泌304區塊普通稠油降黏復合菌評價及機理分析

王孟江，郝春雷，李飛鵬，王 劍，唐恩施，王 森

(中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院，河南南陽 473132)

泌304區塊普通稠油降黏復合菌評價及機理分析

王孟江，郝春雷，李飛鵬，王 劍，唐恩施，王 森

(中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院，河南南陽 473132)

為解決河南油田普通稠油開采問題，對稠油降黏復合菌(B、KB、SX)進行了評價和機理研究。評價實驗表明，該復合菌對初始黏度為1115 mPa·s(50 ℃)稠油降黏率可達76.3%；在45 ℃恒溫培養條件下，15天后菌體濃度仍超過接菌量的50倍，其降黏能力和繁殖能力均超過單株菌。地層水菌群分析結果表明，該復合菌加入地層水后，促進了地層中其他有益菌的繁殖，而且實驗菌種彼此間也可互相促進，進而在復合菌內部及復合菌-原生菌間形成穩定的共生繁殖體系。各菌可代謝揮發性脂肪酸，并作為彼此的營養物質，以維持體系的繁殖穩定性；另外，復合菌還能代謝出糖脂、脂肽等生物表活劑和CH4、CO2，可使稠油瀝青質含量明顯降低，其發酵液對柴油乳化指數能達100%，這些均利于降低原油黏度，且能抑制地層水H2S的產生。

河南油田；稠油降黏；復合菌；降黏機理

微生物稠油降黏開采技術，是利用微生物產生有用的代謝產品，或者利用微生物能夠分解碳氫化合物的性能來降低稠油黏度[1-3]，目前在大慶、勝利等油田都得到了廣泛應用，并取得了較好的增油效果[4-5]。在實際試驗中將具有不同功能的細菌一起注入油層，由于數種驅油機理同時作用，驅油效果會更加顯著。不過，各菌種之間、注入菌與地層水原生菌之間如何互相作用，菌種降低原油黏度的機理仍不完全清楚。為此，對泌304區塊篩選的降黏復合菌種進行了性能測定和機理分析。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

(1)菌種來源。降黏菌SX、KB、 B、RT選自河南油田泌304區塊地層水，并保存在河南油田工程院菌種庫。

(2)培養基配方。LB培養基：胰蛋白胨 10 g/L，酵母膏 10 g/ L，NaCl 5 g/ L，pH值 7.2。普通原油培養基：原油50 g/L，NH4NO31.5 g/L，KH2PO40.5 g/L，酵母粉5 g/L；水為區塊地層水；原油取自試驗區塊普通稠油井。

1.2 實驗步驟

(1)菌種種屬鑒定。 將菌種接種LB培養基，45 ℃培養24 h，制備成菌種母液。以多聚酶鏈式反應(PCR)技術進行擴增菌種16SrDNA，通過同DNA序列數據庫(GenBank)中細菌基因序列比對，確定菌種種屬。

(2)菌種性能評價。將菌種接種LB培養基培養，制備成菌種母液。將各單菌母液及復合菌培養液接入50 mL普通原油培養基，菌液用量20%，45 ℃培養48 h。除去游離水，以旋轉黏度計檢測50 ℃下原油黏度(初始原油黏度為1115 mPa·s)，計算降黏率；以掛片式表面張力儀檢測培養液表面張力；以pH計檢測培養液pH值；以排水取氣法測定產氣量。復合菌培養液為各單菌母液等體積混合而成，復合后用量與各單菌單獨使用時相同。

(3)菌群結構分析。 各單菌母液及復合菌培養液分別以2%接種普通原油培養基，45 ℃條件下培養48 h。以變性梯度凝膠電泳(DGGE)法檢測培養液中各細菌的種屬情況，半定量檢測其數量變化。

(4)乳化指數檢測。將菌種接種LB培養基培養48 h，制備成菌種母液。將等體積母液和柴油在試管中充分混合，靜置24 h后，其乳狀層同整個有機相(乳狀層+未乳化柴油層)的體積比即為乳化指數。

(5)菌種代謝產物分析。將菌種制備成菌種母液后，以2%接種普通原油培養基，45 ℃條件下培養24 h。采用氣相色譜法測定發酵液中揮發性脂肪酸及氣體的種類；以溶劑萃取-紅外光譜吸收法測定表活劑的種類及含量。

(6)菌種降解原油分析。將降黏菌種接種普通原油培養基，接種量為2%，原油用量為1 g/L，45 ℃條件下培養7 d后，以層析法分析原油四組分變化，用紫外吸光度法檢測各組分含量。

2 菌種性能評價

2.1 單菌種屬鑒定

從地層水中篩選到4株能降低稠油黏度的菌種，分別為SX、KB、 B、RT。其種屬鑒定結果見表1。芽孢桿菌屬細菌兼性厭氧，能適應許多不良環境，多數能代謝生物表活劑和揮發性脂肪酸，并產氣；銅綠假單胞菌能高效代謝生物表活劑鼠李糖脂，常用于鼠李糖脂的發酵生產和微生物采油。

