廖玉宏：以科技之手探油取气

李明丽

专家简介：

廖玉宏，1977年生，中科院广州地球化学研究所副研究员，理学博士。研究方向为有机地球化学（石油天然气方向）。

先后主持了包括自然科学基金面上项目、中国科学院战略性先导科技专项（B类）子课题、国家科技重大专项《大型油气田及煤层气开发》下属任务在内的项目8项。目前主持包括自然科学基金面上项目在内的在研课题3项，同时还作为科研骨干参与了多个重要项目的研究工作。2012年获得中科院广州地球化学研究所“涂光炽青年人才奖”，连续获第13届（2011年）、第14届（2013年）全国有机地球化学学术会议“中青年优秀论文奖”。

截至2015年10月，共发表文章25篇，14篇论文被SCI收录。10篇为第一或通讯作者，其中7篇第一或通讯作者论文是在本领域最有影响的刊物之一的《Organic Geochemistry》上发表。论文先后多次分别被本领域的国外著名有机地球化学家如Michael D. Lewan、Steve Larter、Fancoise Behar和Brian Horsfield等引用。

前不久，我国科研人员在国际有机地球化学界的著名杂志《Organic Geochemistry》发表了题为“Effect of biodegradation on the molecular composition and structure of asphaltenes： Clues from quantitative Py-GC and THM-GC”的论文，廖玉宏是该文的通讯作者，这也是廖玉宏以第一作者或通讯作者身份在该杂志发表的第7篇研究论文。这篇研究论文是他主持的国家自然科学基金面上项目的重要成果之一，该论文以我国辽河油田生物降解稠油为例，首次系统地定量研究了原油中沥青质组分分子结构中不同键合形态烷基侧链的厌氧生物降解过程，大大深化了国际上对油藏中原油厌氧生物降解过程和机理的认识，并为修正已有的油藏生物降解模型提供重要理论依据。

原油的微生物降解

油藏是原油在一定温度和压力条件下的聚集体，油藏形成后随着温度、压力等变化，可能发生次生改造。正如放入高压锅里的食物必须达到相当高的温度才能杀菌防腐，如果油藏充注前后都没有经历“高温杀菌”过程，或者正常油藏在构造运动中抬升出露到比较浅的地方时，随着地下水与地表水的交换带入微生物和溶解氧，油藏中的原油会发生微生物降解氧化过程。沥青质和饱和烃、芳烃、胶质一样，是原油的基本组分，也是原油中分子量最大、结构最复杂的组分。在我国的辽河油田、胜利油田，由于油藏埋藏不深，就经常会发生原油的微生物降解过程，使原油损失掉分子量较小的烃类，留下了分子量较大、杂原子多的胶质和沥青质，原油进而变成稠油。顾名思义，稠油粘度大，不好开采。

沥青质是原油各组分中分子量最大极性最强的组分，以往的研究认为沥青质是很难被微生物降解的，其降解机理也不清楚，就连国际上已有的油藏生物降解数值模型一般也都假定沥青质的含量不变。早在2009年廖玉宏通过研究发现，事实并非如此。他对辽河油田一系列具有同源和不同生物降解程度的原油中的沥青质组分的化学组成和分子结构进行了研究，结果发现一些反映沥青质整体物理化学性质的参数发生了规律性改变，“这说明沥青质的化学组成和分子结构在生物降解过程中发生了一定程度的改变！”这些发现2009年发表在《Organic Geochemistry》上，廖玉宏是第一作者。

随后，他采用质谱中具有最高分辨率的电喷雾-傅里叶变换-离子回旋共振质谱（ESI- FT-ICR MS）对辽河原油进行了深入的研究。结果表明，缩合度比较低的极性化合物优先被降解，同时缩合度高的化合物相对含量逐渐升高，如含氧化合物中，直链无环有机酸下降，酸性化合物逐步以多环的有机酸为主；含氮化合物中含较少芳环取代基的咔唑和苯并咔唑降解比较快，而含更多芳环取代基的含氮化合物更难被降解，这些成果于2012年同样发表在《Organic Geochemistry》上，廖玉宏依旧是论文的第一作者。

然而，研究到此并没有结束。这次，廖玉宏突破了常规热解色谱“如何定量”的难点，可以说如果没有解决定量的具体方法，那后面的一切发现也都将不复存在。他通过定量化在线瞬时热解技术（Py-GC）和在线衍生化瞬时热解（THM-GC）技术，结合沥青质的化学降解方法，对以不同共价键形态结合到沥青质芳核上的烷基侧链的可降解性进行了定量研究，廖玉宏主持的自然科学基金面上项目“生物降解过程中原油化学组成及分子结构变化”旨亦于此。研究结果表明，沥青质上的烷基侧链从短到长均有分布，最长烷基侧链的碳数可达27，不同碳数的烷基侧链在生物降解过程中会发生一些规律性变化。绝大多数（94.0～98.6%）的烷基侧链是通过强键（C-C键和C-O（醚）键）结合到沥青质芳核上的，这部分烷基侧链具有较差的可降解性，在生物降解过程中比较稳定；另外，还存在少量（1.4～6.0%）以弱键（酯键和氢键）结合到沥青质芳核上的烷基侧链，这部分烷基侧链的可降解性比较高。在轻度-中度降解阶段，以弱键结合的这部分烷基侧链绝大部分都会被微生物消耗掉，而通过强键结合的烷基侧链在此阶段基本不变；只有在重度-严重降解阶段才会被明显消耗，绝对丰度最大下降约9.2%，说明弱键结合的烷基侧链比强键结合的烷基侧链的可降解性更高。这些成果正是本文开篇之际提到的《Organic Geochemistry》文章的主要内容。

