油藏微生物研究助力微生物强化采油技术应用

油藏微生物研究助力微生物强化采油技术应用赵洁玉;刘哲;刘然;岳高;俞维平;蒋浩【摘要】目前我国油田开发主要处于高含水后期,55～60％的地层残余油无法用传统方法开采出.微生物强化采油技术(MEOR)以低成本和环境友好等优势引起石油工业界的重视.油藏微生物是MEOR技术应用的重要资源和激活目标,因此了解油藏微生物及其代谢网络、微生物群落分布特征、内源微生物激活规律将有助于MEOR 技术的推广,进而提高石油采收率.【期刊名称】《能源与环境》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】4页(P21-24)【关键词】油藏;微生物;微生物强化采油技术(MEOR);内源微生物激活【作者】赵洁玉;刘哲;刘然;岳高;俞维平;蒋浩【作者单位】物资节能中心北京 100834;物资节能中心北京 100834;物资节能中心北京 100834;物资节能中心北京 100834;物资节能中心北京 100834;物资节能中心北京 100834【正文语种】中文【中图分类】TE355.91 概述“十一五”以来，以太阳能、风能和地热能等为代表的新能源发展迅速，但是石油依然是影响经济的重要能源，是重要的战略储备之一。

2016年世界一次能源消费量增加了1.0%，特别是作为世界主要燃料的石油占全球能源消费的1/3。

中国作为新兴经济体，2016年虽然能源消费仅增长1.3%，但仍然是世界上最大的能源消费国，占全球能源消费量的23%，同时中国石油对外依存度上升至历史最高值68%，使得能源安全保障风险加大。

石油在开采初期是依赖地层的天然能量开采石油称为一次采油。

随着开采的不断进行，采油的过程造成油藏地层能量的损失，因而世界上广泛应用的采油技术是注水或注气采油，利用注水设备把质量合乎要求的水从注水井注入油层，提供地层能量，保持油层压力，从而驱替地下石油至油井。

20世纪60年代，三次采油技术，即强化采油技术，得到了广泛发展，三次采油技术主要分为热采、化学驱、气驱和微生物驱，主要通过物理和化学方法改善石油在油藏中的流动性（图1）。

尽管我国油藏储量丰富，但是在传统的采油技术下，55%～60%的地层残余油无法开采出，且由于不断开采，部分油田已经出现老龄化，采出液的含水率高达95%，高粘度和高密度的稠油比例越来越大。

目前，我国已在12个盆地发现了70多个重质油田，预计我国重质油和沥青资源量达300×108t以上，因而我们非常有必要对现有和废弃的油田进行开发［1］。

而既经济又环保的微生物强化采油技术（Microbial enhanced oil recovery，MEOR）是现代生物技术在采油工程领域中开拓性的应用，对于高含水和接近枯竭的老油田显示出其强大的生命力［2］。

MEOR是指将获得并扩大培养的微生物菌液和营养液注入地层或单纯注入营养液使油层内微生物生长繁殖，产生有利于采油的代谢产物，改善油藏开采环境，提高石油采收率的采油技术。

1954年，美国在阿肯色州成功进行微生物采油的矿场实验，从而开启MEOR技术的发展历程［3］。

MEOR主要包括2类：①利用微生物的代谢产物，如生物聚合物和生物表面活性剂作为化学剂进行驱油，即利用微生物地上发酵来提高石油采收率；②通过添加外源微生物和营养物激活油层中内源微生物，通过微生物生长代谢提高石油采收率。

由于内源微生物对油藏环境的适应性，内源微生物激活提高石油采收率受到广泛关注和应用，该过程主要机理为：①改善石油流动性：微生物将石油中的重质组分转变为轻质组分，从而降低石油粘度，提高石油流动性；此外微生物在油藏内的代谢活动产生了大量的CO2、H2、N2和CH4等，增加了油层压力，进而提高了石油的溶解能力，使得原来不连续石油区粘连成片，便于开采；再者微生物代谢过程中产生大量的醇、脂肪酸、糖脂、生物表面活性剂等，可以有效地降低油水界面张力，改善石油的流动性能；②驱替石油：一方面，微生物代谢产生的生物聚合物及微生物自身的生长可以有选择地堵塞渗透率较高的岩层，使驱替流体转向渗透率本来较小的孔隙，扩大了驱替区域，提高驱替效果；另一方面，微生物产生的酸性物质能溶解某些岩石，改善油层渗流；微生物中的厌氧菌产生的溶剂性产物能溶解石油，降低油水界面张力，使石油从岩石表面释放（图1）。

图1 石油开采历程和开采技术。

基于内源微生物激活提高石油采收率机理可以看出油藏微生物是MEOR的激活目标和作用基础，是MEOR技术是否有效的重要保障，因此本文从油藏微生物及其代谢网络、微生物群落分布特征和内源微生物激活规律三个方面对油藏微生物研究进展进行探讨，了解MEOR技术理论和实践经验，从而更好的指导MEOR技术服务于石油开采。

