泌304區(qū)塊普通稠油降黏復(fù)合菌評(píng)價(jià)及機(jī)理分析

王孟江，郝春雷，李飛鵬，王 劍，唐恩施，王 森

(中國(guó)石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南南陽(yáng) 473132)

泌304區(qū)塊普通稠油降黏復(fù)合菌評(píng)價(jià)及機(jī)理分析

王孟江，郝春雷，李飛鵬，王 劍，唐恩施，王 森

(中國(guó)石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南南陽(yáng) 473132)

為解決河南油田普通稠油開采問題，對(duì)稠油降黏復(fù)合菌(B、KB、SX)進(jìn)行了評(píng)價(jià)和機(jī)理研究。評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)表明，該復(fù)合菌對(duì)初始黏度為1115 mPa·s(50 ℃)稠油降黏率可達(dá)76.3%；在45 ℃恒溫培養(yǎng)條件下，15天后菌體濃度仍超過接菌量的50倍，其降黏能力和繁殖能力均超過單株菌。地層水菌群分析結(jié)果表明，該復(fù)合菌加入地層水后，促進(jìn)了地層中其他有益菌的繁殖，而且實(shí)驗(yàn)菌種彼此間也可互相促進(jìn)，進(jìn)而在復(fù)合菌內(nèi)部及復(fù)合菌-原生菌間形成穩(wěn)定的共生繁殖體系。各菌可代謝揮發(fā)性脂肪酸，并作為彼此的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以維持體系的繁殖穩(wěn)定性；另外，復(fù)合菌還能代謝出糖脂、脂肽等生物表活劑和CH4、CO2，可使稠油瀝青質(zhì)含量明顯降低，其發(fā)酵液對(duì)柴油乳化指數(shù)能達(dá)100%，這些均利于降低原油黏度，且能抑制地層水H2S的產(chǎn)生。

河南油田；稠油降黏；復(fù)合菌；降黏機(jī)理

微生物稠油降黏開采技術(shù)，是利用微生物產(chǎn)生有用的代謝產(chǎn)品，或者利用微生物能夠分解碳?xì)浠衔锏男阅軄斫档统碛宛ざ萚1-3]，目前在大慶、勝利等油田都得到了廣泛應(yīng)用，并取得了較好的增油效果[4-5]。在實(shí)際試驗(yàn)中將具有不同功能的細(xì)菌一起注入油層，由于數(shù)種驅(qū)油機(jī)理同時(shí)作用，驅(qū)油效果會(huì)更加顯著。不過，各菌種之間、注入菌與地層水原生菌之間如何互相作用，菌種降低原油黏度的機(jī)理仍不完全清楚。為此，對(duì)泌304區(qū)塊篩選的降黏復(fù)合菌種進(jìn)行了性能測(cè)定和機(jī)理分析。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)菌種來源。降黏菌SX、KB、 B、RT選自河南油田泌304區(qū)塊地層水，并保存在河南油田工程院菌種庫(kù)。

(2)培養(yǎng)基配方。LB培養(yǎng)基：胰蛋白胨 10 g/L，酵母膏 10 g/ L，NaCl 5 g/ L，pH值 7.2。普通原油培養(yǎng)基：原油50 g/L，NH4NO31.5 g/L，KH2PO40.5 g/L，酵母粉5 g/L；水為區(qū)塊地層水；原油取自試驗(yàn)區(qū)塊普通稠油井。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)菌種種屬鑒定。 將菌種接種LB培養(yǎng)基，45 ℃培養(yǎng)24 h，制備成菌種母液。以多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)增菌種16SrDNA，通過同DNA序列數(shù)據(jù)庫(kù)(GenBank)中細(xì)菌基因序列比對(duì)，確定菌種種屬。

(2)菌種性能評(píng)價(jià)。將菌種接種LB培養(yǎng)基培養(yǎng)，制備成菌種母液。將各單菌母液及復(fù)合菌培養(yǎng)液接入50 mL普通原油培養(yǎng)基，菌液用量20%，45 ℃培養(yǎng)48 h。除去游離水，以旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)檢測(cè)50 ℃下原油黏度(初始原油黏度為1115 mPa·s)，計(jì)算降黏率；以掛片式表面張力儀檢測(cè)培養(yǎng)液表面張力；以pH計(jì)檢測(cè)培養(yǎng)液pH值；以排水取氣法測(cè)定產(chǎn)氣量。復(fù)合菌培養(yǎng)液為各單菌母液等體積混合而成，復(fù)合后用量與各單菌單獨(dú)使用時(shí)相同。

