羅超，張海娟，王璐，王國付

(遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001)

當含蠟原油在開采和運輸過程中的溫度降低至析蠟點時，原油中的蠟組分開始結晶析出[1]，此時原油黏度增加，表現(xiàn)出復雜的流變性質。此外，析出的蠟晶沉積在管壁上，為長期開采或運輸含蠟原油的管道帶來凝管堵塞的安全隱患[2]。解決上述問題的傳統(tǒng)措施有清管、熱洗、注入化學藥劑等，但這些方法具有成本高、污染環(huán)境等缺點[3-4]。而利用微生物將原油中的蠟組分進行降解，可提高原油流動性[5]，具有成本低、效率高、環(huán)保等優(yōu)點，在該領域已成為研究熱點。迄今，生物降解技術在石油工業(yè)中得到了廣泛的研究，尤其隨著三次采油技術的迅速發(fā)展，依靠傳統(tǒng)方法來解決含蠟原油在開采和運輸過程中面臨的難度和生產成本問題，已顯得力不從心，因此，促進了生物降解技術在含蠟原油開采和運輸中的應用[6]。目前該技術的研究內容主要集中在生物降解機理、代謝產物研究、環(huán)境影響因素和實際應用四方面，且部分成果在某些油田中已得到應用。

1 微生物降解機理

利用微生物驅油的設想從1926年Beckmann提出至今，歷經幾十年的發(fā)展，已有較為深入的研究，但鑒于自然界中微生物菌種的多樣性，其機理仍在探索階段。目前國內外提出的降解機理可總結為：微生物在以蠟為碳源進行生長時，長鏈烴經氧化生成長鏈醇類，醇和中間體醛結合后，氧化生成脂肪酸等產物，最終降解為短鏈[7-8]。長鏈烴的減少有利于提高原油流動性，常見的具有該種作用的細菌有假單孢菌屬、芽孢桿菌屬、紅球菌屬等，在實驗中發(fā)揮了不同程度的作用。

檢測蠟組分的變化可促進對菌種降解性能的認知。Nitu等[9]分離得到GeobacilluskaustophilusTERINSM，在55 ℃條件下，1 L該菌液能降解600 mg 蠟沉積，而當以具有蠟沉積代表性的二十烷、二十五烷、三十烷為單一碳源時，降解率分別可達97%，85%，77%。Dolly等[10]從石油污染的土壤中分離出Nocardiafarcinica，該菌在37 ℃條件下與含蠟原油作用10 d后，發(fā)現(xiàn)經菌株可降解100%的二十一烷、65.99%的二十二烷和50.59%的二十三烷，除蠟率達到50%，為微生物降解提供了有力的佐證。

觀察蠟晶形態(tài)改變、測定蠟含量、黏度變化可檢測該技術提高原油流動的可行性。王衛(wèi)強等[11]針對遼河含蠟原油，以石蠟為唯一碳源分離出Bacillussubtilis，將100 mL該菌發(fā)酵液與等體積含蠟原油混合作用5 d后，最大蠟晶直徑由609.1 μm降低至72.1 μm，蠟含量由29.45%降低至10.75%，黏度降低11.1%。Zhang等[12]對比分析經Aspergillus處理前后蠟晶形態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)細菌處理后蠟表面結構變得松散，原油黏度降低。Zhang等[13]從安塞油田分離得到Bacillusamyloliquefaciens6-2c，通過觀察經菌株處理前后石蠟在正己烷中溶解度變化，發(fā)現(xiàn)經菌株處理后，附著在瓶壁上的石蠟明顯減少(見圖1)，顯著改變了石蠟在正己烷中的溶解度。Zhang等認為這是因為菌株在以石蠟為碳源生長過程中，破壞了長碳鏈中碳原子之間的化學鍵，理化性質改變，從而可溶于正己烷中。

圖1 石蠟經菌株處理前后溶解度變化Fig.1 Changes in solubility of paraffin before and after treatment

上述研究表明，微生物通過降解蠟提高原油流動性能切實可行。但其降解機理尚不明確，深入探索微生物對長鏈烴降解的分子機理，有利于提高生物利用率。

2 代謝產物

微生物在降解過程中產生一些如脂肪酸、糖脂、類脂體等表面活性劑，具有降低表面張力、乳化、潤濕等作用[14]，可促進細菌對蠟組分的降解，減少蠟晶析出。其原理是這類生物表面活性劑具有特殊的分子結構，集親水憎油和憎水親油基團為一體，在油水界面處形成緊密排列的分子層，改變了界面的親水/親油性能，使得油水兩相得到良好的分散。目前對微生物代謝產物研究主要集中在發(fā)現(xiàn)、檢測和鑒定三方面[15]。

