微生物采油技术的研究进展

秦芳玲，樊月，白海涛

（1．西安石油大学化学化工学院，陕西省油气田环境污染与储层保护重点实验室，陕西西安710065；2．西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都6100500）

摘要：通过阐述微生物采油技术的作用原理和特点，主要描述了地面发酵和地下发酵确2种工艺方法的原理。重点介绍了近几年国内外微生物采油技术的数值模拟模型和应用研究现状，并对其今后的发展前景提出展望。

关键词：微生物采油技术：生物表面活性剂：数值模拟；细菌

    石油是一种不可或缺的基础能源物质，其采收率不光是石油基础工业，并且是所有工业界极其重视的问题。在所有能源资源的开发中，石油的采收率一直处于较低水平，这是因为石油矿藏最基本的特征是液体状态，使它的开发形式相当独特。所以有来自世界各国许多的油藏专家们竭智尽力地研究一种能够提高石油采收率的方法。现在运用于驱油的技术有聚合物驱油技术、三元复合体系驱油技术、热力采用技术、气体混相驱油技术、物理采油技术、微生物采油技术( MEOR)等。自20世纪50年代以来至今，从全世界已进行的MEOR现场试验取得的一系列成果来看，分子生物学技术快速发展，MEOR技术必会成为油田被废弃前进一步采油且费用低的有效方法。本文中主要针对微生物采油技术进行论述。

1微生物采油技术原理

  MEOR是一种通过由室内人工分离培养的微生物注入地层或者注入油层微生物所需要的营养物质，从而利用这些微生物以提高石油驱油率的工艺技术。一方面微生物利用菌体直接对地层石油影响；另一方面利用微生物在岩石表面吸附能改变岩石孔隙表面的润湿性等。同时有些细菌能利用烃类物质作为它的营养成分，从而能改变烃类支链或破坏主链的结构而降解原油，使原油黏度和凝固点下降（详见表1）。

2微生物提高采收率工艺方法的分类

    使微生物采收率提高的技术主要包括2大类，一是在地面发酵，二是在地层发酵。

2.1地面发酵法

    地面发酵法也被称为生物工艺法，是在试验区内建立发酵反应器，在厌氧或有氧的前提下，微生物利用糖、脂类化合物或其他有机物进行生长代谢而产生的物质，例如聚合物、表面活性物质、有机酸、溶剂等，然后将这些物质注入到储层，最终实现石油驱油率的增加。

2.1.1  生物聚合物

    生物聚合物是微生物通过代谢作用合成的聚合物，在油田开发过程中，其作用与化学聚合物的作用机理类似，在采油工艺中的应用包括聚合物驱油、聚合物选择性封堵等。作为油田化学剂的生物聚合物有很多种，例如黄胞胶、小核菌葡聚糖、杂多糖S -88等，其中黄胞胶最为常用。

2.1.2  生物表面活性剂

    生物表面活性剂是微生物通过代谢作用合成的生物大分子，同一般的表面活性剂相似，具有双亲性。许多类型的表面活性剂，如甘油单脂、甘油三脂、脂肽等物质在微生物培养液中含有，能显示出良好的界面性能。当发酵液质量分数为5%时，它的表面性能最好，界面张力降低率可达81. 5%。在含盐量高、温度高和pH范围较大(2~12)溶液中，其作业机理与一般的表面活性剂类似。因为生物表面活性剂的特定性和它的含杂率在油田工业中要求较低，于是所有的细胞发酵液都可不用处理全部利用。所以为了得到不同的生物表面活性剂来应用于不同地质条件的油储层中，可以通过培养不同类型的菌株或者改变已知菌株的生长环境从而得到所需要的生物表面活性剂。

2.2地下发酵法

    地下发酵法就是把地下油层当作天然的发酵反应器，以油藏条件为反应条件，注入微生物菌液以及营养液激活油层中的本源微生物，利用细菌代谢物或者菌体本身作用于油层，得到增加原油采收率的效果。地下发酵法注入的菌体依据来源分为外源细菌和内源细菌2类。

    利用外源微生物主要作用如下。

    (1)微生物的单井处理基本原理是利用菌体的代谢产物及本身的作用，使石蜡和重质烃类物质产生裂解，并使原油的流动性能提高，从而提高单井产量。现场工艺有单井吞吐和多轮次套加，工艺比较见表2。

    (2)微生物强化水驱是将含有细菌的发酵液注入到储层，使细菌作用于油层。当处理液通过油层时，细菌在油层中通过代谢作用产生表面活性物质、酸、气体等产物；同时微生物自身也会不断地繁殖。