(3)菌群結(jié)構(gòu)分析。 各單菌母液及復(fù)合菌培養(yǎng)液分別以2%接種普通原油培養(yǎng)基，45 ℃條件下培養(yǎng)48 h。以變性梯度凝膠電泳(DGGE)法檢測(cè)培養(yǎng)液中各細(xì)菌的種屬情況，半定量檢測(cè)其數(shù)量變化。

(4)乳化指數(shù)檢測(cè)。將菌種接種LB培養(yǎng)基培養(yǎng)48 h，制備成菌種母液。將等體積母液和柴油在試管中充分混合，靜置24 h后，其乳狀層同整個(gè)有機(jī)相(乳狀層+未乳化柴油層)的體積比即為乳化指數(shù)。

(5)菌種代謝產(chǎn)物分析。將菌種制備成菌種母液后，以2%接種普通原油培養(yǎng)基，45 ℃條件下培養(yǎng)24 h。采用氣相色譜法測(cè)定發(fā)酵液中揮發(fā)性脂肪酸及氣體的種類；以溶劑萃取-紅外光譜吸收法測(cè)定表活劑的種類及含量。

(6)菌種降解原油分析。將降黏菌種接種普通原油培養(yǎng)基，接種量為2%，原油用量為1 g/L，45 ℃條件下培養(yǎng)7 d后，以層析法分析原油四組分變化，用紫外吸光度法檢測(cè)各組分含量。

2 菌種性能評(píng)價(jià)

2.1 單菌種屬鑒定

從地層水中篩選到4株能降低稠油黏度的菌種，分別為SX、KB、 B、RT。其種屬鑒定結(jié)果見表1。芽孢桿菌屬細(xì)菌兼性厭氧，能適應(yīng)許多不良環(huán)境，多數(shù)能代謝生物表活劑和揮發(fā)性脂肪酸，并產(chǎn)氣；銅綠假單胞菌能高效代謝生物表活劑鼠李糖脂，常用于鼠李糖脂的發(fā)酵生產(chǎn)和微生物采油。

表1 菌種種屬鑒定結(jié)果

2.2 單菌性能評(píng)價(jià)

4株降黏菌性能評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。4株菌對(duì)普通稠油降黏率為48%～67%，說明這些菌種能明顯降低目標(biāo)原油的黏度；產(chǎn)氣量約為53～86 mL，這說明菌種可通過產(chǎn)氣降低原油黏度，增加地層壓力；培養(yǎng)液表面張力為33～56 mN·m-1，這表明菌種可乳化原油，促進(jìn)原油流動(dòng)，不過每株單菌的產(chǎn)氣、產(chǎn)表活劑、產(chǎn)酸性能差異較大，為此可組成復(fù)合菌，以增強(qiáng)其性能。

表2 單菌性能評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 復(fù)合菌性能評(píng)價(jià)

對(duì)5種復(fù)合菌組合進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，結(jié)果見表3。結(jié)果表明復(fù)合菌組合2(SX、KB、 B)的降黏率、菌體濃度和表面張力均為最佳，達(dá)到或超過其他組合和單菌。該復(fù)合菌中各單菌能彼此適應(yīng)，促進(jìn)其他菌種的繁殖與代謝，使各菌的活性優(yōu)勢(shì)都得到了良好地發(fā)揮。

與復(fù)合菌組合1(SX、KB、 B、RT)相比，組合2在缺少了菌種RT后，各項(xiàng)指標(biāo)反而增強(qiáng)。這可能是RT菌抑制了其他菌的繁殖代謝，也可能是該菌產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物同其他菌的代謝物發(fā)生了沖突。

表3 復(fù)合菌性能評(píng)價(jià)結(jié)果

2.4 復(fù)合菌繁殖特征

將復(fù)合菌組合1、復(fù)合菌組合2及4株單菌接種普通原油培養(yǎng)基，檢測(cè)其在15 d內(nèi)的繁殖情況。結(jié)果見圖1。

圖1 降黏復(fù)合菌生長(zhǎng)時(shí)間曲線

SX菌在培養(yǎng)1 d后，菌體濃度達(dá)到最大，隨后明顯下降；其他三種菌在培養(yǎng)3 d后達(dá)到最大，后緩慢下降，這說明SX菌代謝速度較快，在初期消耗了大量的營(yíng)養(yǎng)，而KB、B和RT面臨培養(yǎng)后期營(yíng)養(yǎng)不足的情況。

