王衛(wèi)強(qiáng)， 李 佳， 王國(guó)付， 張曉博

(遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

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基于解烴菌的稠油降黏方法研究

王衛(wèi)強(qiáng)， 李 佳， 王國(guó)付， 張曉博

(遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

傳統(tǒng)稠油降黏技術(shù)存在影響油品質(zhì)量、工作量大、成本過(guò)高等缺陷，因此研究了一種基于解烴菌的稠油降黏新方法。在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)、篩選出一株解烴菌，測(cè)定該菌的最佳生長(zhǎng)條件，研究其稠油降黏、清蠟、降解膠質(zhì)性能。結(jié)果表明，該菌種對(duì)稠油的降黏率為22.49%～32.93%，稠油析蠟點(diǎn)由44.4 ℃降低到39.5 ℃；蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)由13.00%下降到3.80%，膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由16.45%下降到13.75%；加入菌株后，稠油的清蠟率為70.08%，稠油析蠟點(diǎn)的降幅為4.9 ℃。由此可以看出，該菌株對(duì)稠油有顯著的降黏、清蠟效果。

稠油降黏； 微生物清蠟； 解烴菌； 析蠟點(diǎn)； 蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)； 膠質(zhì)降解

我國(guó)有豐富的稠油資源，分布于各大油田中，因?yàn)槌碛陀泻z質(zhì)、瀝青質(zhì)和蠟晶等大分子結(jié)構(gòu)，黏度及密度較大等特點(diǎn)，稠油的低溫流變性較差，輸送困難[1-4]。目前，大多數(shù)油田都采用加熱輸送工藝解決這一難題，而采用加熱輸送工藝需要消耗大量的熱能，運(yùn)輸成本較高；另一方面，該工藝的允許輸量變化范圍小，因此加熱溫度過(guò)高時(shí)易引發(fā)事故，停輸溫度降低時(shí)易引發(fā)凝管事故[5-8]。本研究篩選一株解烴菌，通過(guò)實(shí)驗(yàn)繪制該解烴菌的生長(zhǎng)曲線，確定了其生長(zhǎng)的培養(yǎng)周期和最佳條件，并考察了該解烴菌對(duì)遼河油田稠油的降黏、清蠟作用。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 菌株的篩選

以液體石蠟為唯一碳源，從遼河油田采油廠的落地油泥中篩選出能夠乳化液體石蠟的菌株，并將其命名為D-1。

1.2 培養(yǎng)基的成分

(1)LB固體培養(yǎng)基，其成分為：蛋白胨10 g、酵母粉5 g、NaCl 5 g、瓊脂粉20 g、純水1 000 mL，其pH為7.2。

(2)液體石蠟培養(yǎng)基，其成分為：蔗糖1 g、Na2EDTA(乙二胺四乙酸二鈉) 0.60 g、KH2PO40.20 g、NaNO32.00 g、CaCl20.01 g、MgSO4·7H2O0.30 g、酵母粉0.50 g、液體石蠟4 mL、純水1 000 mL，其pH為7.5。

(3)富集培養(yǎng)基，其成分為酵母膏1 g、原油20 g、基礎(chǔ)無(wú)機(jī)鹽溶液1 000 mL，其pH為7.0。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 D-1形態(tài)的觀察

配制好LB固體培養(yǎng)基后，取1 mL D-1菌液(D-1，下同)將其均勻地涂抹在LB固體培養(yǎng)基表面，蓋上蓋，放入30 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)48 h，肉眼觀察菌落形態(tài)。

用針挑取少量菌落放在蓋玻片上，滴入1滴蒸餾水，放在偏光顯微鏡下觀察D-1形態(tài)，并進(jìn)行革蘭氏染色。

2.2 D-1生長(zhǎng)曲線的繪制及耐受度實(shí)驗(yàn)

采用紫外分光光度計(jì)，在600 nm的波長(zhǎng)下測(cè)量D-1的光密度(Optical Density，OD值)，以此作為衡量細(xì)菌生長(zhǎng)情況的參考標(biāo)準(zhǔn)。

從LB固體培養(yǎng)基上挑取D-1單菌落至50 mL的液體石蠟培養(yǎng)基中，放入搖床，在30 ℃、135 r/min下震蕩培養(yǎng)24 h，待液體石蠟培養(yǎng)基變渾后，抽取體積分?jǐn)?shù)1%的D-1接種到100 mL的富集培養(yǎng)基中，進(jìn)行菌種耐受度實(shí)驗(yàn)。耐溫測(cè)試溫度30、35、40、45、50 ℃；耐酸堿測(cè)試pH為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0；耐鹽測(cè)試NaCl的體積分?jǐn)?shù)為1%、2%、5%、8%、10%、20%、30%。耐溫測(cè)試震蕩培養(yǎng)7 d，每24 h取樣1次；耐酸堿、耐鹽測(cè)試35 ℃震蕩培養(yǎng)7 d后取樣，在600 nm的波長(zhǎng)下測(cè)D-1的OD值，繪制D-1的生長(zhǎng)曲線。

