采用微生物对石油降黏机制的研究

赵玲莉，高 雁，张 涛，娄 恺，周 鑫，张 鹏

（1. 新疆农业科学院微生物应用研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；2. 克拉玛依市红都有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000；3. 北京化工大学 化学工程学院，北京 100029）

采用微生物对石油降黏机制的研究

赵玲莉1，2，高 雁1，张 涛1，娄 恺1，周 鑫1，张 鹏3

（1. 新疆农业科学院微生物应用研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；2. 克拉玛依市红都有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000；3. 北京化工大学 化学工程学院，北京 100029）

以对稠油有明显降黏效果的功能链球菌为菌种，针对新疆克拉玛依油样特性，培养了可提高油井采收率的菌株BT-003。采用气相色谱和氧化铝吸附法对微生物菌株BT-003与石油油样作用后混合液中的长链烷烃组分、蜡质、胶质及有机酸含量变化进行分析。实验结果表明：菌株BT-003与石油油样作用后混合液中短链烷烃的含量增加，蜡质和胶质含量下降，有机酸含量显著增加，从而增加孔隙度，提高渗透率，降低石油黏度，提高石油流动性，以提高原油采收率，达到进一步采油的目的。

微生物菌株；石油降黏；有机酸；提高采收率

微生物驱油技术是利用特殊微生物能降解原油黏度的特性来提高采油和原油运输效率的现代生物技术，微生物采油技术与其他三次采油技术相比，具有适用范围广、工艺简单、无污染和低成本等特点，具有良好的发展前景［1］。化学驱、强碱、高浓度的三元驱的现场实验有很多弊端［2-4］。长链烃和胶质多环芳烃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长链烃、蜡质和胶质是利用微生物采油技术提高石油采收率的关键。有机酸是微生物代谢产物中重要的组成部分，运用微生物菌株与石油作用后，通过测定发酵液的有机酸含量，可以发现不同菌株处理后有机酸成分含量存在差异。康宏等［6］研究测定有机酸成分为乙酸、异丁酸及丁二醇，有机酸的产生同样可以改善石油的流动性能，降低油水之间的界面张力，是微生物提高石油采收率的主要机理之一［7］。

1998年，向延生等［8］研究发现，原油受微生物作用后，组分和分子结构都发生变化。高碳数正构烷烃降解成低碳数烷烃，芳烃骨架不受影响，支链断裂，代谢产物有有机酸、气体和酮、醚类物质；原油受微生物作用后黏度、凝点、蜡含量均降低。2001年，梁风来等［9］研究发现，株菌可分解原油产生表面活性剂、有机酸及气体，并可使原油黏度、蜡质含量、胶质含量和凝固点都降低。2013年，游靖等［10］以原油为唯一碳源，从华北油田油井产出液中分离筛选得到一株高效降解原油的菌株，该菌株与原油作用后，能代谢一定量的有机酸和表面活性剂，有效地改善了原油的流动性。

本工作针对新疆克拉玛依油藏特点，培养了可提高油井采收率的菌株BT-003；并研究了该菌株与石油油样作用后混合液中的长链烷烃组分、蜡质、胶质及有机酸含量的变化，探讨了微生物采油机理。

1 实验部分

1.1 试剂

菌株BT-003：北京化工大学针对新疆克拉玛依油样特性，以对稠油有明显降黏效果的功能链球菌为菌种，在实验室进行筛选和复合诱变。

油样为克拉玛依市风城作业区重32井区稠油，由克拉玛依市红都有限责任公司采样。

蛋白胨、酵母粉、琼脂：北京奥博星生物技术有限责任公司；蔗糖、硫酸镁、硫酸亚铁、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、硝酸铵、氧化铝、石油醚、苯、丙酮：分析纯，天津市天新精细化工开发中心。

1.2 仪器

采用安捷伦公司6850型气相色谱仪测定菌株BT-003与石油油样作用前后长链烷烃组分、蜡质和胶质及有机酸的含量变化。氢离子火焰检测器，载气为高纯氮气，进样量1 μL。DB-5石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），柱温为40 ℃，保留时间10 min，以6 ℃/min的速率升温至300 ℃，进样口温度为300 ℃，检测器温度为300 ℃；FFAP石英毛细管柱，柱温为90 ℃，保留时间5 min，以3 ℃/min的速率升温至300 ℃，进样口温度为220℃，检测器温度为300 ℃。

采用新德医疗器械有限公司MLS-3020型高压蒸汽灭菌锅进行灭菌；采用杭州艾普仪器设备有限公司HSX-250型恒温培养箱对菌株进行培养。

1.3 方法

固体平板培养基：酵母粉3 g，蛋白胨10 g，蔗糖10 g，硫酸镁0.5 g，磷酸二氢钾1 g，磷酸二氢钠1 g，琼脂15 g及去离子水1 L；pH为自然值，反应压力为1×105Pa，灭菌20 min。

液体发酵培养基：酵母粉3 g，蛋白胨10 g，蔗糖10 g，硫酸镁0.5 g，磷酸二氢钾1 g，磷酸二氢钠1 g及去离子水1 L；pH为自然值，反应压力为1×105Pa，灭菌20 min。

无机盐培养基：磷酸二氢钾2.5 g，硫酸镁0.2 g，硝酸铵3.0 g，硫酸亚铁0.1 g，磷酸二氢钾2.0 g，琼脂20 g及去离子水1 L；pH为自然值，反应压力为1×105Pa，灭菌15 min。

