微生物采油與油藏生物反應器的應用

汪衛(wèi)東

(中國石化股份有限公司勝利油田公司石油工程技術研究院，山東東營257000)

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微生物采油與油藏生物反應器的應用

汪衛(wèi)東

(中國石化股份有限公司勝利油田公司石油工程技術研究院，山東東營257000)

微生物采油技術的發(fā)展推動了油藏極端環(huán)境中微生物群落的研究。隨著微生物分子生物學分析方法(MMM)的不斷進步，對油藏環(huán)境中微生物群落結構和功能的認識也不斷深入，雖然目前微生物采油技術仍沒有進入大規(guī)模工業(yè)化應用階段，但對油藏環(huán)境中微生物認識的意義已遠遠超越了微生物采油技術的應用。油藏作為天然的生物反應器，有望在未來的環(huán)境和能源領域中得到深入的研究和廣泛的應用，而微生物采油僅僅是個開端。

油藏；微生物群落；微生物采油；生物反應器

石油仍然是經濟發(fā)展的重要資源，作為不可再生的化石資源，在開采過程中，人們希望通過技術進步，盡可能將油藏中的原油全部采出，但實際情況不盡如人意。一個油藏被發(fā)現后，通過鉆井，射孔打開油藏，油藏中的油氣依靠自身的壓力，從油井中噴出，這種自噴的采油方式，又稱一次采油，僅能噴出5%～10%的原油。當地層壓力逐漸下降不能自噴時，就在油井附近打注水井，向油藏中不斷注水，增加油藏壓力，這種注水開采的方式，又稱二次采油,它能采出油藏中的原油20%～30%[1]；油藏中還剩下60%甚至70%的原油，只能依靠三次采油技術[2]。

三次采油技術包括熱力采油、氣體驅油、化學驅油和微生物采油。其中，微生物采油技術是利用微生物在油藏中的作用來提高原油的產量和采收率[3]，該項技術從提出到現在已有半個多世紀，但在近二十多年得到快速發(fā)展。隨著研究的深入，微生物采油的原理正在逐漸清晰，應用工藝也在不斷完善[4]。

1 微生物采油技術的發(fā)展

從技術發(fā)展過程可將微生物采油技術的發(fā)展分為三個階段。第一階段是在20世紀80年代以前，以現場試驗為主，向油井注入發(fā)酵液和糖蜜，關井7 d左右，通過微生物發(fā)酵產酸、產氣，作用于近井地帶，開井生產可增加產量。但是，這個階段的研究比較粗放，缺少基礎研究及室內模擬研究，也忽視了地下內原微生物的存在及影響。雖然，現場應用微生物采油技術的油井中的多數井有增油效果，但效果難以預測，對無效井也無合理的解釋，所以現場工藝以單井吞吐為主。第二階段是20世紀80年代末到90年代末，在這期間，微生物采油技術在我國開始得到廣泛的重視，主要原因是中國東部油田進入二次采油后期，急需三次采油技術，其中化學驅油法發(fā)展速度最快，微生物采油作為三次采油技術選擇之一，也被列入研究計劃。在國家層面上將微生物采油技術作為“九五”攻關一個課題，投入研究資金來資助此技術的研發(fā)。這個階段主要通過培養(yǎng)法研究油藏中的微生物，并希望通過加入外源微生物在地下改變原油性質，將大分子的烷烴轉變成較小分子的烷烴，從而降低原油黏度，現場試驗及應用主要是油井清防蠟和微生物吞吐技術為主，但技術進展緩慢，試驗和應用規(guī)模較小[5]。第三階段是在2000年以后，由于微生物分子生物學技術的發(fā)展，對油藏內源微生物有了全新的認識，大量新的微生物種屬被發(fā)現，同時，又開發(fā)了內源微生物驅油技術，相關的研究和現場試驗幾乎同時進行，在國家層面上的“十五”攻關項目和國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目中，都將微生物采油技術列為資助課題，以促進此技術的發(fā)展。所以，微生物采油技術在近十幾年才得到系統(tǒng)的研究和快速的發(fā)展[6]。

