松遼盆地西斜坡地區(qū)油砂微生物降黏室內(nèi)模擬試驗研究

劉軼松，徐 飛，劉天恒，康海平，梁雪健，楊孝杰

中化地質(zhì)礦山總局吉林地質(zhì)勘查院，吉林 長春 130022

0 引言

油砂是一種重要的非常規(guī)油氣資源，世界油砂資源折算為油砂稠油約4×1011t，大于目前石油探明儲量[1]。油砂油的密度通常大于1 g/cm3，黏度通常大于1×104mPa·s。因其流動性極差，所以不能以一般打井開采原油、稠油的方法獲取油砂油。對于埋藏較淺的油砂，通常用挖掘機(jī)在露天開采出來后，用熱堿水抽提出稠油，再進(jìn)行加工改質(zhì)制取油品。對于埋藏較深的油砂，通常有蒸汽稠油開采及巷道采掘等工藝[2]。

油砂油微生物降黏是微生物采油技術(shù)(MEOR)中的一種，該方法相比其他技術(shù)來說，具有以下優(yōu)點(diǎn)：微生物培養(yǎng)成本較低且不易受原油價格影響；可用于各種類型的原油如重質(zhì)油、輕質(zhì)油等輔助開采；通過菌種篩選，能選出適應(yīng)各種特定油層條件的菌種且基本不損害地層；可以在同一油井中多次應(yīng)用且不污染環(huán)境；所需設(shè)備簡單。因此，“MEOR”是一項具有發(fā)展前景的三次采油技術(shù)[3,4]。本文通過一系列的油砂油室內(nèi)模擬試驗，獲得了較好的油砂降黏效果，為今后現(xiàn)場試驗提供了參照。

1 微生物降黏室內(nèi)模擬實(shí)驗方法設(shè)計

1.1 微生物降黏機(jī)理

微生物降黏主要包括以下3種方式：

(1)微生物以油藏中較高分子質(zhì)量的烴類為營養(yǎng)，攻擊烴類主鏈或改變支鏈的結(jié)構(gòu)而降解原油中的重質(zhì)組分，減小其分子質(zhì)量從而降低原油黏度及凝固點(diǎn)。

(2)微生物的代謝產(chǎn)物(生物表面活性物質(zhì)、酸、氣等)能夠大幅度降低原油黏度。

(3)微生物形成的生物膜也能夠改善孔道壁面的潤濕性。由于細(xì)菌菌毛的吸附作用，細(xì)菌通常粘附于固體表面生長，并形成基本微菌落形態(tài)，明顯改變孔道的表面潤濕性，有利于油砂油的流動。

1.2 擬采用的研究方法

本次試驗按以下5個步驟進(jìn)行：

(1)油砂油降黏微生物的富集培養(yǎng)，將含微生物的原樣品(產(chǎn)出水10 mL或10 g油砂)，放入配好的富集培養(yǎng)基培養(yǎng)。

(2)油砂油降黏微生物的分離純化，通過從富集培養(yǎng)基分離培養(yǎng)菌落再接入牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)后，進(jìn)行純化。制取菌懸液、接入牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)、挑取數(shù)量最多的一種單菌落。

(3)微生物菌液的乳化性質(zhì)測定，研究表明微生物在利用原油時，需先將原油乳化，因此一般原油降解菌均具有原油乳化和產(chǎn)表面活性物質(zhì)的性能。因此需測定菌液的乳化液穩(wěn)定時間、培養(yǎng)液表面活性及pH值。

(4)油砂油的微生物降黏實(shí)驗，將菌種接種到油砂油降黏培養(yǎng)基中培養(yǎng)降黏后，用黏度計測微生物降解后和對照組的油砂油黏度，測量黏度的溫度為50 ℃。

(5)油砂油的微生物降黏室內(nèi)模擬實(shí)驗，使用NDJ-1B-1黏度計的測量原油黏度的最少樣品量為30 mL，通過驅(qū)替的方法若不能獲得足夠的原油樣品用于測量黏度，應(yīng)采用圖1中的方法連接實(shí)驗裝置。在恒溫箱中放置一個反應(yīng)容器，將油砂和油以及微生物菌液填入反應(yīng)容器內(nèi)，并通過中間容器持續(xù)通入少量的空氣，使細(xì)菌在油砂中與油進(jìn)行反應(yīng)，培養(yǎng)一段時間后，取出并進(jìn)行油水分離，測量油的黏度。