改變金屬表面潤濕性可減少蠟沉積。Meng等[16]探究了一株產表面活性劑菌Pseudomonasaeruginosa對不銹鋼表面潤濕性的影響，經菌株處理36 h后，接觸角由74.4°降至40.04°，接觸角與表面潤濕性關系密切，接觸角越小，越有利于減少蠟沉積。Zhang等[17]針對王場油田分離出Pseudomonas，Enterobacter，Bacillus，將該菌液注入油層，閉井一段時間后再開采，發(fā)現(xiàn)油井產量提升，通過對比加菌前后抽油桿表面的變化(見圖2)，發(fā)現(xiàn)加菌后附著在抽油桿表面的蠟沉積大幅減少。產生該現(xiàn)象的原因是細菌代謝產物在表面形成一層極性水膜，改變金屬表面的潤濕性，蠟晶不易在表面沉積，從而有效減少了蠟沉積。

圖2 菌株處理前后抽油桿表面變化圖Fig.2 Surface change of sucker rod before andafter strain treatment

疏水性代謝產物可增加底物溶解度。Liu等[18]分離得到BacillussubtilisBS-37，該菌在37 ℃條件下培養(yǎng)24 h后，通過酸沉降法得到粗制表面活性劑，見圖3a，經鑒定為脂肽類表面活性劑，并通過實驗檢測了代謝產物疏水性能。將5 μL無細胞上清液滴入1 mL油紅中，發(fā)現(xiàn)油紅被排擠，形成一個排油圈見圖3b、3c。代謝產物的疏水性與烴類物質的溶解度成正比關系，疏水性越強，溶解度越大，這表明該種代謝產物可大幅增加烴類物質的溶解度。

圖3 代謝產物提取與性能檢測Fig.3 Extraction and performance detection of metabolites

代謝產物可降低表面張力。Fran?a等[19]從巴西紅樹林分離得到BacillussubtilisICA56，該菌能將水的表面張力由72 mN/m降低至30 mN/m，乳化系數(shù)達到79%。Liu等[20]從大港油田分離出BacilluslicheniformisY-1，該菌能產生脂肽類表面活性劑，可將水的表面張力由74.66 mN/m降至27.26 mN/m，乳化系數(shù)達到91%。Liu等[21]從大慶原油中分離出的P.aeruginosaSNP0614，其代謝產物能將培養(yǎng)基表面張力由55.1 mN/m降低到25.4 mN/m。表面張力降低，可促進微生物對底物的吸收利用，而產生的乳化作用則增加了微生物與底物的接觸面積，均有利于生物降解。

上述研究表明，微生物在以蠟組分為碳源生長時，其代謝產物具有多種作用，有利于提高原油流動性。但目前對于代謝產物的研究局限于發(fā)現(xiàn)、檢測、鑒定等研究方面，未來應著重于研究已發(fā)現(xiàn)表面活性劑組成、結構和功能機理等方面的研究，以期達到工業(yè)所需要求，提高其應用范圍。

3 環(huán)境因素對微生物的影響

微生物的生長和環(huán)境密切相關，不同環(huán)境因素可促進或抑制微生物的生長，而生物降解技術的關鍵就是確保微生物具有良好的活性強度。因此，有必要對一些影響微生物生長的環(huán)境因素進行優(yōu)化，最大程度發(fā)揮菌種性能。

培養(yǎng)時間影響了微生物降解，Etoumi等[22]在研究一株Pseudomonas對Sarir油田含蠟原油降解時發(fā)現(xiàn)，采用該菌對數(shù)生長期的代謝產物進行乳化實驗，乳化效果微弱，而采用在達到生長穩(wěn)定期時的代謝產物實驗時，乳化系數(shù)達到90%。乳化系數(shù)與生物降解正相關，乳化系數(shù)越高，細菌與底物接觸面積越大，降解率越高。溫度影響了微生物生長，Hao等[23]在探究GordoniaamicalisLH3對蠟的降解實驗中發(fā)現(xiàn)，該菌在37～40 ℃區(qū)間活性最強，而在40～45 ℃區(qū)間菌種活性嚴重遭到抑制，溫度高于45 ℃時基本失去活性。這是因為隨著溫度增加，菌體內蛋白功能減弱，達到一定溫度后，菌體內蛋白凝固，細菌死亡。

pH影響了微生物生長，Lu等[24]在研究pH對Firmicutes生長狀態(tài)的影響時發(fā)現(xiàn)，該菌在pH為6時活性強度最高，而在研究蠟降解實驗時，發(fā)現(xiàn)當pH為7時降解率達到最大。Niraj等[25]分離出一株Aeruginosa，在以含蠟原油為碳源時，該菌株在pH 7時具有最高降解率。微生物降解烴類的最適pH和最適生長pH并不嚴格相同，作者認為這是因為在細菌活性最高時代謝大量酸性產物，改變了培養(yǎng)基pH，進而抑制了微生物降解。底物濃度影響了微生物生長。Sakthipriya等[26]認為在細菌一定生長溫度下，應對底物的濃度進行優(yōu)化。從印度金奈油田分離出BacillussubtilisYB7，研究該菌在50 ℃，蠟沉積濃度分別為0.5，0.75，1，1.25，1.5 g/L條件下作用7 d，發(fā)現(xiàn)在濃度1 g/L時，細菌長勢最好，C32與C36在1 d內可降解60%～70%。