2 油藏微生物群落

早期的認識是，油藏是個無菌環(huán)境，由于鉆井、作業(yè)、注水和開發(fā)等過程，將地面微生物帶入油藏，才會出現油藏內源微生物。一個未開發(fā)的油藏是否是無菌環(huán)境，目前還存在爭議[7]。這是因為：一個觀點認為如果油藏中有微生物存在，在漫長的地質年代里，微生物會降解或破壞原油直至全部消失；另一個觀點認為油藏中有微生物存在，只是代謝緩慢，甚至處于休眠狀態(tài)。目前，利用同位素分析技術已證明，有不少油藏中的天然氣是生物成因的甲烷，也就是說，這些甲烷是通過微生物降解烴形成的。同時，對油藏中原油烷烴組分分析發(fā)現，有些烴類組分已被生物降解過[8]。這些研究均表明，油藏中的原油在開采之前均被微生物作用過，只是作用程度不同，但這種作用過程是在油藏形成早期某一個階段，還是一直持續(xù)進行，至今并沒有明確的結論。這是由于對油藏微生物分析存在巨大的困難。首先，從油藏中取出的生物樣品難以保證不受到外界污染，因為無論是常規(guī)取心還是特殊取巖心技術，從油藏中取出的巖心均易受到鉆井液的污染；其次，微生物從油藏中取出來后，不能保證它們在油藏中生存所需的壓力和溫度，這些外界條件的變化必然會對分析的結果造成影響，這是因為地層中是高溫、高壓環(huán)境，取樣時溫度容易控制，但要在地面模擬地下高壓環(huán)境，并在高壓下對巖心樣品進行操作則非常困難；最后，油藏中有許多是未培養(yǎng)過的未知微生物，由于對這些微生物了解甚少，導致分析難度大，更談不上去培養(yǎng)[9]。

當一個油藏進入開發(fā)階段，地面與地下發(fā)生物質交流，這時油藏中的微生物很難界定是地下原有的還是后來地面引入的。所以，筆者所在實驗室一直使用“內源微生物”一詞，以區(qū)別于“本源微生物”。本源微生物是指油藏在未開發(fā)之前就存在的微生物，雖然目前仍未證實是否存在。內源微生物是指油藏開發(fā)以后，油藏中所有的微生物，包括以前存在和開發(fā)過程引入的微生物。在微生物采油領域中，內源微生物區(qū)別于“外源微生物”，外源微生物是在地面培養(yǎng)的微生物，為了微生物采油，將其注入地下來采油。所以，目前國內微生物采油分析的油藏微生物均指內源微生物。由于分析的對象是油井產出液，這引出另外一個問題，即油井產出液中的微生物能否代表油藏中的微生物？油藏中的流體進入油井，經過1 000～2 000 m油管提升到地面，這個過程在不斷進行，持續(xù)多年，有人認為在油管內壁會有微生物附著，這些微生物也可生長、繁殖，并可脫附進入流體，構成產出液中微生物群落的一部分。另外，油井井底和油套環(huán)空中長期存在一定量不流動的液體，而這部分液體與產出液直接連通，其中如果存在微生物，也可進入產出液，但這種推測沒有明確的證據。所以，目前國內多數有關油藏微生物分析結果均是指油井產出液中微生物的分析結果，而不是真正意義上的油藏微生物群落。

3 內源微生物驅油技術

內源微生物驅油技術是指直接利用油藏中已經存在的微生物來驅油的技術[10]。在2000年以前，分析油藏中內源微生物群落結構及多樣性主要依賴傳統(tǒng)的分離培養(yǎng)方法，但是由于油藏是高溫、高壓環(huán)境，產出液到地面常壓環(huán)境下，細菌能否保存完好難以確定，所以培養(yǎng)出的細菌是不是油藏的細菌也難以確定。但是，自基于16S rDNA的分子生物學技術出現以后，傳統(tǒng)的培養(yǎng)分析技術就逐漸被取代，研究者先后應用了聚合酶鏈式反應和變性梯度凝膠電泳相結合(PCR-DGGE)、限制性片段長度多態(tài)性分析技術(T-RFLP)和16S rDNA克隆文庫等分析技術，以及近年來又出現的高通量測試技術來分析內源微生物，因為這些技術分析結果更加可靠[11]。但是，無論采用哪種分析技術，井口取樣的油水分離方法是重要的影響因素之一[12]。

在“十一五”期間，勝利油田曾選擇了具有代表性的整裝和斷塊兩類型油藏共11個區(qū)塊，開展微生物群落及其多樣性研究，這些油藏均為注水開發(fā)，溫度跨度為55～114 ℃。經過16S rDNA克隆文庫分析，結果發(fā)現，油藏細菌主要為變形菌，包含了γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)、β-變形菌綱(Betaproteobacteria)、芽孢桿菌綱(Bacilli)、α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)、梭菌綱(Clostridia)、ε-變形菌綱(Epsilonproteobacteria)和硝化螺菌綱(Nitrospira)等，其中Gammaproteobacteria占41.4%，Betaproteobacteria占25.0%。在Gammaproteobacteria中，腸桿菌科(Enterobacteriales)和假單胞菌科(Pseudomonadaceae)占主導地位，在Betaproteobacteria中叢毛單胞菌科(Comamonadaceae)占主導地位。古菌主要以產甲烷古菌為主，包括甲烷微球菌綱(Methanomicrobia)、甲烷桿菌綱(Methanobacteria)及甲烷球菌 (Methanococci)等[13]，其他油田也進行過類似的分析結果，但油藏中的微生物類型差異較大[14]。

