基于微生物提高含蜡原油流动性研究进展

罗超，张海娟，王璐，王国付

(辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001)

当含蜡原油在开采和运输过程中的温度降低至析蜡点时，原油中的蜡组分开始结晶析出[1]，此时原油黏度增加，表现出复杂的流变性质。此外，析出的蜡晶沉积在管壁上，为长期开采或运输含蜡原油的管道带来凝管堵塞的安全隐患[2]。解决上述问题的传统措施有清管、热洗、注入化学药剂等，但这些方法具有成本高、污染环境等缺点[3-4]。而利用微生物将原油中的蜡组分进行降解，可提高原油流动性[5]，具有成本低、效率高、环保等优点，在该领域已成为研究热点。迄今，生物降解技术在石油工业中得到了广泛的研究，尤其随着三次采油技术的迅速发展，依靠传统方法来解决含蜡原油在开采和运输过程中面临的难度和生产成本问题，已显得力不从心，因此，促进了生物降解技术在含蜡原油开采和运输中的应用[6]。目前该技术的研究内容主要集中在生物降解机理、代谢产物研究、环境影响因素和实际应用四方面，且部分成果在某些油田中已得到应用。

1 微生物降解机理

利用微生物驱油的设想从1926年Beckmann提出至今，历经几十年的发展，已有较为深入的研究，但鉴于自然界中微生物菌种的多样性，其机理仍在探索阶段。目前国内外提出的降解机理可总结为：微生物在以蜡为碳源进行生长时，长链烃经氧化生成长链醇类，醇和中间体醛结合后，氧化生成脂肪酸等产物，最终降解为短链[7-8]。长链烃的减少有利于提高原油流动性，常见的具有该种作用的细菌有假单孢菌属、芽孢杆菌属、红球菌属等，在实验中发挥了不同程度的作用。

检测蜡组分的变化可促进对菌种降解性能的认知。Nitu等[9]分离得到GeobacilluskaustophilusTERINSM，在55 ℃条件下，1 L该菌液能降解600 mg 蜡沉积，而当以具有蜡沉积代表性的二十烷、二十五烷、三十烷为单一碳源时，降解率分别可达97%，85%，77%。Dolly等[10]从石油污染的土壤中分离出Nocardiafarcinica，该菌在37 ℃条件下与含蜡原油作用10 d后，发现经菌株可降解100%的二十一烷、65.99%的二十二烷和50.59%的二十三烷，除蜡率达到50%，为微生物降解提供了有力的佐证。

观察蜡晶形态改变、测定蜡含量、黏度变化可检测该技术提高原油流动的可行性。王卫强等[11]针对辽河含蜡原油，以石蜡为唯一碳源分离出Bacillussubtilis，将100 mL该菌发酵液与等体积含蜡原油混合作用5 d后，最大蜡晶直径由609.1 μm降低至72.1 μm，蜡含量由29.45%降低至10.75%，黏度降低11.1%。Zhang等[12]对比分析经Aspergillus处理前后蜡晶形态变化，发现细菌处理后蜡表面结构变得松散，原油黏度降低。Zhang等[13]从安塞油田分离得到Bacillusamyloliquefaciens6-2c，通过观察经菌株处理前后石蜡在正己烷中溶解度变化，发现经菌株处理后，附着在瓶壁上的石蜡明显减少(见图1)，显著改变了石蜡在正己烷中的溶解度。Zhang等认为这是因为菌株在以石蜡为碳源生长过程中，破坏了长碳链中碳原子之间的化学键，理化性质改变，从而可溶于正己烷中。

图1 石蜡经菌株处理前后溶解度变化Fig.1 Changes in solubility of paraffin before and after treatment

上述研究表明，微生物通过降解蜡提高原油流动性能切实可行。但其降解机理尚不明确，深入探索微生物对长链烃降解的分子机理，有利于提高生物利用率。

2 代谢产物

微生物在降解过程中产生一些如脂肪酸、糖脂、类脂体等表面活性剂，具有降低表面张力、乳化、润湿等作用[14]，可促进细菌对蜡组分的降解，减少蜡晶析出。其原理是这类生物表面活性剂具有特殊的分子结构，集亲水憎油和憎水亲油基团为一体，在油水界面处形成紧密排列的分子层，改变了界面的亲水/亲油性能，使得油水两相得到良好的分散。目前对微生物代谢产物研究主要集中在发现、检测和鉴定三方面[15]。

