微生物采油與保護(hù)劑

郎亞軍+聶春雨+曲麗娜+張麗霞+王金龍+黃永紅

【摘要】：微生物采油技術(shù)是指利用微生物提高石油采收率的技術(shù)總稱，近年來廣受關(guān)注。本文介紹了微生物采油技術(shù)的概念、特點(diǎn)，綜述了內(nèi)、外源微生物采油技術(shù)，并對外源微生物采油過程中的保護(hù)劑進(jìn)行了概述。

【關(guān)鍵詞】：微生物采油；內(nèi)源微生物；外援微生物；保護(hù)劑

前言

微生物采油技術(shù)（Microbial Enhanced Oil Recovery，簡稱MEOR）是繼傳統(tǒng)的熱驅(qū)、化學(xué)驅(qū)、氣驅(qū)之后的第四種提高采收率的方法，在國際采油界中，MEOR是生物采油技術(shù)總稱，從機(jī)理大致分為：本（異）源生物采油技術(shù)（即細(xì)菌法）和生物酶采油技術(shù)兩大分支。其中，BERO?（Biosurfactant Enzyme for Recovery of Oil）生物表面活性劑屬于生物酶采油行列[1]。目前，在國內(nèi)普遍將MEOR等同于國內(nèi)已研究實(shí)驗(yàn)多年的本（異）源微生物采油技術(shù)。具體來說，它是指將地面分離、篩選、培養(yǎng)的微生物菌液和營養(yǎng)液注入油層，或單純注入營養(yǎng)液激活油層內(nèi)微生物，使其在油層內(nèi)生長繁殖，經(jīng)微生物的生物活動或代謝產(chǎn)物的某些特性作用于原油，改變原油的某些物化特性，如裂解重質(zhì)烴類和石蠟，使原油黏度、凝固點(diǎn)降低，從而降低原油的流動阻力，改善原油的流動性能，提高原油產(chǎn)量和采收率。微生物采油不會引起二次污染，不受區(qū)域限制，且采油成本低、效果好[2]。

1、本（內(nèi)）源微生物采油

內(nèi)源微生物主要是油田注水開發(fā)過程中隨注水無意帶入油層并適應(yīng)了油藏環(huán)境的較為穩(wěn)定的微生物群落以及油層中固有的微生物群落[3]。內(nèi)源微生物采油技術(shù)就是利用油層中原油的內(nèi)源微生物群落，通過向油層注入適宜營養(yǎng)液和混氣水，使油層中的內(nèi)源微生物活性驟增（即激活），從而提高油層內(nèi)源微生物的生長活性及代謝活動，產(chǎn)生生物表面活性劑、有機(jī)酸、生物氣等代謝產(chǎn)物，改善原油流動性質(zhì)，降低界面張力，有效地改善驅(qū)油效率，提高采收率。其研究范圍主要包括油層內(nèi)源細(xì)菌菌群的群落分布情況、油層條件下細(xì)菌的生理學(xué)（在高溫、高壓、高鹽度和有原油、巖石粘土及已經(jīng)加到驅(qū)替水中化學(xué)劑存在的條件下）、水驅(qū)后油層中存在諸多種群的微生物，特別是烴氧化菌、發(fā)酵糖蜜產(chǎn)氣、產(chǎn)酸菌、產(chǎn)甲烷和乙酸菌等，都有益于提高石油采收率[4]。

油藏中典型的內(nèi)源微生物生理群有三類，分別是烴氧化菌、硫酸鹽還原菌和甲烷生成菌，該三類菌也是利用油藏微生物資源開采原油或防治油田酸化、設(shè)備腐蝕研究和實(shí)踐中涉及的主要生理群。烴氧化菌具有乳化原油的性能，在礦化度很寬的范圍內(nèi)均有烴氧化菌存活；硫酸鹽還原菌種類繁多，硫酸鹽還原是主要的厭氧過程，通過這一過程，原油中的有機(jī)組分被轉(zhuǎn)變；甲烷生成菌主要包括甲烷桿菌和甲烷八疊球菌[4]。典型內(nèi)源微生物生理群及相應(yīng)部分微生物有：烷氧化菌（Micrococcus sp.、Arthrobacter sp.、Rhodococcus sp.、Halobacterium sp.、Bacillus thermoleovorans）；硫酸鹽還原菌（Desulfotomaculum nigrificans、Desulfovibrio vaculatus、Desulfacinum subteeraneum）；甲烷生成菌（Methanobacterium bryantii、Methanobacterium formicicum）

