微生物采油技術(shù)在提高原油采收率中的應(yīng)用

董 龍，張蓓蓓，劉永建

1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 大慶163712；3.大慶市環(huán)境保護(hù)局，黑龍江，大慶，163316

自美國(guó)科學(xué)家Beckman[1]于1926年提出細(xì)菌采油設(shè)想以來，微生物方法提高原油采收率技術(shù)(Microbial Enhanced Oil Recovery，MEOR)至今已有80余年的發(fā)展歷史.微生物驅(qū)油技術(shù)原理是利用一些微生物能夠分解石油類碳?xì)浠衔锊⒛苌傻哪承┐x產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物能夠與原油發(fā)生反應(yīng)從而提高石油采收率的技術(shù)[2-8].MEOR具有適用范圍廣、工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益好、無污染等特點(diǎn)，是最具有發(fā)展前景的一項(xiàng)提高原油采收率的技術(shù)，此種方法對(duì)于接近枯萎、其它措施無法提高原油產(chǎn)量的老油田尤其是低產(chǎn)井的再次開發(fā)尤為適用.本研究簡(jiǎn)述了MEOR的作用機(jī)理、菌種評(píng)價(jià)方法和現(xiàn)階段研究狀況，并提出了現(xiàn)階段應(yīng)用所存在的問題，希望以此推動(dòng)國(guó)內(nèi)MEOR的研究及商業(yè)化進(jìn)程.

1 MERO的優(yōu)勢(shì)及作用機(jī)理

1.1 提高采收率方法的不足之處

人們針對(duì)如何提高石油采收率進(jìn)行了多種方法的研究，至今發(fā)展了約3種改造油層的方法.(1)化學(xué)法，分為表面活性劑驅(qū)油法，聚合物驅(qū)油法，堿驅(qū)油法.(2)熱采法，可以分為蒸汽法，火燒油層法，熱水法.(3)注氣法，烴類混相/非混相氣驅(qū)，CO2混相驅(qū)/CO2非混相驅(qū)，注N2驅(qū).但是許多技術(shù)的應(yīng)用還存在一些缺點(diǎn)，以下是一些常用提高石油采收率方法的不足之處：

聚合物驅(qū)是以聚合物溶液作為驅(qū)油劑的驅(qū)油方法.聚合物驅(qū)油的作用機(jī)理是聚合物可通過對(duì)水的稠化，增加水的粘度，減小孔隙介質(zhì)對(duì)水的滲透率，達(dá)到減小水油流速比，增加波及系數(shù)來提高原油采收率的作用.有很多因素影響聚驅(qū)采收率，例如聚合物的老化、地層溫度、聚合物產(chǎn)生凝膠以及高的剪切率等均能引發(fā)聚合物降解，從而降低驅(qū)油效果.聚合物在洗油能力方面也較差，會(huì)在多孔介質(zhì)中發(fā)生吸附、滯留及捕集, 并有可能堵塞地層孔道[9-13].

表面活性劑驅(qū)是以表面活性劑體系作為驅(qū)油劑的驅(qū)油方法.表面活性劑能吸附于兩相界面上，并能降低該界面自由表面能，通過降低界面張力提高洗油效率來提高原油采收率.但是表面活性劑溶液驅(qū)油對(duì)油層條件要求嚴(yán)格，例如必須是砂巖，地層溫度一般要低于120 ℃，地層水的礦化度要低，滲透率要高于2.0×10-3μ·m2等，所以使用范圍有很大的限制.

堿驅(qū)是指用堿液作為驅(qū)油劑的驅(qū)油方法.但堿能與巖石發(fā)生反應(yīng)，損耗堿同時(shí)也能破壞地層，存在于高溫、裂縫、氣頂?shù)脑汀⒏吣齾^(qū)的原油以及pH過低的原油也不適合堿驅(qū).因此堿驅(qū)技術(shù)存在最大的困難就是吸附、中和和離子反應(yīng)對(duì)堿的消耗較大[14].

三元復(fù)合驅(qū)是指堿(A)+表面活性劑(S)+聚合物(P)的驅(qū)動(dòng)叫三元復(fù)合驅(qū)(ASP)，復(fù)合驅(qū)比單一的驅(qū)動(dòng)更能提高采收率，這主要?dú)w功于復(fù)合驅(qū)中的堿、表面活性劑和聚合物之間的協(xié)同效應(yīng).復(fù)合驅(qū)的主要問題是成分太多，地層對(duì)驅(qū)油劑的色譜效應(yīng)嚴(yán)重，從而影響驅(qū)油效率.