    (3)微生物酸化压裂是在不低于破裂压力下向油气藏注入产酸的细菌液体，细菌流体流人或“漏失”到与压开裂缝相邻的基质岩石中，酸性的代谢物将基岩溶解出高渗透的侧翼，提高渗透率，从而提高了原油采收率等。

    内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)强化水驱，把应用于激活本源细菌的发酵液和营养物随同注水过程一起注入进储层中，对油层中的本源细菌向有利于提高原油驱油率的方向加速生长和繁殖提供有利的条件。利用细菌和它的代谢功能及产生的代谢物通过化学或者物理的性能将覆盖在地层表面及其空隙中的石油采出。主要分为2个阶段：①利用好氧微生物的生长代谢阶段，将激活一些离水驱井井口较近的地方的兼具厌氧性和好氧性烃降解微生物，因为烃类化合物的部分链和能团被氧化，产生酮、醇等界面活性剂和多糖等其他成分。此类物质可以作为释放原油的溶剂和产甲烷菌及厌氧细菌的发酵液。②利用厌氧微生物的生长代谢阶段，激活在缺氧层中的产甲烷微生物，产生的甲烷和二氧化碳溶于油后，能使流动性增大，使采收率提高。

    (2)选择性封堵，该作用类似于微生物强化水驱的作用。将能够产生聚合物的微生物注入地层，使其产生可以起到调节吸水剖面作用的生物聚合物。被黏连在岩石缝隙表面的生物聚合物和微生物菌体有助于对地层孔隙大的位置发挥堵塞作用。

3国内外研究进展

3.1  微生物提高采收率数值模拟研究现状

    从20世纪80年代末开始，国外的一些科学研究者作为先导，对提高MEOR开展研究了数学模型的建立及其计算模型参数，且发展迅速，已有了很大的成就。然而，我国在MEOR的数学模型领域与世界相差甚远，其探究始于20世纪末期。如邵华开在微生物提高石油采收率的数学模型一文中介绍了一个一维、三相、多组分数学模型。该模型中引入微生物动力学方程和对流一弥散方程，用以预测在MEOR过程中细菌体的生长繁殖、代谢产物的形成、培养基营养物的消耗与利用以及渗透率下降，在实验中所得的实测结果与数值解相比较得出，该模型基本上能模拟在实验室中观察到主要组分的传输现象与微生物动力学。雷光伦等建立了一个原油降解菌的多组分底物和代谢产生的物质在时间与空间及在油、水、气三相中的MEOR理论模型，包括微生物在油层中的生物化学性质及其如何运动方程，产物生成、底物消耗和微生物作用引起的流体与岩石性质变化表达式及在油藏中的浓度变化方程。用该模型可推测细菌驱油提高率及繁殖过程，进行模拟计算细菌采油数值。杨正明等根据微生物在油藏环境中即细菌种类、油、营养底物、水四组分中相互联系的规律，微生物在驱油过程中的生长与衰亡、沉积、对流弥散和营养物消耗以及微生物对原油的降解、乳化等特性，建立了适合MEOR的数学模型。同时对大庆油田中芳6断块开展了仿真模拟计算。试验显示，对于油田含油饱和度的提高和驱油率的增加幅度，微生物的作用下比水驱的作用下效果更好。李珂等在当前科学研究者已获得的研究成果以及对MEOR的数值模型的模拟数据钻研的基础上，建立了一个三维三相多组分MEOR数学模型，包括营养物、水、油、气、微生物及其代谢产物等。对模型进行了差分应用全隐式方法，并分析了由此得到的有限差分方程组的解法和模型所含参数的获取途径。该模型在一典型油田中开展实例检验，在普通水驱与MEOR作用后的数据中对照采出油中含水率以及驱油程度，结果显示，建立的该模型可靠、真实，能具体、实事求是地反映储层中菌株体系代谢、提高油田采收率的程度、运移过程，剖析解决在不同影响因素（菌株浓度、地层渗透率、微生物所需底物的含量等）影响下优化MEOR模型参数的问题。2005年武春彬等引入了“微生物因子”来描述微生物和它的代谢产物的协同作用，与李珂等对其协同作用的论述相比，前者主要表现在相对渗透率及残余油饱和度的变化上，后者主要体现在提高采收率范围上，两者没有对协同作用进行全面概述。2006年武春彬等通过利用“微生物因子”这一学说来描述微生物的特有作用，认为微生物、代谢产物、营养物都溶于水相中，并满足达西定律的条件，且微生物对营养物的利用能立刻完成为基本假设，在室内试验研究的基础上利用运移方程对其进行模拟计算，建立三维三相本源微生物驱油数学模型，对具体算例进行数值求解，并对不同注水时机对采油的影响进行对比。得出的结果为该模型所模拟的结果和实际结果相差不大。修建龙等通过对土著细菌的激活理论的研究，以细菌的呼吸所需要的环境为起点，创建了一个多场耦合数学模型，且详