改变金属表面润湿性可减少蜡沉积。Meng等[16]探究了一株产表面活性剂菌Pseudomonasaeruginosa对不锈钢表面润湿性的影响，经菌株处理36 h后，接触角由74.4°降至40.04°，接触角与表面润湿性关系密切，接触角越小，越有利于减少蜡沉积。Zhang等[17]针对王场油田分离出Pseudomonas，Enterobacter，Bacillus，将该菌液注入油层，闭井一段时间后再开采，发现油井产量提升，通过对比加菌前后抽油杆表面的变化(见图2)，发现加菌后附着在抽油杆表面的蜡沉积大幅减少。产生该现象的原因是细菌代谢产物在表面形成一层极性水膜，改变金属表面的润湿性，蜡晶不易在表面沉积，从而有效减少了蜡沉积。

图2 菌株处理前后抽油杆表面变化图Fig.2 Surface change of sucker rod before andafter strain treatment

疏水性代谢产物可增加底物溶解度。Liu等[18]分离得到BacillussubtilisBS-37，该菌在37 ℃条件下培养24 h后，通过酸沉降法得到粗制表面活性剂，见图3a，经鉴定为脂肽类表面活性剂，并通过实验检测了代谢产物疏水性能。将5 μL无细胞上清液滴入1 mL油红中，发现油红被排挤，形成一个排油圈见图3b、3c。代谢产物的疏水性与烃类物质的溶解度成正比关系，疏水性越强，溶解度越大，这表明该种代谢产物可大幅增加烃类物质的溶解度。

图3 代谢产物提取与性能检测Fig.3 Extraction and performance detection of metabolites

代谢产物可降低表面张力。França等[19]从巴西红树林分离得到BacillussubtilisICA56，该菌能将水的表面张力由72 mN/m降低至30 mN/m，乳化系数达到79%。Liu等[20]从大港油田分离出BacilluslicheniformisY-1，该菌能产生脂肽类表面活性剂，可将水的表面张力由74.66 mN/m降至27.26 mN/m，乳化系数达到91%。Liu等[21]从大庆原油中分离出的P.aeruginosaSNP0614，其代谢产物能将培养基表面张力由55.1 mN/m降低到25.4 mN/m。表面张力降低，可促进微生物对底物的吸收利用，而产生的乳化作用则增加了微生物与底物的接触面积，均有利于生物降解。

上述研究表明，微生物在以蜡组分为碳源生长时，其代谢产物具有多种作用，有利于提高原油流动性。但目前对于代谢产物的研究局限于发现、检测、鉴定等研究方面，未来应着重于研究已发现表面活性剂组成、结构和功能机理等方面的研究，以期达到工业所需要求，提高其应用范围。

3 环境因素对微生物的影响

微生物的生长和环境密切相关，不同环境因素可促进或抑制微生物的生长，而生物降解技术的关键就是确保微生物具有良好的活性强度。因此，有必要对一些影响微生物生长的环境因素进行优化，最大程度发挥菌种性能。

培养时间影响了微生物降解，Etoumi等[22]在研究一株Pseudomonas对Sarir油田含蜡原油降解时发现，采用该菌对数生长期的代谢产物进行乳化实验，乳化效果微弱，而采用在达到生长稳定期时的代谢产物实验时，乳化系数达到90%。乳化系数与生物降解正相关，乳化系数越高，细菌与底物接触面积越大，降解率越高。温度影响了微生物生长，Hao等[23]在探究GordoniaamicalisLH3对蜡的降解实验中发现，该菌在37～40 ℃区间活性最强，而在40～45 ℃区间菌种活性严重遭到抑制，温度高于45 ℃时基本失去活性。这是因为随着温度增加，菌体内蛋白功能减弱，达到一定温度后，菌体内蛋白凝固，细菌死亡。

pH影响了微生物生长，Lu等[24]在研究pH对Firmicutes生长状态的影响时发现，该菌在pH为6时活性强度最高，而在研究蜡降解实验时，发现当pH为7时降解率达到最大。Niraj等[25]分离出一株Aeruginosa，在以含蜡原油为碳源时，该菌株在pH 7时具有最高降解率。微生物降解烃类的最适pH和最适生长pH并不严格相同，作者认为这是因为在细菌活性最高时代谢大量酸性产物，改变了培养基pH，进而抑制了微生物降解。底物浓度影响了微生物生长。Sakthipriya等[26]认为在细菌一定生长温度下，应对底物的浓度进行优化。从印度金奈油田分离出BacillussubtilisYB7，研究该菌在50 ℃，蜡沉积浓度分别为0.5，0.75，1，1.25，1.5 g/L条件下作用7 d，发现在浓度1 g/L时，细菌长势最好，C32与C36在1 d内可降解60%～70%。