1.2 MEOR驅(qū)油機(jī)理

微生物驅(qū)采油是一種新型的采油技術(shù)，微生物在地下發(fā)酵過程中涉及到復(fù)雜的生物、生化、物理和化學(xué)作用[15-18]，除微生物在生長(zhǎng)繁殖階段需要以石油中的正構(gòu)烷烴為碳源從而可以改變?cè)偷奈锢硇再|(zhì)以外，微生物還產(chǎn)生大量的代謝產(chǎn)物[19-23]，用微生物法驅(qū)油產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物對(duì)油層作用見表1[24].

表1 微生物代謝產(chǎn)物對(duì)油層作用Tabel 1 Metabolites and corresponding effects

1.3 MEOR主要方法

現(xiàn)階段MEOR的主要方法有：a.單井吞吐；b.微生物水驅(qū)；c.微生物調(diào)剖；d.洗井清蠟等方法[25].應(yīng)用比較多的方法是單井吞吐和微生物水驅(qū)法.單井吞吐是一種間歇的生產(chǎn)過程，關(guān)閉油井一段時(shí)間后再投入生產(chǎn)，如此循環(huán).微生物水驅(qū)法是指將含有氮、磷鹽的營(yíng)養(yǎng)液和菌種混合制成微生物處理液注入目的油層，使微生物與油層發(fā)生作用.

2 MEOR的菌種篩選和菌種性能評(píng)價(jià)

2.1 MEOR菌種篩選

MEOR技術(shù)成功的關(guān)鍵之一是菌種的篩選，首先對(duì)菌種進(jìn)行富集培養(yǎng)，再經(jīng)劃線等方法對(duì)菌種進(jìn)行純化，將菌種分別在厭氧和好養(yǎng)條件下培養(yǎng)，記錄對(duì)原油降解的情況，得到效果較好的菌種.MEOR菌種可以是好氧、厭氧和兼性厭氧菌.所篩選出MEOR菌種要遵循以下2點(diǎn)：一是篩選的菌種能夠適應(yīng)油層環(huán)境，可以在油層環(huán)境中生存；二是篩選的菌種能夠引起油層物理或化學(xué)變化，產(chǎn)生對(duì)驅(qū)油有利的代謝產(chǎn)物，如氣體、酸類、醇類、聚合物和生物表面活性劑等，從而提高原油的采收率[25].

預(yù)算管理工作的開展， 是以體制為載體對(duì)個(gè)體、事物等進(jìn)行管理。為將財(cái)務(wù)預(yù)算管理在企業(yè)發(fā)展中的效能充分發(fā)揮出來，健全各項(xiàng)管理體制是基礎(chǔ)，其包括預(yù)算管理的組織體系、運(yùn)作流程及相關(guān)內(nèi)容、時(shí)間、方法、審核與批準(zhǔn)權(quán)利與局限性、責(zé)任規(guī)劃等一系列內(nèi)容。企業(yè)應(yīng)創(chuàng)設(shè)預(yù)算管理委員會(huì)，由企業(yè)負(fù)責(zé)人、主管財(cái)務(wù)的領(lǐng)導(dǎo)者牽頭，組織各相關(guān)部門負(fù)責(zé)人共同構(gòu)成。

2.2 菌種鑒定

篩選出來的菌種鑒定主要有2種方法：a.根據(jù)《伯杰氏細(xì)菌鑒定手冊(cè)》進(jìn)行鑒定；b.16 SrRNA基因技術(shù).目前的文獻(xiàn)對(duì)采油微生物菌種的鑒定多為從形態(tài)學(xué)方面進(jìn)行鑒定，缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確對(duì)其分類.建議加大分子生物學(xué)方法的應(yīng)用，充分利用PCR擴(kuò)增技術(shù)，通過16 SrDNA序列可變區(qū)域的PCR擴(kuò)增，進(jìn)一步從基因水平上對(duì)其鑒定.

