微生物對稠油降解、降粘作用研究進展

張曉博 洪帥 姜晗 等

摘 要： 稠油因其有高粘、流動性差、不宜開采的特點成為石油開采運輸的研究重點；微生物降解稠油技術因高效、不污染油品，近幾年來研究進展較大。目前，解烴菌的菌種數量雖然眾多，但是這些菌種對地層、油藏的伍配性太強，只適應特定的油品；降解膠質、瀝青質方面微生物存在著一定難度，這類菌種較少而且作用周期較長。論述了影響稠油流動性的因素、近幾年來微生物降解稠油的研究進展，展望了日后的微生物降解稠油的研究方向。

關 鍵 詞：解烴菌；稠油降解；稠油降粘；膠質；蠟

中圖分類號：TE 624 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）03-0617-05

Abstract： Heavy oil becomes a research focus of the oil transportation because of its high viscosity and poor liquidity. In recent years， considerable research progress has been made in heavy oil bio-degradation technology with many advantages. There are so many species of hydrocarbon-degrading bacteria； however， these species are just adapted to the special stratum， reservoir and oil. There are some difficulties in the degradation of asphaltene and colloid， this kind of bacteria is less， and needs long effect period. In this paper， factors influencing the liquidity of heavy oil were discussed as well as research progress of recent microbial degradation of heavy oil； research direction of bio-degradation of heavy oil in the future was prospected.

Key words：Hydrocarbon-degrading bacteria； Heavy oil degradation； Viscosity reduction； Colloid； Asphaltene； Wax；

我國有16×104 t的稠油資源[1]，東北與華北地區稠油儲量占較大比重[2]。含蠟晶、膠質和瀝青質大分子結構是稠油高粘、高密度的原油，其中膠質和瀝青質含量高達25%～50%[3，4]。這類油品存在著粘度高、流動性差，不易開采的特點；因此對稠油進行降粘處理是稠油開采的重點環節。本文對稠油流動性影響因素、微生物降解原油機理進行了探討，并羅列了該領域的研究進展，展望了日后的研究方向。

1 影響稠油流動性的因素

管輸原油時，若是環境溫度與輸送壓力發生變化，原油的流變性便會產生變化。因此，原油在不同管輸條件下將呈現出牛頓流體、假塑性流體、脹塑性流體等特點。原油的流變特性對原油的經濟效益與安全性有極大影響，因此，原油流變學對稠油的開采、運輸有深遠影響。

原油的性質中的流變特性與原油組分有關[5]。由于原油的組份多變復雜，不同條件下溶解的氣體固體成分不同，流變性則受到這一因素制約。溶解氣成分主要是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷以及較少的異丁烷和異戊烷[5]；溶解氣的含量決定粘度的高低。原油中主要的固體成分是石蠟、瀝青質和膠質， 以上組分濃度比高，原油會呈現出非牛頓流體的特征，此時原油的粘度較高。

1.1 蠟含量對稠油粘度的影響

蠟是烷烴、環烷烴族、芳香烴的混合物，蠟在原油中的狀態有溶解、結晶和膠凝，這些狀態將直接影響原油的流變性。蠟沉積物由40%～60%的石蠟和少于10%的微晶蠟構成了蠟沉積物[6，7]。

石蠟是一種常溫下呈固態，分子量在160～500之間的混合物，依照碳鏈結構[8]，它主要是指正構烷烴（C18～C30），異構烷烴構成支鏈處于碳鏈末端還有極為少的環狀烴類做長側鏈[9] 的混合物。而微晶蠟是多含飽和烴（C30～C60），少量大分子正構烷烴和長側鏈環狀烴類的混合物[10]， 其分子結構復雜程度和分子量均高于石蠟[11]。

1.2 膠質對稠油粘度的影響

石油膠質是芳雜稠環大分子非烴化合物，極粘稠的不流動或無固定的形態的流體，因有縮合的稠環芳烴片層，環上及環與環之間大量的脂肪性結構單元受熱時熔融[12-15]。膠質分子的碳鏈為 C1～C30[6]，4～6個亞甲基與芳香環相連接，也含有O、N、S等雜原子，其平均分子量在600～3 000之間，結構見圖1。

膠質含氧化合物有芳香羧酸、醚類，胺類和酚類，含硫化合物有鏈狀、環狀和噻吩類，含氮雜環化合物有咔唑類等[7]。由于羧酸的存在，膠質可穩定存在，在原油呈中分散的，更容易成為穩定的分子聚集體[11]。石油膠體的穩定性要滿足：適量的瀝青質，可溶物質要有不低的芳香度；同時還要有適當數量、其成分結構和瀝青質相似的膠質組成膠溶組份[15]。加熱、加溶劑均有可能造成膠束之間的平衡變化進而改變石油粘度。因此膠質的含量高低決定原油粘度的大小[14-18]。

1.3 瀝青質對稠油粘度的影響

瀝青是由芳香族、環烷族不同有機物的環構成的凝聚環狀體系，成分不固定，可溶于石蠟烴類液體；瀝青多含芳香核，O、N、S等雜原子，同時還有Ni、V、Fe等金屬元素；含烷基側鏈基團[17]、與瀝青質和膠質中相似的脂肪酸類化合物[18]。膠狀瀝青狀組份中單元片（結構見圖 2）的基本結構是由多個芳環的稠環芳烴為核心，外圍連接多個環烷環，芳烴和環烷環還具有多個不同長度的烷基鏈構或異構，并含有多種硫、氮和氧的集團[19，20]。

