微生物與油藏環(huán)境之間的相互影響與作用

李凡

長(zhǎng)江大學(xué)教育部油氣資源與勘探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)技術(shù)是向油層注入可在油藏中生長(zhǎng)的微生物，其產(chǎn)物有助于進(jìn)一步降低二次采油后滯留在儲(chǔ)層中的剩余油。目前，國(guó)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(jìn)行，再將微生物代謝產(chǎn)生的生物產(chǎn)物注入油層，從而達(dá)到提高采收率的目的。此種工藝優(yōu)點(diǎn)是微生物生長(zhǎng)代謝不會(huì)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(jìn)行，只要供給微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足，代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生速度就會(huì)大于被降解的速度。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)油持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)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(jī)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(lèi)、醛類(lèi)）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(rùn)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(duì)油藏環(huán)境的影響

1.微生物對(duì)油藏物理化學(xué)環(huán)境的影響

地層中注入微生物及其營(yíng)養(yǎng)液后，微生物能夠利用地下原油作為碳源來(lái)發(fā)酵，原油中的高碳數(shù)飽和烴通過(guò)降解產(chǎn)生能溶解石蠟的有機(jī)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(zhǎng)。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(rùn)濕性的作用，使巖石顆粒對(duì)原油的的吸附性降低。微生物發(fā)酵時(shí)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(dòng)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(shí)，那些擁有較大空間的巖石孔隙會(huì)被微生物率先占據(jù)，在其大量生長(zhǎng)繁殖的過(guò)程中可能會(huì)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)顆粒混合，會(huì)堵塞一些大孔道，使儲(chǔ)層的滲透率大大降低，對(duì)原油開(kāi)采造成影響。

2.微生物對(duì)油藏流體的影響

在前人的一些微生物驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)封閉時(shí)間達(dá)到微生物生長(zhǎng)衰退時(shí)間，產(chǎn)出的油水分布是先互溶后分層（所謂封閉時(shí)間，即是指微生物在巖心中從穩(wěn)定生長(zhǎng)、代謝原油的時(shí)間）。這與其它驅(qū)油方法產(chǎn)出的油水狀況不相同。前人對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行過(guò)大量分析，認(rèn)為微生物可能存在一種攝取原油的機(jī)制，通過(guò)這種機(jī)制的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)菌—物接觸。烴類(lèi)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(guò)細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原油的攝取。Erickson認(rèn)為微生物對(duì)烷烴的攝取機(jī)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(rèn)為，這三種機(jī)制都應(yīng)該存在，但后兩種是主要機(jī)制，微生物產(chǎn)生的生物表面活性物質(zhì)增溶烷烴，實(shí)現(xiàn)微生物與烷烴小滴接觸。

三、油藏環(huán)境對(duì)微生物的影響

1.油藏溫度和壓力對(duì)微生物的影響

Bubela通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到，桿狀細(xì)菌在遭受高壓時(shí)會(huì)變?yōu)榍驙?。如若壓力突然降低，微生物?huì)破裂；但若壓力逐漸降低，它們會(huì)重新變回桿狀，對(duì)生物活動(dòng)沒(méi)有明顯的影響。Bubela同時(shí)注意到脫硫腸狀菌在10MPa和70℃下生長(zhǎng)時(shí)，其代謝速率為正常狀況下的10倍（根據(jù)H2S生成量測(cè)出）。但是其它一些理想的采油微生物并不能達(dá)到這一結(jié)果，因?yàn)閷?duì)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(shí)驗(yàn)，以研究溫度和壓力對(duì)微生物的影響。Marquis觀察到，存在一個(gè)壓力臨界點(diǎn)（約13.8MPa），超過(guò)這個(gè)壓力時(shí)，在任何溫度下，微生物的生長(zhǎng)和代謝都將受到抑制。相反的，當(dāng)達(dá)到或接近該細(xì)菌的最佳生長(zhǎng)溫度時(shí)，其顯示出具有較好的耐高壓性。

美國(guó)國(guó)家石油能源研究所制定了可采用微生物的油藏標(biāo)準(zhǔn)，油藏溫度應(yīng)小于76.67℃，NaCl濃度小于100g/L，地層壓力對(duì)微生物的影響不大。

2.PH值對(duì)微生物的影響

PH值是油層內(nèi)對(duì)微生物生長(zhǎng)和代謝影響最嚴(yán)重的一個(gè)參數(shù)。目前，公認(rèn)的是pH值在4.0-9.0范圍內(nèi)，微生物生長(zhǎng)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(zhǎng)。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(zhǎng)和代謝。一般重金屬含量大于10－3mol/L，就會(huì)對(duì)微生物有顯著影響。但很多因素都會(huì)影響微生物對(duì)重金屬濃度的反應(yīng)，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(duì)微生物的影響

目前微生物提高原油采收率的一個(gè)重點(diǎn)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(duì)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(lì)了產(chǎn)甲烷菌的活性。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貙铀蛔⑷氲牡望}度水淡化時(shí)，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(jī)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(xué)科性的特點(diǎn)，其今后的研究工作必將出現(xiàn)石油地質(zhì)專(zhuān)家、石油工程專(zhuān)家和微生物學(xué)家協(xié)同合作攻關(guān)的局面。接下來(lái)的工作重點(diǎn)將會(huì)是加強(qiáng)對(duì)水—油—巖—生物相互作用機(jī)理的研究，建立微生物作用理論模型，開(kāi)發(fā)出數(shù)模軟件，為日后擴(kuò)大微生物采油技術(shù)的應(yīng)用范圍提供合適的標(biāo)準(zhǔn)。

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