“十二五”期間，國家科技部支持了內源微生物驅油技術研究和現場試驗，中國石化公司和中石油油田先后在勝利油田和克拉瑪依油田開展了現場試驗，試驗結果表明，內源微生物可以通過注入適當的營養(yǎng)，在油藏中被大幅度激活，原油總產量和采收率均有明顯提高，其中沾3區(qū)塊內源微生物驅油現場試驗提高采收率2.1%，新疆六中區(qū)提高采收率3.8%。油井產出液有大量被乳化的原油，說明內源微生物在油藏中乳化殘余油，結合室內實驗研究結果，可以認為微生物驅油機理可分為細菌細胞和代謝產物兩方面作用機理，細菌細胞的生物趨界性，使細菌細胞趨向于油田界面，有利剝離殘余油，菌體富集還可提高微觀波及效率；細菌代謝產物主要有表面活性劑和生物氣，生物表面活性劑提高水驅驅替效率，生物氣可驅動盲端殘余油[15]。目前，公認的主導驅油機理為“好氧厭氧聯(lián)合作用、代謝產物降黏溶脹、菌體富集微觀封堵”?，F場產出液的微生物群落跟蹤分析結果表明，在注入激活劑后，油藏內源微生物群落結構發(fā)生明顯變化[16]，但在驅油過程中，群落結構并不穩(wěn)定，各試驗區(qū)塊的激活反應也存在較大差別，一方面和油藏環(huán)境條件有關，另一方面可能還存在許多未知問題，對油藏微生物群落的調控還沒達到理想程度，所以，現場試驗效果也各不相同，導致應用效果難以預測，這也是該技術仍沒有大規(guī)模工業(yè)化應用的一個重要原因。

4 油藏殘余油微生物氣化技術

當油田開發(fā)到最后階段，現有的技術難以進一步提高采收率，油藏中仍然殘留50%左右的原油，為了延長油田的開發(fā)壽命，其中一條思路是通過微生物在油藏中的代謝作用，將油藏中的殘余油轉化為甲烷氣，以進一步開采利用，從而大幅度提高油藏的利用價值[17]。2004年俄克拉荷馬大學Gieg等[18]提出該思路，在理論上是可行的，并已在實驗室得到證實，但要實際應用還存在許多技術問題。其中，殘余油轉化為甲烷氣的轉化速度和轉化程度是技術的關鍵。因為殘余油微生物氣化技術的主要原理與沼氣的生成相似：沼氣是通過微生物群落作用，將碳水化合物轉化為甲烷；而該技術是將碳氫化合物轉化為甲烷，也就是將油藏轉化為氣藏，而氣藏的采收率遠高于油藏，最高可達90%以上，這樣可大幅度提高采收率和油藏的利用價值。所以，殘余油微生物氣化過程，實質上是將油藏當成一個巨大的生物反應器，通過人為調控，加速油向氣的轉化，其本質是烴的厭氧降解[19]。目前，勝利油田與成都沼氣科研所及華東理工大學開展這方面研究，在許多水驅開發(fā)油藏中發(fā)現了產甲烷菌，這本身就說明了在油藏中很可能一直存在著烴向甲烷轉化的代謝過程，而且，所發(fā)現油藏中的產甲烷菌都是以氫營養(yǎng)型為主，所以在室內模擬油藏條件下(10 MPa，60 ℃)，50 d啟動烴向甲烷的轉化，生產速率可達 6 mmol/(a·g)(96 mg/(a·g))，通過分析檢測發(fā)現產甲烷的微生物主要有Methanoculleus和Methanosaeta。另外，還發(fā)現unclassified bacteria和Caldiserica的兩個優(yōu)勢細菌類群可能在原油降解轉化過程起著重要作用，Anaerobaculum、Synergistaceae和Thermoanaerobacteraceae相關的細菌可能也參與了原油的降解轉化過程[20]。這項技術可還可用于煤藏，將固態(tài)有機碳轉化為甲烷[21]。自從Dolfing等[22]證實烴可生物降解為甲烷以來，目前烴轉化為甲烷仍然是研究熱點，雖然有國家自然科學基金項目支持，但還沒有形成可應用的技術。

