基于微生物提高含蠟原油流動(dòng)性研究進(jìn)展

羅超，張海娟，王璐，王國付

(遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

當(dāng)含蠟原油在開采和運(yùn)輸過程中的溫度降低至析蠟點(diǎn)時(shí)，原油中的蠟組分開始結(jié)晶析出[1]，此時(shí)原油黏度增加，表現(xiàn)出復(fù)雜的流變性質(zhì)。此外，析出的蠟晶沉積在管壁上，為長期開采或運(yùn)輸含蠟原油的管道帶來凝管堵塞的安全隱患[2]。解決上述問題的傳統(tǒng)措施有清管、熱洗、注入化學(xué)藥劑等，但這些方法具有成本高、污染環(huán)境等缺點(diǎn)[3-4]。而利用微生物將原油中的蠟組分進(jìn)行降解，可提高原油流動(dòng)性[5]，具有成本低、效率高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在該領(lǐng)域已成為研究熱點(diǎn)。迄今，生物降解技術(shù)在石油工業(yè)中得到了廣泛的研究，尤其隨著三次采油技術(shù)的迅速發(fā)展，依靠傳統(tǒng)方法來解決含蠟原油在開采和運(yùn)輸過程中面臨的難度和生產(chǎn)成本問題，已顯得力不從心，因此，促進(jìn)了生物降解技術(shù)在含蠟原油開采和運(yùn)輸中的應(yīng)用[6]。目前該技術(shù)的研究內(nèi)容主要集中在生物降解機(jī)理、代謝產(chǎn)物研究、環(huán)境影響因素和實(shí)際應(yīng)用四方面，且部分成果在某些油田中已得到應(yīng)用。

1 微生物降解機(jī)理

利用微生物驅(qū)油的設(shè)想從1926年Beckmann提出至今，歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，已有較為深入的研究，但鑒于自然界中微生物菌種的多樣性，其機(jī)理仍在探索階段。目前國內(nèi)外提出的降解機(jī)理可總結(jié)為：微生物在以蠟為碳源進(jìn)行生長時(shí)，長鏈烴經(jīng)氧化生成長鏈醇類，醇和中間體醛結(jié)合后，氧化生成脂肪酸等產(chǎn)物，最終降解為短鏈[7-8]。長鏈烴的減少有利于提高原油流動(dòng)性，常見的具有該種作用的細(xì)菌有假單孢菌屬、芽孢桿菌屬、紅球菌屬等，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了不同程度的作用。

檢測蠟組分的變化可促進(jìn)對菌種降解性能的認(rèn)知。Nitu等[9]分離得到GeobacilluskaustophilusTERINSM，在55 ℃條件下，1 L該菌液能降解600 mg 蠟沉積，而當(dāng)以具有蠟沉積代表性的二十烷、二十五烷、三十烷為單一碳源時(shí)，降解率分別可達(dá)97%，85%，77%。Dolly等[10]從石油污染的土壤中分離出Nocardiafarcinica，該菌在37 ℃條件下與含蠟原油作用10 d后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)菌株可降解100%的二十一烷、65.99%的二十二烷和50.59%的二十三烷，除蠟率達(dá)到50%，為微生物降解提供了有力的佐證。

觀察蠟晶形態(tài)改變、測定蠟含量、黏度變化可檢測該技術(shù)提高原油流動(dòng)的可行性。王衛(wèi)強(qiáng)等[11]針對遼河含蠟原油，以石蠟為唯一碳源分離出Bacillussubtilis，將100 mL該菌發(fā)酵液與等體積含蠟原油混合作用5 d后，最大蠟晶直徑由609.1 μm降低至72.1 μm，蠟含量由29.45%降低至10.75%，黏度降低11.1%。Zhang等[12]對比分析經(jīng)Aspergillus處理前后蠟晶形態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌處理后蠟表面結(jié)構(gòu)變得松散，原油黏度降低。Zhang等[13]從安塞油田分離得到Bacillusamyloliquefaciens6-2c，通過觀察經(jīng)菌株處理前后石蠟在正己烷中溶解度變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)菌株處理后，附著在瓶壁上的石蠟明顯減少(見圖1)，顯著改變了石蠟在正己烷中的溶解度。Zhang等認(rèn)為這是因?yàn)榫暝谝允灋樘荚瓷L過程中，破壞了長碳鏈中碳原子之間的化學(xué)鍵，理化性質(zhì)改變，從而可溶于正己烷中。

