我國稠油油田微生物采油進展綜述

邊紫薇

（1.西北大學地質學系，陜西西安 710069；2.大陸動力學國家重點實驗室，陜西西安 710069）

稠油資源是世界原油資源的重要組成部分，與輕質原油相比，因其黏度高、流動性差，開采難度較大。稠油降黏則一直是稠油開采的關鍵所在[1]。傳統的稠油降黏方式有以熱采為基礎的蒸汽注采、火燒開采以及以化學試劑為降黏劑的乳化劑降黏、表面活性劑降黏等，還有摻稀降黏等方法[2]，但結合國內外研究以及現場的實際應用發現，以上方法依舊存在一些無法規避的問題，例如成本高、難以在不影響環境的條件下處理殘留物等[3，4]。因此，近年學者逐漸聚焦于一種環境相對友好，成本較低的方法——微生物提高采收率技術（Microbial Enhanced Oil Recovery，簡稱MEOR）。該技術是利用地下微生物的繁殖產生代謝物（如酸、氣體、生物表面活性劑等）達到降解原油、改變儲層物性條件，進而提高采收率（以下簡稱提采）和產能的目的[5，6]。我國主要的稠油油田都對微生物提采的方法進行了室內及現場實驗，但是并未形成較大規模的應用，其在微生物驅油機制[6]、優勢菌種鑒別、微生物群落結構研究[7]等方面依舊不如對輕質原油的研究。

本文通過調研我國主要稠油油田應用微生物提采技術的情況，依照油井平均溫度對其分類和論述，并將不同區域的稠油油田進行對比，指出稠油微生物提采研究中現存的問題；同時結合稠油微生物提采在我國的應用現狀、特點以及存在的問題，對未來稠油微生物開采提出優化方向，為深入開展稠油微生物開采工作提供了思路。

1 稠油開采現狀

1.1 我國稠油資源

稠油，又名重質油，是指地下含有大量膠質、瀝青質黏度較高的原油。據統計，全球稠油、瀝青質的資源（包括預測資源量）可達400.0×108～600.0×108t。加拿大、委內瑞拉、俄羅斯、美國等都是稠油資源豐富的國家[8]。我國稠油、瀝青資源探明儲量超過40.0×108t，已在12個盆地中發現70多個稠油油田[2]。我國的稠油油藏主要集中于渤海灣、新疆克拉瑪依、風城、遼河曙光等地區。由表1可看出，我國稠油油田主要以中高溫油藏居多，低溫油藏主要是克拉瑪依油田以及新疆六中區；黏度方面，除新疆克拉瑪依油田、風城油田及勝利油田為特稠油外，多數稠油油藏為普通稠油油藏，但我國的稠油相對密度普遍比較高，其中塔里木盆地塔東2井及遼河盆地部分稠油相對密度超過了1.000。因此整體而言，我國稠油開采方法以降黏提高流動性、降解重質組分為主。

表1 我國主要稠油油田特征

1.2 稠油的主要開采方法

目前常用的稠油開采方法有熱力降黏，火燒油層，化學降黏，微生物降黏以及摻稀降黏等，每種方法都有一定的優勢，同時也有不可避免的缺陷，不同方法之間或可互補。基于黏度對溫度敏感性較高的特點，熱力降黏開采是當下稠油開采的主要技術。其中應用較多的方法有蒸汽吞吐（CSS）、蒸汽驅替（SF）、重力輔助泄油（SAGD）。

蒸汽吞吐是1969年在Mene Grande油砂進行早期蒸汽驅試驗時偶然發現注入蒸汽閉井一段時間再開采的方法[21]，單井既可作為注入井，也可作為生產井；措施實施的前期采出程度較高，但隨循環次數的增加，含水量升高，且使用蒸汽能耗大[3]。蒸汽驅替則是利用在注入井與生產井中間產生凝結水達到類似水驅的效果，但當蒸汽連通兩井時，壓差會快速降低，驅替效果也會大幅降低[3]；有學者進行氮氣輔助蒸汽驅替的試驗，表明此方法能夠減緩蒸汽超覆作用，提高采收率[22]。重力輔助泄油則是使蒸汽與管道不接觸，架設平行于油管的蒸汽管，增大波及面積，但對儲層厚度要求較高（需厚度大于10 m）[2]。

