采用微生物對石油降黏機制的研究

趙玲莉，高 雁，張 濤，婁 愷，周 鑫，張 鵬

（1. 新疆農業科學院微生物應用研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2. 克拉瑪依市紅都有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 北京化工大學 化學工程學院，北京 100029）

采用微生物對石油降黏機制的研究

趙玲莉1，2，高 雁1，張 濤1，婁 愷1，周 鑫1，張 鵬3

（1. 新疆農業科學院微生物應用研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2. 克拉瑪依市紅都有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 北京化工大學 化學工程學院，北京 100029）

以對稠油有明顯降黏效果的功能鏈球菌為菌種，針對新疆克拉瑪依油樣特性，培養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、膠質及有機酸含量變化進行分析。實驗結果表明：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，蠟質和膠質含量下降，有機酸含量顯著增加，從而增加孔隙度，提高滲透率，降低石油黏度，提高石油流動性，以提高原油采收率，達到進一步采油的目的。

微生物菌株；石油降黏；有機酸；提高采收率

微生物驅油技術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輸效率的現代生物技術，微生物采油技術與其他三次采油技術相比，具有適用范圍廣、工藝簡單、無污染和低成本等特點，具有良好的發展前景［1］。化學驅、強堿、高濃度的三元驅的現場實驗有很多弊端［2-4］。長鏈烴和膠質多環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、蠟質和膠質是利用微生物采油技術提高石油采收率的關鍵。有機酸是微生物代謝產物中重要的組成部分，運用微生物菌株與石油作用后，通過測定發酵液的有機酸含量，可以發現不同菌株處理后有機酸成分含量存在差異。康宏等［6］研究測定有機酸成分為乙酸、異丁酸及丁二醇，有機酸的產生同樣可以改善石油的流動性能，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理之一［7］。

1998年，向延生等［8］研究發現，原油受微生物作用后，組分和分子結構都發生變化。高碳數正構烷烴降解成低碳數烷烴，芳烴骨架不受影響，支鏈斷裂，代謝產物有有機酸、氣體和酮、醚類物質；原油受微生物作用后黏度、凝點、蠟含量均降低。2001年，梁風來等［9］研究發現，株菌可分解原油產生表面活性劑、有機酸及氣體，并可使原油黏度、蠟質含量、膠質含量和凝固點都降低。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酸和表面活性劑，有效地改善了原油的流動性。

本工作針對新疆克拉瑪依油藏特點，培養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、膠質及有機酸含量的變化，探討了微生物采油機理。

1 實驗部分

1.1 試劑

菌株BT-003：北京化工大學針對新疆克拉瑪依油樣特性，以對稠油有明顯降黏效果的功能鏈球菌為菌種，在實驗室進行篩選和復合誘變。

油樣為克拉瑪依市風城作業區重32井區稠油，由克拉瑪依市紅都有限責任公司采樣。

蛋白胨、酵母粉、瓊脂：北京奧博星生物技術有限責任公司；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，天津市天新精細化工開發中心。

1.2 儀器

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

采用新德醫療器械有限公司MLS-3020型高壓蒸汽滅菌鍋進行滅菌；采用杭州艾普儀器設備有限公司HSX-250型恒溫培養箱對菌株進行培養。

1.3 方法

固體平板培養基：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，反應壓力為1×105Pa，滅菌20 min。

液體發酵培養基：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，反應壓力為1×105Pa，滅菌20 min。

無機鹽培養基：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基中，35 ℃培養，傳代3次以上，得到純化單菌落，然后搖床培養8 h發酵菌液，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8 h后，取樣測定各指標含量。

采用氣相色譜法［11-12］，對照空白樣，分別測定菌株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］，對照空白樣，分別測定菌株與石油油樣混合反應后液體中蠟質和膠質的含量。采用氣相色譜法［14-15］，對照空白樣，分別測定菌株BT-003與石油油樣作用后混合液中有機酸的含量。

2 結果與討論

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性：一是通過降解作用降低原油中重質組分含量；二是通過代謝產生表面活性物質的乳化作用形成O/W型乳狀液。針對正庚烷以前的輕烴和C8～40正構烷烴化合物進行石油長鏈烷烴組分含量的氣相色譜分析。表1為實驗菌株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，表示石油由高相對分子質量化合物向輕質組分化合物方向運移。隨著高分子化合物含量的相對減少、輕質組分化合物含量的相對增加，石油的流動性變好，品質得到了改善［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烷烴的碳數分布含量很不均勻，其中，C23～25分布最高，碳數低于23的短鏈烷烴和超過25以后的長鏈烷烴含量分布較低；與菌株混合反應后，該菌株可選擇性地降解石油中的某些高碳數烷烴，長鏈烴含量相對減少，短鏈烴或低鏈烴含量相對增加，以C13～15含量分布最高，即石油的輕質組分增加。

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 蠟質和膠質含量變化

經過一次和二次常規采油之后，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、膠質和瀝青含量高等，導致石油黏度高，流動性差。表2為菌株BT-003與石油油樣作用前后蠟質和膠質含量變化。由表2可知，菌株作用前后石油的蠟和膠質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。為了進一步驗證該菌株可將石蠟作為碳源，在無機鹽培養基中以液體石蠟代替石油油樣作為唯一碳源進行實驗，結果發現菌體生長良好，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 有機酸含量變化

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

表2 菌株BT-003與石油油樣作用前后蠟質和膠質含量變化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）為有機酸標準色譜圖，圖2（b）為菌株與石油油樣作用前有機酸含量色譜圖，圖2（c）為菌株與石油油樣作用后混合液中有機酸含量色譜圖。由圖2可知，低相對分子質量有機酸主要以乙酸、丙酸和丁酸為主，菌株與石油油樣混合作用前，低相對分子質量有機酸含量較低；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 結論

1）菌株BT-003可降解克拉瑪依市風城作業區重32井區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量，從而改變石油的流動性及黏度，以達到進一步采油的目的。

2）菌株BT-003與石油油樣作用后，油樣中易揮發性有機酸（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。這些低相對分子質量的有機酸能溶解碳酸鹽，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，石油中的蠟質和膠質含量都下降，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，高級工程師。聯系人：周鑫，電話 13522338550，電郵 zhouxin@mail.buct.edu.cn。

新疆維吾爾自治區科技計劃項目“微生物驅油技術中試研究”（201232129）。