采用微生物對(duì)石油降黏機(jī)制的研究

趙玲莉，高 雁，張 濤，婁 愷，周 鑫，張 鵬

（1. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2. 克拉瑪依市紅都有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029）

采用微生物對(duì)石油降黏機(jī)制的研究

趙玲莉1，2，高 雁1，張 濤1，婁 愷1，周 鑫1，張 鵬3

（1. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2. 克拉瑪依市紅都有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029）

以對(duì)稠油有明顯降黏效果的功能鏈球菌為菌種，針對(duì)新疆克拉瑪依油樣特性，培養(yǎng)了可提高油井采收率的菌株BT-003。采用氣相色譜和氧化鋁吸附法對(duì)微生物菌株BT-003與石油油樣作用后混合液中的長鏈烷烴組分、蠟質(zhì)、膠質(zhì)及有機(jī)酸含量變化進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：菌株BT-003與石油油樣作用后混合液中短鏈烷烴的含量增加，蠟質(zhì)和膠質(zhì)含量下降，有機(jī)酸含量顯著增加，從而增加孔隙度，提高滲透率，降低石油黏度，提高石油流動(dòng)性，以提高原油采收率，達(dá)到進(jìn)一步采油的目的。

微生物菌株；石油降黏；有機(jī)酸；提高采收率

微生物驅(qū)油技術(shù)是利用特殊微生物能降解原油黏度的特性來提高采油和原油運(yùn)輸效率的現(xiàn)代生物技術(shù)，微生物采油技術(shù)與其他三次采油技術(shù)相比，具有適用范圍廣、工藝簡單、無污染和低成本等特點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景［1］?；瘜W(xué)驅(qū)、強(qiáng)堿、高濃度的三元驅(qū)的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)有很多弊端［2-4］。長鏈烴和膠質(zhì)多環(huán)芳烴是造成原油高黏度的主要因素之一［5］，因此微生物能否降解長鏈烴、蠟質(zhì)和膠質(zhì)是利用微生物采油技術(shù)提高石油采收率的關(guān)鍵。有機(jī)酸是微生物代謝產(chǎn)物中重要的組成部分，運(yùn)用微生物菌株與石油作用后，通過測(cè)定發(fā)酵液的有機(jī)酸含量，可以發(fā)現(xiàn)不同菌株處理后有機(jī)酸成分含量存在差異?？岛甑龋?］研究測(cè)定有機(jī)酸成分為乙酸、異丁酸及丁二醇，有機(jī)酸的產(chǎn)生同樣可以改善石油的流動(dòng)性能，降低油水之間的界面張力，是微生物提高石油采收率的主要機(jī)理之一［7］。

1998年，向延生等［8］研究發(fā)現(xiàn)，原油受微生物作用后，組分和分子結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化。高碳數(shù)正構(gòu)烷烴降解成低碳數(shù)烷烴，芳烴骨架不受影響，支鏈斷裂，代謝產(chǎn)物有有機(jī)酸、氣體和酮、醚類物質(zhì)；原油受微生物作用后黏度、凝點(diǎn)、蠟含量均降低。2001年，梁風(fēng)來等［9］研究發(fā)現(xiàn)，株菌可分解原油產(chǎn)生表面活性劑、有機(jī)酸及氣體，并可使原油黏度、蠟質(zhì)含量、膠質(zhì)含量和凝固點(diǎn)都降低。2013年，游靖等［10］以原油為唯一碳源，從華北油田油井產(chǎn)出液中分離篩選得到一株高效降解原油的菌株，該菌株與原油作用后，能代謝一定量的有機(jī)酸和表面活性劑，有效地改善了原油的流動(dòng)性。

本工作針對(duì)新疆克拉瑪依油藏特點(diǎn)，培養(yǎng)了可提高油井采收率的菌株BT-003；并研究了該菌株與石油油樣作用后混合液中的長鏈烷烴組分、蠟質(zhì)、膠質(zhì)及有機(jī)酸含量的變化，探討了微生物采油機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