原位燃燒（INC）是通過注入空氣或助燃劑使儲層中的稠油燃燒，產生氣體并釋放熱量，進而產生類似蒸汽熱采的效果[23]。原位燃燒的方法噸油能耗遠小于蒸汽熱采，但是難以控制，風險較高。

化學降黏是稠油開采中應用較廣的方法之一，利用化學試劑分散瀝青質與膠質、乳化原油、改變儲層性質等達到降黏驅油的目的，常用方法有表面活性劑驅、聚合物驅、溶劑驅。其中表面活性劑驅應用最廣，表面活性劑可以降低油水界面張力并改變潤濕性、降低黏度[3]，溶劑可以原位脫瀝青質[24]。整體而言，化學試劑的引入操作簡便，但是化學試劑的使用會產生一定的污染，且不具廣泛適用性[4]。

摻稀降黏是指向稠油油井加入有機溶劑（包括稀油），利用相似相容原理，稀釋膠質與瀝青質，達到降黏目的。這種方法比較適合于稠油與稀油資源并存的油田，在新疆油田、塔河油田等稠油區塊都有應用。該工藝比較簡單、見效快，但是有機溶劑的注入比不好確定，并且成本相對較高[25]。

微生物降黏則是利用微生物繁殖代謝產生生物表面活性劑以及氣體、酸、聚合物等，乳化或降解原油，提高地層壓力，降低界面張力并提高流動性。微生物開采技術與其他開采技術相比，具有操作簡便、成本較低、環境相對友好等諸多優勢。利用微生物開采地下原油的方法始于上世紀20年代[26]。經過室內研究，對微生物地下驅替原油的機制以及優勢菌種有了一定認識，并在油田試驗中不斷地總結優化工藝。目前應用微生物驅替輕質原油技術已經積累了許多成功的數據以及經驗，而針對稠油的微生物開采，與輕質原油的微生物驅替研究相比，有關室內以及現場試驗研究并不是很充分，但依據已有的研究及試驗顯示，微生物在改變稠油性質、驅替稠油方面均具有較好的表現。

2 微生物作用機制分析

與輕質原油不同，稠油的最大特點是黏度高，從而限制其流動性。而黏度與稠油中的諸多組分以及地層環境均有關系。一般高溫油藏中，原油的黏度會比較小；壓力增大時，黏度會增大，但當有游離氣體存在時，壓力增高，原油容氣量增加，黏度反而會降低[27]；原油組分中，直鏈飽和烴含量越高，原油黏度一般會越小，而異構飽和烴以及環烷烴含量的增加會導致黏度的上升。因此，基于以上分析，對稠油的降黏作用主要有減少異構烷烴以及環烷烴的數量，將其轉換為直鏈烷烴；改善地層條件，增加氣體含量；降解原油中的膠質及瀝青質。微生物在這些方面均有較好作用。

儲層的部分微生物（如銅綠假單胞菌）在與石油作用或在注入營養劑后繁殖生長會產生生物表面活性劑（如脂肽、糖脂等），具有改變儲層潤濕性，使巖層由親油性轉變為親水性，降低油水界面張力，乳化原油，從而提高流動性，達到驅油的目的[28]。除生物表面活性劑外，微生物還可以產生氣體以及酸（如CO2、丙酸等），從而增加溶氣量，進而降低黏度[29]。此外，饑餓狀態下的微生物進入儲層或接觸到營養劑，會繁殖膨脹形成聚合物或膠團。聚合物以及膠團可以有效封堵高滲透條帶，增大波及范圍，起到較好的調剖作用[25]（圖1）。

圖1 油藏微生物驅油示意圖

無論在有氧條件還是無氧條件下，微生物都可以將原油中的多環芳烴（PAHs）進行降解。有氧條件下，利用雙氧加酶可以將雙氧加到芳香核上，形成二氫二醇，之后脫氫生成菲，進一步環氧化裂解，形成鄰苯二甲酸，最終氧化成水與CO2[30]；無氧條件下PAHs在還原菌（硫酸鹽、硝酸鹽、金屬等）作用下產生脂肪酸、乳酸以及氣體，之后厭氧古菌會將產物進一步分解成為氣體（圖2）[31]。

