高效原油降解菌的生物降解作用与室内模拟岩心驱油研究

梁 勇,黑华丽,田春雨

(1.长江大学地球化学系,湖北荆州434023;2.油气资源与勘探技术教育部重点实验室·长江大学;3.中国石油大庆油田有限责任公司第一采油厂)

高效原油降解菌的生物降解作用与室内模拟岩心驱油研究

梁 勇1,黑华丽2,田春雨3

(1.长江大学地球化学系,湖北荆州434023;2.油气资源与勘探技术教育部重点实验室·长江大学;3.中国石油大庆油田有限责任公司第一采油厂)

从辽河油田原油中分离出其中的本源微生物,研究表明该本源微生物由三种菌株组成,分别命名为菌株1#、菌株2#和菌株3#,分别对其菌落和菌体特征进行了研究。该混合菌具有较强的抗碱性生长能力,在p H值高达10.6的培养液中菌株2#仍能良好生长。对被此混合菌降解了不同时段的辽河原油和未被降解的辽河原油进行全烃气相色谱对比分析,结果表明该混合菌种具有较强的生物降解能力,原油被降解后,Pr/nC17和 Ph/nC18的值明显升高,Pr/Ph和∑C-21/C+22的值明显下降。大庆室内模拟岩心微生物驱油实验表明,在300×10-3μm2和100×10-3μm2的渗透率岩心中,用无菌水配制的10%菌液驱油使原油的采收率分别提高15.90%和12.73%;用采油厂现场水配制的10%菌液驱油使原油采收率分别提高9.00%和6.05%,表明该混合菌具有较好的微生物驱油能力。

本源微生物;生物降解;全烃气相色谱;模拟岩心

生物降解是指由生物催化复杂化合物的分解过程[1]。利用微生物降解作用提高原油采收率称为微生物强化采油,是利用微生物自身的有益活动与代谢产物,通过降低原油的表面张力,增加原油流动性,并产生对驱油有利的代谢产物,例如生物表面活性剂、有机酸、醇、酯以及溶剂、气体等来提高原油的采收率[2]。

近年来,微生物采油技术在油田开发中得到了较为广泛的应用,已从微生物菌液的单井吞吐发展到井组的微生物驱油,获得了较好的技术经济效益[3]。微生物采油的关键技术在于如何获得优质菌种,由于原始油藏处于缺氧状态,在正常开采与注水过程中往往由于注入水中的溶氧增加了油藏含氧的质量分数,实际使用中无法做到真正的绝对无氧,故微生物采油所用菌种最好为兼性厌氧菌[2]。油田原油中的本源微生物相对而言较能适应油藏的兼性厌氧环境,笔者从辽河油田原油中分离出其中的本源微生物,通过前期微生物降解实验,发现其具有较强的生物降解能力。推测辽河油田原油没有被其本源微生物降解的原因可能是由于缺乏足够的氧气,也有可能是油藏中同时存在着厌氧菌和好氧菌,两者协同降解原油,但需要好氧菌先好氧降解来启动整个油藏的微生物降解体系。

1 实验材料与方法

1.1 材料

(1)菌种来源:辽河油田原油本源微生物。

(2)岩心模型:石英砂环氧胶结人造均质胶结岩心(4.5×4.5×30cm),变异系数0.72。

(3)培养条件:菌种活化和富集培养基以牛肉膏和蛋白胨为碳源,45℃摇床培养3～4d,摇床转速为120r/min;分离纯化培养基为营养琼脂培养基,37℃培养3d;模拟岩心驱油试验的细菌培养以原油为碳源,厌氧培养降解7d。

1.2 方法

1.2.1 原油的全烃气相色谱

将油样进行油水分离,向油样中加入活化后的无水硫酸钠(马福炉中400℃,活化4h),对油样进行进行脱水,放置过夜,称取约10mg的原油做色谱分析。

气相色谱分析条件:气相色谱仪为 HP-5890Ⅱ型;色谱柱:DB-5石英毛细管柱;气化室温度:300℃;程序升温:100℃恒温2min,以升温速率为4℃/min升温到300℃,然后再恒温20min,载气N2流速1.2mL/min,H2流速35mL/min,空气流速400mL/min,尾吹气(N2)流速26mL/min。

1.2.2 菌株的菌落和菌体特征研究

通过分离纯化混合菌得到单个菌株,平板培养观察其菌落形态;通过扫描电镜和革兰氏染色分析来研究单个菌株的形态、大小特征和革兰氏染色情况。

1.2.3 微生物耐碱性研究

将活化的菌种分别接种于p H值为7.8、8.2、8.6、9.0、9.4、9.8、10.2、10.6 的培养液中 ,37 ℃摇床培养3～4d,摇床转速120r/min,平板计数,作细菌数随p H值的变化曲线图。

