松遼盆地西斜坡地區油砂微生物降黏室內模擬試驗研究

劉軼松，徐 飛，劉天恒，康海平，梁雪健，楊孝杰

中化地質礦山總局吉林地質勘查院，吉林 長春 130022

0 引言

油砂是一種重要的非常規油氣資源，世界油砂資源折算為油砂稠油約4×1011t，大于目前石油探明儲量[1]。油砂油的密度通常大于1 g/cm3，黏度通常大于1×104mPa·s。因其流動性極差，所以不能以一般打井開采原油、稠油的方法獲取油砂油。對于埋藏較淺的油砂，通常用挖掘機在露天開采出來后，用熱堿水抽提出稠油，再進行加工改質制取油品。對于埋藏較深的油砂，通常有蒸汽稠油開采及巷道采掘等工藝[2]。

油砂油微生物降黏是微生物采油技術(MEOR)中的一種，該方法相比其他技術來說，具有以下優點：微生物培養成本較低且不易受原油價格影響；可用于各種類型的原油如重質油、輕質油等輔助開采；通過菌種篩選，能選出適應各種特定油層條件的菌種且基本不損害地層；可以在同一油井中多次應用且不污染環境；所需設備簡單。因此，“MEOR”是一項具有發展前景的三次采油技術[3,4]。本文通過一系列的油砂油室內模擬試驗，獲得了較好的油砂降黏效果，為今后現場試驗提供了參照。

1 微生物降黏室內模擬實驗方法設計

1.1 微生物降黏機理

微生物降黏主要包括以下3種方式：

(1)微生物以油藏中較高分子質量的烴類為營養，攻擊烴類主鏈或改變支鏈的結構而降解原油中的重質組分，減小其分子質量從而降低原油黏度及凝固點。

(2)微生物的代謝產物(生物表面活性物質、酸、氣等)能夠大幅度降低原油黏度。

(3)微生物形成的生物膜也能夠改善孔道壁面的潤濕性。由于細菌菌毛的吸附作用，細菌通常粘附于固體表面生長，并形成基本微菌落形態，明顯改變孔道的表面潤濕性，有利于油砂油的流動。

1.2 擬采用的研究方法

本次試驗按以下5個步驟進行：

(1)油砂油降黏微生物的富集培養，將含微生物的原樣品(產出水10 mL或10 g油砂)，放入配好的富集培養基培養。

(2)油砂油降黏微生物的分離純化，通過從富集培養基分離培養菌落再接入牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基培養后，進行純化。制取菌懸液、接入牛肉膏蛋白胨培養基培養、挑取數量最多的一種單菌落。

(3)微生物菌液的乳化性質測定，研究表明微生物在利用原油時，需先將原油乳化，因此一般原油降解菌均具有原油乳化和產表面活性物質的性能。因此需測定菌液的乳化液穩定時間、培養液表面活性及pH值。

(4)油砂油的微生物降黏實驗，將菌種接種到油砂油降黏培養基中培養降黏后，用黏度計測微生物降解后和對照組的油砂油黏度，測量黏度的溫度為50 ℃。

(5)油砂油的微生物降黏室內模擬實驗，使用NDJ-1B-1黏度計的測量原油黏度的最少樣品量為30 mL，通過驅替的方法若不能獲得足夠的原油樣品用于測量黏度，應采用圖1中的方法連接實驗裝置。在恒溫箱中放置一個反應容器，將油砂和油以及微生物菌液填入反應容器內，并通過中間容器持續通入少量的空氣，使細菌在油砂中與油進行反應，培養一段時間后，取出并進行油水分離，測量油的黏度。

圖1 油砂油微生物降黏物理模擬實驗流程圖

2 微生物降黏室內模擬實驗過程

本次微生物降黏室內模擬實驗按設計方法分準備階段、菌類培養階段、室內模擬及效果比對等三大步驟進行。

2.1 準備階段

(1)實驗材料，分離源樣品：采用西北溝油砂項目組提供的油砂JZD15-H33、JZD15-H41及ZK7296-H4等樣品。

富集培養基：KNO32.0 g，(NH4)2SO42.0 g，K2HPO42.0 g，MgCl20.15 g，CaCl20.15 g，牛肉膏1.5 g，自來水1 000 mL，pH調節至7.0，原油10 mL。

分離培養基：濾紙剪至培養皿大小，蘸滿原油后，121 ℃滅菌30 min。按照如下配方配制分離培養基：KNO32.0 g，(NH4)2SO42.0 g，K2HPO42.0 g，MgCl20.15 g，CaCl20.15 g，瓊脂粉10 g，自來水1 000 mL，pH調節至7.0，121 ℃滅菌30 min。倒入培養皿，待培養基凝固后將滅菌原油濾紙緊貼在培養基表面。

菌種純化及保藏培養基:牛肉膏3.0 g，蛋白胨10.0 g ，NaCl 5.0 g，瓊脂粉10.0 g，自來水1 000 mL，pH調節至7.0，121 ℃滅菌30 min。

油砂油降黏實驗培養基：蛋白胨5.0 g，NaCl 5.0 g，pH調節至7.0，自來水500 mL，油砂油500 mL，121 ℃滅菌30 min。

本實驗室的原油降解備用菌種：本實驗室已培養有可在原油中生長的細菌，其中編號10204的細菌為銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)已證實可以產生糖脂類表面活性物質，可用于原油的降黏[5]。編號22100的細菌為解淀粉芽胞桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)，提取自活性污泥，可用來處理有油污的環境污水[6]。編號23898的細菌為普沙根瘤菌(Rhizobiumpusense)已證實可以產生脂肽類表面活性物質，在微生物采油和原油污染處理方面具有應用潛力[7]。