相對于外源微生物采油技術(shù)，內(nèi)源微生物采油技術(shù)具有現(xiàn)場施工操作簡單、無需地面大規(guī)模發(fā)酵培養(yǎng)、運(yùn)輸便利、安全、對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)。但目前本源微生物驅(qū)油技術(shù)還不成熟，室內(nèi)研究還停留在機(jī)理研究階段，礦場試驗(yàn)規(guī)模小。理論研究的重點(diǎn)大都放在好厭氧兩段驅(qū)油機(jī)理的解釋和論證上，對營養(yǎng)激活劑研究還沒有取得重大突破，驅(qū)油的數(shù)學(xué)模型還不健全[5]。

2、異（外）源微生物采油

外源微生物采油即將地面培養(yǎng)的微生物菌株或孢子與營養(yǎng)物一起注入地層，菌種在油藏中繁殖、生長，產(chǎn)生大量代謝物如酸、低分子量溶劑、表面活性物質(zhì)、氣體、生物聚合物等，增加地層出油量，達(dá)到提高采收率的目的。通常包括單井周期性源微生物采油和微生物強(qiáng)化水驅(qū)，前者包括微生物吞吐采油、微生物清防蠟、微生物酸化壓裂等，主要針對油井；后者包括微生物驅(qū)油、微生物選擇性封堵、微生物深部調(diào)剖、微生物循環(huán)水驅(qū)以及生物工藝法采油（注生物表面活性劑和生物聚合物）等，主要在注水井上進(jìn)行[4]。

外源微生物采油與內(nèi)源微生物采油所不同的地方是，外源微生物采油所運(yùn)用的微生物并非油藏中所固有的微生物，而是在地面培養(yǎng)和選育，經(jīng)分離馴化、改良獲得性能優(yōu)異的菌種。將這些改良后的菌種與必需的營養(yǎng)物質(zhì)一同注入油藏中，利用微生物的滋生活動而達(dá)到提高石油采收率的目的。外源微生物采油過程中，可以產(chǎn)生表面活性劑的菌種主要包括芽孢桿菌（Bacillus sp.）、假單胞菌（Pseuomonas sp.）、節(jié)桿菌（Arthrobacter sp.）、分枝桿菌（Mycobacterium sp.）和丁酸梭菌（Clostridium sp.）、微球菌（Micrococcus sp.）、棒桿菌（Corynebacterium sp.）等[6]。其中，研究最多的是假單胞菌和芽孢桿菌。部分生物表面活性劑及其產(chǎn)生菌有：脂肽（Bacillus subtilis、Pseuomonas XD-1、Bacillus pumilus、Candida lipolytica）；海藻糖脂（Corynebacterium spp.、Mycobacterium spp.）；鼠李糖脂（Mycobacterium spp.）；槐糖脂（Candida bogoriensis）；脂多糖類（Pseudomonas spp.、Candida lipolytica）；磷脂（Acinetobacter spp.）；脂肪酸（Arthrobacter paraffineus、Nocardia erythropolis）。endprint

