原油生物降解的控制因素及表征参数

李志强

摘 要：原油的生物降解造成了原油商业价值的降低，使整个原油的勘探及炼化产生了难度。文章介绍了原油生物降解的机理，原油的生物降解受到油水界面，岩石孔隙结构及储层温度，地层水矿化度等因素的控制。对于生物降解的评价，能够有效地预测原油的组分及可能受控的地质因素，为勘探开发提供技术支持。

关键词：原油；生物降解；油水界面；生物降解评价

Control factors and characterization parameters of crude oil biodegradation

Zhiqiangli

School of Geosciences，Yangtze University，wuhan 430100，China

Abstract：Biodegradation of crude oil reduces the commercial value of crude oil and makes it difficult to explore and refine the whole crude oil.The mechanism of biodegradation of crude oil is introduced.The biodegradation of crude oil is controlled by oil-water interface，pore structure of rock，reservoir temperature and salinity of formation water.The evaluation of biodegradation can effectively predict the composition of crude oil and possible controlled geological factors，and provide technical support for exploration and development.

Key Words：Crude oil，Biodegradation，Oil-water interface，Biodegradation evaluation

1 引言

目前全球的一次能源消費结构中，原油占据了1/3以上的份额。我国在2016年就成为了世界第一大原油进口国，我国目前原油消费的2/3来源于进口和权益油[1] 。相比于固体矿床，原油的形成时限长，会发生长距离的运移，以及遭受各种各样的次生变化。石油生成、运移、聚集和次生改造的综合作用形成了油藏中的石油。尽管源岩和成熟度对现在的石油组成起着决定性的作用，在许多情况下，次生改造也很重要。

在一定条件下，活的微生物可以改变或代谢石油中现存的各种化合物，这一系列过程叫做生物降解。生物降解不仅影响油苗和表面渗漏，也影响地下的油藏。事，实上，世界上大多数的石油是严重的生物降解油。一旦从源岩中排出，原油经历了一系列复杂的后期成分变化，这些变化既可以发生在运移过程中，也可以发生在油藏中。在石油从源岩中排出后，两个最主要的改变过程是热成熟和生物降解。随着埋深增大和温度升高，热成熟度增加，形成低比重的原油；最终，在很高的温度下，源岩干酪根和石油裂解成天然气；相反，在浅层地下微生物群体生物降解产生了高比重的重油。蒸发分馏、水洗、气洗、脱沥青、热化学硫酸盐降解、重力分异和脱蜡许多复杂过程，在油藏中，或者是在输导层中，也可以不同程度地引起石油组成的改变。许多油藏的改变过程通常降低了石油的商业价值，并且使开发过程复杂化[2-3]。

2 生物降解的控制因素

原油的生物降解所需要的条件是能够维持微生物的生命。与地质和地球化学的过程相比，大量的原油可能在相对短的时间内被降解（Huang，2004）[4] ，原油的生物降解，需要具备以下条件：

1：必须有足够的机会接近原油电子受体（分子氧、硝酸盐、硫酸盐和三价铁）以及无机养分（磷和痕量金属），还必须有水的存在（靠近油水界面）。

2：岩石结构中必须有足够的孔隙度和渗透率，以允许营养物质的疏导和细菌的生命活动。

3：储集层的温度必须保持在维持细菌生命的范围之内。

4：必须存在能够有效降解烃的微生物。

5：地层水的矿化度通常需要低于100～150mg/g

6：储层内必须不含H2S，以维持喜养微生物的活性，或者H2S含量不超过5%，以维持厌氧硫酸盐还原物的活性。

养分和液态环境

由于烃是还原碳的化合物，因此，只要能够得到它，烃就可以作为理想的电子供体（养 料）。然而，大多数烃几乎是不溶于水的。必须生活在水中的微生物已经进化出若干机制来与烃接触。有些微生物可分泌乳化烃类的生物表面活性剂，而乳化后的烃则能通过细胞膜输送。它们还可能分泌出与烃类和生物聚合物发生反应的酶，将其转化为水溶性化合物，然后再扩敢到生物体中。有些细菌似乎可以通过生活在油水界面而直接摄取烃类。这种同化作用的摄取机理目前仍不甚淸楚。

温度

储层的温度，更准确地说是储层经历过的问题，是影响生物降解的一个重要因素。实验观察表明：微生物降解原油最理想的温度是地表或近地表温度.其上限为60-80°C。譬如，在中国胜利油田储层深度小于1500m（<70°C）的原油显示出生物降解消耗了正构烷烃，而在更大深度储层的原油却没有发生蚀变。

