泌304区块普通稠油降黏复合菌评价及机理分析

王孟江，郝春雷，李飞鹏，王 剑，唐恩施，王 森

(中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳 473132)

泌304区块普通稠油降黏复合菌评价及机理分析

王孟江，郝春雷，李飞鹏，王 剑，唐恩施，王 森

(中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳 473132)

为解决河南油田普通稠油开采问题，对稠油降黏复合菌(B、KB、SX)进行了评价和机理研究。评价实验表明，该复合菌对初始黏度为1115 mPa·s(50 ℃)稠油降黏率可达76.3%；在45 ℃恒温培养条件下，15天后菌体浓度仍超过接菌量的50倍，其降黏能力和繁殖能力均超过单株菌。地层水菌群分析结果表明，该复合菌加入地层水后，促进了地层中其他有益菌的繁殖，而且实验菌种彼此间也可互相促进，进而在复合菌内部及复合菌-原生菌间形成稳定的共生繁殖体系。各菌可代谢挥发性脂肪酸，并作为彼此的营养物质，以维持体系的繁殖稳定性；另外，复合菌还能代谢出糖脂、脂肽等生物表活剂和CH4、CO2，可使稠油沥青质含量明显降低，其发酵液对柴油乳化指数能达100%，这些均利于降低原油黏度，且能抑制地层水H2S的产生。

河南油田；稠油降黏；复合菌；降黏机理

微生物稠油降黏开采技术，是利用微生物产生有用的代谢产品，或者利用微生物能够分解碳氢化合物的性能来降低稠油黏度[1-3]，目前在大庆、胜利等油田都得到了广泛应用，并取得了较好的增油效果[4-5]。在实际试验中将具有不同功能的细菌一起注入油层，由于数种驱油机理同时作用，驱油效果会更加显著。不过，各菌种之间、注入菌与地层水原生菌之间如何互相作用，菌种降低原油黏度的机理仍不完全清楚。为此，对泌304区块筛选的降黏复合菌种进行了性能测定和机理分析。

1 实验方法

1.1 实验材料

(1)菌种来源。降黏菌SX、KB、 B、RT选自河南油田泌304区块地层水，并保存在河南油田工程院菌种库。

(2)培养基配方。LB培养基：胰蛋白胨 10 g/L，酵母膏 10 g/ L，NaCl 5 g/ L，pH值 7.2。普通原油培养基：原油50 g/L，NH4NO31.5 g/L，KH2PO40.5 g/L，酵母粉5 g/L；水为区块地层水；原油取自试验区块普通稠油井。

1.2 实验步骤

(1)菌种种属鉴定。 将菌种接种LB培养基，45 ℃培养24 h，制备成菌种母液。以多聚酶链式反应(PCR)技术进行扩增菌种16SrDNA，通过同DNA序列数据库(GenBank)中细菌基因序列比对，确定菌种种属。

(2)菌种性能评价。将菌种接种LB培养基培养，制备成菌种母液。将各单菌母液及复合菌培养液接入50 mL普通原油培养基，菌液用量20%，45 ℃培养48 h。除去游离水，以旋转黏度计检测50 ℃下原油黏度(初始原油黏度为1115 mPa·s)，计算降黏率；以挂片式表面张力仪检测培养液表面张力；以pH计检测培养液pH值；以排水取气法测定产气量。复合菌培养液为各单菌母液等体积混合而成，复合后用量与各单菌单独使用时相同。

(3)菌群结构分析。 各单菌母液及复合菌培养液分别以2%接种普通原油培养基，45 ℃条件下培养48 h。以变性梯度凝胶电泳(DGGE)法检测培养液中各细菌的种属情况，半定量检测其数量变化。

(4)乳化指数检测。将菌种接种LB培养基培养48 h，制备成菌种母液。将等体积母液和柴油在试管中充分混合，静置24 h后，其乳状层同整个有机相(乳状层+未乳化柴油层)的体积比即为乳化指数。

(5)菌种代谢产物分析。将菌种制备成菌种母液后，以2%接种普通原油培养基，45 ℃条件下培养24 h。采用气相色谱法测定发酵液中挥发性脂肪酸及气体的种类；以溶剂萃取-红外光谱吸收法测定表活剂的种类及含量。

(6)菌种降解原油分析。将降黏菌种接种普通原油培养基，接种量为2%，原油用量为1 g/L，45 ℃条件下培养7 d后，以层析法分析原油四组分变化，用紫外吸光度法检测各组分含量。