圖2 多環芳烴的厭氧代謝途徑[31]

對于正構烷烴，微生物利用烷烴加氧酶可以將長鏈的正構烷烴氧化為相應的醇（有氧條件）或羧酸（無氧條件），經過系列酶的作用后最終形成CO2（圖3）[32]。但目前的研究多集中于低環芳香烴的降解，高環芳香烴的降解效果以及機制還有待研究[33]。

圖3 好氧和厭氧細菌降解長鏈正構烷烴[32]

3 稠油微生物開采應用

我國自本世紀以來，針對不同溫度、不同黏度的稠油油田開展了諸多大規模的室內及現場研究。本文依據文獻資料將這些油田劃分為高溫油田（油藏溫度大于45.0 ℃，主要包括遼河油田、勝利油田、大港油田、渤海灣油田、新疆風城油田等）、中溫油田（油藏溫度為30.0～45.0 ℃，主要包括大慶油田、蒙古林油田、延長油田、青海油田）以及低溫油田（油藏溫度低于30.0 ℃，主要是克拉瑪依油田），以便于后文論述。目前對于降解優勢菌種、復合菌種的使用有了一定的了解，也一定程度地提高了采收率，但離微生物驅稠油更大范圍的、工業化的應用還有一定距離。

3.1 高溫稠油油田

高溫稠油油田通常黏度相對較低，在我國主要分布在東北部，有遼河油田、勝利油田、大港油田、渤海灣油田、新疆風城油田等，在高溫稠油油田實施微生物驅效果如表2所示。

表2 高溫稠油油田實施微生物驅效果

遼河油田是我國重要的稠油油田，稠油產量約為900.0×104t，占遼河油田原油總產量的65.0%[34]。主要的稠油資源分布在曙光、歡喜嶺、高升等地區。遼河油田也是國內較早開展微生物驅稠油研究的油田，在茨榆坨油田、錦25塊都進行了稠油微生物驅的室內實驗以及現場試驗，并取得了較好的效果。張淑穎（2013）在錦25塊油水樣品中分離出產表面活性物的菌株12株以及原油降解菌5株，通過對這些菌株進行室內培養以及性質研究，發現60.0 ℃下所篩選出的菌株可產生糖脂類表面活性劑，可有效乳化原油，并且降解菌對原油的降解率達40.1%[35]，但尚未進行現場試驗。紀海玲（2002）在遼河油田的錦采、金馬、歡采油田選取8口井開展了微生物多輪吞吐試驗，第一輪吞吐有效期（90 d）內，增油量最多達333.0 t，最低為23.0 t，合計增油1 028.0 t；后對其中效果較好的錦-33-32井、錦-25-193井實施二輪、三輪吞吐試驗，生產時間達60 d，分別增產150.0 t和236.6 t[36]；試驗表明微生物采油見效比較快，結合多輪吞吐技術，有效期得到延長。王鵬飛等（2015）在茨榆坨油田茨13斷塊也進行了微生物驅油試驗，地層溫度為61.1 ℃；將在實驗室培養馴化的菌種與營養劑一同注入地下，試驗的兩口油井（A井，B井）日產量均有所上升，A井日產量由3.6 t增至6.1 t，B井日產量則由3.4 t增至7.4 t，同時原油降黏率達21.3%，產出液流動性明顯得到改善。

