微生物與油藏環(huán)境之間的相互影響與作用

李凡

長江大學教育部油氣資源與勘探技術(shù)重點實驗室 武漢430050

近幾年，利用微生物提高石油采收率已經(jīng)引起了世界范圍的關(guān)注，這項技術(shù)是向油層注入可在油藏中生長的微生物，其產(chǎn)物有助于進一步降低二次采油后滯留在儲層中的剩余油。目前，國內(nèi)外微生物采油方式主要有兩種。一是地面法，即微生物的培養(yǎng)發(fā)酵都在地面進行，再將微生物代謝產(chǎn)生的生物產(chǎn)物注入油層，從而達到提高采收率的目的。此種工藝優(yōu)點是微生物生長代謝不會受到地層因素的影響。二是地下法，指將微生物直接注入油層，使其代謝作用在油層中進行，只要供給微生物的營養(yǎng)物質(zhì)充足，代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生速度就會大于被降解的速度。這種工藝的優(yōu)點是驅(qū)油持續(xù)時間長且成本低。

一、微生物采油原理

微生物提高石油采收率的主要原理可以體現(xiàn)在微生物在生長過程中所產(chǎn)生的各種代謝產(chǎn)物及其自身在油藏中的作用。微生物產(chǎn)生的有機酸（甲酸、丙酸、異丁酸等）可溶解灰質(zhì)膠結(jié)物，增大巖石孔隙度和滲透率。微生物產(chǎn)生的氣體（CO2、CH4和H2等）可提高油層壓力，溶于原油并降低原油黏度。微生物產(chǎn)生的溶劑（丙醇、丁醇、酮類、醛類）可溶解原油中的蠟及膠質(zhì)，從而降低原油黏度。微生物產(chǎn)生的生物表面活性劑可乳化原油，改變巖石潤濕性，提高驅(qū)油效率。微生物產(chǎn)生的生物聚合物（聚多糖）可堵塞大孔道，起到分流的作用。微生物自身也能起到選擇性或非選擇性的封堵作用。

二、微生物對油藏環(huán)境的影響

1.微生物對油藏物理化學環(huán)境的影響

地層中注入微生物及其營養(yǎng)液后，微生物能夠利用地下原油作為碳源來發(fā)酵，原油中的高碳數(shù)飽和烴通過降解產(chǎn)生能溶解石蠟的有機溶劑，從而降低井筒結(jié)蠟程度并使油井的熱洗周期得以延長。一些表面活性物質(zhì)是微生物在地層中發(fā)酵產(chǎn)生的，這些物質(zhì)起到了乳化地層中原油、改變巖石潤濕性的作用，使巖石顆粒對原油的的吸附性降低。微生物發(fā)酵時產(chǎn)生的氣體還可以占據(jù)巖石孔隙空間，驅(qū)替出孔隙中的剩余油。另外，微生物還可以直接作用于原油，增加其流動性。這些綜合因素相互作用，是采油微生物能夠提高原油產(chǎn)量的重要原因。

但在處理單井時，那些擁有較大空間的巖石孔隙會被微生物率先占據(jù)，在其大量生長繁殖的過程中可能會產(chǎn)生一種粘稠的生物聚合體，這些生物聚合體連同已經(jīng)死亡的微生物體以及地層中的砂質(zhì)顆?；旌?，會堵塞一些大孔道，使儲層的滲透率大大降低，對原油開采造成影響。