原油裂解成气与焦沥青

众所周知，天然气是优质的燃料和化工原料。目前，我国很多城市大气污染日益严重，这与大量使用煤炭作为燃料不无关系。而天然气是一种清洁能源，燃烧过程基本上不会产生空气污染，所以增加天然气开采量，改善我国的能源结构十分迫切。我国的天然气资源具有非常大的勘探潜力，近年来在我国西南的四川盆地发现了一系列的特大型气田，在四川盆地的页岩气勘探和开采方面也取得了重大突破。殊不知，这些天然气的形成都与原油的另一种常见的次生改造形式——原油（沥青）的热裂解息息相关。就像锅里的食物长期维持在过高的温度就会逐步焦化，随着埋深增加，油藏的温度会上升，原油在高温下会发生热裂解，从而产生天然气、轻质油和焦沥青。事实上，四川盆地众多气藏的储层中都含有大量的与天然气伴生的焦沥青。“焦沥青富含各种地球化学信息，是揭示天然气资源量和形成过程的一座天然桥梁，不仅可以为确定天然气的来源提供重要线索，还可以通过研究储层焦沥青的数量，来推测古油藏的规模及其形成过程”，廖玉宏介绍说。

由此，为还原焦沥青携带的地球化学信息，廖玉宏引入了一种叫做“催化加氢热解”的方法，即从高演化的焦沥青和烃源岩中释放共价键合的携带有机质来源信息的生物标志物，通过大量的基础工作，廖玉宏最终证明这种方法获取的地球化学信息具有良好的有效性和可靠性；接着以此为基础，再结合其他相关指标和石油地质背景分析，廖玉宏及其合作者成功解决了我国南方一些年代久远的古油藏焦沥青的来源问题。从2012年以来，他们的众多相关成果先后多次在《Organic Geochemistry》《Marine and Petroleum geology》和《科学通报》中英文版上发表。

油气勘探具有很强的地域性，我国有机地球化学家在油气地球化学研究中所面临的一些问题，在国外同行那里没有现成的答案供以借鉴，“因而需要思维和技术的创新”，廖玉宏说，有机地球化学是一门以实验为基础的学科，要突破已有研究的瓶颈必须有针对性地发展一些新方法新技术，而他自己也一直致力于这些基础工作。工欲善其事，必先利其器，廖玉宏打了个很形象的比喻，就像医生治病，首先要了解每味药的特性，才能准确地给病人开方抓药。在他看来，唯有把这些工具的使用方法摸索得非常熟悉并加以创新，才能更好地决现实问题。话语间可以深深体会到廖玉宏在科研上的坚定与稳健，没有一丝一毫的急于求成。“没有牢固的地基，再漂亮的房子也经不住风吹雨打……”

在把催化加氢热解引入高演化有机质的研究中，廖玉宏如是；在把热解色谱运用到烃源岩有机质中的低碳数烷基链的定量分析方面，廖玉宏更是付出了多年心血。为确定一个好的热解条件并验证其可靠性，他和研究生一起先后对各种类型的烃源岩有机质进行了几百次热解实验，积累了大量基础数据。厚积而薄发，2015年廖玉宏再次在《Organic Geochemistry》上发表文章，以详实的数据为基础证明了这种基于热解色谱的方法不仅可以用来定量烃源岩有机质初次裂解形成烃类气体的能力，还可以用来判断有机质的类型，具有良好的应用前景。

与石油天然气偶然结缘

如今建树颇丰的廖玉宏，回忆起当初与油气地球化学结缘，竟然也是个偶然。1995年，廖玉宏顺利考取北京大学地质系，临大学毕业之际班主任认为他稍显瘦弱的身体如果以实验室工作为主更能扬长避短，于是廖玉宏选择保研到中国科学院广州地球研究所，在有机地球化学国家重点实验室顺利完成了硕士和博士的学业。读博期间，他还以“联合培养博士生”身份在加拿大卡尔加里大学留学1年，师从著名的有机地球化学家、英国皇家学会院士Steve Larter教授。从读研究生到现在，他在油气地球化学这个领域一干就是15年。

“能取得今天的成绩，离不开我所在的团队”。这些年廖玉宏从博士导师耿安松研究员所在的高水平大团队合作中受益匪浅，因而也注重自己研究生团队的建设。在团队建设方面，廖玉宏认为“找对的人”很重要，“对的人”指的是对科研感兴趣的，有激情的人。平日里，他常常鼓励学生独立思考问题，与他们进行高频度的沟通和交流，也会和他们讨论生活中的一些问题。他喜欢和学生交朋友，“无论遇到什么困难，大家一起沟通”才是团队良好运转的前提。跟学生一起，身体力行，他一直是这样做的，在科研路上，他的团队与他一路同行。

千里之行，始于足下。廖玉宏这一路走来，每一步都是那样的脚踏实地、夯实有力，这同时也为他奠定下不可撼动的坚实基础。未来，廖玉宏会越走越远，在油气地球化学领域中创造出更多科研成果。