外源微生物進(jìn)入地層后將發(fā)生以下變化：第一，大多數(shù)微生物因不能適應(yīng)地層中的高溫、高壓、厭氧環(huán)境，這類微生物很快喪失生命活性變成死細(xì)胞物質(zhì)，死的微生物細(xì)胞只相當(dāng)于微粒在多孔介質(zhì)中運(yùn)移。第二，微生物進(jìn)入地層后很快發(fā)生生理變化，由細(xì)胞體形成芽孢，多數(shù)耐熱芽孢桿菌都具備這個特性。第三，微生物進(jìn)入地層后，不久就適應(yīng)了地層環(huán)境，并利用地層環(huán)境中一切可能利用的條件進(jìn)行生長代謝甚至繁殖，但由于微生物生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)在地層中含量極少，要依靠注入水不斷從地面帶入營養(yǎng)維持生存，造成了注水井近井地帶極易堵塞[7]。因此，復(fù)雜的油藏環(huán)境條件、油藏性質(zhì)、礦物巖石組分、油藏液體、地質(zhì)化學(xué)作用等能夠?qū)ξ⑸锏纳L、繁殖、代謝影響頗大，造成了外源微生物采油效果不穩(wěn)定。提高外源微生物采油效率的前提是保證外源微生物在地層油藏中的生長繁殖及有益代謝，其本質(zhì)是要解決外源微生物在油藏的高溫、高壓、高鹽和厭氧等逆境下的生長繁殖及有益代謝。

3、采油微生物保護(hù)劑

微生物在逆境尤其是高滲條件下，細(xì)胞內(nèi)的水溢出而引起膨壓減小，細(xì)胞體積縮小，胞內(nèi)水活度下降。此時(shí)微生物在胞內(nèi)積累小分子溶質(zhì)（相容性溶質(zhì)），如糖、多元醇、甜菜堿、氨基酸及其衍生物等，以提高細(xì)胞內(nèi)水活度，使細(xì)胞的體積和膨壓達(dá)到正常水平[8]。通過這類溶質(zhì)的高濃度積累，可使細(xì)胞在高滲沖擊下內(nèi)外滲透壓達(dá)到平衡，且不妨礙細(xì)胞正常的代謝活動，因而這類溶質(zhì)被稱之為相容性溶質(zhì)。

國內(nèi)外關(guān)于相容性溶質(zhì)對DNA、酶、蛋白質(zhì)甚至整個細(xì)胞在逆環(huán)境下的保護(hù)作用已有研究報(bào)道[9]，天然甜菜堿是微生物處于高滲（如高鹽等）環(huán)境中時(shí)產(chǎn)生的相容性溶質(zhì)之一。近年來，甜菜堿類表面活性劑在石油開采中的應(yīng)用受到了關(guān)注，大慶油田的研究結(jié)果表明，甜菜堿與大慶原油可以在無堿條件下達(dá)到超低界面張力，從而作為低滲透油田以及普通水驅(qū)油藏和聚合物驅(qū)后提高采收率的方法[10]。甜菜堿類表面活性劑的應(yīng)用為外源微生物采油的深入提供了新思路，即甜菜堿和與之具有相類似功能的相容性溶質(zhì)（如海藻糖、甘油、四氫嘧啶等）作為外源采油微生物的細(xì)胞保護(hù)劑，與外源采油微生物按一定配比用于微生物采油。保護(hù)劑的成功運(yùn)用將對于穩(wěn)定外源采油微生物在油藏的高溫、高壓、高鹽和厭氧等逆境下生長繁殖及有益代謝，進(jìn)而提高原油采收率具有重要意義。

結(jié)語

微生物采油技術(shù)與其它三次采油技術(shù)相比較，具有無可比擬的優(yōu)勢。其高效、低能耗、低成本、無二次污染、無地域限制的特點(diǎn)，使之有望成為將來提高原油采收率的主要關(guān)鍵技術(shù)之一。內(nèi)源微生物可通過基因工程手段進(jìn)行菌種改良，應(yīng)用于高溫、高礦化度及稠油開采。外源微生物可通過添加保護(hù)劑或與產(chǎn)保護(hù)劑菌種配伍，應(yīng)用于高溫、高鹽、高壓、厭氧的逆環(huán)境油藏。MEOR技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的研究，取得了令人矚目的成績，內(nèi)、外源微生物采油結(jié)合不斷更新的技術(shù)深入開展研究，其應(yīng)用前景定會更加輝煌。

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