第四章 微生物与新能源新材料的开发

（一）微生物代谢产物采油的方法和分类
• 根据采油中应用的微生物代谢产物的不同，分别介绍用 微生物聚合物采油和用微生物产生的表面活性剂采油。 • 微生物聚合物采油：
– 采油亨可以应用的水溶性聚合物很多，但形成一定使用规模 的聚合物只有两神，
• 一种是化学合成的聚合物——聚丙烯酰胺，目前在石油工业上 所使用的水溶性聚合物中，聚丙烯酰胺仍处于十分重要的地位， 它易溶解，有很好的增粘性，价格便宜，且易于现场使用， • 另一种是生物聚合物——黄原胶。尽管在石油工业上应用的生 物聚合物种类很多，但目前在聚合物驱油和堵水调剖方面具有 应用价值的只有黄原胶。 • 国内南开大学、山东大学、中科院微生物研究所等单位已研制出了适 于三次采油的国产黄原胶，性能基本达到或接近国外同类产物的水平。 驱油模拟实验表明，国产黄原胶驱油比水驱可提高采收率8%-12%。 • 国产黄原胶经与三价铬离子交联改性处理，在河南南阳油田进行了注 水共调剖提高采收率的试验。结果表明，注水井吸水剖面得到调整， 获得了明显的增油降水效果。
• 微生物采油wk.baidu.com主要优点：
– 施工成本低。 – 施工工艺简单，操作方便，操作方式灵活多变，容易 控制 – 生态学优势。 – 增产效果持续时间长。 – 使用范围广。
一、微生物采油
• （一）微生物采油的机理及特点 • （二）微生物采油的应用方法分类 • （三）微生物采油的局限和存在的问题
（一）微生物采油的机理及特点
• 微生物产物采油技术，即地上微生物采油法，是在 地面上建立发酵反应罐，为微生物生长代谢提供必 需的营养物质，通过微生物的代谢作用产生生物物 质(主要是生物表面活性剂和生物多糖聚合物)，将 这些生物物质分离、纯化后注入地层，可以降低原 油的粘度，从而达到提高采收率的目的。 • 该技术的实质是利用选育的优良菌种在地上发酵生 产采油制剂。 • 这种方法的优点是发酵过程在地面上进行，微生物 的生长和代谢不受地层条件的影响。缺点就是成本 较高。
（二）微生物采油和微生物产物采油的比较
（三）微生物产物采油的应用前景
• 从1986年开始，上海有机化学研究所经微生物菌种筛选和选育， 已研制出槐糖脂、海藻糖脂、多糖脂等多种糖脂型表面活性剂。 • 中国科学院渗流力学研究所对上海有机化学研究所提供的6种 生物表面活性剂进行了筛选和配制试验。以鼠李糖脂为母液， 成功地配制了低界面张力的表面活性剂稀体系。该体系经松散 砂型物理模型试验表明，采收率比水驱提高20%-25%，抗盐性、 耐漏性均好。
第四章 微生物与能源开发 §1 微生物与石油开采 • 微生物采油 • 微生物代谢产物 • 石油微生物脱硫 概述
•石油是一种复杂的烃类混合物，这些烃类可能以气 态、液态或者沥青质的固态存在，它一般在地下的 沉积岩层中存在。液态烃俗称为原油，它存在于储 油岩层的孔隙中，孔隙的大小不同，因而开采时的 难易程度也有所不同。在没有外压的情况下，孔隙 中的原油很难溢出。
• 局限性：
– ①对于高温(＞89℃)或高含盐量(＞10%)的地层通常不能适用； – ②营养基中有时含有一定量的重金属离子，可能对微生物有副作用； – ③需进行实验室配伍性试验以及合理的工程设计，目采油机理尚未完全 探明证实； – ④对特定油层的最佳微生物应用工艺尚在建立之中； – ⑤油田应用的筛选标准仍需不断改进； – ⑤能可靠预测现场过程的地层模拟技术尚未开发。
• 采用的微生物主要有芽孢杆菌，羧状芽孢杆菌， 地衣芽孢杆菌，革兰氏阴性细菌。
• 4．微生物选择性封堵