2.3 D-1對(duì)稠油的影響

2.3.1 油樣的準(zhǔn)備 取50 mL的脫水稠油，同時(shí)加入50 mL已接種體積分?jǐn)?shù)10%D-1的富集培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)pH=8.0，放入搖床，恒溫40 ℃震蕩培養(yǎng)5 d，并以未加D-1富集培養(yǎng)基的脫水稠油作為對(duì)照。

2.3.2 D-1對(duì)稠油四組分的影響 按照NB-SH-T-0509—2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行稠油四組分分析，對(duì)比處理前后稠油組分的變化。

2.3.3 D-1對(duì)稠油黏度的影響 利用RV-2旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定處理前后的稠油黏度，并繪制黏溫曲線及流變曲線，同時(shí)計(jì)算降黏率。在實(shí)際生產(chǎn)中，剪切速率一般取20.0～50.0 s-1，本研究選取27.0 s-1和48.6 s-1。

2.3.4 D-1作用于稠油后代謝產(chǎn)物的確定 采用美國(guó)的Nicolet-560E.S.P掃描儀對(duì)處理前后的稠油進(jìn)行紅外光譜掃描，掃描波長(zhǎng)為4 000～400 cm-1，對(duì)比稠油掃描結(jié)果可以確定D-1作用于稠油后的代謝產(chǎn)物。

2.3.5 D-1對(duì)稠油蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 用差示掃描量熱儀(DSC)測(cè)定處理前后稠油的蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)和析蠟點(diǎn)的變化[9]，考察D-1對(duì)稠油的清蠟性能。

3 結(jié)果與分析

3.1 D-1形態(tài)的觀察

D-1在LB固體培養(yǎng)基上的菌落形態(tài)如圖1所示。從圖1可以看出，D-1為圓形、黏稠、白色的菌種。對(duì)D-1進(jìn)行革蘭氏染色后，在放大倍數(shù)為500的偏光顯微鏡下觀察，觀察結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，D-1呈桿狀，革蘭氏染色呈陽(yáng)性。

圖1 D-1在LB固體培養(yǎng)基上的菌落形態(tài)

圖2 D-1革蘭氏染色后偏光顯微鏡菌落形態(tài) 放大500倍的照片

3.2 D-1生長(zhǎng)曲線的繪制及耐受度實(shí)驗(yàn)

D-1的生長(zhǎng)曲線如圖3所示；D-1的耐受度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即D-1在不同酸堿度及不同礦化度下的生長(zhǎng)情況如圖4所示。

(a) 酸堿度

φ(NaCl)/% (b) 礦化度圖4 D-1在不同酸堿度及不同礦化度下的生長(zhǎng)情況

依據(jù)微生物生長(zhǎng)規(guī)律，將生長(zhǎng)曲線劃分為遲緩期、對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期[9]。從圖3可以看出，D-1接入培養(yǎng)基24 h內(nèi)處于遲緩期；D-1接入培養(yǎng)基2～4 d時(shí)處于對(duì)數(shù)期；D-1接入培養(yǎng)基>4～5 d，曲線趨于平緩，新生和死亡的速度幾乎持平，處于穩(wěn)定期[10]；D-1接入培養(yǎng)基>5 d時(shí)培養(yǎng)皿中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足以維持其中的微生物的繼續(xù)生存，活菌數(shù)急劇下降，從而進(jìn)入衰亡期[11]。因此，可以認(rèn)為此微生物的培養(yǎng)周期為5 d，在第5 d時(shí)菌種濃度最大。微生物生長(zhǎng)繁殖都有適合自己特性的溫度范圍。從圖3還可以看出，40 ℃時(shí)的生長(zhǎng)曲線位于其他溫度條件下的生長(zhǎng)曲線上方，說(shuō)明D-1在40 ℃的溫度下活性最大。

從圖4可以看出，D-1在pH=3.0～9.0的條件下都可以生長(zhǎng)，但是在中性、弱堿性的環(huán)境下生長(zhǎng)情況較佳，弱堿性的生長(zhǎng)條件有利于管輸時(shí)防止腐蝕的發(fā)生；在礦化度<10%時(shí)，D-1都可以生長(zhǎng)，在礦化度=1%時(shí)，D-1表現(xiàn)出明顯的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，但礦化度>10%時(shí)，D-1幾乎不生長(zhǎng)。因此，D-1最適生長(zhǎng)的條件是：溫度為40 ℃，pH為8.0，礦化度為1% 。