圖1 石蠟經(jīng)菌株處理前后溶解度變化Fig.1 Changes in solubility of paraffin before and after treatment

上述研究表明，微生物通過降解蠟提高原油流動(dòng)性能切實(shí)可行。但其降解機(jī)理尚不明確，深入探索微生物對長鏈烴降解的分子機(jī)理，有利于提高生物利用率。

2 代謝產(chǎn)物

微生物在降解過程中產(chǎn)生一些如脂肪酸、糖脂、類脂體等表面活性劑，具有降低表面張力、乳化、潤濕等作用[14]，可促進(jìn)細(xì)菌對蠟組分的降解，減少蠟晶析出。其原理是這類生物表面活性劑具有特殊的分子結(jié)構(gòu)，集親水憎油和憎水親油基團(tuán)為一體，在油水界面處形成緊密排列的分子層，改變了界面的親水/親油性能，使得油水兩相得到良好的分散。目前對微生物代謝產(chǎn)物研究主要集中在發(fā)現(xiàn)、檢測和鑒定三方面[15]。

改變金屬表面潤濕性可減少蠟沉積。Meng等[16]探究了一株產(chǎn)表面活性劑菌Pseudomonasaeruginosa對不銹鋼表面潤濕性的影響，經(jīng)菌株處理36 h后，接觸角由74.4°降至40.04°，接觸角與表面潤濕性關(guān)系密切，接觸角越小，越有利于減少蠟沉積。Zhang等[17]針對王場油田分離出Pseudomonas，Enterobacter，Bacillus，將該菌液注入油層，閉井一段時(shí)間后再開采，發(fā)現(xiàn)油井產(chǎn)量提升，通過對比加菌前后抽油桿表面的變化(見圖2)，發(fā)現(xiàn)加菌后附著在抽油桿表面的蠟沉積大幅減少。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是細(xì)菌代謝產(chǎn)物在表面形成一層極性水膜，改變金屬表面的潤濕性，蠟晶不易在表面沉積，從而有效減少了蠟沉積。

圖2 菌株處理前后抽油桿表面變化圖Fig.2 Surface change of sucker rod before andafter strain treatment

疏水性代謝產(chǎn)物可增加底物溶解度。Liu等[18]分離得到BacillussubtilisBS-37，該菌在37 ℃條件下培養(yǎng)24 h后，通過酸沉降法得到粗制表面活性劑，見圖3a，經(jīng)鑒定為脂肽類表面活性劑，并通過實(shí)驗(yàn)檢測了代謝產(chǎn)物疏水性能。將5 μL無細(xì)胞上清液滴入1 mL油紅中，發(fā)現(xiàn)油紅被排擠，形成一個(gè)排油圈見圖3b、3c。代謝產(chǎn)物的疏水性與烴類物質(zhì)的溶解度成正比關(guān)系，疏水性越強(qiáng)，溶解度越大，這表明該種代謝產(chǎn)物可大幅增加烴類物質(zhì)的溶解度。

圖3 代謝產(chǎn)物提取與性能檢測Fig.3 Extraction and performance detection of metabolites

代謝產(chǎn)物可降低表面張力。Fran?a等[19]從巴西紅樹林分離得到BacillussubtilisICA56，該菌能將水的表面張力由72 mN/m降低至30 mN/m，乳化系數(shù)達(dá)到79%。Liu等[20]從大港油田分離出BacilluslicheniformisY-1，該菌能產(chǎn)生脂肽類表面活性劑，可將水的表面張力由74.66 mN/m降至27.26 mN/m，乳化系數(shù)達(dá)到91%。Liu等[21]從大慶原油中分離出的P.aeruginosaSNP0614，其代謝產(chǎn)物能將培養(yǎng)基表面張力由55.1 mN/m降低到25.4 mN/m。表面張力降低，可促進(jìn)微生物對底物的吸收利用，而產(chǎn)生的乳化作用則增加了微生物與底物的接觸面積，均有利于生物降解。

上述研究表明，微生物在以蠟組分為碳源生長時(shí)，其代謝產(chǎn)物具有多種作用，有利于提高原油流動(dòng)性。但目前對于代謝產(chǎn)物的研究局限于發(fā)現(xiàn)、檢測、鑒定等研究方面，未來應(yīng)著重于研究已發(fā)現(xiàn)表面活性劑組成、結(jié)構(gòu)和功能機(jī)理等方面的研究，以期達(dá)到工業(yè)所需要求，提高其應(yīng)用范圍。