细阐述了数值模型的求解思路和模型建立的假设过程，以及给出了各个场的重要参数（耦合和可解）。本模型通过对3种不同微生物的组分以及代谢物的详细分析，解释了本源微生物驱油主要提高采收率原理及其两步激活理论，土著细菌对于原油的一些重要的影响原理在其渗流方程中也有体现，而且此模型为土著细菌提高采油率的仿真软件的开发与研究奠定了理论基础。张俊等利用在渤海S236—1油田的水驱原始微生物群落的特性、油藏性及其水质条件，通过在实验室的试验方法筛选了适应其生长繁殖的营养凝胶的种类，目的是为了达到提高微生物采油率，且评价了筛选出的营养凝胶的配伍性和性能。细菌的营养物质和驱油剂的段塞组合类型分别被选取的计算数值仿真法和岩心驱替试验所优化，并且预测了营养凝胶产生营养成分具有缓释作用，在矿藏中也可以提高细菌驱剂的滞留时间，应用数值模拟优化了注入驱剂体积，且预测降水增油效果将会显著。数值模拟分析与实验结果显示，应用营养凝胶辅助微生物驱油技术在目标试验区中将会有很大的潜力。

3.2微生物提高采收率的应用现状

    2012年日本学者Hajime等向生产枯井中土著微生物注入外源营养物（酵母提取液），实验结果表明，土著微生物利用酵母提取液可以从已经枯竭的气井中回收到天然气。2012年Xia等从中国北方的油藏中分离出的菌种，通过利用16S rRNA测序方法鉴定为嗜热土芽胞杆菌H9，该微生物是可以在高温、高盐并以原油为唯一的碳源的环境下生长的兼性厌氧性微生物，通过实验表明，该微生物的生长代谢可以产生一类在石油工业中能提高采收率的生物表面活性剂。2013年Arash等从伊朗西南部的一个高盐的油矿中分离出一株阴沟肠杆菌，该菌株生长过程中产生的表面活性剂为1.53 g/L，能使油水表面张力降低率达到56. 9%~88. 9%。通过润湿性和免疫荧光技术实验，得出在该细菌细胞和生物膜形成的吸附过程中油藏岩石向中性润湿性改变，可以提高油回收效率。2014年Khyati等从枯草芽孢杆菌的发酵液中提取一种粗环脂肽类物质的表面活性剂，把这种物质应用于采油机中的填充柱上，试验结果显示，该类型的采油机的采收率至少提高了43%。

4前景及展望

    用微生物对油层作用来提高采收率的方法，优点在于安全、对材料的消耗少、原料来源广、所需设备少等。许多国家都设想1/3的石油回收方案将利用微生物采油技术来实现。我国在采油微生物菌种、室内研究及矿场试验等方面已进行了许多研究，取得了一批有价值的成果。然而，整体来看，在微生物采油方面尚未形成全面推广的生产能力和整套技术，其中还包括一系列理论、工艺技术及配套装备的问题，微生物采油技术还没有实质性地进入油田开发中。究其原因，除了目前人们对微生物采油技术的认识问题外，主要存在问题有：①微生物技术本身的复杂性，如菌种的优化、菌种的扩大培养、数学模型的建立等基础研究严重滞后于工业生产的需求，这种局面导致了一些现场试验是在研究工作不充分、方案设计缺乏科学依据的情况下进行的，因而出现了微生物增产效果时高时低的结果。②需进一步解决由细菌自身产生的一些有毒有害的代谢物，因为地层会被细菌在油层内生长繁殖引起封堵现象，将会产生生物降解一些注入到地层的化学剂。油层内的硫酸盐还原菌产生的硫化氢还会腐蚀油井。③需要探究微生物对地层的破坏力与岩石渗透性之间的关系。④还没有研究清楚一些在不同环境下提高原油采收率的机理，以及在油田储藏中具体的运移情况等。