微生物采油技術(shù)的研究進(jìn)展
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秦芳玲，樊月，白海濤
（1．西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西省油氣田環(huán)境污染與儲層保護(hù)重點實驗室，陜西西安710065；2．西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都6100500）
摘要：通過闡述微生物采油技術(shù)的作用原理和特點，主要描述了地面發(fā)酵和地下發(fā)酵確2種工藝方法的原理。重點介紹了近幾年國內(nèi)外微生物采油技術(shù)的數(shù)值模擬模型和應(yīng)用研究現(xiàn)狀，并對其今后的發(fā)展前景提出展望。
關(guān)鍵詞：微生物采油技術(shù)：生物表面活性劑：數(shù)值模擬；細(xì)菌
石油是一種不可或缺的基礎(chǔ)能源物質(zhì)，其采收率不光是石油基礎(chǔ)工業(yè)，并且是所有工業(yè)界極其重視的問題。在所有能源資源的開發(fā)中，石油的采收率一直處于較低水平，這是因為石油礦藏最基本的特征是液體狀態(tài)，使它的開發(fā)形式相當(dāng)獨特。所以有來自世界各國許多的油藏專家們竭智盡力地研究一種能夠提高石油采收率的方法�，F(xiàn)在運用于驅(qū)油的技術(shù)有聚合物驅(qū)油技術(shù)、三元復(fù)合體系驅(qū)油技術(shù)、熱力采用技術(shù)、氣體混相驅(qū)油技術(shù)、物理采油技術(shù)、微生物采油技術(shù)( MEOR)等。自20世紀(jì)50年代以來至今，從全世界已進(jìn)行的MEOR現(xiàn)場試驗取得的一系列成果來看，分子生物學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，MEOR技術(shù)必會成為油田被廢棄前進(jìn)一步采油且費用低的有效方法。本文中主要針對微生物采油技術(shù)進(jìn)行論述。
1微生物采油技術(shù)原理
MEOR是一種通過由室內(nèi)人工分離培養(yǎng)的微生物注入地層或者注入油層微生物所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，從而利用這些微生物以提高石油驅(qū)油率的工藝技術(shù)。一方面微生物利用菌體直接對地層石油影響；另一方面利用微生物在巖石表面吸附能改變巖石孔隙表面的潤濕性等。同時有些細(xì)菌能利用烴類物質(zhì)作為它的營養(yǎng)成分，從而能改變烴類支鏈或破壞主鏈的結(jié)構(gòu)而降解原油，使原油黏度和凝固點下降（詳見表1）。
2微生物提高采收率工藝方法的分類
使微生物采收率提高的技術(shù)主要包括2大類，一是在地面發(fā)酵，二是在地層發(fā)酵。
2.1地面發(fā)酵法
地面發(fā)酵法也被稱為生物工藝法，是在試驗區(qū)內(nèi)建立發(fā)酵反應(yīng)器，在厭氧或有氧的前提下，微生物利用糖、脂類化合物或其他有機物進(jìn)行生長代謝而產(chǎn)生的物質(zhì)，例如聚合物、表面活性物質(zhì)、有機酸、溶劑等，然后將這些物質(zhì)注入到儲層，最終實現(xiàn)石油驅(qū)油率的增加。
2.1.1 生物聚合物
生物聚合物是微生物通過代謝作用合成的聚合物，在油田開發(fā)過程中，其作用與化學(xué)聚合物的作用機理類似，在采油工藝中的應(yīng)用包括聚合物驅(qū)油、聚合物選擇性封堵等。作為油田化學(xué)劑的生物聚合物有很多種，例如黃胞膠、小核菌葡聚糖、雜多糖S -88等，其中黃胞膠最為常用。
2.1.2 生物表面活性劑