上述研究表明，对微生物的生长环境进行优化，可促进微生物降解，但目前很多文献报道均在实验室条件下对微生物生长环境进行优化，而在实际应用环境中的影响因素可能复杂多样。因此，为保证微生物充分发挥性能，未来的研究应对更多影响微生物的因素进行探索。

4 微生物的应用

蜡晶析出不仅增加了原油黏度，还极易在管壁上形成蜡沉积，为石油开采带来了许多困扰。生物技术通过降解作用降低了蜡含量，提高原油流动性以及采收率。由于具有高效、环保、成本低等特点，很多国家对其进行研究并投入了现场应用。

He等[27]分离出三株除蜡菌，分别为BacillusspLWH1、BacillusspLWH2和PseudomonasspLWH3。将三种菌应用到辽河油田曙光区油井，4个月内累计增油566 t，并大幅减少了热洗周期，经济效益可观。王静等[28]将两株清防蜡菌N5和BS-6应用于辛14块6口高蜡井，取得了较好的防蜡效果，热洗周期从30 d延长到180 d，增油量达1 499 t/a。上述利用单一菌种进行驱油产生一定经济效益，但并不理想，其原因可能是原油的低溶解度限制了生物降解[29]。因此，为提高生物降解，应先增加其溶解度[30]。

曹怀山等[31]将芽孢杆菌和假单孢菌按不同比例混合后，对胜利大芦湖油田高含蜡油井进行驱油实验研究，累计增产原油617 t，洗井周期由32 d延长至149 d。Liu等[32]认为在除蜡菌与加入产表面活性剂菌有助于提高生物降解率，认为代谢产物浓度增加有利于降低油水界面张力、增加烃溶解度，降解菌更容易吸收利用。Liu等将一株除蜡菌BacilluscereusQAU68与一株产表面活性剂菌BacillussubtilisXCCX进行混合，发现当混合比例为5∶2时，除蜡率最高可达64%，较单一菌种除蜡率(23%)提升了接近3倍，为采用混合菌种驱油提供了有力的佐证。刘江红等[33]将一株具有除蜡性能的菌株和一株产表面活性剂菌按比例为5∶3混合后进行除蜡降黏实验，除蜡效果由29.8%提升到59%，将该混合菌种应用到大庆外围榆树林油田的3口井进行现场试验，日增油率分别为41.2%，33.3%，37.5%，为该区块油井带来了巨大的经济收益。Lei等[34]将由除蜡菌CYY0807和产表面活性剂菌CYY0810组成的混合菌种与等体积原油混合，在47 ℃条件下培养7 d后，发现单一菌最高降黏率为37.6%，而混合菌可使原油黏度降低46.9%，将该混合菌应用到吉45区块，产量提高9.2%。

上述研究表明，微生物能通过降解石蜡改善原油流动性，进而提高原油开采率，具有极大的应用潜力。尤其对于混合菌种，它较单一菌种具有更高的降解效率，未来应注重研究菌种之间的协同关系，以期进一步提高菌种的降解率，促进其广泛应用。但该技术实际应用中，由于一些微生物具有选择性，可能会受到不同区块特点的影响，能否充分发挥菌种性能还有待进一步研究。所以，通常应用该技术前，还需对该区块进行针对性先导实验，这也是制约这项技术广泛应用的壁垒之一。

5 展望

随着全球对原油需求量的增加，含蜡原油作为主要能源供给的原材料之一，其开采和运输的进程大幅提高，然而，在此过程中由蜡带来的问题也逐步凸显。随着油田处理工艺的不断深入研究，许多传统方法暴露出了难以解决的新问题，这促进了极具潜力的生物技术在油田工艺中的发展。针对目前利用生物技术提高原油流动性的现状和存在的问题，未来的研究热点和重点可能会集中在以下几方面：

(1)加强微生物降解机理研究。微生物对含蜡原油流动性的促进作用已经证实，但其降解机理尚不明确，深入探索微生物对长链烃降解的分子机理，有利于提高生物利用率。

(2)注重微生物代谢产物的组成、结构和功能机理研究。目前对于代谢产物的研究主要集中在发现、检测、鉴定等研究方面，未来应对已发现代谢产物的组成、结构和功能机理等方面着重研究，以期达到工业所需要求，提高其应用范围。

(3)完善复杂因素对微生物生长影响研究。室内模拟环境与实际应用环境往往存在一定差异，为确保微生物在环境中能充分发挥菌种性能，未来的研究应对更多影响微生物的因素进行探索。

(4)推进混合菌种联用研究。混合菌种较单一菌种具有更高的降解率，未来应注重研究菌种之间的协同关系，以期可进一步提高菌种降解率，促进其广泛应用。