菌株BT-003：北京化工大學(xué)針對(duì)新疆克拉瑪依油樣特性，以對(duì)稠油有明顯降黏效果的功能鏈球菌為菌種，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行篩選和復(fù)合誘變。

油樣為克拉瑪依市風(fēng)城作業(yè)區(qū)重32井區(qū)稠油，由克拉瑪依市紅都有限責(zé)任公司采樣。

蛋白胨、酵母粉、瓊脂：北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；蔗糖、硫酸鎂、硫酸亞鐵、磷酸二氫鉀、磷酸二氫鈉、硝酸銨、氧化鋁、石油醚、苯、丙酮：分析純，天津市天新精細(xì)化工開發(fā)中心。

1.2 儀器

采用安捷倫公司6850型氣相色譜儀測(cè)定菌株BT-003與石油油樣作用前后長鏈烷烴組分、蠟質(zhì)和膠質(zhì)及有機(jī)酸的含量變化。氫離子火焰檢測(cè)器，載氣為高純氮?dú)猓M(jìn)樣量1 μL。DB-5石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），柱溫為40 ℃，保留時(shí)間10 min，以6 ℃/min的速率升溫至300 ℃，進(jìn)樣口溫度為300 ℃，檢測(cè)器溫度為300 ℃；FFAP石英毛細(xì)管柱，柱溫為90 ℃，保留時(shí)間5 min，以3 ℃/min的速率升溫至300 ℃，進(jìn)樣口溫度為220℃，檢測(cè)器溫度為300 ℃。

采用新德醫(yī)療器械有限公司MLS-3020型高壓蒸汽滅菌鍋進(jìn)行滅菌；采用杭州艾普儀器設(shè)備有限公司HSX-250型恒溫培養(yǎng)箱對(duì)菌株進(jìn)行培養(yǎng)。

1.3 方法

固體平板培養(yǎng)基：酵母粉3 g，蛋白胨10 g，蔗糖10 g，硫酸鎂0.5 g，磷酸二氫鉀1 g，磷酸二氫鈉1 g，瓊脂15 g及去離子水1 L；pH為自然值，反應(yīng)壓力為1×105Pa，滅菌20 min。

液體發(fā)酵培養(yǎng)基：酵母粉3 g，蛋白胨10 g，蔗糖10 g，硫酸鎂0.5 g，磷酸二氫鉀1 g，磷酸二氫鈉1 g及去離子水1 L；pH為自然值，反應(yīng)壓力為1×105Pa，滅菌20 min。

無機(jī)鹽培養(yǎng)基：磷酸二氫鉀2.5 g，硫酸鎂0.2 g，硝酸銨3.0 g，硫酸亞鐵0.1 g，磷酸二氫鉀2.0 g，瓊脂20 g及去離子水1 L；pH為自然值，反應(yīng)壓力為1×105Pa，滅菌15 min。

菌種活化：將已保存的干粉管菌株BT-003用無菌水溶解后接種到固體平板培養(yǎng)基中，35 ℃培養(yǎng)，傳代3次以上，得到純化單菌落，然后搖床培養(yǎng)8 h發(fā)酵菌液，備用。

菌液是菌株BT-003搖瓶生長10 h后，按5%接種量（w）使菌液與石油油樣混合，又在35 ℃、150 r/min的條件下振蕩培養(yǎng)8 h后，取樣測(cè)定各指標(biāo)含量。

采用氣相色譜法［11-12］，對(duì)照空白樣，分別測(cè)定菌株BT-003與石油油樣作用后混合液中的長鏈烷烴組分含量變化。采用氧化鋁吸附法［13］，對(duì)照空白樣，分別測(cè)定菌株與石油油樣混合反應(yīng)后液體中蠟質(zhì)和膠質(zhì)的含量。采用氣相色譜法［14-15］，對(duì)照空白樣，分別測(cè)定菌株BT-003與石油油樣作用后混合液中有機(jī)酸的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 長鏈烷烴組分含量變化