2 油藏微生物资源及其主要代谢过程了解不同油藏微生物资源是精准实施内源微生物激活提高石油采收率的基础。

目前，很多国家学者通过纯培养技术和分子生物学方法对油藏微生物进行系统研究，发现油藏微生物种类丰富，大致分为烃氧化菌（hydrogenoxidizing bacteria，HOB）、硫酸盐还原菌（sulfate-reducers，SRM）、发酵菌（fermentative bacteria，FMB）、硝酸盐还原菌（nitrate-reducers，NRB）和产甲烷古菌（methanogens），其中产甲烷古菌包括氢营养型产甲烷古菌、氢营养型同时需要乙酸的产甲烷古菌、氢营养型或乙酸营养型的产甲烷古菌、甲基营养型产甲烷古菌和乙酸营养型产甲烷古菌（表1）。

在自然生态系统中，为了更有效的利用能源资源，油藏生境中丰富的微生物资源形成了密切的代谢网络。

在整个代谢过程中，烃氧化菌HOB在生长和代谢过程中会合成表面活性剂、聚合物、有机酸、醇类、蛋白质、多糖等大分子有机物及二氧化碳等气体，这些物质是提高石油采收率最重要的物质，因此，烃氧化菌的激活是内源微生物激活提高石油采收率技术的重要一环。

微生物氧化和降解石油形成的大分子有机物（蛋白、多糖和脂质）、单体有机物（氨基酸、单糖和长链脂肪酸）和还原态化合物（乳酸盐、丁酸盐和丙酸盐）可以被发酵菌FMB和互养菌利用产H2和CO2及乙酸，也可以被硝酸盐还原菌NRB和硫酸盐还原菌SRM利用作为电子供体。

在缺氧甚至无氧的油藏环境中，甲烷维持了油藏环境的稳定，因而产甲烷过程被认为是油藏环境中的终端基本反应过程。

在石油代谢过程中，H2、CO2和乙酸可以被不同的产甲烷菌利用产生 CH4气体（图 2）［4-5］。

微生物代谢产生的 H2、CO2和CH4等物质可以提高油藏中的地层压力，从而提高石油流动性促进石油开采率［6-7］。

基于油藏微生物代谢网络得出，油藏微生物的生命活动受到营养物质和代谢产物的影响，并与其它微生物相互关联，因此了解油藏微生物生理生化性质及不同微生物在激活过程中的联动效应对于MEOR技术推广具有积极作用。

表1 摇油藏功能菌属的分类和代表烃氧化菌（HOB）Gammaproteobacteria （Pseudomonas，Oleibacter，Acinetobacter，Halomonas，Thalassolituus，Enterobacter，Marinobacter）；Alphaproteobacteria（Sphingomonas，Novosphingobium，Sphingobium，Brevundimonas，Rhizobium，Hyphomonas）；Betaproteobacteria（Thauera，Azoarcus，Hydrogenophaga，Achromobacter，Zoogloea）；Actinobacteria（Dietzia，Microbacterium，Mycobacterium，Rhodococcus）；Firmicutes（Bacillus，Geobacillus）硫酸盐还原菌（SRM） Deltaproteobacteria（Desulfovibrio，Desulfobulbus，Desulfocurvus，Desulfomicrobium）；Nitrospirae （Thermodesulfovibrio）发酵菌（FMB）硝酸盐还原菌（NRB）产甲烷古菌（methanogens）Firmicutes（Clostridium，Paenibacillus，Halanaerobium，Gelria，Fusibacter，Exiguobacterium）；Synergistetes（Anaerobaculum，Thermovirga）；Bacteroidetes（Anaerophaga）；Thermotogae （Petrotoga，Thermosipho，Thermotoga）Betaproteobacteria（Azonexus，Aquabacterium，Acidovorax，Petrobacter，Thauera）；Gammaproteobacteria（Pseudomonas）；Epsilonproteobacteria （Arcobacter，Sulfuricurvum，Sulfurimonas，Sulfurovum）氢营养型产甲烷古菌：Methanomicrobia（Methanospirillum，Methanocorpusculum，Methanoregula，Methanolinea）；Methanobacteria（Methanobacterium，Methanothermobacter）；Methanococci（Methanocaldococcus）氢营养型同时需要乙酸的产甲烷古菌：Methanomicrobia（Methanoculleus，Methanocalculus）氢营养型或乙酸营养型的产甲烷古菌：Methanomicrobia （Methanosarcina）甲基营养型产甲烷古菌：Methanomicrobia （Methanohalophilus，Methanomethylovorans，Methanolobus）乙酸营养型产甲烷古菌：Methanomicrobia（Methanosaeta）3 油藏微生物群落分布特征在油藏生态系统中，微生物的生长代谢与其他微生物和周围的环境因素息息相关，了解影响油藏微生物群落分布特征的环境因素，可以帮助我们预测已知油藏环境特征中的微生物群落组成，对内源微生物激活提高石油采收率技术的推广具有重要的意义。

图2 油藏微生物代谢网络目前，油藏微生物群落已在世界12个国家的油田展开研究探讨。

很多研究者希望通过比较不同油藏中的微生物群落，挖掘影响油藏微生物群落空间分布特征的环境因素。

北京大学实验室比较华北油田具有不同环境特征的2个区块内的微生物群落结构，结果显示：在温度为37℃的MGL区块中，Arcobacter、Methanosaeta、Methanolinea 和 Methanocella 占有绝对优势，而在温度较高（58.4℃）的Ba19区块中，Pseudomonas和 Methanothermobacter占有绝对优势［8］。