生物表面活性劑是微生物通過代謝作用合成的生物大分子，同一般的表面活性劑相似，具有雙親性。許多類型的表面活性劑，如甘油單脂、甘油三脂、脂肽等物質(zhì)在微生物培養(yǎng)液中含有，能顯示出良好的界面性能。當(dāng)發(fā)酵液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，它的表面性能最好，界面張力降低率可達(dá)81. 5%。在含鹽量高、溫度高和pH范圍較大(2~12)溶液中，其作業(yè)機理與一般的表面活性劑類似。因為生物表面活性劑的特定性和它的含雜率在油田工業(yè)中要求較低，于是所有的細(xì)胞發(fā)酵液都可不用處理全部利用。所以為了得到不同的生物表面活性劑來應(yīng)用于不同地質(zhì)條件的油儲層中，可以通過培養(yǎng)不同類型的菌株或者改變已知菌株的生長環(huán)境從而得到所需要的生物表面活性劑。
2.2地下發(fā)酵法
地下發(fā)酵法就是把地下油層當(dāng)作天然的發(fā)酵反應(yīng)器，以油藏條件為反應(yīng)條件，注入微生物菌液以及營養(yǎng)液激活油層中的本源微生物，利用細(xì)菌代謝物或者菌體本身作用于油層，得到增加原油采收率的效果。地下發(fā)酵法注入的菌體依據(jù)來源分為外源細(xì)菌和內(nèi)源細(xì)菌2類。
利用外源微生物主要作用如下。
(1)微生物的單井處理基本原理是利用菌體的代謝產(chǎn)物及本身的作用，使石蠟和重質(zhì)烴類物質(zhì)產(chǎn)生裂解，并使原油的流動性能提高，從而提高單井產(chǎn)量。現(xiàn)場工藝有單井吞吐和多輪次套加，工藝比較見表2。
(2)微生物強化水驅(qū)是將含有細(xì)菌的發(fā)酵液注入到儲層，使細(xì)菌作用于油層。當(dāng)處理液通過油層時，細(xì)菌在油層中通過代謝作用產(chǎn)生表面活性物質(zhì)、酸、氣體等產(chǎn)物；同時微生物自身也會不斷地繁殖。
(3)微生物酸化壓裂是在不低于破裂壓力下向油氣藏注入產(chǎn)酸的細(xì)菌液體，細(xì)菌流體流人或“漏失”到與壓開裂縫相鄰的基質(zhì)巖石中，酸性的代謝物將基巖溶解出高滲透的側(cè)翼，提高滲透率，從而提高了原油采收率等。
內(nèi)源微生物也叫做本源微生物。本源微生物的主要功能如下。
(1)強化水驅(qū)，把應(yīng)用于激活本源細(xì)菌的發(fā)酵液和營養(yǎng)物隨同注水過程一起注入進(jìn)儲層中，對油層中的本源細(xì)菌向有利于提高原油驅(qū)油率的方向加速生長和繁殖提供有利的條件。利用細(xì)菌和它的代謝功能及產(chǎn)生的代謝物通過化學(xué)或者物理的性能將覆蓋在地層表面及其空隙中的石油采出。主要分為2個階段：①利用好氧微生物的生長代謝階段，將激活一些離水驅(qū)井井口較近的地方的兼具厭氧性和好氧性烴降解微生物，因為烴類化合物的部分鏈和能團(tuán)被氧化，產(chǎn)生酮、醇等界面活性劑和多糖等其他成分。此類物質(zhì)可以作為釋放原油的溶劑和產(chǎn)甲烷菌及厭氧細(xì)菌的發(fā)酵液。②利用厭氧微生物的生長代謝階段，激活在缺氧層中的產(chǎn)甲烷微生物，產(chǎn)生的甲烷和二氧化碳溶于油后，能使流動性增大，使采收率提高。
(2)選擇性封堵，該作用類似于微生物強化水驅(qū)的作用。將能夠產(chǎn)生聚合物的微生物注入地層，使其產(chǎn)生可以起到調(diào)節(jié)吸水剖面作用的生物聚合物。被黏連在巖石縫隙表面的生物聚合物和微生物菌體有助于對地層孔隙大的位置發(fā)揮堵塞作用。
3國內(nèi)外研究進(jìn)展
3.1 微生物提高采收率數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀
從20世紀(jì)80年代末開始，國外的一些科學(xué)研究者作為先導(dǎo)，對提高M(jìn)EOR開展研究了數(shù)學(xué)模型的建立及其計算模型參數(shù)，且發(fā)展迅速，已有了很大的成就。然而，我國在MEOR的數(shù)學(xué)模型領(lǐng)域與世界相差甚遠(yuǎn)，其探究始于20世紀(jì)末期。如邵華開在微生物提高石油采收率的數(shù)學(xué)模型一文中介紹了一個一維、三相、多組分?jǐn)?shù)學(xué)模型。該模型中引入微生物動力學(xué)方程和對流一彌散方程，用以預(yù)測在MEOR過程中細(xì)菌體的生長繁殖、代謝產(chǎn)物的形成、培養(yǎng)基營養(yǎng)物的消耗與利用以及滲透率下降，在實驗中所得的實測結(jié)果與數(shù)值解相比較得出，該模型基本上能模擬在實驗室中觀察到主要組分的傳輸現(xiàn)象與微生物動力學(xué)。雷光倫等建立了一個原油降解菌的多組分底物和代謝產(chǎn)生的物質(zhì)在時間與空間及在油、水、氣三相中的MEOR理論模型，包括微生物在油層中的生物化學(xué)性質(zhì)及其如何運動方程，產(chǎn)物生成、底物消耗和微生物作用引起的流體與巖石性質(zhì)變化表達(dá)式及在油藏中的濃度變化方程。用該模型可推測細(xì)菌驅(qū)油提高率及繁殖過程，進(jìn)行模擬計算細(xì)菌采油數(shù)值。楊正明等根據(jù)微生物在油藏環(huán)境中即細(xì)菌種類、油、營養(yǎng)底物、水四組分中相互聯(lián)系的規(guī)律，微生物在驅(qū)油過程中的生長與衰亡、沉積、對流彌散和營養(yǎng)物消耗以及微生物對原油的降解、乳化等特性，建立了適合MEOR的數(shù)學(xué)模型。同時對大慶油田中芳6斷塊開展了仿真模擬計算。試驗顯示，對于油田含油飽和度的提高和驅(qū)油率的增加幅度，微生物的作用下比水驅(qū)的作用下效果更好。李珂等在當(dāng)前科學(xué)研究者已獲得的研究成果以及對MEOR的數(shù)值模型的模擬數(shù)據(jù)鉆研的基礎(chǔ)上，建立了一個三維三相多組分MEOR數(shù)學(xué)模型，包括營養(yǎng)物、水、油、氣、微生物及其代謝產(chǎn)物等。對模型進(jìn)行了差分應(yīng)用全隱式方法，并分析了由此得到的有限差分方程組的解法和模型所含參數(shù)的獲取途徑。該模型在一典型油田中開展實例檢驗，在普通水驅(qū)與MEOR作用后的數(shù)據(jù)中對照采出油中含水率以及驅(qū)油程度，結(jié)果顯示，建立的該模型可靠、真實，能具體、實事求是地反映儲層中菌株體系代謝、提高油田采收率的程度、運移過程，剖析解決在不同影響因素（菌株濃度、地層滲透率、微生物所需底物的含量等）影響下優(yōu)化MEOR模型參數(shù)的問題。2005年武春彬等引入了“微生物因子”來描述微生物和它的代謝產(chǎn)物的協(xié)同作用，與李珂等對其協(xié)同作用的論述相比，前者主要表現(xiàn)在相對滲透率及殘余油飽和度的變化上，后者主要體現(xiàn)在提高采收率范圍上，兩者沒有對協(xié)同作用進(jìn)行全面概述。2006年武春彬等通過利用“微生物因子”這一學(xué)說來描述微生物的特有作用，認(rèn)為微生物、代謝產(chǎn)物、營養(yǎng)物都溶于水相中，并滿足達(dá)西定律的條件，且微生物對營養(yǎng)物的利用能立刻完成為基本假設(shè)，在室內(nèi)試驗研究的基礎(chǔ)上利用運移方程對其進(jìn)行模擬計算，建立三維三相本源微生物驅(qū)油數(shù)學(xué)模型，對具體算例進(jìn)行數(shù)值求解，并對不同注水時機對采油的影響進(jìn)行對比。得出的結(jié)果為該模型所模擬的結(jié)果和實際結(jié)果相差不大。修建龍等通過對土著細(xì)菌的激活理論的研究，以細(xì)菌的呼吸所需要的環(huán)境為起點，創(chuàng)建了一個多場耦合數(shù)學(xué)模型，且詳