上述研究表明，對微生物的生長環(huán)境進行優(yōu)化，可促進微生物降解，但目前很多文獻報道均在實驗室條件下對微生物生長環(huán)境進行優(yōu)化，而在實際應用環(huán)境中的影響因素可能復雜多樣。因此，為保證微生物充分發(fā)揮性能，未來的研究應對更多影響微生物的因素進行探索。

4 微生物的應用

蠟晶析出不僅增加了原油黏度，還極易在管壁上形成蠟沉積，為石油開采帶來了許多困擾。生物技術通過降解作用降低了蠟含量，提高原油流動性以及采收率。由于具有高效、環(huán)保、成本低等特點，很多國家對其進行研究并投入了現(xiàn)場應用。

He等[27]分離出三株除蠟菌，分別為BacillusspLWH1、BacillusspLWH2和PseudomonasspLWH3。將三種菌應用到遼河油田曙光區(qū)油井，4個月內累計增油566 t，并大幅減少了熱洗周期，經濟效益可觀。王靜等[28]將兩株清防蠟菌N5和BS-6應用于辛14塊6口高蠟井，取得了較好的防蠟效果，熱洗周期從30 d延長到180 d，增油量達1 499 t/a。上述利用單一菌種進行驅油產生一定經濟效益，但并不理想，其原因可能是原油的低溶解度限制了生物降解[29]。因此，為提高生物降解，應先增加其溶解度[30]。

曹懷山等[31]將芽孢桿菌和假單孢菌按不同比例混合后，對勝利大蘆湖油田高含蠟油井進行驅油實驗研究，累計增產原油617 t，洗井周期由32 d延長至149 d。Liu等[32]認為在除蠟菌與加入產表面活性劑菌有助于提高生物降解率，認為代謝產物濃度增加有利于降低油水界面張力、增加烴溶解度，降解菌更容易吸收利用。Liu等將一株除蠟菌BacilluscereusQAU68與一株產表面活性劑菌BacillussubtilisXCCX進行混合，發(fā)現(xiàn)當混合比例為5∶2時，除蠟率最高可達64%，較單一菌種除蠟率(23%)提升了接近3倍，為采用混合菌種驅油提供了有力的佐證。劉江紅等[33]將一株具有除蠟性能的菌株和一株產表面活性劑菌按比例為5∶3混合后進行除蠟降黏實驗，除蠟效果由29.8%提升到59%，將該混合菌種應用到大慶外圍榆樹林油田的3口井進行現(xiàn)場試驗，日增油率分別為41.2%，33.3%，37.5%，為該區(qū)塊油井帶來了巨大的經濟收益。Lei等[34]將由除蠟菌CYY0807和產表面活性劑菌CYY0810組成的混合菌種與等體積原油混合，在47 ℃條件下培養(yǎng)7 d后，發(fā)現(xiàn)單一菌最高降黏率為37.6%，而混合菌可使原油黏度降低46.9%，將該混合菌應用到吉45區(qū)塊，產量提高9.2%。

上述研究表明，微生物能通過降解石蠟改善原油流動性，進而提高原油開采率，具有極大的應用潛力。尤其對于混合菌種，它較單一菌種具有更高的降解效率，未來應注重研究菌種之間的協(xié)同關系，以期進一步提高菌種的降解率，促進其廣泛應用。但該技術實際應用中，由于一些微生物具有選擇性，可能會受到不同區(qū)塊特點的影響，能否充分發(fā)揮菌種性能還有待進一步研究。所以，通常應用該技術前，還需對該區(qū)塊進行針對性先導實驗，這也是制約這項技術廣泛應用的壁壘之一。

5 展望

隨著全球對原油需求量的增加，含蠟原油作為主要能源供給的原材料之一，其開采和運輸?shù)倪M程大幅提高，然而，在此過程中由蠟帶來的問題也逐步凸顯。隨著油田處理工藝的不斷深入研究，許多傳統(tǒng)方法暴露出了難以解決的新問題，這促進了極具潛力的生物技術在油田工藝中的發(fā)展。針對目前利用生物技術提高原油流動性的現(xiàn)狀和存在的問題，未來的研究熱點和重點可能會集中在以下幾方面：

(1)加強微生物降解機理研究。微生物對含蠟原油流動性的促進作用已經證實，但其降解機理尚不明確，深入探索微生物對長鏈烴降解的分子機理，有利于提高生物利用率。

(2)注重微生物代謝產物的組成、結構和功能機理研究。目前對于代謝產物的研究主要集中在發(fā)現(xiàn)、檢測、鑒定等研究方面，未來應對已發(fā)現(xiàn)代謝產物的組成、結構和功能機理等方面著重研究，以期達到工業(yè)所需要求，提高其應用范圍。

(3)完善復雜因素對微生物生長影響研究。室內模擬環(huán)境與實際應用環(huán)境往往存在一定差異，為確保微生物在環(huán)境中能充分發(fā)揮菌種性能，未來的研究應對更多影響微生物的因素進行探索。

(4)推進混合菌種聯(lián)用研究?；旌暇N較單一菌種具有更高的降解率，未來應注重研究菌種之間的協(xié)同關系，以期可進一步提高菌種降解率，促進其廣泛應用。