高效原油降解菌的生物降解作用與室內模擬巖心驅油研究

梁 勇,黑華麗,田春雨

(1.長江大學地球化學系,湖北荊州434023;2.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室·長江大學;3.中國石油大慶油田有限責任公司第一采油廠)

高效原油降解菌的生物降解作用與室內模擬巖心驅油研究

梁 勇1,黑華麗2,田春雨3

(1.長江大學地球化學系,湖北荊州434023;2.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室·長江大學;3.中國石油大慶油田有限責任公司第一采油廠)

從遼河油田原油中分離出其中的本源微生物,研究表明該本源微生物由三種菌株組成,分別命名為菌株1#、菌株2#和菌株3#,分別對其菌落和菌體特征進行了研究。該混合菌具有較強的抗堿性生長能力,在p H值高達10.6的培養液中菌株2#仍能良好生長。對被此混合菌降解了不同時段的遼河原油和未被降解的遼河原油進行全烴氣相色譜對比分析,結果表明該混合菌種具有較強的生物降解能力,原油被降解后,Pr/nC17和 Ph/nC18的值明顯升高,Pr/Ph和∑C-21/C+22的值明顯下降。大慶室內模擬巖心微生物驅油實驗表明,在300×10-3μm2和100×10-3μm2的滲透率巖心中,用無菌水配制的10%菌液驅油使原油的采收率分別提高15.90%和12.73%;用采油廠現場水配制的10%菌液驅油使原油采收率分別提高9.00%和6.05%,表明該混合菌具有較好的微生物驅油能力。

本源微生物;生物降解;全烴氣相色譜;模擬巖心

生物降解是指由生物催化復雜化合物的分解過程[1]。利用微生物降解作用提高原油采收率稱為微生物強化采油,是利用微生物自身的有益活動與代謝產物,通過降低原油的表面張力,增加原油流動性,并產生對驅油有利的代謝產物,例如生物表面活性劑、有機酸、醇、酯以及溶劑、氣體等來提高原油的采收率[2]。

近年來,微生物采油技術在油田開發中得到了較為廣泛的應用,已從微生物菌液的單井吞吐發展到井組的微生物驅油,獲得了較好的技術經濟效益[3]。微生物采油的關鍵技術在于如何獲得優質菌種,由于原始油藏處于缺氧狀態,在正常開采與注水過程中往往由于注入水中的溶氧增加了油藏含氧的質量分數,實際使用中無法做到真正的絕對無氧,故微生物采油所用菌種最好為兼性厭氧菌[2]。油田原油中的本源微生物相對而言較能適應油藏的兼性厭氧環境,筆者從遼河油田原油中分離出其中的本源微生物,通過前期微生物降解實驗,發現其具有較強的生物降解能力。推測遼河油田原油沒有被其本源微生物降解的原因可能是由于缺乏足夠的氧氣,也有可能是油藏中同時存在著厭氧菌和好氧菌,兩者協同降解原油,但需要好氧菌先好氧降解來啟動整個油藏的微生物降解體系。

1 實驗材料與方法

1.1 材料

(1)菌種來源:遼河油田原油本源微生物。

(2)巖心模型:石英砂環氧膠結人造均質膠結巖心(4.5×4.5×30cm),變異系數0.72。

(3)培養條件:菌種活化和富集培養基以牛肉膏和蛋白胨為碳源,45℃搖床培養3～4d,搖床轉速為120r/min;分離純化培養基為營養瓊脂培養基,37℃培養3d;模擬巖心驅油試驗的細菌培養以原油為碳源,厭氧培養降解7d。

1.2 方法

1.2.1 原油的全烴氣相色譜

將油樣進行油水分離,向油樣中加入活化后的無水硫酸鈉(馬福爐中400℃,活化4h),對油樣進行進行脫水,放置過夜,稱取約10mg的原油做色譜分析。

氣相色譜分析條件:氣相色譜儀為 HP-5890Ⅱ型;色譜柱:DB-5石英毛細管柱;氣化室溫度:300℃;程序升溫:100℃恒溫2min,以升溫速率為4℃/min升溫到300℃,然后再恒溫20min,載氣N2流速1.2mL/min,H2流速35mL/min,空氣流速400mL/min,尾吹氣(N2)流速26mL/min。

1.2.2 菌株的菌落和菌體特征研究

通過分離純化混合菌得到單個菌株,平板培養觀察其菌落形態;通過掃描電鏡和革蘭氏染色分析來研究單個菌株的形態、大小特征和革蘭氏染色情況。

1.2.3 微生物耐堿性研究

將活化的菌種分別接種于p H值為7.8、8.2、8.6、9.0、9.4、9.8、10.2、10.6 的培養液中 ,37 ℃搖床培養3～4d,搖床轉速120r/min,平板計數,作細菌數隨p H值的變化曲線圖。

1.2.4 模擬巖心驅油實驗方案及流程

人造300×10-3μm2和 100 ×10-3μm2滲透率的巖心均有A和B兩組平行試驗如表1所示,模擬驅油試驗流程如圖1所示。

圖1 模擬巖心驅油實驗流程圖

表1 模擬巖心微生物驅油實驗方案

2 實驗結果與討論

2.1 菌落和菌體形態特征研究結果

經分離純化,該本源微生物混合菌由三種菌株組成,分別命名為菌株1#、菌株2#和菌株3#,菌落和菌體形態特征如表2所示。

圖2表明,菌總數隨著p H值的上升而降低,在p H值由8.6升至9.0和由9.8升至10.2時,菌總數下降幅度明顯,但數量級整體保持在107～108左右。而且當p H值由7.8逐漸上升到9.4時,由菌落形態可以觀察到菌株1#和菌株3#的生長明顯受到抑制,基本上只有菌株2#生長,菌株2#的數量也隨著p H值的升高而略有降低,這表明菌株2#具有比其他兩菌株更強的抗堿性生長能力,這為在三元驅油后的堿性油藏環境中后續微生物驅油提供了可能。

