采用微生物对石油降黏机制的研究-.pdf

石 油 化 工 P E T R O C H E MI C A L T e C H N 0 L O G Y 2 0 1 6 年第4 5 卷第 2 期 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 0 - 8 1 4 4 ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 1 4 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 8 3 0 0 9 1 ；2 ． 克拉玛依市红都有限责任公司， 新疆 克拉玛依 8 3 4 0 0 0 ；3 ． 北京化工大学 化学工程学院， 北京 1 0 0 0 2 9 [ 摘要 ] 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B T 一 0 0 3 。采用气相色谱和氧化铝吸附法对微生物菌株B T 一 0 0 3 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B T 一 0 0 3 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。 [ 关键词 ]微生物菌株；石油降黏；有机酸；提高采收率 [ 文章编号 ]1 0 0 0 8 1 4 4 2 0 1 6 0 2 0 2 0 6 0 4 [ 中图分类号]T E 3 5 7 ． 9 [ 文献标志码 ]A S t u d y o n t h e me c h a n i s m o f o i l v i s c o s i t y r e d u c t i o n wi t h mi c r o b e Zh a oLi n gl i 一， Ga o Y a n ，Zh a n g T a o ，Lo uKa i ，Zh o u i n ，Zh a n gPe n g 3 1 ． R e s e a r c hI n s t i t u t e o f A p p l i e d Mi c r o b i o l o g y ，X i i a n g A c a d e my o f A g r i c u l t u r a l S c i e n c e s ，U r u mq i x i a n g 8 3 0 0 9 1 ，C h i n a 2 ． Ka r a ma y H o n g D u C o ． L t d ． ，K a r a m a y X i n j i a n g 8 3 4 0 0 0 ，C h i n a ； 3 ． C o l l e g e o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e mi c a l T e c h n o l o gy，B e ij h a g 1 0 0 0 2 9 ， C h i n a [ Ab s t r a c t ]Ai me d a t t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f o i l f r o m Ka r a ma y Xi n j i a n g ，a mi c r o b i a l s t r a i n ，B T - 0 0 3，wa s c u l t u r e d f r o m s t r e p t o c o c c u s wh i c h c o u l d r e d u c e t h e v i s c o s i t y o f c r u d e o i l s i g n i fi c a n t l y t o e n h a b c e t h e o i l r e c o v e r y ． T h e c h a n g e s o f t h e c o n t e n t s o f l o n g c h a i n p a r a ffi n h y d r o c a r b o n s ，wa x， r e s i n a n d o r g a n i c a c i d s i n t h e o i l b e f o r e a n d a f t e r the a d d i t i o n o f the BT - 0 0 3 s t r a i n we r e an a l y z e db y me an s o f g a s p h a s e c h r o ma t o g r a p h y a n d a l u mi n a a d s o r p t i o n me t h o d ． Th e r e s u l t s s h o we d t h a t ， a f t e r t h e a d d i t i o n o f t h e BT _ 0 0 3 s t r a i n ，t h e c o n t e n t o f s h o r t c h a i n a l k a n e s i n c r e a s e d ，t h e c o n t e n t s o f b o t h wa x a n d r e s i n d e c r e a s e d a n d t h e o r g a n i c a c i d c o n t e n t i n c r e a s e d s i g n i fi c a n t l y ． T h e r e b y，t h e p o r o s i ty i n c r e a s e d ，t h e p e r me a b i l i ty wa s i mp r o v e d ， t h e o i l v i s c o s i ty wa s r e d u c e d ，a n d t h e n t h e e n h a n c e d o i l r e c o ve ry wa s a c h i e v e d． [ Ke y wo r d s ]mi c r o b i a l s tr a i n ；o i l v i s c o s i ty r e d u c t i o n ；o r g a n i c a c i d ；e n h anc e d o i l r e c o v e ry 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 j 。化学驱、强碱、 高浓度的三元驱的现场实验有很多弊端 I 2 -4 1 。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 ，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 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 [ 收稿日期 ]2 0 1 5 0 9 1 8 ； [ 修改稿日期 ]2 0 1 5 1 0 3 0 。 [ 作者简介 ]赵玲莉 1 9 6 3 一 ， 女 ，上海市人，大学，高级工程师。联系人周鑫，电话 1 3 5 2 2 3 3 8 5 5 0 ，电邮 z h o u x in m a i l ．b u c t ．e d u ． c n 。 [ 基金项目]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” 2 0 1 2 3 2 1 2 9 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 赵玲莉等． 采用微生物对石油降黏机制的研究 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 。 1 9 9 8 年，向延生等 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。2 0 0 1 年，梁风来等 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。2 0 1 3 年，游靖等 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B T 一 0 0 3 ；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 一 0 0 3 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3 2 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6 8 5 0 型气相色谱仪测定菌株 B T 一 0 0 3 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 }x L 。D B 一 5 石英毛细管 柱 3 0 r l l 0 ．2 5 mm 0 ．2 5 g m ，柱温为4 0℃，保 留时间1 0 m i n ，以6／ m i n 的速率升温至3 0 0 o C， 进样口温度为3 0 0℃，检测器温度为3 0 0 o C ；F F A P 石英毛细管柱，柱温为9 0℃，保留时间5 m i n ，以 3％／ mi n 的速率升温至3 0 0℃，进样 口温度为2 2 0 c【 ， 检测器温度为3 0 0℃。 采用新德医疗器械有限公司ML S 一 3 0 2 0 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H S X 一 2 5 0 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1 0 g ， 蔗糖1 0 g ，硫酸镁0 ．5 g ，磷酸二氢钾1 g ，磷酸二氢 钠1 g ，琼脂1 5 g 及去离子水l L ；p H 为自然值，反 应压力为1 1 0 5 P a ，灭菌2 0mi n 。 液体发酵培养基 酵母粉3 g ，蛋白胨1 O g ， 蔗糖1 0 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 ；p H 为 自 然值，反应压力为 1 l O sP a ，灭菌2 0mi n 。 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Jl 2 o g 及去离子水1 L； p H 为自 然值，反应压 力为1 1 0 5 P a ，灭菌1 5mi n 。 菌种活化将已保存的干粉管菌株B T 一 0 0 3 用 无菌水溶解后接种到固体平板培养基中，3 5℃培 养，传代3 次以上，得到纯化单菌落，然后摇床培 养8 h E酵菌液，备用。 菌液是菌株BT 一 0 0 3 摇瓶生 长 1 0 h 后 ，按5 ％ 接种量 W 使菌液与石油油样混合 ，又在3 5℃、 1 5 0 r ／ m i n 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 坦 j ，对照空白样 ，分别测 定菌株B T 一 0 0 3 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H ，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 ，对 照空白样 ，分别测定菌株B T 一 0 0 3 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C 。 圳正 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B T 一 0 0 3 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，∑ c ／ ∑ c 和 c 2 1 c 2 ／ c 2 8 c 2 9 比值增力 Ⅱ ， 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 J 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油 化 工 P E T R 0C H E MI C A L T E C HN 0L OGY 2 0 1 6 年第 4 5 卷 表1 菌株B T 一 0 0 3 与石油油样作用前后的长链烷烃组分含量变化 T a b l e 1 C h a n g e o f l o n g c h a i n p a r a ffin h y d r o c a r b o n c o n t e n t w 、 b e f o r e and a f c e r t h e a d d i t i o n o f mi c r o b i a l s t r a i n B T - 0 0 3 CK c r u d e o i 1 ；M i x t u r e c rud e o i l wi th BT - 0 0 3 s t r a i n ． 图l 为菌株B T 一 0 0 3 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， c 分 布最高 ，碳数低于2 3 的短链烷烃和超过2 5 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 c 含量分布最高，即石油的轻质组分增加。 