5 藏油CO2固定轉化技術

為了減少CO2排放，有人提出了CO2捕集、埋存(CCS)技術，而油田開發(fā)的三次采油的氣驅技術之一就是CO2驅油技術。同時，在理論上，CO2可以被氫營養(yǎng)型的產甲烷古菌還原生成CH4，將封存的CO2進行CH4轉化，這不僅有利于提高原油采收率，還能產生新的天然氣[23]。

美國Mississippi州立大學、日本東京大學和九州大學已開展相關的研究，嘗試在枯竭油藏中利用內源微生物作用，將殘余油氣化和固定CO2這兩個過程耦合，通過降解殘余油來生成H2和乙酸，產甲烷菌可以利用乙酸、氫，CO2來生成甲烷[24]。目前，油藏微生物群落結構分析已發(fā)現大量氫營養(yǎng)型的產甲烷菌的存在，但關鍵問題是大量的H2從哪里來？有一種理論認為，油藏中本身就有大量的氫存在，但沒有充分的證據證實這理論。目前國內華東理工大學正在著手研究[25]，國內也有研究機構正在與日本開展相關的合作研究。

6 油藏生物反應器的展望

油藏是密閉的空間，在地質上油藏又被稱為一個圈閉，這也是原油能能保存至今的根本原因。但是，隨著原油的開發(fā)，在同一個油藏中鉆開油井和注水井，這就有了進出通道，當油藏開采到沒有經濟價值時，這時如果油藏中有微生物生長代謝，就可以作為生物反應器繼續(xù)發(fā)揮作用，油藏作為生物反應器具有以下優(yōu)點：①油藏有巨大容量，即使較小的油藏也可容下幾十萬立方的液體，適合用于大規(guī)模生物反應；②油藏擁有恒定的溫度，可以根據需要選擇不同深度的油藏，溫度從20～150 ℃不等，也可選擇高溫油藏作為高溫生物反應器，生物反應過程中不需要耗能保溫；③我國油藏多為砂巖，油藏為多孔介質，為生物反應器提供了巨大的表面積，可提高發(fā)酵效率；④油藏是嚴格厭氧環(huán)境，但如果需要，也可通過注入井注入任何氣體，改造成預期的反應器。油藏作為生物反應器的不利因素有：①油藏容積太大，不利于控制；②油藏是多孔介質，入料粒徑有限制；③生物反應過程中無法攪拌；④無法滅菌。鑒于以上原因，油藏不能用于精細生物發(fā)酵，只能用于大量廢物的生物發(fā)酵處理，或大量有機質(高BOD值)發(fā)酵生產能源物質，如乙醇和甲烷。將廢棄的油藏作為生物反應器加以利用是一個發(fā)展方向，但還需要地質、油田開發(fā)、微生物和環(huán)境專業(yè)密切合作，才能形成真正的應用技術。

7 結論

油藏是一種特殊的環(huán)境，油藏中的微生物生態(tài)結構及微生物代謝活動已引起廣泛關注，微生物采油技術已證實油藏微生物的活動可以加以利用，隨著研究的深入，枯竭油藏有望作為生物反應器進行大規(guī)模廢氣、廢液處理，或用于清潔能源物質的生產。但在這個過程中，有兩個關鍵問題需要解決，一是怎樣掌握油藏環(huán)境中的微生物整體信息，油井產出液在多大程度上反映油藏中微生物群落的真實結構；二是怎樣有效地調控油藏中微生物群落結構，通過注水井向油藏中注入液體或氣體物質能在多大程度上調控油藏中微生物的代謝活動。

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(責任編輯 荀志金)

Application of microbial enhanced oil recovery and bioreactor in oil reservoir

WANG Weidong

(Research Institute of Petroleum Engineering Technology,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongyin 257000,China)

The development of microbial enhanced oil recovery(MEOR) technology has driven increasing studies of microbial communities in extreme environments of oil reservoir.With the continuous progress in molecular microbiology analysis method,a better understanding of the structure and function of microbial communities in extreme environments has been achieved,which is of great significance even if MEOR has not been used for large-scale industrial applications.As a natural bioreactor,oil reservoir will be intensively studied and widely applied in the future environment and energy fields,with the MEOR as a beginning.

oil reservoir; microbial communities; microbial enhanced oil recovery; bioreactor

10.3969/j.issn.1672-3678.2017.03.012

2016-03-18

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(2013AA064401)

汪衛(wèi)東(1967—)，男，安徽桐城人，教授級高級工程師，研究方向：石油微生物技術，E-mail：wangweidong168.slyt@sinopec.com

Q93;TE34

A

1672-3678(2017)03-0074-05