廖玉宏：以科技之手探油取氣

李明麗

專家簡介：

廖玉宏，1977年生，中科院廣州地球化學研究所副研究員，理學博士。研究方向為有機地球化學（石油天然氣方向）。

先后主持了包括自然科學基金面上項目、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）子課題、國家科技重大專項《大型油氣田及煤層氣開發》下屬任務在內的項目8項。目前主持包括自然科學基金面上項目在內的在研課題3項，同時還作為科研骨干參與了多個重要項目的研究工作。2012年獲得中科院廣州地球化學研究所“涂光熾青年人才獎”，連續獲第13屆（2011年）、第14屆（2013年）全國有機地球化學學術會議“中青年優秀論文獎”。

截至2015年10月，共發表文章25篇，14篇論文被SCI收錄。10篇為第一或通訊作者，其中7篇第一或通訊作者論文是在本領域最有影響的刊物之一的《Organic Geochemistry》上發表。論文先后多次分別被本領域的國外著名有機地球化學家如Michael D. Lewan、Steve Larter、Fancoise Behar和Brian Horsfield等引用。

前不久，我國科研人員在國際有機地球化學界的著名雜志《Organic Geochemistry》發表了題為“Effect of biodegradation on the molecular composition and structure of asphaltenes： Clues from quantitative Py-GC and THM-GC”的論文，廖玉宏是該文的通訊作者，這也是廖玉宏以第一作者或通訊作者身份在該雜志發表的第7篇研究論文。這篇研究論文是他主持的國家自然科學基金面上項目的重要成果之一，該論文以我國遼河油田生物降解稠油為例，首次系統地定量研究了原油中瀝青質組分分子結構中不同鍵合形態烷基側鏈的厭氧生物降解過程，大大深化了國際上對油藏中原油厭氧生物降解過程和機理的認識，并為修正已有的油藏生物降解模型提供重要理論依據。

原油的微生物降解

油藏是原油在一定溫度和壓力條件下的聚集體，油藏形成后隨著溫度、壓力等變化，可能發生次生改造。正如放入高壓鍋里的食物必須達到相當高的溫度才能殺菌防腐，如果油藏充注前后都沒有經歷“高溫殺菌”過程，或者正常油藏在構造運動中抬升出露到比較淺的地方時，隨著地下水與地表水的交換帶入微生物和溶解氧，油藏中的原油會發生微生物降解氧化過程。瀝青質和飽和烴、芳烴、膠質一樣，是原油的基本組分，也是原油中分子量最大、結構最復雜的組分。在我國的遼河油田、勝利油田，由于油藏埋藏不深，就經常會發生原油的微生物降解過程，使原油損失掉分子量較小的烴類，留下了分子量較大、雜原子多的膠質和瀝青質，原油進而變成稠油。顧名思義，稠油粘度大，不好開采。

瀝青質是原油各組分中分子量最大極性最強的組分，以往的研究認為瀝青質是很難被微生物降解的，其降解機理也不清楚，就連國際上已有的油藏生物降解數值模型一般也都假定瀝青質的含量不變。早在2009年廖玉宏通過研究發現，事實并非如此。他對遼河油田一系列具有同源和不同生物降解程度的原油中的瀝青質組分的化學組成和分子結構進行了研究，結果發現一些反映瀝青質整體物理化學性質的參數發生了規律性改變，“這說明瀝青質的化學組成和分子結構在生物降解過程中發生了一定程度的改變！”這些發現2009年發表在《Organic Geochemistry》上，廖玉宏是第一作者。

隨后，他采用質譜中具有最高分辨率的電噴霧-傅里葉變換-離子回旋共振質譜（ESI- FT-ICR MS）對遼河原油進行了深入的研究。結果表明，縮合度比較低的極性化合物優先被降解，同時縮合度高的化合物相對含量逐漸升高，如含氧化合物中，直鏈無環有機酸下降，酸性化合物逐步以多環的有機酸為主；含氮化合物中含較少芳環取代基的咔唑和苯并咔唑降解比較快，而含更多芳環取代基的含氮化合物更難被降解，這些成果于2012年同樣發表在《Organic Geochemistry》上，廖玉宏依舊是論文的第一作者。

然而，研究到此并沒有結束。這次，廖玉宏突破了常規熱解色譜“如何定量”的難點，可以說如果沒有解決定量的具體方法，那后面的一切發現也都將不復存在。他通過定量化在線瞬時熱解技術（Py-GC）和在線衍生化瞬時熱解（THM-GC）技術，結合瀝青質的化學降解方法，對以不同共價鍵形態結合到瀝青質芳核上的烷基側鏈的可降解性進行了定量研究，廖玉宏主持的自然科學基金面上項目“生物降解過程中原油化學組成及分子結構變化”旨亦于此。研究結果表明，瀝青質上的烷基側鏈從短到長均有分布，最長烷基側鏈的碳數可達27，不同碳數的烷基側鏈在生物降解過程中會發生一些規律性變化。絕大多數（94.0～98.6%）的烷基側鏈是通過強鍵（C-C鍵和C-O（醚）鍵）結合到瀝青質芳核上的，這部分烷基側鏈具有較差的可降解性，在生物降解過程中比較穩定；另外，還存在少量（1.4～6.0%）以弱鍵（酯鍵和氫鍵）結合到瀝青質芳核上的烷基側鏈，這部分烷基側鏈的可降解性比較高。在輕度-中度降解階段，以弱鍵結合的這部分烷基側鏈絕大部分都會被微生物消耗掉，而通過強鍵結合的烷基側鏈在此階段基本不變；只有在重度-嚴重降解階段才會被明顯消耗，絕對豐度最大下降約9.2%，說明弱鍵結合的烷基側鏈比強鍵結合的烷基側鏈的可降解性更高。這些成果正是本文開篇之際提到的《Organic Geochemistry》文章的主要內容。

