油藏嗜热微生物及其采油机理研究进展

何 华，乔发东，安明理，何蔚荭，王亚南

（1.河南工业大学生物工程学院，河南郑州450001；2.河南省微生物工程重点实验室）

油藏嗜热微生物及其采油机理研究进展

何 华1，2，乔发东1，安明理2，何蔚荭2，王亚南2

（1.河南工业大学生物工程学院，河南郑州450001；2.河南省微生物工程重点实验室）

阐述了嗜热微生物及其分类，嗜热微生物在细胞膜结构、嗜热蛋白与嗜热酶、遗传物质方面体现出的嗜热机制，介绍了嗜热微生物在原油的降解、产表面活性剂、产酸、产有机溶剂等其它方面应用于提高原油采收率的采油机理及其相关微生物类群的研究进展，最后，针对当今采油形势，介绍了嗜热微生物采油的必要性及国内外对于嗜热微生物采油技术的研究与应用现状。

微生物采油；嗜热微生物；采油机理；微生物类群

1926年，美国石油工程师Beckman［1］第一次提出了利用微生物采油的设想，直到1946年，Zobell［2］及其科研小组进行了一系列整体性实验室研究，他们的研究结果被认为是油藏微生物应用于石油开采新时代的开始，利用微生物采油技术的研究才取得了进一步发展。微生物提高原油采收率具有适用范围广、工艺简单、投资少、见效快、功能多、费用低和无污染等优点，利用微生物的有益活动及代谢产物作用于油藏残余油，并对原油、岩石、水界面产生作用，通过改善原油流动性来提高原油采收率。

在20世纪60年代以前，世界范围内的油井主要是浅井，井下温度并不高，投入使用的采油微生物菌剂大多数是常温菌，因此，人们对井下油藏嗜热微生物种群研究较少。进入70年代以后，随着世界各国油井的加深，井下温度也不断升高，大多数油田的井下温度已在50℃以上，常温微生物菌剂已不再适合于高温油井。为了进一步提高原油采收率，需要分离筛选出适合高温条件下生长，并且能够有效降低原油黏度，进行高温油田原油开采实验的耐高温优良菌种。

1 嗜热微生物及其耐热机制

1.1 嗜热微生物及其分类

嗜热微生物（Thermophiles）俗称高温菌或嗜热菌，通常是最低生长温度45℃左右，最适生长温度在50～60℃，最高生长温度在70℃或70℃以上的一类微生物的总称［3］。它们广泛分布于草堆、煤堆、温泉、地热区土壤、高温油井以及海底火山口附近。根据嗜热菌与温度的关系，可将其细分为五类：耐热菌，最高生长温度在45～55℃之间，低于30℃也能生长；兼性嗜热菌，最高生长温度在50～65℃之间；专性嗜热菌，最适生长温度在65～70℃之间，最低在42℃也能生长；极端嗜热菌，最高生长温度为70℃，最适温度为65～70℃，最低温度在40℃以上；超嗜热菌，最高在113℃以上，最适80～110℃，最低在55℃以上。

1.2 嗜热微生物耐热机制

嗜热微生物能够在高温环境中生长并繁殖，与其独特的适应机制，特殊的细胞膜结构、嗜热蛋白与嗜热酶、遗传物质都有着密切的关系。

1.2.1 细胞膜

根据嗜热菌细胞膜脂的类型和含量的不同，可以将其分为两大类，即真细菌型膜脂和古细菌型膜脂。真细菌型膜脂为复合脂，主要为甘油脂肪酰二酯，当温度升高时，通过膜的自动调节作用，复合脂中烷基链彼此间隔扩大，而极性部分作为膜的双层结构却保持整齐而不透的液晶态，即使是小分子和离子也不能透过。此外，增加磷脂酰烷基链的长度，环化支链的个数，异构化支链的比例或是脂肪酸饱和度都可以维持膜的液晶态。细胞膜中还含有异型脂肪酸，稳定型脂肪酸和环烷型脂肪酸，也为嗜热菌细胞膜耐受高温提供了条件［4］。

古菌与细菌的一个较大的不同点就在于古菌细胞膜组成。嗜热古菌的膜脂组成主要为饱和类异戊烯二脂，通常情况下磷脂双层的一侧是完全饱和的C20植烷类异戊烯单醇，有时两个C20植烷分子会凝聚成C40类异戊二烯双醇，这些分子以醚键的形式连接甘油分子，形成植烷甘油二醚和双植烷双甘油四醚。双植烷双甘油四醚能形成大小和脂双分子层相同的单层膜脂，提供一个更高的牢固度，这种典型的结构在古细菌中时常被发现［5］。

