改善微生物采油關鍵技術研究和應用

黃子俊，馮 青，田 苗，楊 浩，劉子雄

（中海油田服務股份有限公司油田生產研究院，天津 300459）

微生物提高原油采收率（Microbial Enhanced Oil Recovery，MEOR）是利用微生物的有機活動及代謝產物來提高原油采收率的一項綜合性技術。室內研究顯示微生物采油能提高采收率15%～23%，但從諸多油田現場應用情況來看，常規微生物采油措施有效期短，一般小于3個月，增油量少，一般在300 t左右，與室內相比差距較大，效果不持久，難以同熱力驅、化學驅、聚合物驅一樣開展大規模的生產應用。

油藏處于一種特殊環境，其中的礦物組成及性質，孔隙度和滲透率，地層壓力，流體的溫度、pH、礦化度，原油性質，殘余油飽和度等，都會對微生物生長產生明顯的影響，同時油藏內本身又含有一些內源微生物，注入的微生物與內源微生物能否兼容，注入的營養液對內源微生物有何影響，如何改善和提高微生物的采油功能，室內實驗理論參數設計是否符合現場實際，這些關鍵問題仍未得到有效解決，導致微生物采油效果不理想，技術推廣應用難度大。因此，開展微生物采油關鍵技術的研究，對提高采收率貢獻及促進其在油田開發的大規模應用具有重要意義[1-7]。

1 改善微生物采油關鍵技術研究

1.1 采油功能性微生物篩選

影響微生物功能的主要因素是溫度、pH值、滲透壓和溶解氧含量等，因原油的高疏水性及原油組分的毒性，傳統微生物采油技術往往過于注重水相微生物，其技術開發的致命缺陷是環境適應性差和采油功能性弱。利用PCR技術和FISH熒光染色技術，能迅速簡便地判斷細菌間的系統和分類學差異。通過對原油微生物群落宏基因組學研究分析，原油中不僅存在與水相顯著不同、多樣性很高的獨特的油相微生物群落，而且這些微生物由于受原油、芽孢形態等保護，其對高溫高壓等還具有一定耐性，這些功能微生物親油性更強，在合適條件下更易與原油接觸發揮作用，具有比水相微生物更好的石油組分降解能力，是采油的優選微生物。

從國內某油藏油井產出液中取樣分離出68種不同的菌株，可以看出81%的微生物分布在水相中（見表1），其中放線菌屬在水相中不存在微生物，在油相中分布5種功能微生物，通過室內菌種進一步純化評價確定這5株菌具有較好的嗜烴、降黏功能（見圖1）。

1.2 耦合內源菌和外源菌培育核心微生物

采用微生物培養新措施，直接以油田采出液為培養基，變溫培養，對微生物“顆粒”超聲分散，延長培養周期，建立了中國最大的石油微生物菌株資源庫（20 000多株），構建了自1953年以來生效發表的、分離自石油環境的54個可培養性物種。研究表明，任何油藏中都存在很多微生物，這些微生物通過有規律和秩序地相互作用和影響，形成了穩定的微生物群落，通過微生物共現性網絡分析，發現大部分油藏存在“核心微生物”，其在微生物群落網絡中起主導作用，能帶動相關微生物群落的有效生長。

實際油藏中可能存在“短板”核心內源微生物，例如勝利油田春風油藏某斷塊內源微生物種類比較單一，含有具有采油潛力的假單胞菌屬，缺乏其他如桿菌、不動桿菌等采油功能菌屬，需要激活或補充這些缺乏的短板采油微生物[8，13]。室內通過DNA基因重組和增殖環境控制，精心挑選的外源微生物復配后可定向激活釋放具有良好采油功能的“核心”內源微生物，通過現場分析微生物吞吐采油見效特征和生化指標，產出液中微生物激活數量較高的井增油較為明顯，其中檢測到內源菌菌濃維持在106個/毫升，但基本未檢測到外源菌。同過去微生物采油技術相比，這里關鍵技術有兩點：（1）外源菌目的不是采油，而是起到了激發短板內源菌的作用；（2）微生物采油不是依靠幾株內源單菌，而是用核心內源菌有效調控相關微生物群落發揮集團采油優勢。