微生物主要通過兩種方式來改善原油的流動(dòng)性：一是通過降解作用降低原油中重質(zhì)組分含量；二是通過代謝產(chǎn)生表面活性物質(zhì)的乳化作用形成O/W型乳狀液。針對(duì)正庚烷以前的輕烴和C8～40正構(gòu)烷烴化合物進(jìn)行石油長鏈烷烴組分含量的氣相色譜分析。表1為實(shí)驗(yàn)菌株BT-003與石油油樣作用前后的長鏈烷烴組分含量（w）變化。由表1可看出，和（C21+C22）/（C28+C29）比值增加，表示石油由高相對(duì)分子質(zhì)量化合物向輕質(zhì)組分化合物方向運(yùn)移。隨著高分子化合物含量的相對(duì)減少、輕質(zhì)組分化合物含量的相對(duì)增加，石油的流動(dòng)性變好，品質(zhì)得到了改善［8］。

表1 菌株BT-003與石油油樣作用前后的長鏈烷烴組分含量變化Table 1 Change of long-chain parafn hydrocarbon content(w) before and after the addition of microbial strain BT-003

圖1為菌株BT-003與石油油樣作用前后組分含量的變化曲線。由圖1可看出，作用前石油中所含的正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布含量很不均勻，其中，C23～25分布最高，碳數(shù)低于23的短鏈烷烴和超過25以后的長鏈烷烴含量分布較低；與菌株混合反應(yīng)后，該菌株可選擇性地降解石油中的某些高碳數(shù)烷烴，長鏈烴含量相對(duì)減少，短鏈烴或低鏈烴含量相對(duì)增加，以C13～15含量分布最高，即石油的輕質(zhì)組分增加。

圖1 菌株BT-003與石油油樣作用前后組分含量的變化曲線Fig.1 Change of the composition of the oil sample before and after the addition of microbial strain BT-003.

2.2 蠟質(zhì)和膠質(zhì)含量變化

經(jīng)過一次和二次常規(guī)采油之后，仍然有60%左右的殘余油在地層無法采出，地層中的殘余油蠟含量高、膠質(zhì)和瀝青含量高等，導(dǎo)致石油黏度高，流動(dòng)性差。表2為菌株BT-003與石油油樣作用前后蠟質(zhì)和膠質(zhì)含量變化。由表2可知，菌株作用前后石油的蠟和膠質(zhì)的含量都有不同程度的下降，該菌株作用后原油含蠟量為初始值的11.4%，含膠量為初始值的32.9%。研究表明菌株可將石油中的石蠟作為碳源利用，從而降低石油的黏度。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該菌株可將石蠟作為碳源，在無機(jī)鹽培養(yǎng)基中以液體石蠟代替石油油樣作為唯一碳源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)菌體生長良好，與以石油為碳源的情況基本一致，這充分說明該菌株可很好地將石油中的石蠟作為碳源加以利用。

2.3 有機(jī)酸含量變化

微生物提高原油采收率的機(jī)理之一，是微生物作用于原油使原油中的大烴類分子部分轉(zhuǎn)化為水溶性含氧酸。降解產(chǎn)生的高相對(duì)分子質(zhì)量有機(jī)酸溶解在原油中，在發(fā)酵液中只能存在低相對(duì)分子質(zhì)量有機(jī)酸。因此，分析微生物降解原油發(fā)酵液中低相對(duì)分子質(zhì)量有機(jī)酸的種類和含量是微生物采油技術(shù)的重要部分［13］。表3為實(shí)驗(yàn)菌株與石油油樣作用前后有機(jī)酸含量變化。

表2 菌株BT-003與石油油樣作用前后蠟質(zhì)和膠質(zhì)含量變化Table 2 Change of wax and resin contents in the oil sample before and after the addition of microbial strain BT-003