2.微生物對油藏流體的影響

在前人的一些微生物驅(qū)油實驗中，當封閉時間達到微生物生長衰退時間，產(chǎn)出的油水分布是先互溶后分層（所謂封閉時間，即是指微生物在巖心中從穩(wěn)定生長、代謝原油的時間）。這與其它驅(qū)油方法產(chǎn)出的油水狀況不相同。前人對實驗結(jié)果進行過大量分析，認為微生物可能存在一種攝取原油的機制，通過這種機制的作用來實現(xiàn)菌—物接觸。烴類是石油中的主要化合物，原油發(fā)酵使具有疏水性的烷烴穿過細胞壁進入細胞內(nèi)，實現(xiàn)對原油的攝取。Erickson認為微生物對烷烴的攝取機制有三種，即微生物與溶于水相中的烷烴接觸；微生物與“增溶的”或“容納的”烷烴接觸；微生物與較大的烷烴小滴接觸。筆者認為，這三種機制都應該存在，但后兩種是主要機制，微生物產(chǎn)生的生物表面活性物質(zhì)增溶烷烴，實現(xiàn)微生物與烷烴小滴接觸。

三、油藏環(huán)境對微生物的影響

1.油藏溫度和壓力對微生物的影響

Bubela通過實驗觀察到，桿狀細菌在遭受高壓時會變?yōu)榍驙?。如若壓力突然降低，微生物會破裂；但若壓力逐漸降低，它們會重新變回桿狀，對生物活動沒有明顯的影響。Bubela同時注意到脫硫腸狀菌在10MPa和70℃下生長時，其代謝速率為正常狀況下的10倍（根據(jù)H2S生成量測出）。但是其它一些理想的采油微生物并不能達到這一結(jié)果，因為對生物代謝起到至關(guān)重要作用的酶在極端環(huán)境下可能遭到某種程度的破壞。

Marquis則是用嗜熱脂肪芽孢桿菌和硫酸鹽還原菌做實驗，以研究溫度和壓力對微生物的影響。Marquis觀察到，存在一個壓力臨界點（約13.8MPa），超過這個壓力時，在任何溫度下，微生物的生長和代謝都將受到抑制。相反的，當達到或接近該細菌的最佳生長溫度時，其顯示出具有較好的耐高壓性。

美國國家石油能源研究所制定了可采用微生物的油藏標準，油藏溫度應小于76.67℃，NaCl濃度小于100g/L，地層壓力對微生物的影響不大。

2.PH值對微生物的影響

PH值是油層內(nèi)對微生物生長和代謝影響最嚴重的一個參數(shù)。目前，公認的是pH值在4.0-9.0范圍內(nèi)，微生物生長最佳，但一些微生物也能在pH值最低1.0和最高12.0的條件下生長。PH值也能影響重金屬的增溶性，從而間接影響微生物的生長和代謝。一般重金屬含量大于10－3mol/L，就會對微生物有顯著影響。但很多因素都會影響微生物對重金屬濃度的反應，最新研究發(fā)現(xiàn)有些微生物也可耐受很高濃度的重金屬。

3.注水對微生物的影響

目前微生物提高原油采收率的一個重點就是提高老油田的采收率。老油田通常經(jīng)歷了多次注水，油田水被注入的低鹽度水調(diào)節(jié)，且完全被氧所飽和。Ivanov和Belyaey發(fā)現(xiàn)微生物對原油的氧化作用發(fā)生在該油層地層水與注入低鹽地面水之間相接觸的層帶。原油氧化產(chǎn)物激勵了產(chǎn)甲烷菌的活性。他們發(fā)現(xiàn)當?shù)貙铀蛔⑷氲牡望}度水淡化時，微生物產(chǎn)生甲烷的速率增加。這不僅與碳酸氫鹽濃度的增大和有機碳的減少有關(guān)，還與碳酸氫鹽的δ13C組分變多和甲烷的δ13C組分變少有關(guān)。

四、研究展望

由于微生物采油技術(shù)具有多學科性的特點，其今后的研究工作必將出現(xiàn)石油地質(zhì)專家、石油工程專家和微生物學家協(xié)同合作攻關(guān)的局面。接下來的工作重點將會是加強對水—油—巖—生物相互作用機理的研究，建立微生物作用理論模型，開發(fā)出數(shù)模軟件，為日后擴大微生物采油技術(shù)的應用范圍提供合適的標準。

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