微生物对稠油降解、降粘作用研究进展

张晓博，洪 帅，姜 晗，王卫强

（1. 辽宁石油化工大学 石油与天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001； 2. 中石油昆仑燃气有限公司辽宁分公司，辽宁 大连 116011；3. 中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

微生物对稠油降解、降粘作用研究进展

张晓博1，洪 帅2，姜 晗3，王卫强1

（1. 辽宁石油化工大学 石油与天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001； 2. 中石油昆仑燃气有限公司辽宁分公司，辽宁 大连 116011；3. 中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

稠油因其有高粘、流动性差、不宜开采的特点成为石油开采运输的研究重点；微生物降解稠油技术因高效、不污染油品，近几年来研究进展较大。目前，解烃菌的菌种数量虽然众多，但是这些菌种对地层、油藏的伍配性太强，只适应特定的油品；降解胶质、沥青质方面微生物存在着一定难度，这类菌种较少而且作用周期较长。论述了影响稠油流动性的因素、近几年来微生物降解稠油的研究进展，展望了日后的微生物降解稠油的研究方向。

解烃菌；稠油降解；稠油降粘；胶质；蜡

我国有16×104t的稠油资源[1]，东北与华北地区稠油储量占较大比重[2]。含蜡晶、胶质和沥青质大分子结构是稠油高粘、高密度的原油，其中胶质和沥青质含量高达 25%～50%[3,4]。这类油品存在着粘度高、流动性差，不易开采的特点；因此对稠油进行降粘处理是稠油开采的重点环节。本文对稠油流动性影响因素、微生物降解原油机理进行了探讨,并罗列了该领域的研究进展，展望了日后的研究方向。

1 影响稠油流动性的因素

管输原油时，若是环境温度与输送压力发生变化，原油的流变性便会产生变化。因此，原油在不同管输条件下将呈现出牛顿流体、假塑性流体、胀塑性流体等特点。原油的流变特性对原油的经济效益与安全性有极大影响，因此,原油流变学对稠油的开采、运输有深远影响。

原油的性质中的流变特性与原油组分有关[5]。由于原油的组份多变复杂,不同条件下溶解的气体固体成分不同，流变性则受到这一因素制约。溶解气成分主要是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷以及较少的异丁烷和异戊烷[5]；溶解气的含量决定粘度的高低。原油中主要的固体成分是石蜡、沥青质和胶质, 以上组分浓度比高,原油会呈现出非牛顿流体的特征，此时原油的粘度较高。

1.1 蜡含量对稠油粘度的影响

蜡是烷烃、环烷烃族、芳香烃的混合物,蜡在原油中的状态有溶解、结晶和胶凝，这些状态将直接影响原油的流变性。蜡沉积物由40%～60%的石蜡和少于10%的微晶蜡构成了蜡沉积物[6,7]。

石蜡是一种常温下呈固态,分子量在 160～500之间的混合物，依照碳链结构[8],它主要是指正构烷烃（C18～C30）,异构烷烃构成支链处于碳链末端还有极为少的环状烃类做长侧链[9]的混合物。而微晶蜡是多含饱和烃（C30～C60），少量大分子正构烷烃和长侧链环状烃类的混合物[10], 其分子结构复杂程度和分子量均高于石蜡[11]。

1.2 胶质对稠油粘度的影响

石油胶质是芳杂稠环大分子非烃化合物，极粘稠的不流动或无固定的形态的流体，因有缩合的稠环芳烃片层，环上及环与环之间大量的脂肪性结构单元受热时熔融[12-15]。胶质分子的碳链为4～6个亚甲基与芳香环相连接，也含有O、N、S等杂原子，其平均分子量在600～3 000之间，结构见图1。

图1 胶质基本单元结构Fig.1 Basic unit structure of resins

胶质含氧化合物有芳香羧酸、醚类，胺类和酚类，含硫化合物有链状、环状和噻吩类，含氮杂环化合物有咔唑类等[7]。由于羧酸的存在，胶质可稳定存在，在原油呈中分散的，更容易成为稳定的分子聚集体[11]。石油胶体的稳定性要满足：适量的沥青质,可溶物质要有不低的芳香度；同时还要有适当数量、其成分结构和沥青质相似的胶质组成胶溶组份[15]。加热、加溶剂均有可能造成胶束之间的平衡变化进而改变石油粘度。因此胶质的含量高低决定原油粘度的大小[14-18]。