表3 菌株BT-003與石油油樣作用前后有機(jī)酸含量變化Table 3 Change of organic acid contents in the oil sample before and after the addition of microbial strain BT-003

圖2（a）為有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)色譜圖，圖2（b）為菌株與石油油樣作用前有機(jī)酸含量色譜圖，圖2（c）為菌株與石油油樣作用后混合液中有機(jī)酸含量色譜圖。由圖2可知，低相對(duì)分子質(zhì)量有機(jī)酸主要以乙酸、丙酸和丁酸為主，菌株與石油油樣混合作用前，低相對(duì)分子質(zhì)量有機(jī)酸含量較低；菌株與石油油樣混合作用后，乙酸、丙酸、丁酸的含量分別提 高了9倍、11倍和9倍。

圖2 菌株BT-003與石油油樣作用前后有機(jī)酸含量色譜圖Fig.2 Chromatograms of the organic acid in the oil sample before and after the addition of microbial strain BT-003.Ⅰ Solvent；Ⅱ Acetic acid；Ⅲ Propionic acid；Ⅳ Butyric acid.

3 結(jié)論

1）菌株BT-003可降解克拉瑪依市風(fēng)城作業(yè)區(qū)重32井區(qū)稠油石油油樣中含有的長鏈烷烴，降解后的石油油樣中短鏈烷烴的含量明顯高于石油油樣中原有的短鏈烷烴數(shù)量，從而改變石油的流動(dòng)性及黏度，以達(dá)到進(jìn)一步采油的目的。

2）菌株BT-003與石油油樣作用后，油樣中易揮發(fā)性有機(jī)酸（乙酸、丙酸和丁酸）的含量顯著升高，乙酸、丙酸、丁酸的含量分別提高了9倍、11倍和9倍。這些低相對(duì)分子質(zhì)量的有機(jī)酸能溶解碳酸鹽，增加孔隙度，提高滲透率，從而提高原油采收率。

3） 菌株BT-003與石油油樣作用后，石油中的蠟質(zhì)和膠質(zhì)含量都下降，含蠟量為初始值的11.4%，含膠量為初始值的32.9%，增加了原油流動(dòng)性，提高了采收率。

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（編輯 楊天予）

Study on the mechanism of oil viscosity reduction with microbe

Zhao Lingli1，2，Gao Yan1，Zhang Tao1，Lou Kai1，Zhou Xin1，Zhang Peng3
（1. Research Institute of Applied Microbiology，Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi Xinjiang 830091，China；2. Karamay HongDu Co. Ltd.， Karamay Xinjiang 834000，China；3. College of Chemical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Aimed at the characteristics of oil from Karamay Xinjiang，a microbial strain，BT-003，was cultured from streptococcus which could reduce the viscosity of crude oil signifcantly to enhabce the oil recovery. The changes of the contents of long-chain paraffin hydrocarbons，wax，resin and organic acids in the oil before and after the addition of the BT-003 strain were analyzed by means of gas phase chromatography and alumina adsorption method. The results showed that，after the addition of the BT-003 strain，the content of short-chain alkanes increased，the contents of both wax and resin decreased and the organic acid content increased signifcantly. Thereby，the porosity increased，the permeability was improved， the oil viscosity was reduced，and then the enhanced oil recovery was achieved.

microbial strain；oil viscosity reduction；organic acid；enhanced oil recovery

1000 - 8144（2016）02 - 0206 - 04

TE 357.9

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.02.014

2015 - 09 - 18；［修改稿日期］2015 - 10 - 30。

趙玲莉（1963―），女，上海市人，大學(xué)，高級(jí)工程師。聯(lián)系人：周鑫，電話 13522338550，電郵 zhouxin@mail.buct.edu.cn。

新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目“微生物驅(qū)油技術(shù)中試研究”（201232129）。