鐵還原菌提高低滲透油藏采收率的研究進展

黃衛紅，張沛琳，樊海濤，李 麗，鄒俊剛，種新明，羅一菁

(1．中國石油新疆油田分公司采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000；2．中國石油大學(北京)化學工程與環境學院，北京 102200；3．中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

石油在全球經濟貿易中有著不可替代的重要作用，隨著石油在能源戰略中地位的不斷提高，開發原油開采新技術、提高原油采收率越來越受到研究者的重視。目前在提高原油采收率研究中，國內外學者多關注于高滲透油藏的二次甚至三次開采，而對低滲透油藏的研究并不充分。實際上，低滲透油藏從儲量上并不遜于其它類型的油藏，具有不可估量的開發潛力。據統計，2015年我國勘探出的低滲透油藏儲量高達1.65×1010t，占已勘探總儲量的54.27%[1]。目前我國老油田中高滲透油藏的開發處于不斷衰退的階段，因此，如何有效開發利用低滲透油藏、提高低滲透油藏采收率，成為當前急需解決的問題。

1 低滲透油藏的特點及開采面臨的主要問題

低滲透油藏一般是指空氣滲透率低于0.05 μm2的油藏，具有孔徑小、毛細效應明顯、均相性差、液體流動性差等特點，存在開采難度大、開發利用率低等問題。傳統的低滲透油藏開采技術有超前注水、壓裂、化學與微生物采油相結合等[2]。其中超前注水技術由于具有成本低、可操作性強等特點，成為我國低滲透油藏開采的主要方法。

地層堵塞是由潛在損害因素和地層自身外部因素的共同影響造成的[3]。在低滲透油藏地層中，蒙脫石巖層吸水膨脹明顯，導致原本就狹窄的孔徑進一步縮小，流體的流動性和儲層的滲透能力也隨之下降；而應用較廣泛的水驅采油技術則會使得孔道圍壓升高，使油藏陷入無法繼續注水開采的困境，進而加劇了油藏開采效率的下降。若采取增壓增注的方法，不僅會對地層造成不可恢復的傷害，而且由于壓力增大，巖層裂縫增多，會出現嚴重的水竄現象，造成水資源的浪費，不能從根本上解決低滲透油藏地層堵塞的問題。因此，如何有效解決地層堵塞成為提高低滲透油藏采收率的重點。

2 低滲透油藏解堵技術及局限性

油藏解堵技術主要分為物理法、化學法和生物法等三大類。其中物理法主要包括振動法、高壓注水法、超聲波法等，此外，利用高頻電磁波改變油藏滲流狀態的高頻脈沖電滲流技術，作為油藏解堵的新型物理手段已經在某些油田進行了先導性試驗，并取得了較好的效果?；瘜W法主要有酸化解堵法、熱化學解堵法、防膨劑法、氧化解堵法等，針對低滲透和特低滲透油藏，酸化解堵法和防膨劑法的應用最為廣泛，且在現場試驗中已經積累成一套相對成熟的操作體系。作為一種新穎的油藏解堵方法，生物法近年來受到國內外研究者的廣泛關注，主要包括兩種：一種是由美國最先提出并在委內瑞拉等國家得到現場應用的生物酶解堵法[4]，該方法利用以生物酶為主的多元生物化合物，通過影響巖石表面碳氫化合物來改變巖石潤濕程度，降低原油黏度，進而提高原油采收率；另一種是處于起步階段的微生物法，將微生物直接或間接作用于油藏儲層，通過改變儲層巖石結構或影響儲層生物群落結構來提高原油采收率。微生物法具有成本低、適應性強、可改變油藏孔道流動阻力等特點，逐漸成為低滲透油藏解堵的新思路。

綜上，適用于低滲透油藏解堵、提高采收率的方法主要是酸化解堵法、防膨劑法和微生物法。

2.1 酸化解堵法

酸化解堵法具有成本低、操作簡單的特點，是國內外低滲透和特低滲透油藏解堵的主要方法。實際應用中，應根據油藏不同的地層特征和儲層條件，采取不同的酸化解堵手段。根據酸液體系來劃分，目前國內應用效果較為顯著的有：用于近井地帶的土酸體系、用于多層系油井的混合分層酸體系、用于特低滲透油藏的泡沫酸體系以及逐漸發展起來的多氫酸體系[5]。常規酸液體系(土酸、鹽酸體系)的防膨率約為60%[6]。此外，表面活性劑和酸液體系復配、緩蝕劑和酸液體系復配、多元復合酸液體系等新興手段也在不斷發展完善中，其中，多元復合酸液體系在現場試驗中的防膨率可達90%[6]。