1.3 沥青质对稠油粘度的影响

沥青是由芳香族、环烷族不同有机物的环构成的凝聚环状体系，成分不固定，可溶于石蜡烃类液体；沥青多含芳香核，O、N、S等杂原子，同时还有Ni、V、Fe等金属元素；含烷基侧链基团[17]、与沥青质和胶质中相似的脂肪酸类化合物[18]。胶状沥青状组份中单元片（结构见图 2）的基本结构是由多个芳环的稠环芳烃为核心，外围连接多个环烷环，芳烃和环烷环还具有多个不同长度的烷基链构或异构，并含有多种硫、氮和氧的集团[19,20]。

图2 胶状沥青质组分单元片结构模型示意图Fig.2 Basic unit structure diagram of colloidal asphaltene

沥青质聚集体是颗粒结构，树脂和芳香烃，烷烃极性较强，他们在沥青质颗粒层形成溶剂层；通常，部分溶解了的沥青质聚合体在分子力作用下集结成空间结构[22,23]。

2 稠油降粘方法研究现状

稠油因高粘、流动性差，用常规采油方法成本高、效率低，必须要进行降粘处理。目前,国内外常用的稠油降粘技术分成为四类：物理降粘技术、化学降粘技术、微生物降粘技术和复合降粘技术。

研究表明：传统的降粘方法均存在着缺陷，目前大多数油田都采用加热输送工艺解决稠油输送的难题。加热输送工艺在运输过程中需要消耗大量的热能，导致其运输成本较高；且加热温度过高易发事故，允许输量变化范围小，停输温度降低易发凝管事故[24]。乳化降粘虽有着降粘幅度大的优势，但是破乳降粘法通用性差，而且原油开采出来后要进行破乳脱水，还要进行污水处理，加大了工作量。掺稀降粘法影响油品质量[25]；油溶性降粘剂费用高[26]。虽然微生物采油法在我国起步较晚，但进展很快；全国各大油田均展开了对利用微生物提高采收率的研究。

3 微生物降解稠油的机理

表1 解烃菌产物类型及产物对稠油作用Table 1 Types of hydrocarbon bacteria products and effect of the degradation on heavy oil

微生物降粘技术通过细菌自身的新陈代谢活动与代谢产物对稠油中的沥青质等重质组分进行降解、乳化作用达到降粘的目的，进而能够提高采收率[1]。降解作用包括两方面：(微生物在自身生长过程中释放出生物酶将原油中的大分子的烃类转化为低分子的烃[3]，使原油碳链断裂，高碳链原油变为低碳链原油[9]。(微生物在代谢过程中产生表面活性剂改善了原油的溶解能力，降低稠油油水界面张力，形成O/W型乳状液；生成有机酸改善原油性质[24]。表1列出了解烃菌的产物，以及这些产物对稠油的作用。微生物降粘法应用范围广、操作简单、效率高、无二次污染，便于输油过程的自动化管理。因此，微生物降粘法是一种可实现稠油低温乃至常温输送的有效途径。

4 国内近年来微生物降解、降黏技术研究进展

很多种以烃类为唯一碳源和能源可繁殖且现已在自然界中被发现的微生物大约有30属100多种[26,27]。

近几年来，因解烃菌降解石油有着能有效的降低成本、操作简单、对地层无损害、无污染的优势吸引了大量学者的研究，但进展较慢。表2列出了我国2008-2015年解烃菌研究与应用现状。

表2 我国2008～2015年解烃菌研究与应用现状Table 2 Research and application status of hydrocarbon bacteria from 2008 to 2015 in China

虽然近年来发现了诸多的解烃菌菌种类型，但是这些研究仍然存在着一些缺陷。解烃菌对石油降解过程由多个菌种共同作用，极为复杂。仅靠一种菌株很难降解所有的烃类物质，实质上就是截止式转化物，这类转化物逐渐聚集起来，不能彻底矿化[36]。目前的研究仅仅着重与单一菌种的降解、降黏效果，研究多种菌种复配、化学降粘剂复配的研究报道少之又少。

