微生物采油与油藏生物反应器的应用

汪卫东

(中国石化股份有限公司胜利油田公司石油工程技术研究院，山东东营257000)



微生物采油与油藏生物反应器的应用

汪卫东

(中国石化股份有限公司胜利油田公司石油工程技术研究院，山东东营257000)

微生物采油技术的发展推动了油藏极端环境中微生物群落的研究。随着微生物分子生物学分析方法(MMM)的不断进步，对油藏环境中微生物群落结构和功能的认识也不断深入，虽然目前微生物采油技术仍没有进入大规模工业化应用阶段，但对油藏环境中微生物认识的意义已远远超越了微生物采油技术的应用。油藏作为天然的生物反应器，有望在未来的环境和能源领域中得到深入的研究和广泛的应用，而微生物采油仅仅是个开端。

油藏；微生物群落；微生物采油；生物反应器

石油仍然是经济发展的重要资源，作为不可再生的化石资源，在开采过程中，人们希望通过技术进步，尽可能将油藏中的原油全部采出，但实际情况不尽如人意。一个油藏被发现后，通过钻井，射孔打开油藏，油藏中的油气依靠自身的压力，从油井中喷出，这种自喷的采油方式，又称一次采油，仅能喷出5%～10%的原油。当地层压力逐渐下降不能自喷时，就在油井附近打注水井，向油藏中不断注水，增加油藏压力，这种注水开采的方式，又称二次采油,它能采出油藏中的原油20%～30%[1]；油藏中还剩下60%甚至70%的原油，只能依靠三次采油技术[2]。

三次采油技术包括热力采油、气体驱油、化学驱油和微生物采油。其中，微生物采油技术是利用微生物在油藏中的作用来提高原油的产量和采收率[3]，该项技术从提出到现在已有半个多世纪，但在近二十多年得到快速发展。随着研究的深入，微生物采油的原理正在逐渐清晰，应用工艺也在不断完善[4]。

1 微生物采油技术的发展

从技术发展过程可将微生物采油技术的发展分为三个阶段。第一阶段是在20世纪80年代以前，以现场试验为主，向油井注入发酵液和糖蜜，关井7 d左右，通过微生物发酵产酸、产气，作用于近井地带，开井生产可增加产量。但是，这个阶段的研究比较粗放，缺少基础研究及室内模拟研究，也忽视了地下内原微生物的存在及影响。虽然，现场应用微生物采油技术的油井中的多数井有增油效果，但效果难以预测，对无效井也无合理的解释，所以现场工艺以单井吞吐为主。第二阶段是20世纪80年代末到90年代末，在这期间，微生物采油技术在我国开始得到广泛的重视，主要原因是中国东部油田进入二次采油后期，急需三次采油技术，其中化学驱油法发展速度最快，微生物采油作为三次采油技术选择之一，也被列入研究计划。在国家层面上将微生物采油技术作为“九五”攻关一个课题，投入研究资金来资助此技术的研发。这个阶段主要通过培养法研究油藏中的微生物，并希望通过加入外源微生物在地下改变原油性质，将大分子的烷烃转变成较小分子的烷烃，从而降低原油黏度，现场试验及应用主要是油井清防蜡和微生物吞吐技术为主，但技术进展缓慢，试验和应用规模较小[5]。第三阶段是在2000年以后，由于微生物分子生物学技术的发展，对油藏内源微生物有了全新的认识，大量新的微生物种属被发现，同时，又开发了内源微生物驱油技术，相关的研究和现场试验几乎同时进行，在国家层面上的“十五”攻关项目和国家高技术研究发展计划(863计划)项目中，都将微生物采油技术列为资助课题，以促进此技术的发展。所以，微生物采油技术在近十几年才得到系统的研究和快速的发展[6]。