圖1 油砂油微生物降黏物理模擬實(shí)驗流程圖

2 微生物降黏室內(nèi)模擬實(shí)驗過程

本次微生物降黏室內(nèi)模擬實(shí)驗按設(shè)計方法分準(zhǔn)備階段、菌類培養(yǎng)階段、室內(nèi)模擬及效果比對等三大步驟進(jìn)行。

2.1 準(zhǔn)備階段

(1)實(shí)驗材料，分離源樣品：采用西北溝油砂項目組提供的油砂JZD15-H33、JZD15-H41及ZK7296-H4等樣品。

富集培養(yǎng)基：KNO32.0 g，(NH4)2SO42.0 g，K2HPO42.0 g，MgCl20.15 g，CaCl20.15 g，牛肉膏1.5 g，自來水1 000 mL，pH調(diào)節(jié)至7.0，原油10 mL。

分離培養(yǎng)基：濾紙剪至培養(yǎng)皿大小，蘸滿原油后，121 ℃滅菌30 min。按照如下配方配制分離培養(yǎng)基：KNO32.0 g，(NH4)2SO42.0 g，K2HPO42.0 g，MgCl20.15 g，CaCl20.15 g，瓊脂粉10 g，自來水1 000 mL，pH調(diào)節(jié)至7.0，121 ℃滅菌30 min。倒入培養(yǎng)皿，待培養(yǎng)基凝固后將滅菌原油濾紙緊貼在培養(yǎng)基表面。

菌種純化及保藏培養(yǎng)基:牛肉膏3.0 g，蛋白胨10.0 g ，NaCl 5.0 g，瓊脂粉10.0 g，自來水1 000 mL，pH調(diào)節(jié)至7.0，121 ℃滅菌30 min。

油砂油降黏實(shí)驗培養(yǎng)基：蛋白胨5.0 g，NaCl 5.0 g，pH調(diào)節(jié)至7.0，自來水500 mL，油砂油500 mL，121 ℃滅菌30 min。

本實(shí)驗室的原油降解備用菌種：本實(shí)驗室已培養(yǎng)有可在原油中生長的細(xì)菌，其中編號10204的細(xì)菌為銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)已證實(shí)可以產(chǎn)生糖脂類表面活性物質(zhì)，可用于原油的降黏[5]。編號22100的細(xì)菌為解淀粉芽胞桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)，提取自活性污泥，可用來處理有油污的環(huán)境污水[6]。編號23898的細(xì)菌為普沙根瘤菌(Rhizobiumpusense)已證實(shí)可以產(chǎn)生脂肽類表面活性物質(zhì)，在微生物采油和原油污染處理方面具有應(yīng)用潛力[7]。

(2)實(shí)驗設(shè)備,滅菌鍋為YXQG02型電熱式高壓蒸汽滅菌鍋水浴恒溫?fù)u床：THZ-82型水浴恒溫振蕩器；烘箱：101型電熱鼓風(fēng)干燥箱；顯微鏡：XSP-8CA型顯微鏡；pH計：PHS-2F pH計；旋轉(zhuǎn)黏度計：NDJ-1B-1型旋轉(zhuǎn)黏度計；平流泵：2PB00C系列平流泵；反應(yīng)容器，中間容器：1 000 mL/32 MPa，活塞容器。

2.2 菌類培養(yǎng)過程

(1)微生物的富集培養(yǎng),將裝有培養(yǎng)基的樣品瓶在搖床中35 ℃、100 r/min培養(yǎng)7天后，均變渾濁，并且產(chǎn)生了沉淀，如圖2。說明樣品中的細(xì)菌數(shù)量逐漸增多。

圖2 富集培養(yǎng)所使用的樣品瓶和培養(yǎng)基

(2)微生物的分離純化,如圖3所示，將富集后的富集液涂布到分離培養(yǎng)基上，35 ℃烘箱中培養(yǎng)7天后，選擇生長較快，在原油濾紙上形成菌落較大的細(xì)菌菌落。結(jié)果表明：在濾紙表面并未觀察到菌落的形成，但有少量小菌落生長在濾紙與培養(yǎng)基的氣泡中，但這種菌落的應(yīng)用價值不大。即表明不能從油砂油的原樣品中分離到新的細(xì)菌。

因此，只能使用本實(shí)驗室已在其他實(shí)驗中證實(shí)有效的可產(chǎn)表面活性劑的降黏菌株，10204，22100和23898。將三株細(xì)菌在牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基上平板劃線活化，長出的菌落見圖4。