2.3 菌種性能評(píng)價(jià)

菌種經(jīng)過鑒定后還要對(duì)其性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)其菌種的生物學(xué)特性、穩(wěn)定性、微生物代謝產(chǎn)物及對(duì)油層環(huán)境的適應(yīng)性[26].主要從以下幾個(gè)方面測(cè)定：

a.測(cè)定生成氣的組成和性能，用氣相色譜分析.b.測(cè)定原油發(fā)酵前后組成和性能的變化，用恩氏蒸餾法和原油全烴色譜分析法.c.測(cè)定原油采收率，可用巖心模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)和高壓模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn).d.測(cè)定發(fā)酵液的降粘作用，可用原油粘度測(cè)定法.

3 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

MEOR由于具有成本低，經(jīng)濟(jì)效益高，無污染，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì).近年來我國(guó)大慶、大港、勝利、吉林和新疆等油田分別和國(guó)外公司開展微生物采油的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，都取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果[27-29].因此微生物采油技術(shù)具有十分廣闊的應(yīng)用前景[30-33].

伍曉林等[34]采用來自大慶油田的對(duì)原油具有黏附性的菌株分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明菌株對(duì)原油的黏附作用能在10min內(nèi)產(chǎn)生，菌株具有趨化性.在菌株的生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，測(cè)得PR-1、1507、12-J對(duì)四種烷烴(二甲苯、十六烷、十二烷、環(huán)己烷)的平均疏水值分別為83%、56%、21%.對(duì)非原油黏附性菌株的趨油性起到明顯的促進(jìn)作用.進(jìn)一步的顯微觀察實(shí)驗(yàn)表明，添加適量的有機(jī)物A和B能夠促進(jìn)菌體向原油表面聚集，能夠促進(jìn)產(chǎn)生 “趨化帶”，從而達(dá)到對(duì)采油微生物激活調(diào)控的目的.

王鳳蘭等[35]對(duì)朝陽(yáng)溝油田進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，累計(jì)增油1.36 ×104t，含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了30.3%，采收率提高了3%.該技術(shù)環(huán)保且不傷害地層，突破國(guó)際微生物采油滲透率標(biāo)準(zhǔn)大于50×10-3μm2，開辟了大慶外圍特低滲透油田利用微生物采油技術(shù)先河，也為國(guó)內(nèi)外類似的油田開辟出了一條新的提高采收率途徑.

大港孔店油田也展開了此項(xiàng)研究，Nzina在地層溫度高達(dá)60 ℃的孔店高溫區(qū)使用本源微生物方法驅(qū)油，進(jìn)行了為期近4年的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以近水井地帶剩余油為碳源，補(bǔ)充氮磷等礦物質(zhì)，并混以空氣，以激活油藏中有用菌.實(shí)驗(yàn)測(cè)得脂肪酸，生物表面活性劑，二氧化碳和甲烷等都有所產(chǎn)生[36].Nzina等在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中測(cè)得每天硫酸鹽還原速率從0.002 μg增加到18.94 μg，甲烷每天代謝速率從0.012 μg增加到16.235 μg[37]，實(shí)驗(yàn)效果明顯.孔店油田現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與生產(chǎn)動(dòng)態(tài)跟蹤結(jié)果表明:大量的有活性的嗜熱微生物構(gòu)成了油藏中驅(qū)油微生物的主體，這些嗜熱菌在油藏中表現(xiàn)出了很好的物理化學(xué)、地球化學(xué)和流變力學(xué)等方面的作用.本源微生物采油技術(shù)在孔店油田的成功應(yīng)用對(duì)國(guó)內(nèi)處于高含水期的老油田提高采收率具有借鑒意義.

Bordoloi在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得P.aeruginosa(MTCC7815)和P.aeruginosa(MTCC7812)能夠產(chǎn)生大量的生物表面活性劑，在室內(nèi)降解實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得原油表面張力在96 h后從68 mNm-1降低到30 mNm-1，菌種在pH (2.5～11) 和溫度在100 ℃的活性保持穩(wěn)定.由于生物表面活性劑的抑制作用，無細(xì)胞培養(yǎng)液的原油飽和砂土在90 ℃時(shí)比在室溫下能多釋放15% 以上原油，比在70 ℃的試驗(yàn)條件下多釋放10%以上的原油.對(duì)于石油或被碳?xì)浠衔镂廴镜纳白雍屯寥姥芯勘砻鳎瑢?duì)能夠產(chǎn)生表面活性劑的微生物進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇碳r(shí)，這些微生物能夠產(chǎn)生生物調(diào)節(jié)作用，生物表面活性劑能夠從石油儲(chǔ)存罐區(qū)被污染的土壤和淤泥中降解石油[38].