1.2.4 模拟岩心驱油实验方案及流程

人造300×10-3μm2和 100 ×10-3μm2渗透率的岩心均有A和B两组平行试验如表1所示,模拟驱油试验流程如图1所示。

图1 模拟岩心驱油实验流程图

表1 模拟岩心微生物驱油实验方案

2 实验结果与讨论

2.1 菌落和菌体形态特征研究结果

经分离纯化,该本源微生物混合菌由三种菌株组成,分别命名为菌株1#、菌株2#和菌株3#,菌落和菌体形态特征如表2所示。

图2表明,菌总数随着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时,菌总数下降幅度明显,但数量级整体保持在107～108左右。而且当p H值由7.8逐渐上升到9.4时,由菌落形态可以观察到菌株1#和菌株3#的生长明显受到抑制,基本上只有菌株2#生长,菌株2#的数量也随着p H值的升高而略有降低,这表明菌株2#具有比其他两菌株更强的抗碱性生长能力,这为在三元驱油后的碱性油藏环境中后续微生物驱油提供了可能。

表2 三种菌株的菌落和菌体形态特征

图2 细菌数随p H值的变化曲线

2.2 微生物降解前后原油分子结构变化

对被降解了不同时段的油样和未被降解的油样分别做全烃气相色谱分析,用面积归一法分别计算出原油中各相关组分的含量,作时间与正构烷烃含量的分布图(图3)和原油经微生物作用后地球化学参数所发生的变化(表3)。

从图3可以看出,原油降解3d、7d、14d后,C20～C24的含量整体上从 0.03%左右降低到0.015%左右,C14～C18的含量整体上从0.035%左右降低到0.005%左右(其中C16降解最为严重),C26～C30的含量降低幅度较小,这表明此混合菌种优先降解较短链的烃类。原油降解28d后,各碳数的含量均明显降低,其整条曲线位于图的最底层,正构烃和异构烃大部分已被降解,这表明当降解至一定时间范围时,此混合菌种对原油的降解效果越明显。

图3 正构烷烃分布图

表3 原油降解后的地球化学参数变化

表3列出了nC17/nC18和 Pr/Ph的比值,两者随实验进程基本上都是下降的,说明对同系列的化合物,微生物优先降解较短链的烃类,而且的比值也明显降低,说明微生物对短链烃的降解效果比长链好。由于微生物作用对Pr/Ph值是有影响的,因此,在进行与微生物降解有关的地球化学分析时,应考虑到这一点[4]。

随着降解时间的增加,Pr/nC17和 Ph/nC18的值也逐渐增加,表明对于相同碳数的正构和异构烷烃,微生物优先降解正构烷烃。值得注意的是,对Pr/nC17和Ph/nC18而言,即使在生物降解作用的早期阶段也极易受到影响,对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学意义[4]。

当原油降解3d后,各项地球化学参数均发生了明显的变化,这表明微生物降解到3d时其降解性能开始充分体现出来,原油开始被迅速降解。

根据全烃气相色谱结果(略),原油经微生物作用后短链正构烷烃首先被降解,随着降解时间的增加,长链组分和异构组分也开始被降解,当降解到14d时,正构组分基本被降解完,当降解到28d时,除了后面高碳数的组分还有残留外,正构和异构组分基本被降解完。

2.3 模拟岩心驱油结果

表4 岩心模拟驱油试验结果

用从辽河油田原油中分离出来的具有较强生物降解能力的混合菌种进行模拟岩心微生物驱油试验,结果表明,用灭菌水配制的驱油菌液在渗透率为296×10-3μm2和 108×10-3μm2的情况下 ,微生物采收率分别达到15.9%和12.73%(见表4),表明此混合菌种具有较好的微生物驱油潜力。在两种渗透率下,用灭菌水配置的驱油菌液的微生物采收率(15.9%和12.73%)均明显高于用采油厂现场水配制的驱油菌液的微生物采收率(6.05%和9.0%),这表明现场污水中的微生物可能对此混合菌种存在竞争抑制作用,进而影响了微生物的整体驱油效果。

3 结论

(1)该本源微生物混合菌有较好的抗碱性生长能力,尤其是菌株2#,为在三元驱油后的碱性油藏环境中后续微生物驱油提供了可能。

(2)在微生物对原油的降解过程中,微生物优先降解正构烷烃,并且短链烃较长链烃易降解,异构烃后被降解,降解28d后异构烃大部分也被降解,表明此混合菌种具有较好的生物降解能力。

(3)模拟岩心的驱油实验结果表明,该混合菌种有较好微生物驱油性能和潜力。用灭菌水配置的菌液驱油的采收率均要高于用采油厂现场水配制的菌液,表明现场水中的微生物可能对此本源微生物混合菌种的生长繁殖存在竞争抑制作用,进而影响了微生物的整体驱油效果,影响机制有待进一步研究。

[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]宋绍富,张忠智,雷光伦,等.高效驱油菌 I的选育与室内岩心模拟驱油研究 [J].石油化工高等学校学报,2003,16(1):31-35

[3]韩建华,李占省,巨登峰,等.提高微生物驱油效果的物模试验研究[J].钻采工艺,2003,26(6):86-89

[4]包建平,朱俊章,朱翠山,等.原油生物降解模拟实验[J].石油勘探与开发,2007,34(1):43～47

编辑:李金华

TE357

A

1673-8217(2010)02-0124-03

2009-10-22

梁勇,1983年生,2007年毕业于长江大学地球化学系生物工程专业,现为长江大学地球化学系硕士研究生,主要从事微生物采油提高采收率研究。