原油裂解成氣與焦瀝青

眾所周知，天然氣是優質的燃料和化工原料。目前，我國很多城市大氣污染日益嚴重，這與大量使用煤炭作為燃料不無關系。而天然氣是一種清潔能源，燃燒過程基本上不會產生空氣污染，所以增加天然氣開采量，改善我國的能源結構十分迫切。我國的天然氣資源具有非常大的勘探潛力，近年來在我國西南的四川盆地發現了一系列的特大型氣田，在四川盆地的頁巖氣勘探和開采方面也取得了重大突破。殊不知，這些天然氣的形成都與原油的另一種常見的次生改造形式——原油（瀝青）的熱裂解息息相關。就像鍋里的食物長期維持在過高的溫度就會逐步焦化，隨著埋深增加，油藏的溫度會上升，原油在高溫下會發生熱裂解，從而產生天然氣、輕質油和焦瀝青。事實上，四川盆地眾多氣藏的儲層中都含有大量的與天然氣伴生的焦瀝青。“焦瀝青富含各種地球化學信息，是揭示天然氣資源量和形成過程的一座天然橋梁，不僅可以為確定天然氣的來源提供重要線索，還可以通過研究儲層焦瀝青的數量，來推測古油藏的規模及其形成過程”，廖玉宏介紹說。

由此，為還原焦瀝青攜帶的地球化學信息，廖玉宏引入了一種叫做“催化加氫熱解”的方法，即從高演化的焦瀝青和烴源巖中釋放共價鍵合的攜帶有機質來源信息的生物標志物，通過大量的基礎工作，廖玉宏最終證明這種方法獲取的地球化學信息具有良好的有效性和可靠性；接著以此為基礎，再結合其他相關指標和石油地質背景分析，廖玉宏及其合作者成功解決了我國南方一些年代久遠的古油藏焦瀝青的來源問題。從2012年以來，他們的眾多相關成果先后多次在《Organic Geochemistry》《Marine and Petroleum geology》和《科學通報》中英文版上發表。

油氣勘探具有很強的地域性，我國有機地球化學家在油氣地球化學研究中所面臨的一些問題，在國外同行那里沒有現成的答案供以借鑒，“因而需要思維和技術的創新”，廖玉宏說，有機地球化學是一門以實驗為基礎的學科，要突破已有研究的瓶頸必須有針對性地發展一些新方法新技術，而他自己也一直致力于這些基礎工作。工欲善其事，必先利其器，廖玉宏打了個很形象的比喻，就像醫生治病，首先要了解每味藥的特性，才能準確地給病人開方抓藥。在他看來，唯有把這些工具的使用方法摸索得非常熟悉并加以創新，才能更好地決現實問題。話語間可以深深體會到廖玉宏在科研上的堅定與穩健，沒有一絲一毫的急于求成。“沒有牢固的地基，再漂亮的房子也經不住風吹雨打……”

在把催化加氫熱解引入高演化有機質的研究中，廖玉宏如是；在把熱解色譜運用到烴源巖有機質中的低碳數烷基鏈的定量分析方面，廖玉宏更是付出了多年心血。為確定一個好的熱解條件并驗證其可靠性，他和研究生一起先后對各種類型的烴源巖有機質進行了幾百次熱解實驗，積累了大量基礎數據。厚積而薄發，2015年廖玉宏再次在《Organic Geochemistry》上發表文章，以詳實的數據為基礎證明了這種基于熱解色譜的方法不僅可以用來定量烴源巖有機質初次裂解形成烴類氣體的能力，還可以用來判斷有機質的類型，具有良好的應用前景。

與石油天然氣偶然結緣

如今建樹頗豐的廖玉宏，回憶起當初與油氣地球化學結緣，竟然也是個偶然。1995年，廖玉宏順利考取北京大學地質系，臨大學畢業之際班主任認為他稍顯瘦弱的身體如果以實驗室工作為主更能揚長避短，于是廖玉宏選擇保研到中國科學院廣州地球研究所，在有機地球化學國家重點實驗室順利完成了碩士和博士的學業。讀博期間，他還以“聯合培養博士生”身份在加拿大卡爾加里大學留學1年，師從著名的有機地球化學家、英國皇家學會院士Steve Larter教授。從讀研究生到現在，他在油氣地球化學這個領域一干就是15年。

“能取得今天的成績，離不開我所在的團隊”。這些年廖玉宏從博士導師耿安松研究員所在的高水平大團隊合作中受益匪淺，因而也注重自己研究生團隊的建設。在團隊建設方面，廖玉宏認為“找對的人”很重要，“對的人”指的是對科研感興趣的，有激情的人。平日里，他常常鼓勵學生獨立思考問題，與他們進行高頻度的溝通和交流，也會和他們討論生活中的一些問題。他喜歡和學生交朋友，“無論遇到什么困難，大家一起溝通”才是團隊良好運轉的前提。跟學生一起，身體力行，他一直是這樣做的，在科研路上，他的團隊與他一路同行。

千里之行，始于足下。廖玉宏這一路走來，每一步都是那樣的腳踏實地、夯實有力，這同時也為他奠定下不可撼動的堅實基礎。未來，廖玉宏會越走越遠，在油氣地球化學領域中創造出更多科研成果。