Nzina等在大港油田港西區(qū)開展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，分別向油藏中注入含有氮鹽和磷鹽的含氧混合物(H2O2溶液或空氣與水的混合物)，通過注入空氣來調(diào)節(jié)油藏中微生物的活性.試驗(yàn)結(jié)果表明好氧菌和厭氧菌的數(shù)量都有所增加并產(chǎn)生了大量的生物表面活性劑.試驗(yàn)證明向油藏中注入氧氣可以激活大量的微生物種群，生物表面活性劑伴隨烴氧化菌大量產(chǎn)生并能有效降低界面張力，因此石油的生物降解作用的增強(qiáng)，能夠提高原油采收率[40].

4 MEOR存在的問題

國(guó)內(nèi)外在微生物驅(qū)油領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，積累了大量的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn).盡管微生物采油技術(shù)比其它的采油方法有著大量的優(yōu)點(diǎn)，但是，從目前來看也存在著一些不足，需進(jìn)一步探索加以改進(jìn).

a.從微生物的生長(zhǎng)角度來講，微生物在高溫、高鹽度、高濃度的金屬離子環(huán)境中容易遭受破壞，易變性.因此采用MEOR方法時(shí)必須選擇適宜的油藏環(huán)境，應(yīng)對(duì)油藏環(huán)境具體分析，對(duì)油藏的地層溫度、地層水礦化度、儲(chǔ)層巖石性質(zhì)、儲(chǔ)層原油性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)研分析，確定是否適用于微生物驅(qū)油的方法以及適用于何種微生物驅(qū)油的方法.

b.用激活本源微生物的方法驅(qū)油時(shí)所使用的營(yíng)養(yǎng)液生產(chǎn)成本較高，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，微生物消耗完所注入的營(yíng)養(yǎng)液后，其新陳代謝的速率也會(huì)很快降低.因此，實(shí)驗(yàn)前要研究本源微生物的組成及菌種的性能，按照能夠激活本源微生物的生長(zhǎng)比例配置營(yíng)養(yǎng)液[41]，使其激活有益菌種而抑制有害菌種，從而降低生產(chǎn)成本，今后對(duì)于營(yíng)養(yǎng)液的研究可以轉(zhuǎn)移到微生物采油替代營(yíng)養(yǎng)源的研究[42].

c.微生物代謝產(chǎn)物不僅能夠提高石油采收率，同時(shí)也能夠破壞油藏環(huán)境甚至損壞采油設(shè)備，如微生物所產(chǎn)生的生物表面活性劑和生物聚合物有造成沉淀的危害性[43]，而且微生物的代謝能夠產(chǎn)生酸和有機(jī)溶劑，如某些硫酸鹽還原菌能夠產(chǎn)生H2S[44]，這些都有可能腐蝕管線和采油設(shè)備，破壞生產(chǎn)設(shè)施.

d.國(guó)內(nèi)室內(nèi)研究MEOR技術(shù)一般是用人造巖心，先水驅(qū)到殘余油狀態(tài)，再注入菌種，測(cè)定提高石油采收率數(shù)據(jù).這種方法的不足之處是所選用的巖心體積小，無法模擬油層無氧條件下的內(nèi)源環(huán)境，菌種在巖心中還沒有適應(yīng)環(huán)境就可能被驅(qū)出.在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)存在很多問題，因此室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)還需要改進(jìn).

5 結(jié) 語(yǔ)

微生物采油技術(shù)是利用微生物本身或者微生物的代謝產(chǎn)物，來進(jìn)行有效的驅(qū)油.微生物采油技術(shù)具有比水驅(qū)、堿驅(qū)、聚合物驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)(堿/表面活性劑/聚合物復(fù)合驅(qū))等三次采油技術(shù)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)環(huán)保，且對(duì)油層無傷害.預(yù)計(jì)在今后的油田開采中，微生物采油技術(shù)將繼續(xù)增大并會(huì)起主導(dǎo)作用.

致 謝

本實(shí)驗(yàn)的順利完成，得益于大慶師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院表面活性劑課題組全體成員，在此，一并表示衷心的感謝！

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