2 菌种性能评价

2.1 单菌种属鉴定

从地层水中筛选到4株能降低稠油黏度的菌种，分别为SX、KB、 B、RT。其种属鉴定结果见表1。芽孢杆菌属细菌兼性厌氧，能适应许多不良环境，多数能代谢生物表活剂和挥发性脂肪酸，并产气；铜绿假单胞菌能高效代谢生物表活剂鼠李糖脂，常用于鼠李糖脂的发酵生产和微生物采油。

表1 菌种种属鉴定结果

2.2 单菌性能评价

4株降黏菌性能评价结果见表2。4株菌对普通稠油降黏率为48%～67%，说明这些菌种能明显降低目标原油的黏度；产气量约为53～86 mL，这说明菌种可通过产气降低原油黏度，增加地层压力；培养液表面张力为33～56 mN·m-1，这表明菌种可乳化原油，促进原油流动，不过每株单菌的产气、产表活剂、产酸性能差异较大，为此可组成复合菌，以增强其性能。

表2 单菌性能评价结果

2.3 复合菌性能评价

对5种复合菌组合进行性能评价，结果见表3。结果表明复合菌组合2(SX、KB、 B)的降黏率、菌体浓度和表面张力均为最佳，达到或超过其他组合和单菌。该复合菌中各单菌能彼此适应，促进其他菌种的繁殖与代谢，使各菌的活性优势都得到了良好地发挥。

与复合菌组合1(SX、KB、 B、RT)相比，组合2在缺少了菌种RT后，各项指标反而增强。这可能是RT菌抑制了其他菌的繁殖代谢，也可能是该菌产生的代谢产物同其他菌的代谢物发生了冲突。

表3 复合菌性能评价结果

2.4 复合菌繁殖特征

将复合菌组合1、复合菌组合2及4株单菌接种普通原油培养基，检测其在15 d内的繁殖情况。结果见图1。

图1 降黏复合菌生长时间曲线

SX菌在培养1 d后，菌体浓度达到最大，随后明显下降；其他三种菌在培养3 d后达到最大，后缓慢下降，这说明SX菌代谢速度较快，在初期消耗了大量的营养，而KB、B和RT面临培养后期营养不足的情况。

各菌种组成复合菌后，生存能力更强，15 d后菌体浓度仍超过接种菌量的50倍。复合菌生存能力的增强，保证了其能在更长的时间里发挥降黏作用。这是由于菌种产生的乙酸等小分子代谢产物，同时也是其他细菌的营养物，这促进其他微生物繁殖；而且各菌代谢产物所能乳化的原油组分不同，可弥补彼此的缺陷，并彼此利用更多的原油为自身提供营养。因此，复合菌在培养后期，不会因为养分不足而使菌体浓度明显下降。

复合菌2的繁殖能力强于复合菌1，这可能是RT菌的存在抑制了其他3种菌种的繁殖或发生了营养竞争。

3 复合菌共生繁殖机理分析

实验菌种加入前后，地层水菌群结构的变化见表4。

油田地层水中含有丰富的采油有益菌，其中，反硝化细菌可以有效抑制原生菌中的硫酸盐还原菌；铜绿假单胞菌产生的生物表面活性剂可有效地降低界面张力；微小杆菌属被证明可用于降解原油中的芳烃化合物。

表4 地层水原生菌及实验菌种数量变化情况

注：每增加一个“+”，浓度增加1～2个数量级。

实验菌种所属的芽孢杆菌和假单胞菌均为地层水中所含细菌种类，所以实验菌种加入地层水后，芽孢杆菌和假单胞菌都明显增加。同时，反硝化细菌、泛菌、微小杆菌等地层原生菌也有增长；在复合菌组合2(SX、KB、 B)中，芽孢杆菌和假单胞菌数量相近，这表明实验菌种通过其代谢作用促进了地层中其他有益菌的繁殖，而且实验菌种彼此间也可互相促进，进而在复合菌内部及复合菌-原生菌间形成稳定的共生繁殖体系，并发挥长期的采油效果。脱硫弧菌浓度没有明显变化，说明实验菌种没有促进硫酸盐还原菌的繁殖。不过对于RT菌来说，假单胞菌和微小杆菌的浓度变化不大；复合菌1(SX、KB、B、RT)和复合菌2(SX、KB、B)相比，假单胞菌数量则有明显减少。这可能是RT菌对假单胞菌等细菌有抑制作用并导致采油菌繁殖体系不稳定，影响了降黏效果及整体采油性能。因此，降黏复合菌的最佳组合为复合菌2(SX、KB、B)。

4 复合菌降黏机理分析

4.1 乳化指数和界面张力

将菌种接种LB培养基，45 ℃条件下培养24 h，制备成菌种母液，检测各单菌及复合菌2的乳化指数(IE24)和水油界面张力，结果见表5。从中可见，复合菌2的乳化指数达到100%，界面张力达到0.1 mN/m，这说明菌种能产生足够的生物表活剂乳化烃类。在采油过程中，菌种可以通过乳化作用，同原油形成乳状液，促进原油流动。

