甄選功能菌，讓三次采油高效又清潔

文／陳 曦

油藏采油功能菌愛吃什么？怎樣才能讓它們在地下茁壯成長……在過去的十幾年中，如何定向“投喂”這些“菌寶寶”讓南開大學生命科學學院副院長馬挺教授團隊操碎了心。

可別小看這些油藏采油功能菌，它們生長壯大后，可以“驅趕”出老油田留在地下的難以開采的原油。馬挺教授團隊據此研發的油藏微生物原位激活和調控驅油新技術，可直接利用營養刺激油藏采油功能菌的生長代謝，從而大幅度提高原油的采收率。目前該項新技術已經產業化推廣應用于勝利、新疆、大慶等6個油田，采收率提升近10%，新增產值9.2億元。“油藏微生物定向調控大幅度提高原油采收率技術及應用”項目獲得2021年度天津市科學技術獎技術發明一等獎。

老油田六成以上原油開采利用難

油氣資源是國家能源安全的重要保障，油氣資源的清潔、高效、可持續開發是國家重大戰略和企業重大需求。

“我國已開發油田的采收率實際只有30%左右，也就是說有60%以上的原油未能得到開發利用。”馬挺介紹，第一次采油過程中，原油靠地層與地面的壓力差噴涌而出，然而原油在噴出的時候壓力就完全被釋放了，但此時只有5%左右原油被開采出來，因此接下來還需要二次采油甚至三次采油。

由于沒有了足夠的壓力，接下來的采油就需要進行“驅油”。二次采油最常用的技術是水驅采油，這種技術會向地層中注入水，使地層壓力升高，從而將地層中的原油驅替到附近的生產井內。水驅采油技術自20世紀50年代以來被廣泛使用，不過水和油并不互溶，水會朝著壓力低的地方流，并且會在地下沖出大的孔道。老油區進入高含水期后，較大的油水表面張力和油層孔隙毛細管力導致殘余原油難以開采。二次采油只會增加10%左右的采油量。

因此，絕大多數油田還需要進行三次采油，其中氣驅、熱驅、化學驅都是在三次采油中比較常用的驅油技術。

水驅過程會降低油層溫度，使原油中的石蠟、瀝青質等重質組分沉淀和富集在地層孔隙、管路和開采設備中，阻礙了原油流動。盡管利用化學溶劑、表面活性劑、石蠟抑制劑和熱流體等能在一定程度上緩解這一現狀，但是化學和熱力學驅油方法成本過高，不利于普及和推廣。

如何解決貧油層和即將采空油層水驅開采過程中的瓶頸問題，提高原油采收率，最大限度利用不可再生資源，成為亟待解決的科學難題。

“定向投喂”讓采油功能菌“一枝獨秀”

微生物驅油技術的發展，為提高貧油層或即將采空油層開采效率低提供了可能。

“微生物代謝會產生生物表活劑、低分子溶劑、有機酸，降低油水界面張力，提高驅替毛管數和洗油效率；代謝產生氣體，使原油膨脹，提高地層的壓力從而達到氣驅的目的；通過降解原油中的重質組分，降低原油的黏度，改善流動性；細菌細胞及生物聚合物在地層中起到調堵的作用，擴大水驅波及體積。”馬挺表示，使用微生物驅油技術，可以有效提升三次采油技術的石油開采率。

微生物驅可分為外源微生物驅油和內源微生物驅油兩種方式。

“傳統的外源微生物驅是選擇合適的微生物菌種在地面發酵以后注入地層實現微生物驅油。”馬挺介紹，這種“趕著細菌去采油”的驅油模式發酵成本高、采油效果不穩定，而且細菌在培植的過程中，會釋放出大量二氧化碳。

“我們采用內源微生物驅油方式，直接刺激油藏本源微生物的原位生長代謝而提高采收率，相當于‘發動’細菌去采油，不僅消除了地面發酵帶來的碳排放，還可以發揮本源菌適應性強的特點，進一步降低成本。”馬挺說。

然而，由于油藏環境特殊、多樣，微生物群落復雜、未知，如何準確識別和定向激活采油功能菌，是該技術的核心及難點。

從2008年開始，科研團隊就開始對油藏采油功能菌進行識別篩選和定量檢測。“最初由于技術有限，所用方法十分繁瑣，往往識別一個菌都需要1個月的時間。”馬挺回憶說，后來團隊通過分子生態學、宏基因組學和微生物網絡分析技術，將這個時間縮短至1周。“用這項技術，我們揭示了完整的油藏微生物代謝網絡圖，明確了能產生表面活性劑的嗜烴菌是核心功能菌，解決了對油藏功能菌認識不清的問題。”

然而團隊很快發現，“萬里挑一”選出來的嗜烴菌種類多樣，90%不可培養。如何才能“優中選優”？

“我們發明了接頭引物多重聚合酶鏈式反應（PCR）技術和聚乙炔囊泡顯色技術，實現了對不同種屬的嗜烴菌及其代謝產物的一次性準確定量，保障了功能菌的快速識別和動態監控。”馬挺說。

目標選定，下一步就需要“定向投喂”，以保證功能菌能在眾菌群中“一枝獨秀”。

“針對功能菌激活效率低的問題，我們通過分析功能菌營養需求，研發了系列定向激活劑，使其濃度快速提高了3個數量級。為了能讓功能菌保持生長優勢度，我們又發明了有機、無機營養交替調控技術，形成了核心專利群，使嗜烴功能菌占比從5%提高到40%，保障了微生物采油技術的高效性和經濟性。”馬挺介紹。

為了讓這項技術應用更加廣泛，科研團隊針對非均質油藏，研發了激活劑稠化技術，地下生物場的作用范圍擴大了60%；針對低滲透油藏、中高滲透油藏和稠油油藏，建立了4項個性化采油技術，保障了現場效果的持續性和穩定性。

目前全國90%的油田都適合應用油藏微生物定向調控這項技術。

打造能源綠色開發示范區

從2018年開始，項目開始陸續應用于勝利、新疆、大慶等6個油田。

和實驗室相比，油田地下情況更為復雜。為了讓這項技術走出實驗室，真正應用于生產中，從研發開始，馬挺就帶領團隊奔波于各大油田，經常在大戈壁上一蹲就是一個多月。

“在使用中，我們也密切關注著各項數據的反饋，同時根據實際情況，團隊研制出幾十種采油新裝備、檢測試劑盒。”馬挺說。

功夫不負有心人，截至2020年12月，該項目共計增油26萬噸，采收率提升10%，而且目前增油效果還在持續。

“我們的目標是把油田打造成一個能源綠色開發的示范區。”馬挺說。

“微生物會在地下產生二氧化碳，二氧化碳可以轉化為甲烷，甲烷作為清潔燃料可以被周圍居民利用。我們通過技術研發，把玉米秸稈、煉過油的豆渣等農業廢棄物加工成功能菌的‘口糧’，實現了資源化再利用。”馬挺說，團隊還正在研發通過微生物對水驅采油后的水進行清潔處理技術。

一幅嶄新的生態環保綠色油田藍圖正在徐徐打開……

（文章來源：《科技日報》）