2 油藏微生物群落

早期的认识是，油藏是个无菌环境，由于钻井、作业、注水和开发等过程，将地面微生物带入油藏，才会出现油藏内源微生物。一个未开发的油藏是否是无菌环境，目前还存在争议[7]。这是因为：一个观点认为如果油藏中有微生物存在，在漫长的地质年代里，微生物会降解或破坏原油直至全部消失；另一个观点认为油藏中有微生物存在，只是代谢缓慢，甚至处于休眠状态。目前，利用同位素分析技术已证明，有不少油藏中的天然气是生物成因的甲烷，也就是说，这些甲烷是通过微生物降解烃形成的。同时，对油藏中原油烷烃组分分析发现，有些烃类组分已被生物降解过[8]。这些研究均表明，油藏中的原油在开采之前均被微生物作用过，只是作用程度不同，但这种作用过程是在油藏形成早期某一个阶段，还是一直持续进行，至今并没有明确的结论。这是由于对油藏微生物分析存在巨大的困难。首先，从油藏中取出的生物样品难以保证不受到外界污染，因为无论是常规取心还是特殊取岩心技术，从油藏中取出的岩心均易受到钻井液的污染；其次，微生物从油藏中取出来后，不能保证它们在油藏中生存所需的压力和温度，这些外界条件的变化必然会对分析的结果造成影响，这是因为地层中是高温、高压环境，取样时温度容易控制，但要在地面模拟地下高压环境，并在高压下对岩心样品进行操作则非常困难；最后，油藏中有许多是未培养过的未知微生物，由于对这些微生物了解甚少，导致分析难度大，更谈不上去培养[9]。

当一个油藏进入开发阶段，地面与地下发生物质交流，这时油藏中的微生物很难界定是地下原有的还是后来地面引入的。所以，笔者所在实验室一直使用“内源微生物”一词，以区别于“本源微生物”。本源微生物是指油藏在未开发之前就存在的微生物，虽然目前仍未证实是否存在。内源微生物是指油藏开发以后，油藏中所有的微生物，包括以前存在和开发过程引入的微生物。在微生物采油领域中，内源微生物区别于“外源微生物”，外源微生物是在地面培养的微生物，为了微生物采油，将其注入地下来采油。所以，目前国内微生物采油分析的油藏微生物均指内源微生物。由于分析的对象是油井产出液，这引出另外一个问题，即油井产出液中的微生物能否代表油藏中的微生物？油藏中的流体进入油井，经过1 000～2 000 m油管提升到地面，这个过程在不断进行，持续多年，有人认为在油管内壁会有微生物附着，这些微生物也可生长、繁殖，并可脱附进入流体，构成产出液中微生物群落的一部分。另外，油井井底和油套环空中长期存在一定量不流动的液体，而这部分液体与产出液直接连通，其中如果存在微生物，也可进入产出液，但这种推测没有明确的证据。所以，目前国内多数有关油藏微生物分析结果均是指油井产出液中微生物的分析结果，而不是真正意义上的油藏微生物群落。

3 内源微生物驱油技术

内源微生物驱油技术是指直接利用油藏中已经存在的微生物来驱油的技术[10]。在2000年以前，分析油藏中内源微生物群落结构及多样性主要依赖传统的分离培养方法，但是由于油藏是高温、高压环境，产出液到地面常压环境下，细菌能否保存完好难以确定，所以培养出的细菌是不是油藏的细菌也难以确定。但是，自基于16S rDNA的分子生物学技术出现以后，传统的培养分析技术就逐渐被取代，研究者先后应用了聚合酶链式反应和变性梯度凝胶电泳相结合(PCR-DGGE)、限制性片段长度多态性分析技术(T-RFLP)和16S rDNA克隆文库等分析技术，以及近年来又出现的高通量测试技术来分析内源微生物，因为这些技术分析结果更加可靠[11]。但是，无论采用哪种分析技术，井口取样的油水分离方法是重要的影响因素之一[12]。

在“十一五”期间，胜利油田曾选择了具有代表性的整装和断块两类型油藏共11个区块，开展微生物群落及其多样性研究，这些油藏均为注水开发，温度跨度为55～114 ℃。经过16S rDNA克隆文库分析，结果发现，油藏细菌主要为变形菌，包含了γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)、芽孢杆菌纲(Bacilli)、α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、梭菌纲(Clostridia)、ε-变形菌纲(Epsilonproteobacteria)和硝化螺菌纲(Nitrospira)等，其中Gammaproteobacteria占41.4%，Betaproteobacteria占25.0%。在Gammaproteobacteria中，肠杆菌科(Enterobacteriales)和假单胞菌科(Pseudomonadaceae)占主导地位，在Betaproteobacteria中丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)占主导地位。古菌主要以产甲烷古菌为主，包括甲烷微球菌纲(Methanomicrobia)、甲烷杆菌纲(Methanobacteria)及甲烷球菌 (Methanococci)等[13]，其他油田也进行过类似的分析结果，但油藏中的微生物类型差异较大[14]。