1.2.2 嗜热蛋白与嗜热酶

研究表明，在蛋白质的一级结构中，个别氨基酸的改变会引起离子键、氢键、疏水作用的变化，从而大大增加整体的热稳定性，这就是氨基酸的突变适应［6］。同时嗜热菌蛋白质中含有大量能够稳定蛋白质结构的疏水和带电基团（如Arg），以及少数一些非极性基团，如Ser、Thr、Asn及Gln［7］。其它研究也表明，β－转角处的脯氨酸基团、α－螺旋N端带负电氨基酸，金属离子结合位点导入，缩短表面环的大小以及分子间的相互作用均能提高蛋白质的稳定性［8］。近几年还发现，二硫键在嗜热蛋白质的热稳定性中也有着重要的作用［9］。通常情况下酶的稳定性与氨基酸组成有着密切的联系，一个或几个氨基酸的取代会导致嗜热酶转变成低温酶衍生物或次生酶［10］。

1.2.3 遗传物质

通常线性DNA通过链的分离很容易变性，但环状DNA分子却能够耐受较高的热变性温度，因此DNA双链在高温条件下维持其二级结构是完全可能的。而且，无论是正超螺旋还是负超螺旋，都能够进一步增加DNA的解链温度［11］。在细胞外，通过增加金属盐类，双链DNA能够更加稳定，但并不是所有的嗜热菌都含有高浓度的铁离子胞内聚合物［12］。长链线型聚胺类在嗜热菌体内发现，它能够有效维持双链DNA的稳定性，支链聚胺类也能够有效维持单链DNA和tRNA的稳定性［13］。极端嗜热菌中tRNA转录后经过相关的修饰有利于适应高温环境，RNA螺旋侧面突起的碱基和近端酯键之间的配对也能避免结构上的不稳定性［14］。有资料表明嗜热古细菌中存在一种特殊的机制对抗热变性，例如反解旋酶结合在DNA双螺旋上，使DNA产生更能耐受高温的正超螺旋结构［15］。

2 嗜热微生物采油机理及其类群

2.1 微生物的降解作用及类群

2.1.1 嗜热微生物降解原油机理

原油的主要成分为烃类，通常可分为两大类：饱和烃类（直链烷烃、支链烷烃、环烷烃）和不饱和烃类（烯烃、炔烃、单环芳烃、多环芳烃、杂环芳烃）。一般认为，不同烃类可被微生物降解的次序如下：小于C10的直链烷烃 ＞C10－C24或更长的直链烷烃 ＞小于C10的支链烷烃＞C10－C24或更长的支链烷烃＞ 单环芳烃 ＞ 多环芳烃 ＞ 杂环芳烃［16］。嗜热微生物对原油中不同烃类化合物的代谢途径和机理是不同的。根据烃类的化学结构特点，烃类的降解途径主要可分两部分：n－烷烃的降解途径和芳烃类化合物的降解途径。

一方面，在高温条件下，原油本身的粘度相对于低温或常温下较低，为原油的采收提供了一定的自然条件，另一方面，嗜热微生物以石油中正构烷为碳源而进行生长和繁殖，从而改变了原油的碳链组成，使原油粘度降低而变得容易流动。微生物的不断生长繁殖改变了烃类其原有的物理性质，影响了原油液固相的平衡，能大大减少储存、井眼和设备表面原油石蜡的温度和压力。微生物生长释放出的生物酶可降解原油，使原油碳链断裂，高碳链原油变为低碳链原油，使重组分减少，轻质组成增加，不仅改善原油在油层中的流动性，而且会使原油性质得到改善。

2.1.2 降解原油的嗜热微生物类群

许多嗜热微生物能以烃类为唯一碳源和能源生长，且在自然界分布广泛，目前发现的约有20个属类100多种的嗜热微生物能利用烃类，Al－Maghrabi等［17］在阿拉伯一油藏环境中分离到几株能降解原油的嗜热芽孢杆菌，最适生长温度在60～80℃之间，Philips等［18］从北卡罗来纳石油污染海域分离到一株能够降解石油烃的专性嗜热菌，它能够以长链烷烃、伯醇及酮类为碳源在42～70℃的条件下均能生长。