細(xì)闡述了數(shù)值模型的求解思路和模型建立的假設(shè)過程，以及給出了各個場的重要參數(shù)（耦合和可解）。本模型通過對3種不同微生物的組分以及代謝物的詳細(xì)分析，解釋了本源微生物驅(qū)油主要提高采收率原理及其兩步激活理論，土著細(xì)菌對于原油的一些重要的影響原理在其滲流方程中也有體現(xiàn)，而且此模型為土著細(xì)菌提高采油率的仿真軟件的開發(fā)與研究奠定了理論基礎(chǔ)。張俊等利用在渤海S236—1油田的水驅(qū)原始微生物群落的特性、油藏性及其水質(zhì)條件，通過在實驗室的試驗方法篩選了適應(yīng)其生長繁殖的營養(yǎng)凝膠的種類，目的是為了達(dá)到提高微生物采油率，且評價了篩選出的營養(yǎng)凝膠的配伍性和性能。細(xì)菌的營養(yǎng)物質(zhì)和驅(qū)油劑的段塞組合類型分別被選取的計算數(shù)值仿真法和巖心驅(qū)替試驗所優(yōu)化，并且預(yù)測了營養(yǎng)凝膠產(chǎn)生營養(yǎng)成分具有緩釋作用，在礦藏中也可以提高細(xì)菌驅(qū)劑的滯留時間，應(yīng)用數(shù)值模擬優(yōu)化了注入驅(qū)劑體積，且預(yù)測降水增油效果將會顯著。數(shù)值模擬分析與實驗結(jié)果顯示，應(yīng)用營養(yǎng)凝膠輔助微生物驅(qū)油技術(shù)在目標(biāo)試驗區(qū)中將會有很大的潛力。
3.2微生物提高采收率的應(yīng)用現(xiàn)狀
2012年日本學(xué)者Hajime等向生產(chǎn)枯井中土著微生物注入外源營養(yǎng)物（酵母提取液），實驗結(jié)果表明，土著微生物利用酵母提取液可以從已經(jīng)枯竭的氣井中回收到天然氣。2012年Xia等從中國北方的油藏中分離出的菌種，通過利用16S rRNA測序方法鑒定為嗜熱土芽胞桿菌H9，該微生物是可以在高溫、高鹽并以原油為唯一的碳源的環(huán)境下生長的兼性厭氧性微生物，通過實驗表明，該微生物的生長代謝可以產(chǎn)生一類在石油工業(yè)中能提高采收率的生物表面活性劑。2013年Arash等從伊朗西南部的一個高鹽的油礦中分離出一株陰溝腸桿菌，該菌株生長過程中產(chǎn)生的表面活性劑為1.53 g/L，能使油水表面張力降低率達(dá)到56. 9%~88. 9%。通過潤濕性和免疫熒光技術(shù)實驗，得出在該細(xì)菌細(xì)胞和生物膜形成的吸附過程中油藏巖石向中性潤濕性改變，可以提高油回收效率。2014年Khyati等從枯草芽孢桿菌的發(fā)酵液中提取一種粗環(huán)脂肽類物質(zhì)的表面活性劑，把這種物質(zhì)應(yīng)用于采油機中的填充柱上，試驗結(jié)果顯示，該類型的采油機的采收率至少提高了43%。
4前景及展望
用微生物對油層作用來提高采收率的方法，優(yōu)點在于安全、對材料的消耗少、原料來源廣、所需設(shè)備少等。許多國家都設(shè)想1/3的石油回收方案將利用微生物采油技術(shù)來實現(xiàn)。我國在采油微生物菌種、室內(nèi)研究及礦場試驗等方面已進(jìn)行了許多研究，取得了一批有價值的成果。然而，整體來看，在微生物采油方面尚未形成全面推廣的生產(chǎn)能力和整套技術(shù)，其中還包括一系列理論、工藝技術(shù)及配套裝備的問題，微生物采油技術(shù)還沒有實質(zhì)性地進(jìn)入油田開發(fā)中。究其原因，除了目前人們對微生物采油技術(shù)的認(rèn)識問題外，主要存在問題有：①微生物技術(shù)本身的復(fù)雜性，如菌種的優(yōu)化、菌種的擴大培養(yǎng)、數(shù)學(xué)模型的建立等基礎(chǔ)研究嚴(yán)重滯后于工業(yè)生產(chǎn)的需求，這種局面導(dǎo)致了一些現(xiàn)場試驗是在研究工作不充分、方案設(shè)計缺乏科學(xué)依據(jù)的情況下進(jìn)行的，因而出現(xiàn)了微生物增產(chǎn)效果時高時低的結(jié)果。②需進(jìn)一步解決由細(xì)菌自身產(chǎn)生的一些有毒有害的代謝物，因為地層會被細(xì)菌在油層內(nèi)生長繁殖引起封堵現(xiàn)象，將會產(chǎn)生生物降解一些注入到地層的化學(xué)劑。油層內(nèi)的硫酸鹽還原菌產(chǎn)生的硫化氫還會腐蝕油井。③需要探究微生物對地層的破壞力與巖石滲透性之間的關(guān)系。④還沒有研究清楚一些在不同環(huán)境下提高原油采收率的機理，以及在油田儲藏中具體的運移情況等。
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