無論是常規酸化解堵手段還是新的復配酸化解堵手段，其效果持續時間短，對地層和環境造成的傷害不容忽視，應用于低滲透油藏均存在以下問題：

(1)加速設備腐蝕和老化

酸化解堵是將酸液體系注入油井以達到溶解巖層膨脹粘土、疏通堵塞的目的，在此過程中，酸液體系與設備接觸，會對設備尤其是金屬設備造成腐蝕，加速設備的老化，增加了維護成本和人工管理費用。

(2)地層傷害

在注入酸液體系后，酸液在腐蝕水化膨脹的粘土的同時，也會腐蝕地層中的其它巖層。因為酸液無法選擇性地作用于目標巖層，因此酸液體系對地層的傷害是不可避免的，同時也是難以修復和逆轉的。如我國定邊油田某油井注水傷害后的電測解釋泥質含量達到66%[7]。

(3)二次污染

酸液體系注入油井后，會沿著縫隙擴散到各處，對當地的植被、生物種群等產生影響；殘余的酸液會滲入到地下水體，對當地的生態系統造成二次污染。

2.2 防膨劑法

但是，防膨劑防止或減少粘土膨脹的手段往往存在時效性較短的問題。油藏地層環境復雜，防膨劑注入地層后只能在短時間內起到作用，由于地層中各種物質的作用和破壞，防膨劑的作用和活性會隨著時間的延長逐漸衰減。為保證粘土膨脹持續被抑制，只能不斷補注防膨劑，使得現場運營和管理成本增加。因此，利用微生物及其代謝產物抑制粘土水化膨脹的思路逐漸成為低滲透油藏解堵的新重點。

2.3 微生物法

微生物法具有環保、工藝簡單、易操作等特點，逐漸應用于低滲透油藏解堵領域。我國利用微生物法提高原油采收率的研究起步較晚，20世紀后期才開始在大慶油田進行微生物驅油試驗[11]。當前，微生物法解堵的工作重點在于功能菌的篩選、馴化、作用機理研究和現場應用等方面。研究發現，鐵還原菌可以將蒙脫石中的Fe3+還原成Fe2+以改變蒙脫石的晶體結構，抑制其水化膨脹[12]，進而緩解低滲透油藏地層堵塞問題，提高原油采收率。

3 鐵還原菌提高低滲透油藏采收率的機制及研究進展

自1987年第一株具有鐵還原功能的希瓦氏菌從加拿大油田中被分離出來[13]，人們開始了對油藏鐵還原菌的探索研究。隨著近代微生物采油技術的發展，鐵還原菌在油氣田開發領域受到越來越多的關注。鐵還原菌對Fe3+的還原能力可以改變蒙脫石的晶體結構，抑制其水化膨脹，進而減少低滲透油藏孔道堵塞，達到縮膨增注的目的。研究發現，鐵還原菌在與蒙脫石接觸時，蒙脫石水化膨脹受到一定抑制，可能存在以下兩種機制：

(1)向伊利石方向轉化

由于蒙脫石晶體結構中含有Fe3+，而鐵還原菌在與蒙脫石接觸時，鐵還原菌將Fe3+還原成Fe2+，使得原本含Fe3+的八面體晶體結構遭到破壞，導致晶格中的離子濃度發生不同程度的變化或離子被取代[12,14]。離子的取代促使“三明治”結構層間產生更多負電荷，從而吸引周圍巖層環境中更多的K+來平衡多余的負電荷。根據束狀晶體交叉生長機制，由于K+、Al3+的帶入和Fe2+、Mg2+、Si4+的帶出形成蒙脫石-伊利石混合層礦物[15]，逐漸向伊利石方向轉化，進而減少蒙脫石水化膨脹。