石油烃类难溶于水、溶解度较小无法为微生物繁殖生长供应足够的量[22]，针对这一问题有两种解决方案，一是加入乳化剂；二是加入微生物代谢产生的表面活性剂。但是目前对于这两种方法因菌种的适配性和环境条件不同等条件影响，加入药剂的比例难以控制，优化研究较少。并且因为稠油粘度大难以降解，针对稠油的解烃菌研究很少。

石油烃类的微生物降解环境一般是pH=7的中性值，在偏酸、偏碱的环境下这类菌株繁殖情况并不理想。但是极少的微生物可在极端的pH值条件下降解石油烃类[37]，Stapleton[38]等发现在pH=2.0的一处土样中，萘和甲苯仍然被降解为二氧化碳和水。其他环境条件，如金属离子(如Fe2+)浓度、盐度和压力这些因素均都也会影响微生物对石油烃类的降解效率。国内的研究成果大多是在pH=7或碱性条件下生长的解烃菌，应加强这方面就研究，驯化出在极端pH环境中可生长、降解稠油的菌种。同时微生物耐矿化度度低，一般微生物能够正常进行新陈代谢的盐度范围大致在 0.5%～3%，驯化菌种与高矿化度的条件下大量繁殖是研究重点。

目前研究发现的可降解稠油的微生物大多只可降解高碳链直链烷烃，可应用在一般的含少量质、沥青质的稠油油藏[39]。对于含沥青质、胶质高的油藏，因沥青质、胶质结构复杂，降解效果不理想[11]。对胶质、沥青质有降解作用的菌株已被筛选出，大量培养；但这些菌种降解周期长，降解率不高，究其原因，造成这一缺陷的原因是其水溶性低和生物可利用性低。因而，提高降解稠油的效率首要就要筛选、驯化出可高效降解稠油胶质、沥青质的菌株。

5 研究展望

微生物降解技术因具有经济效应好、对地层、油品无污染的特点，现已日益发展成熟。然而，微生物降解效率与施工的油藏环境、菌株与油品配伍性能有关，现有的菌株大多针对性强，适应特定的油田环境。这些缺陷限制了降解技术的发展，未来研究应注重以下几点：

（1）有针对性的筛选可高效降解的解烃菌，现以稠油为唯一碳源筛选出的解烃菌对沥青质、胶质的降解效果并不理想；同时增强微生物对胶质、沥青质降解的机理研究。

（2）有学者提出稠油中极少的金属镍和钒有可能是稠油粘度大的主导因素，因为降低微量金属的含量可降低稠油粘度；但这一假设并没有实验验证支撑，需要进一步的探究。

（3）现有的研究均是单一菌株的试验，缺乏多种菌株复配试验或与化学降粘剂复配的研究报道。

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Research Progress in Heavy Oil Bio-degradation Technology

ZHANG Xiao-bo1, HONG Shuai2, JIANG Han3, WANG Wei-qiang1
（1. Liaoning Petroleum Chemical University, Colledge of Petroleum Engineering , Liaoning Fushun 113001，China; 2. PetroChina Kunlun Gas Co., LTD, Liaoning Dalian 116001，China; 3.China Petroleum Pipeline Engineering Co., LTD, Hebei Langfang 0650001，China）

Heavy oil becomes a research focus of the oil transportation because of its high viscosity and poor liquidity. In recent years, considerable research progress has been made in heavy oil bio-degradation technology with many advantages. There are so many species of hydrocarbon-degrading bacteria; however, these species are just adapted to the special stratum, reservoir and oil. There are some difficulties in the degradation of asphaltene and colloid, this kind of bacteria is less, and needs long effect period. In this paper, factors influencing the liquidity of heavy oil were discussed as well as research progress of recent microbial degradation of heavy oil; research direction of bio-degradation of heavy oil in the future was prospected.

Hydrocarbon-degrading bacteria; Heavy oil degradation; Viscosity reduction; Colloid; Asphaltene; Wax;

TE 624

A

1671-0460（2016）03-0617-05

辽宁省自然科学基金项目，项目号：2015020604。

2015-12-23

张晓博（1990-），女，辽宁省抚顺市人，就读于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：长距离管道输送。E-mail：zxb372591377@126.com。

张海娟（1978-），女，高级工程师，博士，研究方向:催化裂化剂。E-mail：zhanghaijuan.fshy@qinopec.com。