菌种活化：将已保存的干粉管菌株BT-003用无菌水溶解后接种到固体平板培养基中，35 ℃培养，传代3次以上，得到纯化单菌落，然后摇床培养8 h发酵菌液，备用。

菌液是菌株BT-003摇瓶生长10 h后，按5%接种量（w）使菌液与石油油样混合，又在35 ℃、150 r/min的条件下振荡培养8 h后，取样测定各指标含量。

采用气相色谱法［11-12］，对照空白样，分别测定菌株BT-003与石油油样作用后混合液中的长链烷烃组分含量变化。采用氧化铝吸附法［13］，对照空白样，分别测定菌株与石油油样混合反应后液体中蜡质和胶质的含量。采用气相色谱法［14-15］，对照空白样，分别测定菌株BT-003与石油油样作用后混合液中有机酸的含量。

2 结果与讨论

2.1 长链烷烃组分含量变化

微生物主要通过两种方式来改善原油的流动性：一是通过降解作用降低原油中重质组分含量；二是通过代谢产生表面活性物质的乳化作用形成O/W型乳状液。针对正庚烷以前的轻烃和C8～40正构烷烃化合物进行石油长链烷烃组分含量的气相色谱分析。表1为实验菌株BT-003与石油油样作用前后的长链烷烃组分含量（w）变化。由表1可看出，和（C21+C22）/（C28+C29）比值增加，表示石油由高相对分子质量化合物向轻质组分化合物方向运移。随着高分子化合物含量的相对减少、轻质组分化合物含量的相对增加，石油的流动性变好，品质得到了改善［8］。

表1 菌株BT-003与石油油样作用前后的长链烷烃组分含量变化Table 1 Change of long-chain parafn hydrocarbon content(w) before and after the addition of microbial strain BT-003

图1为菌株BT-003与石油油样作用前后组分含量的变化曲线。由图1可看出，作用前石油中所含的正构烷烃的碳数分布含量很不均匀，其中，C23～25分布最高，碳数低于23的短链烷烃和超过25以后的长链烷烃含量分布较低；与菌株混合反应后，该菌株可选择性地降解石油中的某些高碳数烷烃，长链烃含量相对减少，短链烃或低链烃含量相对增加，以C13～15含量分布最高，即石油的轻质组分增加。

图1 菌株BT-003与石油油样作用前后组分含量的变化曲线Fig.1 Change of the composition of the oil sample before and after the addition of microbial strain BT-003.

2.2 蜡质和胶质含量变化

经过一次和二次常规采油之后，仍然有60%左右的残余油在地层无法采出，地层中的残余油蜡含量高、胶质和沥青含量高等，导致石油黏度高，流动性差。表2为菌株BT-003与石油油样作用前后蜡质和胶质含量变化。由表2可知，菌株作用前后石油的蜡和胶质的含量都有不同程度的下降，该菌株作用后原油含蜡量为初始值的11.4%，含胶量为初始值的32.9%。研究表明菌株可将石油中的石蜡作为碳源利用，从而降低石油的黏度。为了进一步验证该菌株可将石蜡作为碳源，在无机盐培养基中以液体石蜡代替石油油样作为唯一碳源进行实验，结果发现菌体生长良好，与以石油为碳源的情况基本一致，这充分说明该菌株可很好地将石油中的石蜡作为碳源加以利用。

2.3 有机酸含量变化

微生物提高原油采收率的机理之一，是微生物作用于原油使原油中的大烃类分子部分转化为水溶性含氧酸。降解产生的高相对分子质量有机酸溶解在原油中，在发酵液中只能存在低相对分子质量有机酸。因此，分析微生物降解原油发酵液中低相对分子质量有机酸的种类和含量是微生物采油技术的重要部分［13］。表3为实验菌株与石油油样作用前后有机酸含量变化。

表2 菌株BT-003与石油油样作用前后蜡质和胶质含量变化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与石油油样作用前后有机酸含量变化Table 3 Change of organic acid contents in the oil sample before and after the addition of microbial strain BT-003

图2（a）为有机酸标准色谱图，图2（b）为菌株与石油油样作用前有机酸含量色谱图，图2（c）为菌株与石油油样作用后混合液中有机酸含量色谱图。由图2可知，低相对分子质量有机酸主要以乙酸、丙酸和丁酸为主，菌株与石油油样混合作用前，低相对分子质量有机酸含量较低；菌株与石油油样混合作用后，乙酸、丙酸、丁酸的含量分别提 高了9倍、11倍和9倍。

图2 菌株BT-003与石油油样作用前后有机酸含量色谱图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 结论

1）菌株BT-003可降解克拉玛依市风城作业区重32井区稠油石油油样中含有的长链烷烃，降解后的石油油样中短链烷烃的含量明显高于石油油样中原有的短链烷烃数量，从而改变石油的流动性及黏度，以达到进一步采油的目的。

2）菌株BT-003与石油油样作用后，油样中易挥发性有机酸（乙酸、丙酸和丁酸）的含量显著升高，乙酸、丙酸、丁酸的含量分别提高了9倍、11倍和9倍。这些低相对分子质量的有机酸能溶解碳酸盐，增加孔隙度，提高渗透率，从而提高原油采收率。

3） 菌株BT-003与石油油样作用后，石油中的蜡质和胶质含量都下降，含蜡量为初始值的11.4%，含胶量为初始值的32.9%，增加了原油流动性，提高了采收率。

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（编辑 杨天予）

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。

赵玲莉（1963―），女，上海市人，大学，高级工程师。联系人：周鑫，电话 13522338550，电邮 zhouxin@mail.buct.edu.cn。

新疆维吾尔自治区科技计划项目“微生物驱油技术中试研究”（201232129）。