圖3 原樣品的原油降解菌分離培養(yǎng)基

圖4 3株細(xì)菌的菌落形態(tài)

(3)微生物發(fā)酵菌液的乳化性能,3株細(xì)菌的基本產(chǎn)表面活性劑和乳化性能如表1所示。

表1 3株細(xì)菌的基本性質(zhì)

圖5 排油圈法測定菌液表面活性

從圖5中可以看到，3株細(xì)菌10204、22100和23898發(fā)酵液培養(yǎng)后菌液都可產(chǎn)生明顯的排油圈，表明選用的菌株具有產(chǎn)生物表面活性劑的能力。微生物降低原油黏度的主要原因是微生物能利用原油生長，從而降解原油，而產(chǎn)生生物表面活性劑增強(qiáng)乳化作用，是細(xì)菌能利用原油進(jìn)行生長的前提。

從菌液和原油的乳化性能試驗表明3株細(xì)菌的發(fā)酵液對原油的乳化能力較好，與對照組形成鮮明的對比，如圖6。另外，通過測定pH值發(fā)現(xiàn)，3種菌株的發(fā)酵液都呈弱堿性，pH值在8～9之間，因此該菌液適應(yīng)于非堿敏性地層。

圖6 3株細(xì)菌的菌株乳化能力測定

(3)微生物發(fā)酵菌液的乳化性能,將菌株10204、22100和23898接種到油砂油降黏實(shí)驗培養(yǎng)基中，放入35 ℃，100 r/min搖床中培養(yǎng)7天，從圖7可以看到底部的營養(yǎng)液變渾濁，表明有大量細(xì)菌生長，靜置后分離出上層原油，并測定油砂油黏度，測量結(jié)果見表2所示。

圖7 油砂油的微生物降黏實(shí)驗

表2 微生物作用前后油砂油黏度變化

從中可以看出，對照組的原油平均值為3 300 mPa·s，而經(jīng)微生物降黏后油砂油的黏度分別為2 850 mPa·s、3 023 mPa·s和3 137 mPa·s，平均降黏率為4.9%～13.6%。表明微生物能有效降低油砂油的黏度，其中菌10204的降黏效果最好。另外從實(shí)驗設(shè)計和圖7中發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)時油與菌液比例為1∶1，在后續(xù)的實(shí)驗中，若能擴(kuò)大菌液的比例，使微生物具有更大的生長空間，則降黏率會更高，降黏效果更明顯。

2.3 微生物降黏室內(nèi)模擬實(shí)驗效果

含有菌種10204的油砂和油砂油的混合物在反應(yīng)容器中培養(yǎng)7天后，將混合物取出，放入大燒杯中，加入適量熱水。可以看到，部分油砂油從油砂中析出(圖8)并上浮。

圖8 油砂油從油砂中析出

將上層油分離后，50 ℃測量其黏度，結(jié)果見表3。從表中可以看出，微生物在油砂中降黏之后，黏度由原先的3 300 mPa·s降低到3 030 mPa·s，降黏率為8.2%，低于在搖床培養(yǎng)中的該菌的降黏率。

表3 微生物作用后油砂油的黏度

3 結(jié)論

(1)從原樣品中不能分離出新的、具有實(shí)用價值的高效原油降黏菌。

(2)使用本實(shí)驗室的三種菌株：銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa，10204)、解淀粉芽胞桿菌(Bacillusamyloliquefaciens，22100)、以及普沙根瘤菌(Rhizobiumpusense，23898)均對油砂油有明顯的降黏效果，降黏率為4.9%～13.6%，其中銅綠假單胞菌的降黏效果最好。

(3)實(shí)驗證明，三株細(xì)菌均具有產(chǎn)生物表面活性物質(zhì)的能力，具有較好的乳化性能。

(4)對銅綠假單胞菌的室內(nèi)模擬實(shí)驗表明，在油砂中該菌對油砂油也具有較好的降黏效果，降黏率8.2%，略低于在搖瓶實(shí)驗中13.6%的該菌降黏率。

(5)在實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)如下幾個問題：搖瓶降黏實(shí)驗中，可通過調(diào)節(jié)營養(yǎng)液與油的比例，給予細(xì)菌更大的生長空間，微生物的降黏效果會更加明顯；若能進(jìn)行氣相色譜實(shí)驗，分析降解前后的化學(xué)組成變化，可進(jìn)一步了解其降黏機(jī)理。