表1 菌種種屬鑒定結果

2.2 單菌性能評價

4株降黏菌性能評價結果見表2。4株菌對普通稠油降黏率為48%～67%，說明這些菌種能明顯降低目標原油的黏度；產氣量約為53～86 mL，這說明菌種可通過產氣降低原油黏度，增加地層壓力；培養液表面張力為33～56 mN·m-1，這表明菌種可乳化原油，促進原油流動，不過每株單菌的產氣、產表活劑、產酸性能差異較大，為此可組成復合菌，以增強其性能。

表2 單菌性能評價結果

2.3 復合菌性能評價

對5種復合菌組合進行性能評價，結果見表3。結果表明復合菌組合2(SX、KB、 B)的降黏率、菌體濃度和表面張力均為最佳，達到或超過其他組合和單菌。該復合菌中各單菌能彼此適應，促進其他菌種的繁殖與代謝，使各菌的活性優勢都得到了良好地發揮。

與復合菌組合1(SX、KB、 B、RT)相比，組合2在缺少了菌種RT后，各項指標反而增強。這可能是RT菌抑制了其他菌的繁殖代謝，也可能是該菌產生的代謝產物同其他菌的代謝物發生了沖突。

表3 復合菌性能評價結果

2.4 復合菌繁殖特征

將復合菌組合1、復合菌組合2及4株單菌接種普通原油培養基，檢測其在15 d內的繁殖情況。結果見圖1。

圖1 降黏復合菌生長時間曲線

SX菌在培養1 d后，菌體濃度達到最大，隨后明顯下降；其他三種菌在培養3 d后達到最大，后緩慢下降，這說明SX菌代謝速度較快，在初期消耗了大量的營養，而KB、B和RT面臨培養后期營養不足的情況。

各菌種組成復合菌后，生存能力更強，15 d后菌體濃度仍超過接種菌量的50倍。復合菌生存能力的增強，保證了其能在更長的時間里發揮降黏作用。這是由于菌種產生的乙酸等小分子代謝產物，同時也是其他細菌的營養物，這促進其他微生物繁殖；而且各菌代謝產物所能乳化的原油組分不同，可彌補彼此的缺陷，并彼此利用更多的原油為自身提供營養。因此，復合菌在培養后期，不會因為養分不足而使菌體濃度明顯下降。

復合菌2的繁殖能力強于復合菌1，這可能是RT菌的存在抑制了其他3種菌種的繁殖或發生了營養競爭。

3 復合菌共生繁殖機理分析

實驗菌種加入前后，地層水菌群結構的變化見表4。

油田地層水中含有豐富的采油有益菌，其中，反硝化細菌可以有效抑制原生菌中的硫酸鹽還原菌；銅綠假單胞菌產生的生物表面活性劑可有效地降低界面張力；微小桿菌屬被證明可用于降解原油中的芳烴化合物。

表4 地層水原生菌及實驗菌種數量變化情況

注：每增加一個“+”，濃度增加1～2個數量級。

實驗菌種所屬的芽孢桿菌和假單胞菌均為地層水中所含細菌種類，所以實驗菌種加入地層水后，芽孢桿菌和假單胞菌都明顯增加。同時，反硝化細菌、泛菌、微小桿菌等地層原生菌也有增長；在復合菌組合2(SX、KB、 B)中，芽孢桿菌和假單胞菌數量相近，這表明實驗菌種通過其代謝作用促進了地層中其他有益菌的繁殖，而且實驗菌種彼此間也可互相促進，進而在復合菌內部及復合菌-原生菌間形成穩定的共生繁殖體系，并發揮長期的采油效果。脫硫弧菌濃度沒有明顯變化，說明實驗菌種沒有促進硫酸鹽還原菌的繁殖。不過對于RT菌來說，假單胞菌和微小桿菌的濃度變化不大；復合菌1(SX、KB、B、RT)和復合菌2(SX、KB、B)相比，假單胞菌數量則有明顯減少。這可能是RT菌對假單胞菌等細菌有抑制作用并導致采油菌繁殖體系不穩定，影響了降黏效果及整體采油性能。因此，降黏復合菌的最佳組合為復合菌2(SX、KB、B)。

4 復合菌降黏機理分析

4.1 乳化指數和界面張力

將菌種接種LB培養基，45 ℃條件下培養24 h，制備成菌種母液，檢測各單菌及復合菌2的乳化指數(IE24)和水油界面張力，結果見表5。從中可見，復合菌2的乳化指數達到100%，界面張力達到0.1 mN/m，這說明菌種能產生足夠的生物表活劑乳化烴類。在采油過程中，菌種可以通過乳化作用，同原油形成乳狀液，促進原油流動。