(2)二次結晶生成次級礦物

在鐵還原菌作用下，礦物晶格結構發生破壞和坍塌，硅氧四面體中的Si4+以及鋁氧八面體中的Al3+不再受晶體結構束縛，被釋放出來；游離態的Si4+、Al3+以及Fe2+與其它離子重新結合，經二次結晶生成新的次級礦物，其透水性較蒙脫石大大減弱。伴隨著新的次級礦物的生成，蒙脫石結構中層間的陽離子濃度降低，層間水分子被排出，整體表現為蒙脫石膨脹縮小。

在利用鐵還原菌抑制低滲透油藏粘土水化膨脹的研究中，研究人員提出了兩種提高采收率的方法：一種是向油藏中注入激活劑，刺激本源微生物的生長繁殖[16]，來達到減少粘土水化膨脹的目的；另一種是從不同油藏中針對性地篩選出目標鐵還原菌，在實驗室培養繁殖后，將菌液注入低滲透油藏中[17]。這兩種方法都是基于本源微生物進行研究和應用，沒有引入新的微生物種群，對環境和地層的傷害最小。此外，本源微生物在油藏中的存留時間長，相對于其它化學方法，其時效性也更長。

鐵還原菌除了能提高低滲透油藏采收率外，還具有其它潛在的應用價值。張涵等[18]研究發現，鐵還原菌可以在厭氧條件下降解石油烴類物質，如甲烷、芳香烴等，顛覆了傳統理論中石油烴降解需要消耗氧氣的認知，在環境保護和減少溫室氣體排放等方面具有十分重要的意義。

微生物解堵技術通過篩選、分離本源微生物，利用微生物自身作用和代謝產物作用，改善油藏滲透率，提高流體流動性，降低液體黏度，已在我國低滲透油藏進行了現場應用。優選的微生物解堵體系在鄂爾多斯盆地某特低滲透油藏油井的現場試驗效果良好，解堵率近90%[19]；從大慶油田低滲透油藏中篩選出目標菌種，利用營養缺陷培養法制得超小微生物，將超小微生物作用于特低滲透油藏，提高了近井地帶的滲透率，油井平均日產液量和產油量均有明顯提高，增幅分別超過40%和50%，含水率則降低1.3%[20]。

目前，雖然關于微生物縮膨增注技術的研究較多，但針對鐵還原菌的研究較少，與石油領域相關的也多限于利用鐵還原菌降解石油烴物質的研究，目前僅有Cui等[14]利用鐵還原菌提高原油采收率的研究。劉鄧[21]研究發現，半胱氨酸或者胱氨酸可作為“電子穿梭體”促進異化鐵還原菌對綠泥石的還原，同時還可推動蒙脫石以納米聚集的形式向伊利石方向轉化。

我國新疆油田率先開展利用鐵還原菌實現低滲透油藏縮膨增注的先導性現場試驗，以車60、車362等區塊采出液中的本源微生物群落為基礎，篩選出具有縮膨功能的鐵還原菌，通過激活、馴化、復配，使目標菌群實現功能最大化，進而達到低滲透油藏縮膨增注的目的，提高原油采收率。

4 結語

目前，關于油藏中鐵還原菌的研究和應用尚處于探索和起步階段。從低滲透油藏采出液中篩選出本源鐵還原菌，作用于水化膨脹的粘土層，實現縮膨增注的目的，由于沒有引入新的菌種，不會對地層微生物群落造成影響和破壞。此外，相比于傳統的酸化解堵法，鐵還原菌通過改變粘土層中巖石結構來抑制其水化膨脹，不對地層其它成分造成傷害，也不會產生二次污染，且成本更低、時效更長，是一種綠色且對環境友好的方法。油藏給本源微生物提供了相對適宜的生長環境，有縮膨功能的鐵還原菌可在油藏中存活較長時間，比酸化解堵法的時效更長。此外，本源微生物和油藏的配伍性遠高于化學抑制劑或其它來源微生物?？梢姡帽驹次⑸锝鉀Q地層堵塞問題是目前提高低滲透油藏采收率的最行之有效的方法之一。未來可以通過探究不同地區、不同類型的低滲透油藏中的鐵還原菌種類，找到一種或多種適應性較強的功能菌或功能菌群，對其進行馴化或基因功能改造使其適用于多種低滲透油藏，有可能會推動提高低滲透油藏采收率的革新浪潮。