3.3 D-1對(duì)稠油作用的實(shí)驗(yàn)與分析

3.3.1 D-1對(duì)稠油四組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 按照NB-SH-T-0509—2010，對(duì)D-1作用前后的稠油四組分進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，與對(duì)照稠油相比，加菌稠油(D-1作用5 d)的飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降5.00%，芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降3.31%，膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降2.70%。D-1將稠油中飽和烴為碳源進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，降解膠質(zhì)組分，芳烴雖然是穩(wěn)定的非極性分子難以被利用，但是D-1還是降解了一定量的芳烴，而極性分子(膠質(zhì))質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少可降低分子之間的作用力，達(dá)到降黏的效果。

表1 D-1作用前后稠油四組分分析結(jié)果 %

3.3.2 D-1對(duì)稠油黏度的影響 稠油在不同剪切速率下的黏溫曲線及降黏率曲線如圖5所示，稠油在40 ℃下的流變曲線如圖6所示。

(a) 27.0 s-1

(b) 48.6 s-1圖5 稠油在不同剪切速率下的黏溫曲線及降黏率曲線

圖6 稠油在40 ℃下的流變曲線

從圖5可以看出，與未經(jīng)處理的稠油(對(duì)照稠油，下同)黏度相比，經(jīng)過(guò)D-1處理的稠油(加菌稠油，下同)黏度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，降黏率為22.49%～32.93%；在27.0 s-1的剪切速率下，61 ℃時(shí)降黏率最大，為29.17%；在48.6 s-1剪切速率下，64 ℃時(shí)降黏率最大，為32.93%；超過(guò)60 ℃時(shí)加菌稠油與對(duì)照稠油的黏度比較接近，是因?yàn)?0 ℃時(shí)蠟晶開(kāi)始融化，導(dǎo)致稠油黏度下降。

從圖6可以看出，對(duì)照稠油與加菌稠油的剪切應(yīng)力與剪切速率呈線性關(guān)系，這是牛頓流體的特性。其原因可能是：由于D-1作用后稠油中的大分子碳鏈斷裂，大分子烴轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿訜N，同時(shí)由于瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，所以稠油呈現(xiàn)類似牛頓流體的特性。

3.3.3 D-1作用于稠油后代謝產(chǎn)物的確定 D-1 處理前后稠油傅里葉紅外光譜如圖7所示。從圖7可以看出，在波長(zhǎng)為3 700～3 100 cm-1時(shí)，峰帶較寬，譜帶較強(qiáng)，是O—H伸縮振動(dòng)頻率區(qū)，是確定醇、酚、有機(jī)酸的重要依據(jù)。該處峰型較寬是因?yàn)橛袡C(jī)化合物發(fā)生多分子締合，如醇酚[12]O—H對(duì)稱伸縮振動(dòng)在3 400～3 200 cm-1，游離的—NH2處在3 550～3 300 cm-1，締合的—NH處在3 460～3 420 cm-1。同時(shí)，在波長(zhǎng)為1 500～6 00 cm-1時(shí)，仲醇的C—O振動(dòng)在1 100 cm-1左右，峰型較寬，振動(dòng)較強(qiáng)烈，伯醇的C—O振動(dòng)在1 050 cm-1左右處，峰型較寬，—NH的非平面搖擺在750～700 cm-1內(nèi)[13]。由此可知，菌發(fā)酵液處理稠油后能產(chǎn)生類似醇酚、胺類的有機(jī)物質(zhì)，該類有機(jī)物質(zhì)在稠油中充當(dāng)有機(jī)溶劑，溶解稠油中的重質(zhì)物質(zhì)，從而降低稠油黏度[14-15]。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與通過(guò)黏溫曲線所得結(jié)論相符。

圖7 D-1處理前后稠油傅里葉紅外光譜

3.3.4 D-1對(duì)稠油蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 DSC測(cè)定對(duì)照稠油以及加菌稠油的蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)與析蠟點(diǎn)的結(jié)

果如圖8所示。從圖8(a)可以看出，對(duì)照稠油的DSC曲線放熱峰面積大，析蠟峰溫明顯；從圖8(b)中可以看出，加菌稠油(處理后，處理5 d)的放熱峰面積極小，并沒(méi)有出現(xiàn)析蠟峰溫，說(shuō)明處理后蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，雖然發(fā)生了相變，但是熱效應(yīng)極小。計(jì)算后得出，對(duì)照稠油的蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.00%，析蠟點(diǎn)為44.4 ℃；處理5 d后加菌稠油中蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為3.89%，析蠟點(diǎn)降為39.5 ℃。針對(duì)D-1對(duì)稠油處理5 d后的清蠟率進(jìn)行了計(jì)算，其結(jié)果為70.08%，析蠟點(diǎn)下降4.9 ℃，說(shuō)明D-1對(duì)稠油有較好的清蠟作用。