3 環(huán)境因素對微生物的影響

微生物的生長和環(huán)境密切相關(guān)，不同環(huán)境因素可促進(jìn)或抑制微生物的生長，而生物降解技術(shù)的關(guān)鍵就是確保微生物具有良好的活性強(qiáng)度。因此，有必要對一些影響微生物生長的環(huán)境因素進(jìn)行優(yōu)化，最大程度發(fā)揮菌種性能。

培養(yǎng)時(shí)間影響了微生物降解，Etoumi等[22]在研究一株P(guān)seudomonas對Sarir油田含蠟原油降解時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用該菌對數(shù)生長期的代謝產(chǎn)物進(jìn)行乳化實(shí)驗(yàn)，乳化效果微弱，而采用在達(dá)到生長穩(wěn)定期時(shí)的代謝產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)時(shí)，乳化系數(shù)達(dá)到90%。乳化系數(shù)與生物降解正相關(guān)，乳化系數(shù)越高，細(xì)菌與底物接觸面積越大，降解率越高。溫度影響了微生物生長，Hao等[23]在探究GordoniaamicalisLH3對蠟的降解實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，該菌在37～40 ℃區(qū)間活性最強(qiáng)，而在40～45 ℃區(qū)間菌種活性嚴(yán)重遭到抑制，溫度高于45 ℃時(shí)基本失去活性。這是因?yàn)殡S著溫度增加，菌體內(nèi)蛋白功能減弱，達(dá)到一定溫度后，菌體內(nèi)蛋白凝固，細(xì)菌死亡。

pH影響了微生物生長，Lu等[24]在研究pH對Firmicutes生長狀態(tài)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，該菌在pH為6時(shí)活性強(qiáng)度最高，而在研究蠟降解實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH為7時(shí)降解率達(dá)到最大。Niraj等[25]分離出一株Aeruginosa，在以含蠟原油為碳源時(shí)，該菌株在pH 7時(shí)具有最高降解率。微生物降解烴類的最適pH和最適生長pH并不嚴(yán)格相同，作者認(rèn)為這是因?yàn)樵诩?xì)菌活性最高時(shí)代謝大量酸性產(chǎn)物，改變了培養(yǎng)基pH，進(jìn)而抑制了微生物降解。底物濃度影響了微生物生長。Sakthipriya等[26]認(rèn)為在細(xì)菌一定生長溫度下，應(yīng)對底物的濃度進(jìn)行優(yōu)化。從印度金奈油田分離出BacillussubtilisYB7，研究該菌在50 ℃，蠟沉積濃度分別為0.5，0.75，1，1.25，1.5 g/L條件下作用7 d，發(fā)現(xiàn)在濃度1 g/L時(shí)，細(xì)菌長勢最好，C32與C36在1 d內(nèi)可降解60%～70%。

上述研究表明，對微生物的生長環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，可促進(jìn)微生物降解，但目前很多文獻(xiàn)報(bào)道均在實(shí)驗(yàn)室條件下對微生物生長環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，而在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的影響因素可能復(fù)雜多樣。因此，為保證微生物充分發(fā)揮性能，未來的研究應(yīng)對更多影響微生物的因素進(jìn)行探索。

4 微生物的應(yīng)用

蠟晶析出不僅增加了原油黏度，還極易在管壁上形成蠟沉積，為石油開采帶來了許多困擾。生物技術(shù)通過降解作用降低了蠟含量，提高原油流動(dòng)性以及采收率。由于具有高效、環(huán)保、成本低等特點(diǎn)，很多國家對其進(jìn)行研究并投入了現(xiàn)場應(yīng)用。

He等[27]分離出三株除蠟菌，分別為BacillusspLWH1、BacillusspLWH2和PseudomonasspLWH3。將三種菌應(yīng)用到遼河油田曙光區(qū)油井，4個(gè)月內(nèi)累計(jì)增油566 t，并大幅減少了熱洗周期，經(jīng)濟(jì)效益可觀。王靜等[28]將兩株清防蠟菌N5和BS-6應(yīng)用于辛14塊6口高蠟井，取得了較好的防蠟效果，熱洗周期從30 d延長到180 d，增油量達(dá)1 499 t/a。上述利用單一菌種進(jìn)行驅(qū)油產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益，但并不理想，其原因可能是原油的低溶解度限制了生物降解[29]。因此，為提高生物降解，應(yīng)先增加其溶解度[30]。

曹懷山等[31]將芽孢桿菌和假單孢菌按不同比例混合后，對勝利大蘆湖油田高含蠟油井進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究，累計(jì)增產(chǎn)原油617 t，洗井周期由32 d延長至149 d。Liu等[32]認(rèn)為在除蠟菌與加入產(chǎn)表面活性劑菌有助于提高生物降解率，認(rèn)為代謝產(chǎn)物濃度增加有利于降低油水界面張力、增加烴溶解度，降解菌更容易吸收利用。Liu等將一株除蠟菌BacilluscereusQAU68與一株產(chǎn)表面活性劑菌BacillussubtilisXCCX進(jìn)行混合，發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合比例為5∶2時(shí)，除蠟率最高可達(dá)64%，較單一菌種除蠟率(23%)提升了接近3倍，為采用混合菌種驅(qū)油提供了有力的佐證。劉江紅等[33]將一株具有除蠟性能的菌株和一株產(chǎn)表面活性劑菌按比例為5∶3混合后進(jìn)行除蠟降黏實(shí)驗(yàn)，除蠟效果由29.8%提升到59%，將該混合菌種應(yīng)用到大慶外圍榆樹林油田的3口井進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，日增油率分別為41.2%，33.3%，37.5%，為該區(qū)塊油井帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)收益。Lei等[34]將由除蠟菌CYY0807和產(chǎn)表面活性劑菌CYY0810組成的混合菌種與等體積原油混合，在47 ℃條件下培養(yǎng)7 d后，發(fā)現(xiàn)單一菌最高降黏率為37.6%，而混合菌可使原油黏度降低46.9%，將該混合菌應(yīng)用到吉45區(qū)塊，產(chǎn)量提高9.2%。

上述研究表明，微生物能通過降解石蠟改善原油流動(dòng)性，進(jìn)而提高原油開采率，具有極大的應(yīng)用潛力。尤其對于混合菌種，它較單一菌種具有更高的降解效率，未來應(yīng)注重研究菌種之間的協(xié)同關(guān)系，以期進(jìn)一步提高菌種的降解率，促進(jìn)其廣泛應(yīng)用。但該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中，由于一些微生物具有選擇性，可能會(huì)受到不同區(qū)塊特點(diǎn)的影響，能否充分發(fā)揮菌種性能還有待進(jìn)一步研究。所以，通常應(yīng)用該技術(shù)前，還需對該區(qū)塊進(jìn)行針對性先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，這也是制約這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用的壁壘之一。

5 展望

隨著全球?qū)υ托枨罅康脑黾樱炘妥鳛橹饕茉垂┙o的原材料之一，其開采和運(yùn)輸?shù)倪M(jìn)程大幅提高，然而，在此過程中由蠟帶來的問題也逐步凸顯。隨著油田處理工藝的不斷深入研究，許多傳統(tǒng)方法暴露出了難以解決的新問題，這促進(jìn)了極具潛力的生物技術(shù)在油田工藝中的發(fā)展。針對目前利用生物技術(shù)提高原油流動(dòng)性的現(xiàn)狀和存在的問題，未來的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)可能會(huì)集中在以下幾方面：

(1)加強(qiáng)微生物降解機(jī)理研究。微生物對含蠟原油流動(dòng)性的促進(jìn)作用已經(jīng)證實(shí)，但其降解機(jī)理尚不明確，深入探索微生物對長鏈烴降解的分子機(jī)理，有利于提高生物利用率。

(2)注重微生物代謝產(chǎn)物的組成、結(jié)構(gòu)和功能機(jī)理研究。目前對于代謝產(chǎn)物的研究主要集中在發(fā)現(xiàn)、檢測、鑒定等研究方面，未來應(yīng)對已發(fā)現(xiàn)代謝產(chǎn)物的組成、結(jié)構(gòu)和功能機(jī)理等方面著重研究，以期達(dá)到工業(yè)所需要求，提高其應(yīng)用范圍。

(3)完善復(fù)雜因素對微生物生長影響研究。室內(nèi)模擬環(huán)境與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境往往存在一定差異，為確保微生物在環(huán)境中能充分發(fā)揮菌種性能，未來的研究應(yīng)對更多影響微生物的因素進(jìn)行探索。

(4)推進(jìn)混合菌種聯(lián)用研究?；旌暇N較單一菌種具有更高的降解率，未來應(yīng)注重研究菌種之間的協(xié)同關(guān)系，以期可進(jìn)一步提高菌種降解率，促進(jìn)其廣泛應(yīng)用。