表1 某油藏中油水不同區域微生物分布Tab.1 Microorganism distribution in oil and water regions in a reservoir

圖1 放線菌-Tessaracoccus sp SL014B-76A1Fig.1 Actinomycetes-Tessaracoccus sp SL014B-76A1

1.3 相似相容性定向調控微生物菌群代謝產物

不同微生物需要不同的營養和環境條件，微生物只有在適宜的油藏環境條件下，并給予適宜的營養物質才能高效、長效地發揮采油作用。例如菌株假單胞菌能夠在缺/厭氧條件下快速生長并釋放大量的生物氣，有利于提高局部地層能量并提高波及范圍。菌株芽孢桿菌能夠產生高效生物表面活性劑，降低油水界面性質。該菌同時能夠選擇性激活油藏中的內源微生物。上述篩選的假單胞菌、芽孢桿菌及迪茨氏菌等核心微生物均分離至油相，能夠進行兼性生長，有助于其適應油藏的微氧/缺氧/厭氧環境并進行大量的增殖。

圖2 華北油田二連某斷塊微生物群落菌屬分布Fig.2 Distribution of microbial community in north China oilfield

華北油田二連某斷塊試驗區油藏具有低滲（5.32×10-3μm2）、油稠（402 mPa·s）、強酸敏（酸敏指數為 0.74～0.89）、膠質瀝青質含量高（46.0%～51.2%）的特性，油藏特性要求微生物群落（微生物群落菌屬分布見圖2）采油過程中定向調控不能產生有機酸，不能產生生物聚合物。提出并驗證了指導微生物配伍與調控的“相似相容”原則，并定向調控功能微生菌群，避免了盲目激活。通過激活劑和營養劑的配伍篩選，針對性開發了抑制硫酸鹽還原危害的硝酸鹽還原菌劑，重點培養了代謝產物以表面活性劑為主的單胞菌、桿菌、不動桿菌等菌屬，為微生物現場長效地發揮采油功能提供了新的技術路線[9-12]。

1.4 聚合生物酶協調作用

微生物采油技術的兩大分支是本（異）源生物采油技術（即細菌法）和生物酶采油技術，長期以來因為細菌會消化吸收酶，人們一直認為細菌法和生物酶兩種微生物采油技術無法共生共存。通過對微生物迪茨氏菌研究發現，該菌株含有獨特基因編碼方式，能夠將氧紅還原蛋白（Rd）與烷烴羥化酶（AlkB）融合形成一種特殊的蛋白酶，可顯著擴大對石油烴的利用范圍，獲得先前所不具有的利用長鏈復雜烷烴的能力（國家發明專利ZL201110029754.6）。同時該菌存在多酶系，并在石油烴降解中發揮協同作用，即各自負責降解不同長度的石油烴，修正了微生物一定會優先降解短鏈烷烴的傳統觀念[14-18]。

室內開展了內源菌、耦合內外源菌、內外源菌聚合生物酶的三種不同方式原油乳化實驗。在3個原油樣品中分別加入CF5N5H21培養液和不同的混合菌群，模擬油藏溫度、礦化度等現場條件，150 r/min振蕩培養。一周后乳化生長OD（optical density，表示被檢測物吸收掉的光密度）分別為0.972、25、79，同單一菌液加培養液相比，通過在激活劑基礎上添加擁有多個降解雜環類及擴大并促進長鏈烴降解的不同的酶組合，聚合生物酶后，顯著增加了微生物采油的乳化能力和乳化速度（見圖3）。

圖3 內源菌、耦合內外源菌、聚合生物酶三種不同培養方式原油乳化效果對比Fig.3 Comparison of crude oil emulsification effects with endogenous bacteria，coupling internal and external bacteria and polymerized biological enzymes

2 微生物施工注入設計研究

常規微生物采油菌液和營養液的比例在1∶10左右，這樣雖然降低了菌液注入成本，但在油藏多孔介質內微生物主要消耗的是營養液，而非原油組分中的碳源、氮源、磷源等營養物質，采油功能有限。研究發現通過增大菌液的用量，降低營養液的比例，能充分發揮微生物的采油功能，當菌液和營養液的比例在1∶1左右時，微生物裂解乳化周圍原油的活性最高，因此設計菌液和不同類型營養液的比例為1∶1。