石油烃降解基因方面的研究近几年来主要以假单胞菌属、红球菌属和不动杆菌属的相关能功序列为研究材料。有研究发现在假单胞菌属和红球菌属的菌株中存在［19］基因，其为微生物细胞的细胞膜上的烃羟基化酶，另外还有不同形式的类似基因alkB1、alkB2和alkB870G［20］。

2.2 产表面活性剂采油机理及其类群

2.2.1 表面活性剂采油机理

表面活性剂具有一些共性：由一个疏水基团和一个亲水基团构成，具有两亲性质。其疏水基团为饱和、不饱和或羟化的脂肪酸，其亲水基团更加多样化，可简单如脂肪酸的羧基，也可复杂如糖脂的多聚糖基。生物表面活性剂根据亲水基团的性质可分为糖脂、脂蛋白、脂肪酸、磷脂和中性脂等。

表面活性剂采油主要借助以下三个方面的作用：一是降低水油界面张力，二是减少原油在岩石表面的粘附力，三是影响原油／水（或岩石）间的界面膜。向水中加入表面活性剂可使油水界面的张力降低，在低界面张力的条件下，油滴容易变形，这样可以降低流经孔隙管道排出时所作的功，便于原油的采出；表面活性剂吸附于油水界面使原油与岩石的接触面积减小，使油滴容易被水带走，从而提高采收效率。表面活性剂还能对岩石上油膜起到洗涤作用。

2.2.2 表面活性剂采油功能微生物类群

许多降解烃类的微生物能产生生物表面活性剂，有的微生物只在利用烃类等疏水性碳源时才能形成生物表面活性剂，有一些微生物则只在利用水溶性碳源时才形成生物表面活性剂，还有一些微生物则在两类碳源上都可合成同样的表面活性剂。关于微生物产表面活性剂基因调控方面的研究，也有大量的报道［21－22］。

2.3 其它嗜热微生物采油机理及类群

2.3.1 微生物的直接作用与代谢产物影响

一方面微生物利用特异性附着机制，通过菌毛或细胞膜表面的脂类或蛋白使细胞形成疏水表面，提高微生物细胞表面的疏水性，降低了细胞与石油烃油滴界面之间的张力，从而附着于石油烃表面，将可利用的石油烃分子运移至菌体细胞内部，参与细胞代谢，进行降解。另一方面，微生物在油藏高渗透区的生长、繁殖及产生聚合物，当水相注入油井后，微生物伴随水相优先流入高渗透层，流入低渗透层的水相也随时可能向高渗透层转移，生长繁殖的菌体和代谢产物与重金属形成沉淀物，有选择地堵塞大孔道，增大扫油系数和降低水油比，从而通过提高渗透率降低容积驱扫效率来提高采收率。

此外，大多数微生物在代谢过程中都可产生气体，如CO2、CH4和N2等。这些气体能够使油层部分增压并降低原油粘度，提高原油流动能力；同时气泡的贾敏效应还会增加水流阻力，提高注入水波及体积。微生物还可以产酸，产生的酸主要是低相对分子质量的有机酸（乙酸、丙酸），也有部分无机酸（硫酸）。它们能溶解岩石中的碳酸盐，一方面增加孔隙度，提高渗透率；另一方面，释放二氧化碳，提高油层压力，改善原油粘度，提高原油流动能力。微生物还产生醇、有机酯等有机溶剂，这些都是微生物在发酵原油过程中的代谢产物，它们有利于改善原油粘度，类似轻度酸化，增加岩石孔隙度，使吸附在孔隙岩石表面的原油被释放出来，从而提高原油采收量。

2.3.2 其它嗜热微生物采油类群

高温油井下还存在一类产酸、产气、产有机溶剂的嗜热微生物类群。黎霞等［23］从我国胜利油田罗801区块地层温度75～80℃的油层采出水中分离到一株嗜热、耐盐的厌氧菌SC－2，能够利用葡萄糖产生乙醇、乙酸、丙酸、H2、CO2及少量的乳酸等代谢产物。Melike等［24］在高温厌氧条件下分离出一栖热袍菌Thermotoga lettingae，它能够以甲醇为唯一碳源，在65℃条件下发酵甲醇生成CO2和H2。另外，在油藏环境中还有一类硝酸盐还原菌，它们也为提高原油采收率提供了保证。