表2 三種菌株的菌落和菌體形態特征

圖2 細菌數隨p H值的變化曲線

2.2 微生物降解前后原油分子結構變化

對被降解了不同時段的油樣和未被降解的油樣分別做全烴氣相色譜分析,用面積歸一法分別計算出原油中各相關組分的含量,作時間與正構烷烴含量的分布圖(圖3)和原油經微生物作用后地球化學參數所發生的變化(表3)。

從圖3可以看出,原油降解3d、7d、14d后,C20～C24的含量整體上從 0.03%左右降低到0.015%左右,C14～C18的含量整體上從0.035%左右降低到0.005%左右(其中C16降解最為嚴重),C26～C30的含量降低幅度較小,這表明此混合菌種優先降解較短鏈的烴類。原油降解28d后,各碳數的含量均明顯降低,其整條曲線位于圖的最底層,正構烴和異構烴大部分已被降解,這表明當降解至一定時間范圍時,此混合菌種對原油的降解效果越明顯。

圖3 正構烷烴分布圖

表3 原油降解后的地球化學參數變化

表3列出了nC17/nC18和 Pr/Ph的比值,兩者隨實驗進程基本上都是下降的,說明對同系列的化合物,微生物優先降解較短鏈的烴類,而且的比值也明顯降低,說明微生物對短鏈烴的降解效果比長鏈好。由于微生物作用對Pr/Ph值是有影響的,因此,在進行與微生物降解有關的地球化學分析時,應考慮到這一點[4]。

隨著降解時間的增加,Pr/nC17和 Ph/nC18的值也逐漸增加,表明對于相同碳數的正構和異構烷烴,微生物優先降解正構烷烴。值得注意的是,對Pr/nC17和Ph/nC18而言,即使在生物降解作用的早期階段也極易受到影響,對遭受生物降解的原油,不管降解程度如何,Pr/nC17和 Ph/nC18均不具有其原有的地球化學意義[4]。

當原油降解3d后,各項地球化學參數均發生了明顯的變化,這表明微生物降解到3d時其降解性能開始充分體現出來,原油開始被迅速降解。

根據全烴氣相色譜結果(略),原油經微生物作用后短鏈正構烷烴首先被降解,隨著降解時間的增加,長鏈組分和異構組分也開始被降解,當降解到14d時,正構組分基本被降解完,當降解到28d時,除了后面高碳數的組分還有殘留外,正構和異構組分基本被降解完。

2.3 模擬巖心驅油結果

表4 巖心模擬驅油試驗結果

用從遼河油田原油中分離出來的具有較強生物降解能力的混合菌種進行模擬巖心微生物驅油試驗,結果表明,用滅菌水配制的驅油菌液在滲透率為296×10-3μm2和 108×10-3μm2的情況下 ,微生物采收率分別達到15.9%和12.73%(見表4),表明此混合菌種具有較好的微生物驅油潛力。在兩種滲透率下,用滅菌水配置的驅油菌液的微生物采收率(15.9%和12.73%)均明顯高于用采油廠現場水配制的驅油菌液的微生物采收率(6.05%和9.0%),這表明現場污水中的微生物可能對此混合菌種存在競爭抑制作用,進而影響了微生物的整體驅油效果。

3 結論

(1)該本源微生物混合菌有較好的抗堿性生長能力,尤其是菌株2#,為在三元驅油后的堿性油藏環境中后續微生物驅油提供了可能。

(2)在微生物對原油的降解過程中,微生物優先降解正構烷烴,并且短鏈烴較長鏈烴易降解,異構烴后被降解,降解28d后異構烴大部分也被降解,表明此混合菌種具有較好的生物降解能力。

(3)模擬巖心的驅油實驗結果表明,該混合菌種有較好微生物驅油性能和潛力。用滅菌水配置的菌液驅油的采收率均要高于用采油廠現場水配制的菌液,表明現場水中的微生物可能對此本源微生物混合菌種的生長繁殖存在競爭抑制作用,進而影響了微生物的整體驅油效果,影響機制有待進一步研究。

[1]Natalia A.Yenashova,Valentina P,et al.Biodetriora-ration of crude oil and oil derived products[J].Rev Environ Sci Biotechnol,2007:315-377

[2]宋紹富,張忠智,雷光倫,等.高效驅油菌 I的選育與室內巖心模擬驅油研究 [J].石油化工高等學校學報,2003,16(1):31-35

[3]韓建華,李占省,巨登峰,等.提高微生物驅油效果的物模試驗研究[J].鉆采工藝,2003,26(6):86-89

[4]包建平,朱俊章,朱翠山,等.原油生物降解模擬實驗[J].石油勘探與開發,2007,34(1):43～47

編輯:李金華

TE357

A

1673-8217(2010)02-0124-03

2009-10-22

梁勇,1983年生,2007年畢業于長江大學地球化學系生物工程專業,現為長江大學地球化學系碩士研究生,主要從事微生物采油提高采收率研究。