常規微生物采油燜井時間為7 d～9 d，通過模擬油藏礦化度、溫度、壓力條件觀察不同實驗方式下菌種穩定傳代3代，生長達到108個/毫升以上所需要的時間，其中旋轉式搖床培養所需的時間為48 h～72 h，一維短巖心持續恒速注入方式所需的時間為5 d～15 d，三維大型巖心滴灌方式所需的時間為50 d～150 d，因此現場微生物采油燜井時間應該在50 d～150 d，一般取平均值3個月左右。

微生物的形態有球菌，桿菌，螺旋菌等，這些細菌在目的油層中移動需要一定程度的增殖空間，在合適滲透率條件下微生物可自我運動到油井周圍直徑10 m左右的儲油巖層，數模預測隨微生物注入用量的增加，累計增油量也相應增加，當設計處理半徑5 m～6 m時菌液換油量可達到3 t/t～6 t/t，當設計處理半徑8 m～10 m時菌液換油量可達到7 t/t～11 t/t，因此微生物吞吐用量可根據實際投入產出比情況設計采油處理半徑為10 m左右或者取0.02 PV。

3 現場應用研究

微生物采油主要應用在稠油冷采、高含水油藏低效井、嘗試其他方法無效的關停井，現場在新疆克拉瑪依、大慶、吉林、華北等油田進行了注入試驗取得了較好的效果。

以準噶爾盆地西緣的春風油田為例，春風油田位于準噶爾盆地西緣車排子緩坡帶，主要含油層系是新近系沙灣組，油藏埋藏深度190 m～700 m，油層厚度 3 m～6 m，滲透率2 μm2～5 μm2，孔隙度 31%～35%，油藏溫度19℃～31℃，地下原油黏度15 000 mPa·s～90 000 mPa·s，50 ℃下脫氣原油黏度 2 000 mPa·s～10 000 mPa·s，屬于薄淺層超稠油高滲透砂巖油藏。原油組分中，飽和烴占55%，芳香烴占25%，膠質占15%，瀝青質占4%；原油中C+H含量達98%，加熱時烴類裂解需要的能量較低，容易降黏。排6南塊南部油水過渡帶薄淺層特稠油蒸汽吞吐開采初期，由于邊水侵入，造成高含水關井。2014年9月在油水過渡帶薄淺層特稠油P6-P48、P6-P47和P6-P49（高含水關停井）等采油井開展微生物吞吐冷采試驗，燜井至2015年3月開井冷采生產，取得了明顯的增油效果，截止到2017年5月有效期已達2年3個月，單井增油3 630 t～6 314 t。微生物采油前后原油黏度發生了較大變化。P6-P48井采用微生物采油后，50℃脫氣原油黏度下降了58%；P6-P49井微生物采油后，50℃脫氣原油黏度由2 070 mPa·s下降至1 075 mPa·s，下降了48%。從P6-P48井微生物冷采前后的菌種鑒定結果看，采出液中檢測出了注入的活菌，表明注入菌菌種適應地層條件并生長繁殖，開井第4天，水樣中微生物數量達700×104個/毫升，油樣中微生物數量達 264×104個/毫升，并且保持了60 d左右。

在其他多個油田應用后也顯著提高了微生物采油效果，微生物吞吐有效期在1～3年，單井增油量平均大于4 000 t，同以往微生物技術相比，噸微生物換油量提高了10～30倍，具有較好的推廣應用前景。

4 結論

（1）原油微生物具有比水相微生物更好的石油組分降解能力及高溫高壓等耐性，是采油的優選微生物。

（2）同外源微生物復配后可定向激活釋放具有良好采油功能的“核心”內源微生物，從而帶動整個微生物群落發揮集團采油優勢。

（3）根據微生物配伍與調控的“相似相容”原則，可以定向調控功能微生菌群，增加微生物對環境的適應性和功能活性。

（4）通過聚合生物酶，可以顯著增加微生物采油的乳化能力和乳化速度。

（5）通過各項關鍵技術研究，建立了一套微生物采油注入控制設計方法，在多個油田應用后顯著提高了微生物采油效果，具有較好的推廣應用前景。

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