– 微生物封堵油层的机理是；将形体较大，且产生表面 粘稠物质的微生物菌种从注水井注入，微生物可以运 移到大孔道或有溶洞的储油岩层部位，通过微生物的 生长繁殖和代谢作用，产生大菌体细胞和细胞分泌的 表面站稠物质，在地层的岩石表面形成一层生物膜， 高效地封堵大孔道或溶洞，降低地层的渗透率。 • 主要使用的微生物
• 常规的一次采油是油井建成之后，靠地层压力将 原油压至地面，能开采出原油总量的30%左右； • 二次采油需加压、注水、注气等，靠水或气体的 流动将油从油井驱至地面，能获得总储量的10%20%； • 剩余在油藏中的石油由于吸附在岩石空隙间，难 以开采，因此需要用新的方法将其开采出来，这 就需要三次采油。 • 三次采油的主要机理是降低原油粘度，或者增加 注入水的粘度，缩小油水之间的粘度差，控制水 的流动性，提高驱油面积，从而提高原油的采收
– – – – ①生物表面活性剂提高果收率。 ②生物气提高果收率。 ③产生酸及有机溶剂提高采收率。 ④生物聚合物提高采收率。
• 微生物采油的特点：
– ①烃氧化菌对原油中石蜡的降解作用。 – ②微生物的新陈代谢可产生脂肪酸、糖脂、类脂体等多种 生物表面活性。 – ③微生物自身具有黏附在金属或粘土矿物表面的特性，能 够在金属或粘土矿物表面形成保护膜，因此具有屏蔽晶核、 阻止结晶的作用。 – ④石微生物的新陈代谢过程中，产生大量乙醇、乙醛和有 机酸等，它们可使重质组分在原油系统中的溶解度大大增 加。 – ⑤在油层条件下，所筛选的菌种以原油为惟一碳源，生长、 繁殖良好。 – ⑥微生物能氧化降解原油，使轻组分增加了30%以上，并 能产生有机酸和活性物质等，降低界面张力。 – ⑦物理模拟实验表明，在水驱采油之后微生物驱可以提高 采收率达10%原油储量(OOIP)左右。
• 从理论上看，微生物采油似乎比较简单，但在实际应用中会遇 到一系列的问题。因为该方法需要将筛选好的菌种注入多孔岩 层，而其中的菌体如处理不当可能会堵塞岩层；而且油层是一 个极端的环境，油层的环境条件对微生物的活性起着严格的限 制作用。 • 微生物采油的成本低，设备简单。而微生物产物采油成本高， 需要一系列发酵设备。
• 常规的化学驱动费用都比较昂贵，而微生物采油随着生物 技术的发展，已经向着经济开采原油的目标迈出了可喜的 第一步。 • 利用微生物开采枯竭的油层是目前最经济的方法。 • 应用这种方法不仅可以开采出流动的原油，而且可以开采 出不流动的石油，并能使枯竭井延长使用寿命。多年以来 的研究证明：微生物采油是一种最有前途的强采方法。 • 微生物采油的历史：
• 大庆油田使用海藻糖脂-碱二元体系可使大庆原油 的界面张力降为0.3mN/m，用该体系驱油可提高 残余油采收率15%，显示了良好的应用前景。 • 已经报道的可以在采油中使用的生物聚合物虽然 不多，但是利用黄原胶采油现在已经得到了广泛 的应用，并且取得了较好的效果。而且，由于其 众多的优点，它将会得到更广泛的应用，而且有 可能取代聚丙烯酰胺成为新一代的采油聚合物。
• 存在的问题
– 宏观上： – 1) 仅仅依赖于筛选，因而菌种单一； – 2) 缺乏评价和监测规范以及可工业化应用的数模软件，导致矿场方案的 科学化程度不高； – 3) 对油藏环境中微生物的生态认识不够，因而在确定注入体系时缺乏依 据. – 微(介)观上： – 1) 对微生物驱油特有过程的关注不够； – 2)分子层次的研究工作少，包括从分子层次对菌种的研究、油藏环境中 微生物的分子生态、分子层次的驱油机制等； – 3) 对微生物与油藏环境适应性认识不够.