(a) 處理前

(b) 處理后(處理5 d)圖8 D-1處理前后稠油的DSC曲線

4 結(jié) 論

(1)在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)、篩選出對(duì)稠油具有降黏、清蠟作用的D-1，D-1是一種圓形、黏稠、白色的菌種，在顯微鏡下呈桿狀，能運(yùn)動(dòng)，D-1經(jīng)革蘭氏染色呈陽(yáng)性，經(jīng)鑒定屬枯草芽孢桿菌。D-1最適的生長(zhǎng)溫度為40 ℃，pH為8.0，礦化度為1%，生長(zhǎng)周期為5 d。

(2)D-1通過(guò)降解稠油中的膠質(zhì)組分能降低稠油黏度，培養(yǎng)5 d最大降黏率達(dá)到32.93%，可降解2.70%的膠質(zhì)。

(3)D-1有非常好的清蠟作用。培養(yǎng)5 d可降解9.11%的蠟，析蠟點(diǎn)可下降4.9 ℃。

[1] 賈學(xué)軍.高粘度稠油開(kāi)采方法的現(xiàn)狀與研究進(jìn)展[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2008，30(2)：529-531.

[2] 崔永亮.稠油降粘方法比較概述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(5)：113.

[3] Lavania M.Potential of viscosity reducing thermophillic anaerobic bacterial consortium TERIB#90 in upgrading heavy oil[J].Fuel，2015，144：349-357.

[4] 張曉博，洪帥，姜晗，等.微生物對(duì)稠油降解、降粘作用研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2016，45(3)：617-621.

[5] 王曉璇，雷毅，劉更民.稠油降黏技術(shù)應(yīng)用研究[J].中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，26(2)：27-30.

[6] 吳世逵，梁朝林，李大上，等.易凝原油低溫?zé)彷斔偷难芯縖J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2004，23(5)：13-16.

[7] 全紅平，王斌，秦珊珊，等.陽(yáng)離子型油溶性稠油降黏劑的研制[J].現(xiàn)代化工，2015，35(4)：82-85.

[8] 伍銳東，黃旭平，張華軍.微生物采油技術(shù)的研究進(jìn)展[J].內(nèi)蒙古石油化工，2008(10)：9-10.

[9] 馬冬晨，曾雄飛，陳德恩.對(duì)差示掃描量熱法測(cè)定原油中蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的思考[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2013，35(9)：102-104.

[10] 周建平，朱向群.傅里葉變換紅外光譜法對(duì)重質(zhì)燃料油中非石油烴類物質(zhì)的定性檢驗(yàn)及探討[J].華東電力，2012，40(12)：2275-2278.

[11] 洪新，楊翔華，唐克.利用微生物提高采油率[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(1)：43-46.

[12] 邢梅霞，夏德強(qiáng).光譜分析[M].北京：中國(guó)石化出版社，2012.

[13] 包木太，牟伯中，王修林.采油微生物代謝產(chǎn)物分析[J].油田化學(xué)，2002，19(2)：188-192.

[14] 武盈.微生物石油降粘的研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2009.

[15] 張金波，鄢捷年.微生物降粘提高稠油采收率技術(shù)初探[J].鉆采工藝，2003，26(4)：92-94.

(編輯 宋錦玉)

Study on Method of Viscosity Reduction of Heavy Oil Based on Hydrocarbon-Degrading Bacteria

Wang Weiqiang， Li Jia， Wang Guofu， Zhang Xiaobo

(CollegeofPetroleumEngineering，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushunLiaoning113001，China)

The conventional technologies of reducing heavy oil viscosity exit the shortages of affecting the quality of crude oil, heavy workload, high cost and other defects. Therefore, new method of heavy oil viscosity reduction based on hydrocarbon-degrading bacteria was discussed. A hydrocarbon-degrading bacterium was isolated in the laboratory. Its growth curve and its function of reducing viscosity and wax in heavy oil were studied. The results showed that the reduction rate of crude oil ranged from 22.49% to 32.93% and wax precipitation point decreased from the 44.4 ℃ to 39.5 ℃. The same as wax content dropped from 13.00% to 3.80%. The resin content dropped from 16.45% to 13.75%. After adding D-1 strain, wax removal rate was 70.08% and wax precipitation point fell 4.9 ℃. The strain had a significant effect on reducing the viscosity of heavy oil and wax content.

Heavy oil viscosity； Microbial wax removal； Hydrocarbon-degrading bacteria； Wax precipitation temperature； Wax content； Resin degradation

1672-6952(2017)04-0019-04

2016-09-02

2017-02-27

遼寧省科技廳面上項(xiàng)目(2015020604)。

王衛(wèi)強(qiáng)(1974-)，男(滿)，博士，教授，從事油氣管道輸送方面的研究；E-mail：wwq920285@163.com。

TE81

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.04.005

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn