廖玉宏：以科技之手探油取氣

李明麗

專家簡(jiǎn)介：

廖玉宏，1977年生，中科院廣州地球化學(xué)研究所副研究員，理學(xué)博士。研究方向?yàn)橛袡C(jī)地球化學(xué)（石油天然氣方向）。

先后主持了包括自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）子課題、國(guó)家科技重大專項(xiàng)《大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)》下屬任務(wù)在內(nèi)的項(xiàng)目8項(xiàng)。目前主持包括自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目在內(nèi)的在研課題3項(xiàng)，同時(shí)還作為科研骨干參與了多個(gè)重要項(xiàng)目的研究工作。2012年獲得中科院廣州地球化學(xué)研究所“涂光熾青年人才獎(jiǎng)”，連續(xù)獲第13屆（2011年）、第14屆（2013年）全國(guó)有機(jī)地球化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議“中青年優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”。

截至2015年10月，共發(fā)表文章25篇，14篇論文被SCI收錄。10篇為第一或通訊作者，其中7篇第一或通訊作者論文是在本領(lǐng)域最有影響的刊物之一的《Organic Geochemistry》上發(fā)表。論文先后多次分別被本領(lǐng)域的國(guó)外著名有機(jī)地球化學(xué)家如Michael D. Lewan、Steve Larter、Fancoise Behar和Brian Horsfield等引用。

前不久，我國(guó)科研人員在國(guó)際有機(jī)地球化學(xué)界的著名雜志《Organic Geochemistry》發(fā)表了題為“Effect of biodegradation on the molecular composition and structure of asphaltenes： Clues from quantitative Py-GC and THM-GC”的論文，廖玉宏是該文的通訊作者，這也是廖玉宏以第一作者或通訊作者身份在該雜志發(fā)表的第7篇研究論文。這篇研究論文是他主持的國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的重要成果之一，該論文以我國(guó)遼河油田生物降解稠油為例，首次系統(tǒng)地定量研究了原油中瀝青質(zhì)組分分子結(jié)構(gòu)中不同鍵合形態(tài)烷基側(cè)鏈的厭氧生物降解過(guò)程，大大深化了國(guó)際上對(duì)油藏中原油厭氧生物降解過(guò)程和機(jī)理的認(rèn)識(shí)，并為修正已有的油藏生物降解模型提供重要理論依據(jù)。

原油的微生物降解

油藏是原油在一定溫度和壓力條件下的聚集體，油藏形成后隨著溫度、壓力等變化，可能發(fā)生次生改造。正如放入高壓鍋里的食物必須達(dá)到相當(dāng)高的溫度才能殺菌防腐，如果油藏充注前后都沒(méi)有經(jīng)歷“高溫殺菌”過(guò)程，或者正常油藏在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中抬升出露到比較淺的地方時(shí)，隨著地下水與地表水的交換帶入微生物和溶解氧，油藏中的原油會(huì)發(fā)生微生物降解氧化過(guò)程。瀝青質(zhì)和飽和烴、芳烴、膠質(zhì)一樣，是原油的基本組分，也是原油中分子量最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的組分。在我國(guó)的遼河油田、勝利油田，由于油藏埋藏不深，就經(jīng)常會(huì)發(fā)生原油的微生物降解過(guò)程，使原油損失掉分子量較小的烴類，留下了分子量較大、雜原子多的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，原油進(jìn)而變成稠油。顧名思義，稠油粘度大，不好開(kāi)采。

瀝青質(zhì)是原油各組分中分子量最大極性最強(qiáng)的組分，以往的研究認(rèn)為瀝青質(zhì)是很難被微生物降解的，其降解機(jī)理也不清楚，就連國(guó)際上已有的油藏生物降解數(shù)值模型一般也都假定瀝青質(zhì)的含量不變。早在2009年廖玉宏通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，事實(shí)并非如此。他對(duì)遼河油田一系列具有同源和不同生物降解程度的原油中的瀝青質(zhì)組分的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一些反映瀝青質(zhì)整體物理化學(xué)性質(zhì)的參數(shù)發(fā)生了規(guī)律性改變，“這說(shuō)明瀝青質(zhì)的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)在生物降解過(guò)程中發(fā)生了一定程度的改變！”這些發(fā)現(xiàn)2009年發(fā)表在《Organic Geochemistry》上，廖玉宏是第一作者。

隨后，他采用質(zhì)譜中具有最高分辨率的電噴霧-傅里葉變換-離子回旋共振質(zhì)譜（ESI- FT-ICR MS）對(duì)遼河原油進(jìn)行了深入的研究。結(jié)果表明，縮合度比較低的極性化合物優(yōu)先被降解，同時(shí)縮合度高的化合物相對(duì)含量逐漸升高，如含氧化合物中，直鏈無(wú)環(huán)有機(jī)酸下降，酸性化合物逐步以多環(huán)的有機(jī)酸為主；含氮化合物中含較少芳環(huán)取代基的咔唑和苯并咔唑降解比較快，而含更多芳環(huán)取代基的含氮化合物更難被降解，這些成果于2012年同樣發(fā)表在《Organic Geochemistry》上，廖玉宏依舊是論文的第一作者。

然而，研究到此并沒(méi)有結(jié)束。這次，廖玉宏突破了常規(guī)熱解色譜“如何定量”的難點(diǎn)，可以說(shuō)如果沒(méi)有解決定量的具體方法，那后面的一切發(fā)現(xiàn)也都將不復(fù)存在。他通過(guò)定量化在線瞬時(shí)熱解技術(shù)（Py-GC）和在線衍生化瞬時(shí)熱解（THM-GC）技術(shù)，結(jié)合瀝青質(zhì)的化學(xué)降解方法，對(duì)以不同共價(jià)鍵形態(tài)結(jié)合到瀝青質(zhì)芳核上的烷基側(cè)鏈的可降解性進(jìn)行了定量研究，廖玉宏主持的自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“生物降解過(guò)程中原油化學(xué)組成及分子結(jié)構(gòu)變化”旨亦于此。研究結(jié)果表明，瀝青質(zhì)上的烷基側(cè)鏈從短到長(zhǎng)均有分布，最長(zhǎng)烷基側(cè)鏈的碳數(shù)可達(dá)27，不同碳數(shù)的烷基側(cè)鏈在生物降解過(guò)程中會(huì)發(fā)生一些規(guī)律性變化。絕大多數(shù)（94.0～98.6%）的烷基側(cè)鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)強(qiáng)鍵（C-C鍵和C-O（醚）鍵）結(jié)合到瀝青質(zhì)芳核上的，這部分烷基側(cè)鏈具有較差的可降解性，在生物降解過(guò)程中比較穩(wěn)定；另外，還存在少量（1.4～6.0%）以弱鍵（酯鍵和氫鍵）結(jié)合到瀝青質(zhì)芳核上的烷基側(cè)鏈，這部分烷基側(cè)鏈的可降解性比較高。在輕度-中度降解階段，以弱鍵結(jié)合的這部分烷基側(cè)鏈絕大部分都會(huì)被微生物消耗掉，而通過(guò)強(qiáng)鍵結(jié)合的烷基側(cè)鏈在此階段基本不變；只有在重度-嚴(yán)重降解階段才會(huì)被明顯消耗，絕對(duì)豐度最大下降約9.2%，說(shuō)明弱鍵結(jié)合的烷基側(cè)鏈比強(qiáng)鍵結(jié)合的烷基側(cè)鏈的可降解性更高。這些成果正是本文開(kāi)篇之際提到的《Organic Geochemistry》文章的主要內(nèi)容。

原油裂解成氣與焦瀝青

眾所周知，天然氣是優(yōu)質(zhì)的燃料和化工原料。目前，我國(guó)很多城市大氣污染日益嚴(yán)重，這與大量使用煤炭作為燃料不無(wú)關(guān)系。而天然氣是一種清潔能源，燃燒過(guò)程基本上不會(huì)產(chǎn)生空氣污染，所以增加天然氣開(kāi)采量，改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)十分迫切。我國(guó)的天然氣資源具有非常大的勘探潛力，近年來(lái)在我國(guó)西南的四川盆地發(fā)現(xiàn)了一系列的特大型氣田，在四川盆地的頁(yè)巖氣勘探和開(kāi)采方面也取得了重大突破。殊不知，這些天然氣的形成都與原油的另一種常見(jiàn)的次生改造形式——原油（瀝青）的熱裂解息息相關(guān)。就像鍋里的食物長(zhǎng)期維持在過(guò)高的溫度就會(huì)逐步焦化，隨著埋深增加，油藏的溫度會(huì)上升，原油在高溫下會(huì)發(fā)生熱裂解，從而產(chǎn)生天然氣、輕質(zhì)油和焦瀝青。事實(shí)上，四川盆地眾多氣藏的儲(chǔ)層中都含有大量的與天然氣伴生的焦瀝青?！敖篂r青富含各種地球化學(xué)信息，是揭示天然氣資源量和形成過(guò)程的一座天然橋梁，不僅可以為確定天然氣的來(lái)源提供重要線索，還可以通過(guò)研究?jī)?chǔ)層焦瀝青的數(shù)量，來(lái)推測(cè)古油藏的規(guī)模及其形成過(guò)程”，廖玉宏介紹說(shuō)。

由此，為還原焦瀝青攜帶的地球化學(xué)信息，廖玉宏引入了一種叫做“催化加氫熱解”的方法，即從高演化的焦瀝青和烴源巖中釋放共價(jià)鍵合的攜帶有機(jī)質(zhì)來(lái)源信息的生物標(biāo)志物，通過(guò)大量的基礎(chǔ)工作，廖玉宏最終證明這種方法獲取的地球化學(xué)信息具有良好的有效性和可靠性；接著以此為基礎(chǔ)，再結(jié)合其他相關(guān)指標(biāo)和石油地質(zhì)背景分析，廖玉宏及其合作者成功解決了我國(guó)南方一些年代久遠(yuǎn)的古油藏焦瀝青的來(lái)源問(wèn)題。從2012年以來(lái)，他們的眾多相關(guān)成果先后多次在《Organic Geochemistry》《Marine and Petroleum geology》和《科學(xué)通報(bào)》中英文版上發(fā)表。