Ca r b o n n umb e r 图1 菌株B T 一 0 0 3 与石油油样作用前后组分含量的变化曲线 F i g ． 1 Ch an g e o f t h e c o mp os i t i o n o fthe o i l s a mp l e b e f o r e a n d a f te r t h e a d d i t i o n o fmi c r o b i a l s t r a i n BT - 00 3 ． 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6 0 ％ 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B T 一 0 0 3 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1 1 ．4 ％，含胶量为初 始值的3 2 ．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H 。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B T 一 0 0 3 与石油油样作用前后蜡质和胶质含量变化 Ta b l e 2 Cha n g e o f wa x a n d r e s i n c o n t e n t s i n the 0 n s am p l e b e f o r e an d a fte r the a d d i t i o n o f mi c r o b i a l s tra i n BT - 0 0 3 表3 菌株B T 一 0 0 3 与石油油样作用前后有机酸含量变化 T a b l e 3 Ch ange o fo r g a n i c a c i d c o n t e n t s i n the o i l s am p l e b e f o r e and a Re r the a d dit i o n o f mi c r o b i a l s t r a i n BT- 0 0 3 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 赵玲莉等． 采用微生物对石油降黏机制的研究 2 O 9 油样混合作用后，乙酸、丙酸、丁酸的含量分别提 高了9 倍、1 1 倍和9 倍。 a S t a n d a r d s a mp l e I ．．1I j} I I Ⅱ 】 1 0 1 2 3 0 l 2 3 Ti m e ／ mi n Ti me ／ mi n b Be for e c Aft e r 图2 菌株B T 一 0 0 3 与石油油样作用前后有机酸含量色谱图 Fi g ． 2 Ch r o ma t o g r am s of t h e o r g a n i c a c i d i n t he 0 n s am pl e b e f o r e a n d a f t e r the a d d i t i o n of mi c r o b i a l s t r a in BT - 0 0 3 I S o Ne m； I I Ac e t i c a c i d ；I II P r o p i o n i c a c i d ；1 V B u t y r i c a c i d ． 3 结论 1 菌株B T 一 0 0 3 可降解克拉玛依市风城作业区 重3 2 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B T 一 0 0 3 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、1 1 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B T 一 0 0 3 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 1 1 ．4 ％，含胶量为初始值的3 2 ．9 ％，增加了原油流 动性，提高了采收率。 [ 2] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 王建伟． 采油微生物的生长及产酸特性研究 [ D ] ． 大连大连 工业大学，2 0 1 0 ． 陈卫民． 用于驱油的以重烷基苯磺酸盐为主剂的表面活性剂 的工业化生产[ J ] ． 石油化工， 2 0 1 0 ，3 9 1 8 1 8 4 ． 方新湘，陈永立 ，牛春革，等． 克拉玛依油 田石油磺酸盐 型二元驱的性能评价[ J ] ． 石油化工 ，2 0 1 2 ，4 1 4 4 2 0 4 2 5 ． 缪云展，段明，张健 ，等． 水解聚丙烯酰胺对原油破乳的影 响 [ J ] ． 石油化工，2 0 1 0 ，3 9 2 1 8 8 1 9 1 ． [ 5 ] 杨培霞，张相育，于长华．微生物降解原油发酵液中低分子 量有机酸的测定 [ J ] ． 化学工程师，2 0 0 3 ，1 5 3 2 1 2 3 ． [ 6] 康宏，郭艾琳，马梦彪 ，等． 产有机酸采油菌的筛选及产酸 情况的分析 [ J ] ． 生物技术，2 0 1 1 ，2 1 4 8 9 9 3 ． [ 7 ] 段若愚． 油井产出液中微生物代谢产物分析 [ D] ． 上海华东 理工大学，2 0 1 2 ． [ 8 ] 向延生，何正国，佘跃惠，等． 微生物提高原油采收率的机 理研究[ J ] ． 石油勘探与开发，1 9 9 8 ，2 5 4 5 3 5 8 ． [ 9] 梁风来 ，刁虎欣 ，张心平，等． 假单胞菌G D ． 2 3 对石油乳化 降解作用的研究 [ J ] ． 南开大学学报自然科学版，2 0 0 1 ， 3 4 3 1 1 81 2 0 ． [ 1 O ] 游靖 ，李青 ，刘洋 ，等．一株高效驱油菌株H B 一 2 降解原 油活性的研究 [ J ] ． 生物技术通报，2 0 1 3 ，2 8 1 1 1 7 0一 l 75 ． [ 1 1 ] 信艳娟 ，刘亚男，吴佩春，等．一株石油降解菌的分离鉴 定及降解特性研究 [ J ] ．微生物学通报 ，2 0 1 3 ，4 0 4 5 5 85 6 6 ． 11 2] XuT a o ，C h e nCh ang ，L i uC h u n q i a o ，e t a 1 ． An o v e l wa yt o e n h a n c e the o i l r e c o v e r y r a t i o b y S t r e p t o c o c c u s s p ． B T - 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