“十二五”期间，国家科技部支持了内源微生物驱油技术研究和现场试验，中国石化公司和中石油油田先后在胜利油田和克拉玛依油田开展了现场试验，试验结果表明，内源微生物可以通过注入适当的营养，在油藏中被大幅度激活，原油总产量和采收率均有明显提高，其中沾3区块内源微生物驱油现场试验提高采收率2.1%，新疆六中区提高采收率3.8%。油井产出液有大量被乳化的原油，说明内源微生物在油藏中乳化残余油，结合室内实验研究结果，可以认为微生物驱油机理可分为细菌细胞和代谢产物两方面作用机理，细菌细胞的生物趋界性，使细菌细胞趋向于油田界面，有利剥离残余油，菌体富集还可提高微观波及效率；细菌代谢产物主要有表面活性剂和生物气，生物表面活性剂提高水驱驱替效率，生物气可驱动盲端残余油[15]。目前，公认的主导驱油机理为“好氧厌氧联合作用、代谢产物降黏溶胀、菌体富集微观封堵”。现场产出液的微生物群落跟踪分析结果表明，在注入激活剂后，油藏内源微生物群落结构发生明显变化[16]，但在驱油过程中，群落结构并不稳定，各试验区块的激活反应也存在较大差别，一方面和油藏环境条件有关，另一方面可能还存在许多未知问题，对油藏微生物群落的调控还没达到理想程度，所以，现场试验效果也各不相同，导致应用效果难以预测，这也是该技术仍没有大规模工业化应用的一个重要原因。

4 油藏残余油微生物气化技术

当油田开发到最后阶段，现有的技术难以进一步提高采收率，油藏中仍然残留50%左右的原油，为了延长油田的开发寿命，其中一条思路是通过微生物在油藏中的代谢作用，将油藏中的残余油转化为甲烷气，以进一步开采利用，从而大幅度提高油藏的利用价值[17]。2004年俄克拉荷马大学Gieg等[18]提出该思路，在理论上是可行的，并已在实验室得到证实，但要实际应用还存在许多技术问题。其中，残余油转化为甲烷气的转化速度和转化程度是技术的关键。因为残余油微生物气化技术的主要原理与沼气的生成相似：沼气是通过微生物群落作用，将碳水化合物转化为甲烷；而该技术是将碳氢化合物转化为甲烷，也就是将油藏转化为气藏，而气藏的采收率远高于油藏，最高可达90%以上，这样可大幅度提高采收率和油藏的利用价值。所以，残余油微生物气化过程，实质上是将油藏当成一个巨大的生物反应器，通过人为调控，加速油向气的转化，其本质是烃的厌氧降解[19]。目前，胜利油田与成都沼气科研所及华东理工大学开展这方面研究，在许多水驱开发油藏中发现了产甲烷菌，这本身就说明了在油藏中很可能一直存在着烃向甲烷转化的代谢过程，而且，所发现油藏中的产甲烷菌都是以氢营养型为主，所以在室内模拟油藏条件下(10 MPa，60 ℃)，50 d启动烃向甲烷的转化，生产速率可达 6 mmol/(a·g)(96 mg/(a·g))，通过分析检测发现产甲烷的微生物主要有Methanoculleus和Methanosaeta。另外，还发现unclassified bacteria和Caldiserica的两个优势细菌类群可能在原油降解转化过程起着重要作用，Anaerobaculum、Synergistaceae和Thermoanaerobacteraceae相关的细菌可能也参与了原油的降解转化过程[20]。这项技术可还可用于煤藏，将固态有机碳转化为甲烷[21]。自从Dolfing等[22]证实烃可生物降解为甲烷以来，目前烃转化为甲烷仍然是研究热点，虽然有国家自然科学基金项目支持，但还没有形成可应用的技术。