瀝青質聚集體是顆粒結構，樹脂和芳香烴，烷烴極性較強，他們在瀝青質顆粒層形成溶劑層；通常，部分溶解了的瀝青質聚合體在分子力作用下集結成空間結構[22， 23]。

2 稠油降粘方法研究現狀

稠油因高粘、流動性差，用常規采油方法成本高、效率低，必須要進行降粘處理。目前，國內外常用的稠油降粘技術分成為四類：物理降粘技術、化學降粘技術、微生物降粘技術和復合降粘技術。

研究表明：傳統的降粘方法均存在著缺陷，目前大多數油田都采用加熱輸送工藝解決稠油輸送的難題。加熱輸送工藝在運輸過程中需要消耗大量的熱能，導致其運輸成本較高；且加熱溫度過高易發事故，允許輸量變化范圍小，停輸溫度降低易發凝管事故[24]。乳化降粘雖有著降粘幅度大的優勢，但是破乳降粘法通用性差，而且原油開采出來后要進行破乳脫水，還要進行污水處理，加大了工作量。摻稀降粘法影響油品質量[25]；油溶性降粘劑費用高[26]。雖然微生物采油法在我國起步較晚，但進展很快；全國各大油田均展開了對利用微生物提高采收率的研究。

3 微生物降解稠油的機理

4 國內近年來微生物降解、降黏技術研究進展

很多種以烴類為唯一碳源和能源可繁殖且現已在自然界中被發現的微生物大約有30屬100多種[26， 27]。

近幾年來，因解烴菌降解石油有著能有效的降低成本、操作簡單、對地層無損害、無污染的優勢吸引了大量學者的研究，但進展較慢。表2列出了我國2008-2015年解烴菌研究與應用現狀。

雖然近年來發現了諸多的解烴菌菌種類型，但是這些研究仍然存在著一些缺陷。解烴菌對石油降解過程由多個菌種共同作用，極為復雜。僅靠一種菌株很難降解所有的烴類物質，實質上就是截止式轉化物，這類轉化物逐漸聚集起來，不能徹底礦化[36]。目前的研究僅僅著重與單一菌種的降解、降黏效果，研究多種菌種復配、化學降粘劑復配的研究報道少之又少。

石油烴類難溶于水、溶解度較小無法為微生物繁殖生長供應足夠的量[22]，針對這一問題有兩種解決方案，一是加入乳化劑；二是加入微生物代謝產生的表面活性劑。但是目前對于這兩種方法因菌種的適配性和環境條件不同等條件影響，加入藥劑的比例難以控制，優化研究較少。并且因為稠油粘度大難以降解，針對稠油的解烴菌研究很少。

石油烴類的微生物降解環境一般是pH=7的中性值，在偏酸、偏堿的環境下這類菌株繁殖情況并不理想。但是極少的微生物可在極端的pH值條件下降解石油烴類[37]，Stapleton[38]等發現在pH=2.0的一處土樣中，萘和甲苯仍然被降解為二氧化碳和水。其他環境條件，如金屬離子（如Fe2+）濃度、鹽度和壓力這些因素均都也會影響微生物對石油烴類的降解效率。國內的研究成果大多是在pH=7或堿性條件下生長的解烴菌，應加強這方面就研究，馴化出在極端pH環境中可生長、降解稠油的菌種。同時微生物耐礦化度度低，一般微生物能夠正常進行新陳代謝的鹽度范圍大致在0.5%～3%，馴化菌種與高礦化度的條件下大量繁殖是研究重點。

目前研究發現的可降解稠油的微生物大多只可降解高碳鏈直鏈烷烴，可應用在一般的含少量質、瀝青質的稠油油藏[39]。對于含瀝青質、膠質高的油藏，因瀝青質、膠質結構復雜，降解效果不理想[11]。對膠質、瀝青質有降解作用的菌株已被篩選出，大量培養；但這些菌種降解周期長，降解率不高，究其原因，造成這一缺陷的原因是其水溶性低和生物可利用性低。因而，提高降解稠油的效率首要就要篩選、馴化出可高效降解稠油膠質、瀝青質的菌株。

5 研究展望

微生物降解技術因具有經濟效應好、對地層、油品無污染的特點，現已日益發展成熟。然而，微生物降解效率與施工的油藏環境、菌株與油品配伍性能有關，現有的菌株大多針對性強，適應特定的油田環境。這些缺陷限制了降解技術的發展，未來研究應注重以下幾點：

（1）有針對性的篩選可高效降解的解烴菌，現以稠油為唯一碳源篩選出的解烴菌對瀝青質、膠質

的降解效果并不理想；同時增強微生物對膠質、瀝青質降解的機理研究。

（2）有學者提出稠油中極少的金屬鎳和釩有可能是稠油粘度大的主導因素，因為降低微量金屬的含量可降低稠油粘度；但這一假設并沒有實驗驗證支撐，需要進一步的探究。

（3）現有的研究均是單一菌株的試驗，缺乏多種菌株復配試驗或與化學降粘劑復配的研究報道。

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（上接第609頁）

2）對于中等濃度有機廢氣，宜采用吸附法回收有機溶劑或熱力焚燒法凈化后達標排放。

3）對于低濃度有機廢氣，有回收價值時，應采用吸附法；無回收價值時，宜采用吸附濃縮燃燒技術、蓄熱式熱力焚燒技術等。

實際項目還需結合廢氣的排放與收集的方式，及投資能耗情況進行選擇。一般，水溶性廢氣多選用洗滌吸收法處理，非水溶性廢氣選擇冷凝+吸附、冷凝+吸附+膜分離等組合工藝。

3 結 論

化工倉儲庫應優先做好廢氣排放控制技術，控制污染物的產生，從源頭減少環境污染；并盡可能采用回收利用法處理廢氣，減少資源浪費。同時，廢氣收集應遵循“應收盡收、分質收集”的原則，選擇合適的處理技術，廢氣達標后排放，減少環境污染。

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