盐度

地质学家很早已知晓生物降解的原油倾向于分布在含有低盐度（100-150ppt）地层水的储层中。在含高盐都地层水的储层中，原油通常不会发生生物降解。Wenger 将150g/L的总溶解固体列为上限，但他们并没有忽视位于较高盐度含水区之上的油藏中生物降解的例子。这种现象在深水地区尤为重要，因为这些地区的储层温度低，其盐度受附近盐底辟溶解作用的影响。

粒径和岩性

孔隙性表征储层储存油的能力，渗透率表征流体在储层内的流动能力，这两个静态储层评价参数在生物降解中也有着非常重要的作用，一般而言，孔隙度和渗透率较高，有利于营养物质的疏导和细菌的生命活动

酸性气体与PH值

细菌的硫酸盐还原反映可以产生剧毒物质H2S。没有任何微生物能够抵御超过5%浓度的H2S。其他有毒的化学物质，由细菌所产生，或者来自于储层矿物的淋虑，均有可能抑制微生物的活动。

3 生物降解的评价

原油中各系列化合物的碳数、官能团结构有着很大的不同，他们对于生物降解的抵抗性有很大的差异。长期以来，原油的生物降解被描述为有顺序可寻的，一般认为原油中各组分抗降解能力由弱到强（降解顺序）为：正构烷烃、无环类异戊二烯烷烃、甾烷、藿烷、重排甾烷、芳构化甾烃、卟啉，因暴露而受到强烈生物降解的石油中。

我们目前最常用的生物降解强度的标尺是Peters和Moldowan（1993）[5] 提出的。这个标尺囊括了大部分常见的化合物系列，并且这个强度标尺得到了大多数生物降解原油研究案例的证明（图1）。

图 1 原油生物降解强度的标尺

生物降解标尺主要是基于不同化合物对于生物降解的易感性。每个组分中单体化合物的敏感性可能都明显不同，以至于有些化合物在其他化合物受影响之前就已经被消除掉了。我们以给定组分，来探讨原油（无轻烃）中不同碳数及构型的生物降解参数，这些参数被大多数公开报道的研究案例所证实，简述如下：

正构烷烃系列

C8-C12 范围内的正构烷烃在生物降解的最早期阶段优先被消除，这种优先与喜养单加养酶的基本特性、以及还可能与厌氧途径相一致。随着生物降解的继续进行，在所有的C8-C12正构烷烃被消耗前，小于C8大于C9的正构烷烃就开始衰减了。生物降解似乎并不是特别偏爱奇碳数或者偶碳数的C15+正构烷烃。

支链烷烃系列

无环类异戊二烯烷烃与正构烷烃的许多比值（如Pr/nC17和Ph/nC18）可以用来测定生物降解的程度。轻微到中等生物降解的原油比相关非生物降解原油具有较高的Pr/nC17和Ph/nC18。

甾烷与重排甾烷

甾烷生物降解的易感性强弱可以具体的简述为：ααα20R ?αββ20S≥αββ20S≥ααα20S≥重排甾烷以及C27>C28>C29>C30；同时，孕甾烷与重排甾烷的抗生物降解能提大致相同，重排甾烷的抗生物降解能力特别强。

25-降藿烷系列

通常情况下，25-降藿烷出现在那些藿烷被优先降解的原油中，但当藿烷具有比甾烷更强的抗生物降解能力时，25-降藿烷缺失。相反，藿烷的降解可以发生在甾烷之后，通常，这样的原油缺失25降藿烷系列。

三环萜系列

由于三环萜具有极强的抗生物降解能力，甚至在藿烷被降解后仍然能够幸存，其发生生物降解的等级（PM>8）与重排甾烷大致相同，因此他们可用于强烈生物降解原油的生物对比研究。

4 结论

原油的生物降解造成了油品质的下降，为整个原油的勘探、开发及炼化环节带来了诸多困难。生物降解的发生受到油水界面、储层温度、地层水矿化度等多种地质条件的约束，生物降解对于原油组分的影响是多级的，有规律可寻的。正确的对原油的生物降解做出评价有助于为原油的勘探开发提供可靠技术支持。

参考文献：

[1] 田茂红.中国原油进出口贸易现状及对策[J].合作经济与科技，2018（2）：63-65.

[2] 史继杨，等，有机地球化学论文集[M]，科学出版社，1986，59-68.

[3] 侯读杰，冯子辉.油气地球化学[M].北京，石油工业出版社，2011.

[4] Huang，Haiping.Effects of biodegradation on crude oil compositions and reservoir profiles in the Liaohe basin，NE China[J].Newcastle University，2004.

[5] K.E.彼得斯，C.C.沃爾特斯，J.M.莫尔多万.生物标志化合物指南[M].石油工业出版社，2011.

（作者单位：长江大学地球科学学院）