(2)實驗設備,滅菌鍋為YXQG02型電熱式高壓蒸汽滅菌鍋水浴恒溫搖床：THZ-82型水浴恒溫振蕩器；烘箱：101型電熱鼓風干燥箱；顯微鏡：XSP-8CA型顯微鏡；pH計：PHS-2F pH計；旋轉黏度計：NDJ-1B-1型旋轉黏度計；平流泵：2PB00C系列平流泵；反應容器，中間容器：1 000 mL/32 MPa，活塞容器。

2.2 菌類培養過程

(1)微生物的富集培養,將裝有培養基的樣品瓶在搖床中35 ℃、100 r/min培養7天后，均變渾濁，并且產生了沉淀，如圖2。說明樣品中的細菌數量逐漸增多。

圖2 富集培養所使用的樣品瓶和培養基

(2)微生物的分離純化,如圖3所示，將富集后的富集液涂布到分離培養基上，35 ℃烘箱中培養7天后，選擇生長較快，在原油濾紙上形成菌落較大的細菌菌落。結果表明：在濾紙表面并未觀察到菌落的形成，但有少量小菌落生長在濾紙與培養基的氣泡中，但這種菌落的應用價值不大。即表明不能從油砂油的原樣品中分離到新的細菌。

因此，只能使用本實驗室已在其他實驗中證實有效的可產表面活性劑的降黏菌株，10204，22100和23898。將三株細菌在牛肉膏蛋白胨培養基上平板劃線活化，長出的菌落見圖4。

圖3 原樣品的原油降解菌分離培養基

圖4 3株細菌的菌落形態

(3)微生物發酵菌液的乳化性能,3株細菌的基本產表面活性劑和乳化性能如表1所示。

表1 3株細菌的基本性質

圖5 排油圈法測定菌液表面活性

從圖5中可以看到，3株細菌10204、22100和23898發酵液培養后菌液都可產生明顯的排油圈，表明選用的菌株具有產生物表面活性劑的能力。微生物降低原油黏度的主要原因是微生物能利用原油生長，從而降解原油，而產生生物表面活性劑增強乳化作用，是細菌能利用原油進行生長的前提。

從菌液和原油的乳化性能試驗表明3株細菌的發酵液對原油的乳化能力較好，與對照組形成鮮明的對比，如圖6。另外，通過測定pH值發現，3種菌株的發酵液都呈弱堿性，pH值在8～9之間，因此該菌液適應于非堿敏性地層。

圖6 3株細菌的菌株乳化能力測定

(3)微生物發酵菌液的乳化性能,將菌株10204、22100和23898接種到油砂油降黏實驗培養基中，放入35 ℃，100 r/min搖床中培養7天，從圖7可以看到底部的營養液變渾濁，表明有大量細菌生長，靜置后分離出上層原油，并測定油砂油黏度，測量結果見表2所示。

圖7 油砂油的微生物降黏實驗

表2 微生物作用前后油砂油黏度變化

從中可以看出，對照組的原油平均值為3 300 mPa·s，而經微生物降黏后油砂油的黏度分別為2 850 mPa·s、3 023 mPa·s和3 137 mPa·s，平均降黏率為4.9%～13.6%。表明微生物能有效降低油砂油的黏度，其中菌10204的降黏效果最好。另外從實驗設計和圖7中發現，培養時油與菌液比例為1∶1，在后續的實驗中，若能擴大菌液的比例，使微生物具有更大的生長空間，則降黏率會更高，降黏效果更明顯。

2.3 微生物降黏室內模擬實驗效果

含有菌種10204的油砂和油砂油的混合物在反應容器中培養7天后，將混合物取出，放入大燒杯中，加入適量熱水?？梢钥吹?，部分油砂油從油砂中析出(圖8)并上浮。

圖8 油砂油從油砂中析出

將上層油分離后，50 ℃測量其黏度，結果見表3。從表中可以看出，微生物在油砂中降黏之后，黏度由原先的3 300 mPa·s降低到3 030 mPa·s，降黏率為8.2%，低于在搖床培養中的該菌的降黏率。

表3 微生物作用后油砂油的黏度

3 結論

(1)從原樣品中不能分離出新的、具有實用價值的高效原油降黏菌。

(2)使用本實驗室的三種菌株：銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa，10204)、解淀粉芽胞桿菌(Bacillusamyloliquefaciens，22100)、以及普沙根瘤菌(Rhizobiumpusense，23898)均對油砂油有明顯的降黏效果，降黏率為4.9%～13.6%，其中銅綠假單胞菌的降黏效果最好。

(3)實驗證明，三株細菌均具有產生物表面活性物質的能力，具有較好的乳化性能。

(4)對銅綠假單胞菌的室內模擬實驗表明，在油砂中該菌對油砂油也具有較好的降黏效果，降黏率8.2%，略低于在搖瓶實驗中13.6%的該菌降黏率。

(5)在實驗中發現如下幾個問題：搖瓶降黏實驗中，可通過調節營養液與油的比例，給予細菌更大的生長空間，微生物的降黏效果會更加明顯；若能進行氣相色譜實驗，分析降解前后的化學組成變化，可進一步了解其降黏機理。