各菌種組成復(fù)合菌后，生存能力更強(qiáng)，15 d后菌體濃度仍超過接種菌量的50倍。復(fù)合菌生存能力的增強(qiáng)，保證了其能在更長(zhǎng)的時(shí)間里發(fā)揮降黏作用。這是由于菌種產(chǎn)生的乙酸等小分子代謝產(chǎn)物，同時(shí)也是其他細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)物，這促進(jìn)其他微生物繁殖；而且各菌代謝產(chǎn)物所能乳化的原油組分不同，可彌補(bǔ)彼此的缺陷，并彼此利用更多的原油為自身提供營(yíng)養(yǎng)。因此，復(fù)合菌在培養(yǎng)后期，不會(huì)因?yàn)轲B(yǎng)分不足而使菌體濃度明顯下降。

復(fù)合菌2的繁殖能力強(qiáng)于復(fù)合菌1，這可能是RT菌的存在抑制了其他3種菌種的繁殖或發(fā)生了營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

3 復(fù)合菌共生繁殖機(jī)理分析

實(shí)驗(yàn)菌種加入前后，地層水菌群結(jié)構(gòu)的變化見表4。

油田地層水中含有豐富的采油有益菌，其中，反硝化細(xì)菌可以有效抑制原生菌中的硫酸鹽還原菌；銅綠假單胞菌產(chǎn)生的生物表面活性劑可有效地降低界面張力；微小桿菌屬被證明可用于降解原油中的芳烴化合物。

表4 地層水原生菌及實(shí)驗(yàn)菌種數(shù)量變化情況

注：每增加一個(gè)“+”，濃度增加1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

實(shí)驗(yàn)菌種所屬的芽孢桿菌和假單胞菌均為地層水中所含細(xì)菌種類，所以實(shí)驗(yàn)菌種加入地層水后，芽孢桿菌和假單胞菌都明顯增加。同時(shí)，反硝化細(xì)菌、泛菌、微小桿菌等地層原生菌也有增長(zhǎng)；在復(fù)合菌組合2(SX、KB、 B)中，芽孢桿菌和假單胞菌數(shù)量相近，這表明實(shí)驗(yàn)菌種通過其代謝作用促進(jìn)了地層中其他有益菌的繁殖，而且實(shí)驗(yàn)菌種彼此間也可互相促進(jìn)，進(jìn)而在復(fù)合菌內(nèi)部及復(fù)合菌-原生菌間形成穩(wěn)定的共生繁殖體系，并發(fā)揮長(zhǎng)期的采油效果。脫硫弧菌濃度沒有明顯變化，說明實(shí)驗(yàn)菌種沒有促進(jìn)硫酸鹽還原菌的繁殖。不過對(duì)于RT菌來說，假單胞菌和微小桿菌的濃度變化不大；復(fù)合菌1(SX、KB、B、RT)和復(fù)合菌2(SX、KB、B)相比，假單胞菌數(shù)量則有明顯減少。這可能是RT菌對(duì)假單胞菌等細(xì)菌有抑制作用并導(dǎo)致采油菌繁殖體系不穩(wěn)定，影響了降黏效果及整體采油性能。因此，降黏復(fù)合菌的最佳組合為復(fù)合菌2(SX、KB、B)。

4 復(fù)合菌降黏機(jī)理分析

4.1 乳化指數(shù)和界面張力

將菌種接種LB培養(yǎng)基，45 ℃條件下培養(yǎng)24 h，制備成菌種母液，檢測(cè)各單菌及復(fù)合菌2的乳化指數(shù)(IE24)和水油界面張力，結(jié)果見表5。從中可見，復(fù)合菌2的乳化指數(shù)達(dá)到100%，界面張力達(dá)到0.1 mN/m，這說明菌種能產(chǎn)生足夠的生物表活劑乳化烴類。在采油過程中，菌種可以通過乳化作用，同原油形成乳狀液，促進(jìn)原油流動(dòng)。

復(fù)合菌2同其他單菌相比，乳化指數(shù)更高，界面張力更低，這也說明復(fù)合菌2的乳化能力更強(qiáng)，能充分發(fā)揮各單菌的乳化能力。

表5 降黏菌培養(yǎng)液的乳化指數(shù)、界面張力

4.2 代謝產(chǎn)物組成的影響

各單菌及復(fù)合菌組合的代謝產(chǎn)物結(jié)果見表6。可以看出，無論是復(fù)合菌還是四種單菌，乙酸等揮發(fā)性脂肪酸、糖脂等生物表活劑、CO2等生物氣均有明顯增加，而H2S沒有增加跡象。

