微生物采油与保护剂

郎亚军+聂春雨+曲丽娜+张丽霞+王金龙+黄永红

【摘要】：微生物采油技术是指利用微生物提高石油采收率的技术总称，近年来广受关注。本文介绍了微生物采油技术的概念、特点，综述了内、外源微生物采油技术，并对外源微生物采油过程中的保护剂进行了概述。

【关键词】：微生物采油；内源微生物；外援微生物；保护剂

前言

微生物采油技术（Microbial Enhanced Oil Recovery，简称MEOR）是继传统的热驱、化学驱、气驱之后的第四种提高采收率的方法，在国际采油界中，MEOR是生物采油技术总称，从机理大致分为：本（异）源生物采油技术（即细菌法）和生物酶采油技术两大分支。其中，BERO?（Biosurfactant Enzyme for Recovery of Oil）生物表面活性剂属于生物酶采油行列[1]。目前，在国内普遍将MEOR等同于国内已研究实验多年的本（异）源微生物采油技术。具体来说，它是指将地面分离、筛选、培养的微生物菌液和营养液注入油层，或单纯注入营养液激活油层内微生物，使其在油层内生长繁殖，经微生物的生物活动或代谢产物的某些特性作用于原油，改变原油的某些物化特性，如裂解重质烃类和石蜡，使原油黏度、凝固点降低，从而降低原油的流动阻力，改善原油的流动性能，提高原油产量和采收率。微生物采油不会引起二次污染，不受区域限制，且采油成本低、效果好[2]。

1、本（内）源微生物采油

内源微生物主要是油田注水开发过程中随注水无意带入油层并适应了油藏環境的较为稳定的微生物群落以及油层中固有的微生物群落[3]。内源微生物采油技术就是利用油层中原油的内源微生物群落，通过向油层注入适宜营养液和混气水，使油层中的内源微生物活性骤增（即激活），从而提高油层内源微生物的生长活性及代谢活动，产生生物表面活性剂、有机酸、生物气等代谢产物，改善原油流动性质，降低界面张力，有效地改善驱油效率，提高采收率。其研究范围主要包括油层内源细菌菌群的群落分布情况、油层条件下细菌的生理学（在高温、高压、高盐度和有原油、岩石粘土及已经加到驱替水中化学剂存在的条件下）、水驱后油层中存在诸多种群的微生物，特别是烃氧化菌、发酵糖蜜产气、产酸菌、产甲烷和乙酸菌等，都有益于提高石油采收率[4]。

油藏中典型的内源微生物生理群有三类，分别是烃氧化菌、硫酸盐还原菌和甲烷生成菌，该三类菌也是利用油藏微生物资源开采原油或防治油田酸化、设备腐蚀研究和实践中涉及的主要生理群。烃氧化菌具有乳化原油的性能，在矿化度很宽的范围内均有烃氧化菌存活；硫酸盐还原菌种类繁多，硫酸盐还原是主要的厌氧过程，通过这一过程，原油中的有机组分被转变；甲烷生成菌主要包括甲烷杆菌和甲烷八叠球菌[4]。典型内源微生物生理群及相应部分微生物有：烷氧化菌（Micrococcus sp.、Arthrobacter sp.、Rhodococcus sp.、Halobacterium sp.、Bacillus thermoleovorans）；硫酸盐还原菌（Desulfotomaculum nigrificans、Desulfovibrio vaculatus、Desulfacinum subteeraneum）；甲烷生成菌（Methanobacterium bryantii、Methanobacterium formicicum）

相对于外源微生物采油技术，内源微生物采油技术具有现场施工操作简单、无需地面大规模发酵培养、运输便利、安全、对环境无污染等优点。但目前本源微生物驱油技术还不成熟，室内研究还停留在机理研究阶段，矿场试验规模小。理论研究的重点大都放在好厌氧两段驱油机理的解释和论证上，对营养激活剂研究还没有取得重大突破，驱油的数学模型还不健全[5]。