5 藏油CO2固定转化技术

为了减少CO2排放，有人提出了CO2捕集、埋存(CCS)技术，而油田开发的三次采油的气驱技术之一就是CO2驱油技术。同时，在理论上，CO2可以被氢营养型的产甲烷古菌还原生成CH4，将封存的CO2进行CH4转化，这不仅有利于提高原油采收率，还能产生新的天然气[23]。

美国Mississippi州立大学、日本东京大学和九州大学已开展相关的研究，尝试在枯竭油藏中利用内源微生物作用，将残余油气化和固定CO2这两个过程耦合，通过降解残余油来生成H2和乙酸，产甲烷菌可以利用乙酸、氢，CO2来生成甲烷[24]。目前，油藏微生物群落结构分析已发现大量氢营养型的产甲烷菌的存在，但关键问题是大量的H2从哪里来？有一种理论认为，油藏中本身就有大量的氢存在，但没有充分的证据证实这理论。目前国内华东理工大学正在着手研究[25]，国内也有研究机构正在与日本开展相关的合作研究。

6 油藏生物反应器的展望

油藏是密闭的空间，在地质上油藏又被称为一个圈闭，这也是原油能能保存至今的根本原因。但是，随着原油的开发，在同一个油藏中钻开油井和注水井，这就有了进出通道，当油藏开采到没有经济价值时，这时如果油藏中有微生物生长代谢，就可以作为生物反应器继续发挥作用，油藏作为生物反应器具有以下优点：①油藏有巨大容量，即使较小的油藏也可容下几十万立方的液体，适合用于大规模生物反应；②油藏拥有恒定的温度，可以根据需要选择不同深度的油藏，温度从20～150 ℃不等，也可选择高温油藏作为高温生物反应器，生物反应过程中不需要耗能保温；③我国油藏多为砂岩，油藏为多孔介质，为生物反应器提供了巨大的表面积，可提高发酵效率；④油藏是严格厌氧环境，但如果需要，也可通过注入井注入任何气体，改造成预期的反应器。油藏作为生物反应器的不利因素有：①油藏容积太大，不利于控制；②油藏是多孔介质，入料粒径有限制；③生物反应过程中无法搅拌；④无法灭菌。鉴于以上原因，油藏不能用于精细生物发酵，只能用于大量废物的生物发酵处理，或大量有机质(高BOD值)发酵生产能源物质，如乙醇和甲烷。将废弃的油藏作为生物反应器加以利用是一个发展方向，但还需要地质、油田开发、微生物和环境专业密切合作，才能形成真正的应用技术。

7 结论

油藏是一种特殊的环境，油藏中的微生物生态结构及微生物代谢活动已引起广泛关注，微生物采油技术已证实油藏微生物的活动可以加以利用，随着研究的深入，枯竭油藏有望作为生物反应器进行大规模废气、废液处理，或用于清洁能源物质的生产。但在这个过程中，有两个关键问题需要解决，一是怎样掌握油藏环境中的微生物整体信息，油井产出液在多大程度上反映油藏中微生物群落的真实结构；二是怎样有效地调控油藏中微生物群落结构，通过注水井向油藏中注入液体或气体物质能在多大程度上调控油藏中微生物的代谢活动。

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(责任编辑 荀志金)

Application of microbial enhanced oil recovery and bioreactor in oil reservoir

WANG Weidong

(Research Institute of Petroleum Engineering Technology,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongyin 257000,China)

The development of microbial enhanced oil recovery(MEOR) technology has driven increasing studies of microbial communities in extreme environments of oil reservoir.With the continuous progress in molecular microbiology analysis method,a better understanding of the structure and function of microbial communities in extreme environments has been achieved,which is of great significance even if MEOR has not been used for large-scale industrial applications.As a natural bioreactor,oil reservoir will be intensively studied and widely applied in the future environment and energy fields,with the MEOR as a beginning.

oil reservoir; microbial communities; microbial enhanced oil recovery; bioreactor

10.3969/j.issn.1672-3678.2017.03.012

2016-03-18

国家高技术研究发展计划(863计划)(2013AA064401)

汪卫东(1967—)，男，安徽桐城人，教授级高级工程师，研究方向：石油微生物技术，E-mail：wangweidong168.slyt@sinopec.com

Q93;TE34

A

1672-3678(2017)03-0074-05