揮發(fā)性脂肪酸可溶于原油降低其黏度，而且因其是芽孢桿菌等采油菌的營(yíng)養(yǎng)物，還可促進(jìn)采油菌共生體系的形成。糖脂和脂肽均是應(yīng)用較為普遍的生物表活劑，它可顯著降低水油界面張力。CO2和CH4可溶入原油降低原油黏度，并引起原油膨脹，一定程度上增加地層壓力。

各單菌代謝的揮發(fā)性脂肪酸、生物表活劑和生物氣的種類、產(chǎn)量均有不同，而復(fù)合菌的各項(xiàng)指標(biāo)均接近或超過了單菌，這些說明各菌在復(fù)合菌體系中都能正常的發(fā)揮代謝作用，并被促進(jìn)。各菌產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物彼此不同，它們對(duì)原油的作用也會(huì)有所側(cè)重。復(fù)合菌能集中發(fā)揮各菌優(yōu)勢(shì)，提高降黏、采油功效。

相對(duì)來說，復(fù)合菌實(shí)驗(yàn)組中的揮發(fā)性脂肪酸含量略低于各單菌，而生物表活劑和生物氣產(chǎn)量則更高。這是因?yàn)檠挎邨U菌、假單胞菌以及地層水中的反硝化細(xì)菌、檸檬酸菌等，都會(huì)利用小分子量的揮發(fā)性脂肪酸做自己的營(yíng)養(yǎng)源或呼吸鏈電子受體。細(xì)菌消耗掉部分揮發(fā)性脂肪酸后，產(chǎn)生出更多的生物表活劑和生物氣。

表6 代謝產(chǎn)物含量分析結(jié)果 mg/L

4.3 原油四組分的變化

分析各單菌及復(fù)合菌組合的代謝產(chǎn)物，結(jié)果見表7?？梢钥闯觯?jīng)菌種作用后，原油瀝青質(zhì)、飽和烴和芳香烴均有明顯減少，說明降黏菌能降解原油中的瀝青質(zhì)、飽和烴和芳烴等組份，這都能導(dǎo)致原油黏度下降。同時(shí)，細(xì)菌可利用被降解的原油組分為營(yíng)養(yǎng)源，提高其繁殖代謝能力，進(jìn)一步發(fā)揮降黏作用。

表7 原油四組分含量變化結(jié)果 mg/L

瀝青質(zhì)和飽和烴減少后，非烴有所增加。這可能是因?yàn)榧?xì)菌產(chǎn)生的糖脂等一部分極性代謝產(chǎn)物，因具有和非烴組分相似的分子量和表面性質(zhì)，容易同非烴一同被洗脫并導(dǎo)致非烴含量增加。

復(fù)合菌同各單菌相比，對(duì)瀝青質(zhì)降解能力更強(qiáng)，這說明組成復(fù)合菌后，菌種的降解能力得到了進(jìn)一步增強(qiáng)。瀝青質(zhì)為所有原油組分中對(duì)黏度貢獻(xiàn)最大的組分，所以復(fù)合菌對(duì)瀝青質(zhì)的強(qiáng)降解作用利于降低原油黏度。

5 結(jié)論

(1)復(fù)合菌(SX、KB、B)對(duì)初始黏度為1 115 mPa·s(50 ℃)普通稠油降黏率可達(dá)到76.3%；在原油培養(yǎng)基中培養(yǎng)，15天后菌體濃度仍超過接菌量的50倍，其降黏能力和繁殖能力均超過單株菌。

(2)復(fù)合菌B、KB、SX加入地層水后，通過其代謝作用促進(jìn)了地層中其他有益菌的繁殖，而且實(shí)驗(yàn)菌種彼此間也可互相促進(jìn)，進(jìn)而在復(fù)合菌內(nèi)部及復(fù)合菌-原生菌間形成穩(wěn)定的共生繁殖體系，發(fā)揮長(zhǎng)期的采油效果。

(3)實(shí)驗(yàn)菌可代謝甲酸、乙酸等揮發(fā)性脂肪酸，這可作為彼此的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，維持體系的繁殖穩(wěn)定性；可代謝出糖脂、脂肽等生物表活劑和CH4、CO2；可使稠油瀝青質(zhì)含量明顯降低；復(fù)合菌發(fā)酵液對(duì)柴油乳化指數(shù)達(dá)到100%，這均有利于降低原油黏度。

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編輯：劉洪樹

1673-8217(2015)05-0137-04

2015-05-08

王孟江，工程師，1981年生，2005年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)技術(shù)工作。

TE357.43

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