3 嗜热微生物采油技术

3.1 嗜热微生物采油研究概况

目前，世界上关于油藏嗜热微生物采油技术的研究报道较少，嗜热微生物开采现场应用曾有成功报道，但也为数不多。然而，关于油藏嗜热微生物分离和应用研究却在不断的展开，分离出的嗜热微生物种类多样。值得庆祝的是，我国作为石油消耗大国，在嗜热微生物采油的研究与应用方面已经走到了世界的前列，如Wang等［25］从我国华北油田分离到一株耐受73℃高温的热反硝化地芽孢杆菌Geobacillus thermodenitrificans NG80－2，它能以原油或液体石蜡为唯一碳源产生乳化剂，实验表明其能够有效利用C15－C36的长链烷烃。Liu等在我国大港油田73℃高温油田原油样品中分离到三株嗜热菌，分别为Arthrobacter sp（A02）、Pseudomonas sp（P15）和Bacillus sp（B24），菌株A02、P15能够有效的降解原油，而B24能够发酵原油产生表面活性剂，有效地降低原油表面张力，将这些菌剂接种到7口产出井后，通过6个月的培养，原油采收量与对照井相比增加了近8 700 t［26］。

3.2 国外嗜热微生物采油应用现状

在嗜热微生物采油应用研究方面，世界上处于领先地位的国家主要是美国和俄罗斯。采油方法主要分两种途径，其一是以培养筛选嗜热菌种注入油藏，其二则是利用营养物激活高温油藏环境内部的本源微生物，二者都是利用嗜热微生物及其代谢产物作为驱油剂提高原油采收率。在外源微生物驱油研究和应用方面，美国的发展现状基本上代表着世界微生物采油技术的水平。而今，美国已有1000多口井正在利用这项技术增加油田产量，结果表明78%的微生物采油项目是成功的。本源微生物采油技术的室内研究和矿场应用，首属俄罗斯。近20年来，俄罗斯在这方面取得了长足的进展，20世纪90年代先后在鞑靼、西西伯利亚、巴什基尔等多个高温油田开展了大量的矿场试验，效果十分显著。

3.3 国内嗜热微生物采油应用现状

我国对微生物采油技术的研究始于20世纪60年代，发展十分缓慢，对嗜热微生物采油技术的研究更极为少见。中国科学院、山东大学、长江大学等多所机构开展了有组织的合作，在提高原油采收率机理和技术研究方面，进行了探索性实验，在微生物采油技术从实验研究到现场应用的展开中起到了关键性作用。1994年开始，大港油田与南开大学合作，成功培育了一系列嗜热采油微生物，该微生物以原油和无机盐为营养，具有降低蜡质和胶质含量功能，并在菌种选育与评价、菌剂产品的生产、矿场应用设计施工与检测等诸方面取得了显著成绩。2000年底，胜利油田东辛采油厂引进了美国NPC公司的耐高温菌种，在Y6－16井组进行了耐高温微生物驱油提高采收率研究和现场试验，结果采收率达到43.41%，增加可采出量1.81×104t，施工后当年增油615.5 t［27］。

4 展望

微生物提高原油采收率技术经过一个多世纪的研究与发展，无论是在优良菌种的筛选还是在采油现场试验上都取得了辉煌的成就，已成为一种具有强大潜力的采油技术。随着世界油井的不断加深和井下温度的逐渐升高，原油采收的难度也不断增大，嗜热微生物采油便是应对油藏高温环境而展开的一项新型技术，它克服了传统的常温菌无法应用于高温油井的缺点，有着其更加广泛的适用价值。然而，利用微生物采油的影响因素众多，除温度外，还包括压力、含盐量、酸碱度等。因此，为了进一步提高原油采收率，必须拓宽研究领域和加大投资力度，以满足不同油藏条件下的微生物菌种的需要。随着人们研究的深入和实践的不断积累，相信更多新型适用微生物菌剂将被开发与应用，为世界石油工业的发展发挥更大的作用。

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TE357

A

1673－8217（2012）02－0118－04

2011－09－06

何华，硕士研究生，1985年生，目前主要从事环境微生物菌种资源开发与应用。

河南省基础与前沿技术研究计划项目（102300413217）；河南省科技攻关计划项目（102102210280）。

李金华