油氣勘探具有很強(qiáng)的地域性，我國(guó)有機(jī)地球化學(xué)家在油氣地球化學(xué)研究中所面臨的一些問(wèn)題，在國(guó)外同行那里沒(méi)有現(xiàn)成的答案供以借鑒，“因而需要思維和技術(shù)的創(chuàng)新”，廖玉宏說(shuō)，有機(jī)地球化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，要突破已有研究的瓶頸必須有針對(duì)性地發(fā)展一些新方法新技術(shù)，而他自己也一直致力于這些基礎(chǔ)工作。工欲善其事，必先利其器，廖玉宏打了個(gè)很形象的比喻，就像醫(yī)生治病，首先要了解每味藥的特性，才能準(zhǔn)確地給病人開(kāi)方抓藥。在他看來(lái)，唯有把這些工具的使用方法摸索得非常熟悉并加以創(chuàng)新，才能更好地決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。話語(yǔ)間可以深深體會(huì)到廖玉宏在科研上的堅(jiān)定與穩(wěn)健，沒(méi)有一絲一毫的急于求成?！皼](méi)有牢固的地基，再漂亮的房子也經(jīng)不住風(fēng)吹雨打……”

在把催化加氫熱解引入高演化有機(jī)質(zhì)的研究中，廖玉宏如是；在把熱解色譜運(yùn)用到烴源巖有機(jī)質(zhì)中的低碳數(shù)烷基鏈的定量分析方面，廖玉宏更是付出了多年心血。為確定一個(gè)好的熱解條件并驗(yàn)證其可靠性，他和研究生一起先后對(duì)各種類型的烴源巖有機(jī)質(zhì)進(jìn)行了幾百次熱解實(shí)驗(yàn)，積累了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。厚積而薄發(fā)，2015年廖玉宏再次在《Organic Geochemistry》上發(fā)表文章，以詳實(shí)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)證明了這種基于熱解色譜的方法不僅可以用來(lái)定量烴源巖有機(jī)質(zhì)初次裂解形成烴類氣體的能力，還可以用來(lái)判斷有機(jī)質(zhì)的類型，具有良好的應(yīng)用前景。

與石油天然氣偶然結(jié)緣

如今建樹(shù)頗豐的廖玉宏，回憶起當(dāng)初與油氣地球化學(xué)結(jié)緣，竟然也是個(gè)偶然。1995年，廖玉宏順利考取北京大學(xué)地質(zhì)系，臨大學(xué)畢業(yè)之際班主任認(rèn)為他稍顯瘦弱的身體如果以實(shí)驗(yàn)室工作為主更能揚(yáng)長(zhǎng)避短，于是廖玉宏選擇保研到中國(guó)科學(xué)院廣州地球研究所，在有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室順利完成了碩士和博士的學(xué)業(yè)。讀博期間，他還以“聯(lián)合培養(yǎng)博士生”身份在加拿大卡爾加里大學(xué)留學(xué)1年，師從著名的有機(jī)地球化學(xué)家、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)院士Steve Larter教授。從讀研究生到現(xiàn)在，他在油氣地球化學(xué)這個(gè)領(lǐng)域一干就是15年。

“能取得今天的成績(jī)，離不開(kāi)我所在的團(tuán)隊(duì)”。這些年廖玉宏從博士導(dǎo)師耿安松研究員所在的高水平大團(tuán)隊(duì)合作中受益匪淺，因而也注重自己研究生團(tuán)隊(duì)的建設(shè)。在團(tuán)隊(duì)建設(shè)方面，廖玉宏認(rèn)為“找對(duì)的人”很重要，“對(duì)的人”指的是對(duì)科研感興趣的，有激情的人。平日里，他常常鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題，與他們進(jìn)行高頻度的溝通和交流，也會(huì)和他們討論生活中的一些問(wèn)題。他喜歡和學(xué)生交朋友，“無(wú)論遇到什么困難，大家一起溝通”才是團(tuán)隊(duì)良好運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。跟學(xué)生一起，身體力行，他一直是這樣做的，在科研路上，他的團(tuán)隊(duì)與他一路同行。

千里之行，始于足下。廖玉宏這一路走來(lái)，每一步都是那樣的腳踏實(shí)地、夯實(shí)有力，這同時(shí)也為他奠定下不可撼動(dòng)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。未來(lái)，廖玉宏會(huì)越走越遠(yuǎn)，在油氣地球化學(xué)領(lǐng)域中創(chuàng)造出更多科研成果。