（二）微生物采油的应用方法分类
• • • • • • • 单井周期注入微生物采油技术 微生物驱油 激活油藏微生物群落驱油 微生物选择性封堵 微生物压裂液压裂 微生物油井清蜡。 单井周期注入微生物采油技术的局限性：
– – – – ①产能低、渗透率低的油井不适应单井吞吐。 ②易出砂井，不宜采用单井吞吐。 ③黏土含量高的油层不宜采用。 ④高温高压井不宜采用微生物开采。
（四）微生物采油的现状和发展前景
• 石油微生物发展方向：
– – – – – – 油田区系的微生物资源调查 高效采油菌种的分子生物学构建 微生物采油机理的深入探讨 原油降粘、破乳等边缘技术的建立 油田生态环境的生物修复 其它配套工程技术的完善
二、微生物代谢产物采油
• （一）微生物代谢产物采油的方法和分类 • （二）微生物采油和微生物产物采油的比较 • （三）微生物产物采油的应用前景
• 表面活性剂采油：
– 用微生物生产表面活性剂是20世纪70年代后期国际生物工程领域中发展 起来的一个新课题。加拿大、英国、德国、前苏联等国家先后进行了研 究与开发。 – 生物表面活性剂的空产成本低，目成本仅为合成表面活性剂的30%。因 此，使用生物表面活性剂比使用人工合成表面活性剂经济得多。
• 微生物生产的表面活性剂主要用于驱油。生物表面活性剂可很 容易地溶解在地层和注入水中，在油-水界面上具有较高的表面 活性，能很好地润湿含油岩石的表面，能从岩石表面洗掉油膜； 分散原油的能力强，在固体表面上的吸附量少，所以驱油能力 强。 • 研究表明，生物表面活性剂的驱油效率比人工合成表面活性剂 的驱油效率要高3.5-8倍。 • 中科院上海有机化学研究所是我国国内首创研究生物表面活性 剂的单位。已研究出4种类型的糖脂型化合物，如槐糖脂、海 藻糖脂和多糖脂等。 • 用这些表面活性剂可提高残余油采收率15%，显示了良好的应 用前景，达到了国外同类技术研究水平。
• (1)微生物的直接作用 通过在岩石表面上的生长繁殖， 占据孔隙空间，用物理的方法驱出石油，改变碳氢化 合物的馏分。微生物能粘附到岩石表面，在油膜下生 长，最后把油膜推开，使油释放出来。 • (2)改变原油的组成 通过降解原油，使具变成低粘度 的原油。微生物以石油中正构烷烃作为碳源而生长繁 殖，从而改变原油的碳链组成，使原油粘度降低而变 得容易流动。微生物不断老化，改变了石蜡基原油的 物理性质，影响了原油液或固相的平衡，降低了石蜡 基原油的临界温度和压力。 • (3)改变原油的驱油环境
– 一是通过微生物的代谢产物(表面活性剂或溶剂)的作用， 使油管内壁及抽油竿表面形成亲水膜，使蜡不容易被 吸附； – 二是通过微生物对蜡的利用而使长链蜡降解； – 三是通过微生物产生的某些表面活性剂类物质，降低 油-水界面张力，改变蜡的蜡晶状态，阻压蜡的凝结， 起到防蜡作用。
（三）微生物采油的局限和存在的问题
• 三、石油微生物脱硫（BDS）
• （一）石油的组成与脱硫简介 • （二）脱硫机理及有关微生物
• 石油一般是天然的气体、液体和固体混合物，主要成 分是碳氢化合物，而硫在石油中被认为是仅次于碳和氢 的第3种元素。石油的总含硫量在0.03%-7.89%之间， 除元素硫、硫化物外，还有硫醌、噻吩、苯并噻吩、二 苯基噻吩类及更复杂的含硫有机化合物约200种。 • 无机硫及沸点较低的含硫有机物很容易脱去，而沸点较 高的二苯并噻吩(DBT)及其衍生物是典型的难脱除有机 硫的代表物，常被用为模型化合物评价脱硫效果。 • 目前虽然已有多种方法脱出燃料中的硫，但是传统的物 理分离方法只能脱出无机硫，而化学法脱硫过程需要在 高温、高压、催化加氢（HDS）等苛刻条件下进行，成 本和操作费用很高，此外这些方法催化杂环分子中的硫 时效果不好。 • 而微生物在漫长地道化过程中已经形成了多种多样的对 付环境中的硫的生化机制。生物学家和工程师们正在利 用这些硫专一性途径来应付与硫有关的环境问题。
– 葡聚糖-β-球菌，硝酸盐还原菌，肠膜明串珠菌等。 – 也可用活性污泥中的微生物
• 5、微生物压裂液压裂
• 将在厌氧条件下大量产生有机酸的微生物及营养物高压注 入孔限度甚小、渗透率很低的储油层，微生物生长过程中 产生大量有机酸，可以溶解岩层使之形成缝隙，提高渗透
• 6、微生物油井清蜡 • 原油中含有一定比例的蜡，在原油的采出过程中， 随着温度、压力的降低，原油中的蜡会结晶析出， 析出的蜡晶凝结在井壁上，堵塞储油层通往井壁 的孔隙通道，降低原油流动性，降低单井原油日 产量，从而严重影响原油的开采。 • 用微生物法防蜡的机理可以简单地概括为以下几 点：
– 1926年，美国石油工程师Beckmen最早提出。 – 20世纪40年代，美国海洋微生物学家C.E.Zobell报道硫酸盐 还原菌可提高实验室模型系统的石油采收率。 – 1943-1953年，就微生物对石油成因的作用和原油成分的作 用进行了系统研究。并开始了微生物提高采收军的技术研究。 – 20世纪70年代后，微生物采油技术逐渐从室内微生物过程评 价走向全球现场应用。 – 我国最近几年一些高等院校如山东大学、南开大学等相继与 胜利油田、大庆油田、大港油田等合作开展了这项技术研究， 取得了一定的成果。