復合菌2同其他單菌相比，乳化指數更高，界面張力更低，這也說明復合菌2的乳化能力更強，能充分發揮各單菌的乳化能力。

表5 降黏菌培養液的乳化指數、界面張力

4.2 代謝產物組成的影響

各單菌及復合菌組合的代謝產物結果見表6。可以看出，無論是復合菌還是四種單菌，乙酸等揮發性脂肪酸、糖脂等生物表活劑、CO2等生物氣均有明顯增加，而H2S沒有增加跡象。

揮發性脂肪酸可溶于原油降低其黏度，而且因其是芽孢桿菌等采油菌的營養物，還可促進采油菌共生體系的形成。糖脂和脂肽均是應用較為普遍的生物表活劑，它可顯著降低水油界面張力。CO2和CH4可溶入原油降低原油黏度，并引起原油膨脹，一定程度上增加地層壓力。

各單菌代謝的揮發性脂肪酸、生物表活劑和生物氣的種類、產量均有不同，而復合菌的各項指標均接近或超過了單菌，這些說明各菌在復合菌體系中都能正常的發揮代謝作用，并被促進。各菌產生的代謝產物彼此不同，它們對原油的作用也會有所側重。復合菌能集中發揮各菌優勢，提高降黏、采油功效。

相對來說，復合菌實驗組中的揮發性脂肪酸含量略低于各單菌，而生物表活劑和生物氣產量則更高。這是因為芽孢桿菌、假單胞菌以及地層水中的反硝化細菌、檸檬酸菌等，都會利用小分子量的揮發性脂肪酸做自己的營養源或呼吸鏈電子受體。細菌消耗掉部分揮發性脂肪酸后，產生出更多的生物表活劑和生物氣。

表6 代謝產物含量分析結果 mg/L

4.3 原油四組分的變化

分析各單菌及復合菌組合的代謝產物，結果見表7。可以看出，經菌種作用后，原油瀝青質、飽和烴和芳香烴均有明顯減少，說明降黏菌能降解原油中的瀝青質、飽和烴和芳烴等組份，這都能導致原油黏度下降。同時，細菌可利用被降解的原油組分為營養源，提高其繁殖代謝能力，進一步發揮降黏作用。

表7 原油四組分含量變化結果 mg/L

瀝青質和飽和烴減少后，非烴有所增加。這可能是因為細菌產生的糖脂等一部分極性代謝產物，因具有和非烴組分相似的分子量和表面性質，容易同非烴一同被洗脫并導致非烴含量增加。

復合菌同各單菌相比，對瀝青質降解能力更強，這說明組成復合菌后，菌種的降解能力得到了進一步增強。瀝青質為所有原油組分中對黏度貢獻最大的組分，所以復合菌對瀝青質的強降解作用利于降低原油黏度。

5 結論

(1)復合菌(SX、KB、B)對初始黏度為1 115 mPa·s(50 ℃)普通稠油降黏率可達到76.3%；在原油培養基中培養，15天后菌體濃度仍超過接菌量的50倍，其降黏能力和繁殖能力均超過單株菌。

(2)復合菌B、KB、SX加入地層水后，通過其代謝作用促進了地層中其他有益菌的繁殖，而且實驗菌種彼此間也可互相促進，進而在復合菌內部及復合菌-原生菌間形成穩定的共生繁殖體系，發揮長期的采油效果。

(3)實驗菌可代謝甲酸、乙酸等揮發性脂肪酸，這可作為彼此的營養物質，維持體系的繁殖穩定性；可代謝出糖脂、脂肽等生物表活劑和CH4、CO2；可使稠油瀝青質含量明顯降低；復合菌發酵液對柴油乳化指數達到100%，這均有利于降低原油黏度。

[1] 李功強，李麗.微生物提高石油采收率技術探討[J].石油地質與工程，2006，20(6)：89-92.

[2] 王霞，潘成松，范舟，等.微生物采油技術的發展現狀[J].石油地質與工程，2007，21(5)：75-78.

[3] 徐豪飛，施雷庭，葉仲斌,等.利用微生物提高高含水期稠油油藏采收率研究[J].應用化工，2013，42(1)：15-18.

[4] 安曉康.微生物吞吐采油技術在大慶油田葡北地區應用[J].長江大學學報(自然科學版)，2010，7(2)：227-230.

[5] 伍曉林,樂建君,王蕊,等.大慶油田微生物采油現場試驗進展[J].微生物學通報，2013,40(8):1478-1486.

編輯：劉洪樹

1673-8217(2015)05-0137-04

2015-05-08

王孟江，工程師，1981年生，2005年畢業于西南石油學院石油工程專業，現主要從事油氣田開發技術工作。

TE357.43

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