复合菌2同其他单菌相比，乳化指数更高，界面张力更低，这也说明复合菌2的乳化能力更强，能充分发挥各单菌的乳化能力。

表5 降黏菌培养液的乳化指数、界面张力

4.2 代谢产物组成的影响

各单菌及复合菌组合的代谢产物结果见表6。可以看出，无论是复合菌还是四种单菌，乙酸等挥发性脂肪酸、糖脂等生物表活剂、CO2等生物气均有明显增加，而H2S没有增加迹象。

挥发性脂肪酸可溶于原油降低其黏度，而且因其是芽孢杆菌等采油菌的营养物，还可促进采油菌共生体系的形成。糖脂和脂肽均是应用较为普遍的生物表活剂，它可显著降低水油界面张力。CO2和CH4可溶入原油降低原油黏度，并引起原油膨胀，一定程度上增加地层压力。

各单菌代谢的挥发性脂肪酸、生物表活剂和生物气的种类、产量均有不同，而复合菌的各项指标均接近或超过了单菌，这些说明各菌在复合菌体系中都能正常的发挥代谢作用，并被促进。各菌产生的代谢产物彼此不同，它们对原油的作用也会有所侧重。复合菌能集中发挥各菌优势，提高降黏、采油功效。

相对来说，复合菌实验组中的挥发性脂肪酸含量略低于各单菌，而生物表活剂和生物气产量则更高。这是因为芽孢杆菌、假单胞菌以及地层水中的反硝化细菌、柠檬酸菌等，都会利用小分子量的挥发性脂肪酸做自己的营养源或呼吸链电子受体。细菌消耗掉部分挥发性脂肪酸后，产生出更多的生物表活剂和生物气。

表6 代谢产物含量分析结果 mg/L

4.3 原油四组分的变化

分析各单菌及复合菌组合的代谢产物，结果见表7。可以看出，经菌种作用后，原油沥青质、饱和烃和芳香烃均有明显减少，说明降黏菌能降解原油中的沥青质、饱和烃和芳烃等组份，这都能导致原油黏度下降。同时，细菌可利用被降解的原油组分为营养源，提高其繁殖代谢能力，进一步发挥降黏作用。

表7 原油四组分含量变化结果 mg/L

沥青质和饱和烃减少后，非烃有所增加。这可能是因为细菌产生的糖脂等一部分极性代谢产物，因具有和非烃组分相似的分子量和表面性质，容易同非烃一同被洗脱并导致非烃含量增加。

复合菌同各单菌相比，对沥青质降解能力更强，这说明组成复合菌后，菌种的降解能力得到了进一步增强。沥青质为所有原油组分中对黏度贡献最大的组分，所以复合菌对沥青质的强降解作用利于降低原油黏度。

5 结论

(1)复合菌(SX、KB、B)对初始黏度为1 115 mPa·s(50 ℃)普通稠油降黏率可达到76.3%；在原油培养基中培养，15天后菌体浓度仍超过接菌量的50倍，其降黏能力和繁殖能力均超过单株菌。

(2)复合菌B、KB、SX加入地层水后，通过其代谢作用促进了地层中其他有益菌的繁殖，而且实验菌种彼此间也可互相促进，进而在复合菌内部及复合菌-原生菌间形成稳定的共生繁殖体系，发挥长期的采油效果。

(3)实验菌可代谢甲酸、乙酸等挥发性脂肪酸，这可作为彼此的营养物质，维持体系的繁殖稳定性；可代谢出糖脂、脂肽等生物表活剂和CH4、CO2；可使稠油沥青质含量明显降低；复合菌发酵液对柴油乳化指数达到100%，这均有利于降低原油黏度。

[1] 李功强，李丽.微生物提高石油采收率技术探讨[J].石油地质与工程，2006，20(6)：89-92.

[2] 王霞，潘成松，范舟，等.微生物采油技术的发展现状[J].石油地质与工程，2007，21(5)：75-78.

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

[4] 安晓康.微生物吞吐采油技术在大庆油田葡北地区应用[J].长江大学学报(自然科学版)，2010，7(2)：227-230.

[5] 伍晓林,乐建君,王蕊,等.大庆油田微生物采油现场试验进展[J].微生物学通报，2013,40(8):1478-1486.

编辑：刘洪树

1673-8217(2015)05-0137-04

2015-05-08

王孟江，工程师，1981年生，2005年毕业于西南石油学院石油工程专业，现主要从事油气田开发技术工作。

TE357.43

A