勝利油田也是我國另一重要稠油資源豐富的油田，已探明的稠油地質儲量為6.6×108t，已動用稠油地質儲量4.9×108t，主要分布在孤島、孤東、單家寺、王莊等地區。油田整體埋深較大，儲層厚度薄、開發難度較大[37]。勝利油田當下采用的主要是基于熱采的方法以及化學降黏方法，但由于儲層較薄，深度大，熱采以及化學降黏劑成本比較高。而勝利油田進行微生物吞吐的34口井平均單井增油293.0 t，投入產出比為1.0∶3.9，經濟效益良好[19]。杜勇等（2018）在樁西油田借鑒之前的經驗，設計實施微生物復合吞吐體系。樁西油田地面原油脫氣黏度2 727～9 196 mPa·s，地層溫度為70.0 ℃，埋深超過1 500 m。現場實施微生物驅后有效期（166 d）內累計增油915.0 t，黏度下降50.1%，投入產出比為1.00∶9.07。

大港孔店油田石油地質儲量689.0×104t，可采儲量208.0×104t，儲層埋深約為1 300 m，平均溫度為59.0 ℃，原油黏度為500 mPa·s。向廷生等（2005）在該地區進行本源微生物驅油。結果顯示，原油中低分子脂肪酸鹽增加，CO2、CH4含量也有所增加，原油黏度下降6.2%，近4 a累計增油17 866.0 t；但是試驗區23口措施井中僅有4口井有明顯的增產以及含水率的改變，MEOR作用的成功率較低。

渤海灣油田是我國重要的稠油油田，重稠油產量占全國的三分之一[38]，截至2012年，共發現48個稠油油田以及含氣構造，探明稠油地質儲量占總探明石油儲量的50.4%[39]。稠油油藏普遍埋藏較深，黏度范圍為50～10 000 mPa·s。王春明等（2007）在綏中36-1油田篩選出一株原油降解菌3-28，并將其分別作用于綏中油田及克拉瑪依油田（表3）。研究表明，菌3-28可以降解原油，使飽和烴含量增加，改善物性，降低黏度。但是本源微生物對于本區域原油作用效果不如對外源原油效果的原因并未深入研究。孔淑瓊等（2009）將從大港油田分離出的菌種CMB與本源烴降解菌作用于渤海灣油田稠油，結果顯示CMB對原油降黏以及分解瀝青質能力均優于本源菌種[40]。

表3 菌種3-28對不同原油作用效果對比 %

另外，蘭夕堂等（2018）在南堡35-2油田開展了渤海灣油田內源微生物驅油的研究。南堡35-2油田地層原油黏度為242 mPa·s，地層溫度為54.0～56.0 ℃，屬于高溫油藏，儲層厚度大，非均質性較強。利用變性梯度凝膠電泳以及16S rRNA測序對優勢菌種進行鑒定，明確其主要為叢毛單胞菌科、紅環菌科以及假單胞菌，然后對非均質巖心進行模擬實驗。結果表明，油水界面張力降低50.0%左右，并且在常規水驅基礎上采收率可以再提高8.4%。

新疆風城位于準噶爾盆地，剩余可采儲量為4 040.0×104t[41]，總體表現為高密度、高黏度、高膠質、低瀝青質特征，油田溫度為40.0～70.0 ℃，為中高溫稠油油藏。桑林翔（2017）于風城油田重18井區實施生物降黏研究（八道灣組原油黏度為124 000 mPa·s），通過室內對篩選出的優勢菌設計不同的添加比例進行培養，確定最佳復配比例，并進行巖心驅替實驗，結果顯示最佳復配比例下，原油降黏率可以達到73.6%，高碳類組分明顯減少，巖心驅替原油平均增產24.8%[42]。

3.2 中溫稠油油田

我國的中溫稠油油田實施微生物驅的主要是蒙古林油田。蒙古林油田位于二連盆地，油藏溫度35.0 ℃，黏度為179 mPa·s，是典型的稠油油藏。蒙古林油田自2002年實施可動凝膠深部調驅，但在2010年后逐漸失效，因此2013年在該地區實施微生物吞吐的先導試驗[10]。室內實驗評價所篩選出的兩株優勢菌（HB-1、HB-2），菌種發酵液的界面張力降低率達77.91%～91.05%，降黏率達39.8%～49.5%。現場應用中措施有效率為77.8%，累計增油1 093.5 t，有效期達190 d。平均含水率降低5.5%。存在的問題在于所篩選的菌種在溫度超過50.0 ℃后生長數量急劇降低，不具有耐溫性。

3.3 低溫稠油油田

我國的低溫稠油油田主要在新疆北部地區（北疆），北疆稠油資源主要集中在克拉瑪依地區，資源量達9.1×108t。克拉瑪依油田稠油黏度比較高，約為2 460～162 753 mPa·s，地層溫度16.0～27.0 ℃。黃世偉等（2006）分別于2002年以及2004年在克拉瑪依油田六、九區采用混源微生物實施了兩次單井吞吐試驗，結果表明，兩次驅油共計增產原油2 128.0 t，有效時間達180 d。投入產出比為1∶6，經濟效益可觀。

胥元剛等（2012）在新疆克拉瑪依油田六中區篩選發酵菌以及產甲烷菌，在厭氧條件下富集培養，并對其作用前后原油族組分進行分析（表4）發現，發酵菌對于瀝青質有比較好的降解作用，但是對于飽和烴作用不明顯，而產甲烷菌對于飽和烴以及膠質降解作用較明顯。不同菌種對原油作用表現出選擇性的機制，以及產甲烷菌使瀝青質含量升高的原因還有待研究。

表4 不同菌種作用后原油組分含量 %

3.4 討論與分析

稠油微生物開采在我國開展研究始于上世紀末，通過近30 a不間斷地研究與實踐，我國的主要稠油油田都已開展過一定的試驗，也積累了一定的研究結論以及數據。結合上述我國各大油田應用微生物提高采收率技術的實例，稠油微生物開采在我國的應用主要存在以下特點：

（1）對比近年以及早期稠油微生物開采的研究，對于優勢菌種的復配以及混合使用或是注采工藝的優化，增產效果以及降黏率都明顯優于單一的微生物吞吐技術（表5）。

表5 優化工藝后實施微生物驅效果對比

（2）我國實施稠油微生物開采現場試驗，多是作為其他驅油方法的替代，針對開發中后期的油田，原有的采油方法失效或是成本較高時進行微生物驅的試驗。蒙古林油田是在實施可動凝膠深部調驅方法并逐漸失效后才進行微生物驅的先導試驗，措施有效率77.8%，黏度也明顯下降；克拉瑪依油田六、九區在上世紀末實施蒸汽驅，但隨油價降低，成本升高，才實施兩次微生物驅，并累計增產2 128.0 t。試驗結果表明，微生物驅操作簡單、成本低，并具有較好的提采效果。

（3）盡管開展了系列的室內研究以及現場試驗，但對于微生物驅油的機制還存在許多不明之處。對于厭氧條件下稠油降解研究較少，并且對于高環芳香烴的降解機制也尚不明確。渤海灣綏中油田篩選出的降解菌，對于本源原油的作用不如外源原油（見表3），其作用機制值得深入研究；新疆六中區發酵菌以及產甲烷菌對于原油的作用存在選擇性（見表4），其作用機制尚待進一步研究。

（4）我國的稠油油田主要為中高溫油田，因此用于降解稠油的微生物需要一定的耐溫性，但不同油田的菌種耐溫性不同。例如蒙古林油田篩選出的降解菌在溫度高于50.0 ℃時，菌種數量會快速降低，而新疆風城油田、大港油田菌種的培養溫度都比較高，具有較好的耐溫性。

4 結論與建議

（1）在當前油價低迷以及環境保護要求提高的背景下，微生物提采方法由于具有實施成本低，操作簡單，環境友好等特點，且在現場試驗中效果較好，因此，可作為傳統稠油開采方法的有效補充或后續替代方法，是一項具有前景的提采技術。

（2）受限于油田條件復雜性、微生物驅油機制研究不足、優勢菌種自身性質局限性等問題，尚未形成規模應用。下步應加強對驅油機制的深入探索，針對厭氧條件以及菌種性質做充分研究，并對實施工藝及注入劑進行優化，提高效率。

（3）微生物提采技術最主要的是對優勢菌種的篩選和培養，因此，下步應加強針對稠油油田微生物群落的分析及研究，篩選高效降解菌及乳化菌，并對其進行評價及馴化，甚至改造，使之更好地適應油井條件，提高效率。