被降解了不同時段的油樣和未被降解的油樣分別做全烴氣相色譜分析,用面積歸一法分別計算出原油中各相關(guān)組分的含量,作時間與正構(gòu)烷烴含量的分布圖(圖3)和原油經(jīng)微生物作用后地球化學(xué)參數(shù)所發(fā)生的變化(表3)。

從圖3可以看出,原油降解3d、7d、14d后,C20～C24的含量整體上從 0.03%左右降低到0.015%左右,C14～C18的含量整體上從0.035%左右降低到0.005%左右(其中C16降解最為嚴(yán)重),C26～C30的含量降低幅度較小,這表明此混合菌種優(yōu)先降解較短鏈的烴類。原油降解28d后,各碳數(shù)的含量均明顯降低,其整條曲線位于圖的最底層,正構(gòu)烴和異構(gòu)烴大部分已被降解,這表明當(dāng)降解至一定時間范圍時,此混合菌種對原油的降解效果越明顯。

圖3 正構(gòu)烷烴分布圖

表3 原油降解后的地球化學(xué)參數(shù)變化

表3列出了nC17/nC18和 Pr/Ph的比值,兩者隨實驗進(jìn)程基本上都是下降的,說明對同系列的化合物,微生物優(yōu)先降解較短鏈的烴類,而且的比值也明顯降低,說明微生物對短鏈烴的降解效果比長鏈好。由于微生物作用對Pr/Ph值是有影響的,因此,在進(jìn)行與微生物降解有關(guān)的地球化學(xué)分析時,應(yīng)考慮到這一點[4]。

隨著降解時間的增加,Pr/nC17和 Ph/nC18的值也逐漸增加,表明對于相同碳數(shù)的正構(gòu)和異構(gòu)烷烴,微生物優(yōu)先降解正構(gòu)烷烴。值得注意的是,對Pr/nC17和Ph/nC18而言,即使在生物降解作用的早期階段也極易受到影響,對遭受生物降解的原油,不管降解程度如何,Pr/nC17和 Ph/nC18均不具有其原有的地球化學(xué)意義[4]。

當(dāng)原油降解3d后,各項地球化學(xué)參數(shù)均發(fā)生了明顯的變化,這表明微生物降解到3d時其降解性能開始充分體現(xiàn)出來,原油開始被迅速降解。

根據(jù)全烴氣相色譜結(jié)果(略),原油經(jīng)微生物作用后短鏈正構(gòu)烷烴首先被降解,隨著降解時間的增加,長鏈組分和異構(gòu)組分也開始被降解,當(dāng)降解到14d時,正構(gòu)組分基本被降解完,當(dāng)降解到28d時,除了后面高碳數(shù)的組分還有殘留外,正構(gòu)和異構(gòu)組分基本被降解完。

2.3 模擬巖心驅(qū)油結(jié)果

表4 巖心模擬驅(qū)油試驗結(jié)果

用從遼河油田原油中分離出來的具有較強(qiáng)生物降解能力的混合菌種進(jìn)行模擬巖心微生物驅(qū)油試驗,結(jié)果表明,用滅菌水配制的驅(qū)油菌液在滲透率為296×10-3μm2和 108×10-3μm2的情況下 ,微生物采收率分別達(dá)到15.9%和12.73%(見表4),表明此混合菌種具有較好的微生物驅(qū)油潛力。在兩種滲透率下,用滅菌水配置的驅(qū)油菌液的微生物采收率(15.9%和12.73%)均明顯高于用采油廠現(xiàn)場水配制的驅(qū)油菌液的微生物采收率(6.05%和9.0%),這表明現(xiàn)場污水中的微生物可能對此混合菌種存在競爭抑制作用,進(jìn)而影響了微生物的整體驅(qū)油效果。

3 結(jié)論

(1)該本源微生物混合菌有較好的抗堿性生長能力,尤其是菌株2#,為在三元驅(qū)油后的堿性油藏環(huán)境中后續(xù)微生物驅(qū)油提供了可能。

(2)在微生物對原油的降解過程中,微生物優(yōu)先降解正構(gòu)烷烴,并且短鏈烴較長鏈烴易降解,異構(gòu)烴后被降解,降解28d后異構(gòu)烴大部分也被降解,表明此混合菌種具有較好的生物降解能力。

(3)模擬巖心的驅(qū)油實驗結(jié)果表明,該混合菌種有較好微生物驅(qū)油性能和潛力。用滅菌水配置的菌液驅(qū)油的采收率均要高于用采油廠現(xiàn)場水配制的菌液,表明現(xiàn)場水中的微生物可能對此本源微生物混合菌種的生長繁殖存在競爭抑制作用,進(jìn)而影響了微生物的整體驅(qū)油效果,影響機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

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[2]宋紹富,張忠智,雷光倫,等.高效驅(qū)油菌 I的選育與室內(nèi)巖心模擬驅(qū)油研究 [J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報,2003,16(1):31-35

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[4]包建平,朱俊章,朱翠山,等.原油生物降解模擬實驗[J].石油勘探與開發(fā),2007,34(1):43～47

編輯:李金華

TE357

A

1673-8217(2010)02-0124-03

2009-10-22

梁勇,1983年生,2007年畢業(yè)于長江大學(xué)地球化學(xué)系生物工程專業(yè),現(xiàn)為長江大學(xué)地球化學(xué)系碩士研究生,主要從事微生物采油提高采收率研究。