2、异（外）源微生物采油

外源微生物采油即将地面培养的微生物菌株或孢子与营养物一起注入地层，菌种在油藏中繁殖、生长，产生大量代谢物如酸、低分子量溶剂、表面活性物质、气体、生物聚合物等，增加地层出油量，达到提高采收率的目的。通常包括单井周期性源微生物采油和微生物强化水驱，前者包括微生物吞吐采油、微生物清防蜡、微生物酸化压裂等，主要针对油井；后者包括微生物驱油、微生物选择性封堵、微生物深部调剖、微生物循环水驱以及生物工艺法采油（注生物表面活性剂和生物聚合物）等，主要在注水井上进行[4]。

外源微生物采油与内源微生物采油所不同的地方是，外源微生物采油所运用的微生物并非油藏中所固有的微生物，而是在地面培养和选育，经分离驯化、改良获得性能优异的菌种。将这些改良后的菌种与必需的营养物质一同注入油藏中，利用微生物的滋生活动而达到提高石油采收率的目的。外源微生物采油过程中，可以产生表面活性剂的菌种主要包括芽孢杆菌（Bacillus sp.）、假单胞菌（Pseuomonas sp.）、节杆菌（Arthrobacter sp.）、分枝杆菌（Mycobacterium sp.）和丁酸梭菌（Clostridium sp.）、微球菌（Micrococcus sp.）、棒杆菌（Corynebacterium sp.）等[6]。其中，研究最多的是假单胞菌和芽孢杆菌。部分生物表面活性剂及其产生菌有：脂肽（Bacillus subtilis、Pseuomonas XD-1、Bacillus pumilus、Candida lipolytica）；海藻糖脂（Corynebacterium spp.、Mycobacterium spp.）；鼠李糖脂（Mycobacterium spp.）；槐糖脂（Candida bogoriensis）；脂多糖类（Pseudomonas spp.、Candida lipolytica）；磷脂（Acinetobacter spp.）；脂肪酸（Arthrobacter paraffineus、Nocardia erythropolis）。endprint

外源微生物进入地层后将发生以下变化：第一，大多数微生物因不能适应地层中的高温、高压、厌氧环境，这类微生物很快丧失生命活性变成死细胞物质，死的微生物细胞只相当于微粒在多孔介质中运移。第二，微生物进入地层后很快发生生理变化，由细胞体形成芽孢，多数耐热芽孢杆菌都具备这个特性。第三，微生物进入地层后，不久就适应了地层环境，并利用地层环境中一切可能利用的条件进行生长代谢甚至繁殖，但由于微生物生长所需要的营养物质在地层中含量极少，要依靠注入水不断从地面带入营养维持生存，造成了注水井近井地带极易堵塞[7]。因此，复杂的油藏环境条件、油藏性质、矿物岩石组分、油藏液体、地质化学作用等能够对微生物的生长、繁殖、代谢影响颇大，造成了外源微生物采油效果不稳定。提高外源微生物采油效率的前提是保证外源微生物在地层油藏中的生长繁殖及有益代谢，其本质是要解决外源微生物在油藏的高温、高压、高盐和厌氧等逆境下的生长繁殖及有益代谢。

3、采油微生物保护剂

微生物在逆境尤其是高渗条件下，细胞内的水溢出而引起膨压减小，细胞体积缩小，胞内水活度下降。此时微生物在胞内积累小分子溶质（相容性溶质），如糖、多元醇、甜菜碱、氨基酸及其衍生物等，以提高细胞内水活度，使细胞的体积和膨压达到正常水平[8]。通过这类溶质的高浓度积累，可使细胞在高渗冲击下内外渗透压达到平衡，且不妨碍细胞正常的代谢活动，因而这类溶质被称之为相容性溶质。

国内外关于相容性溶质对DNA、酶、蛋白质甚至整个细胞在逆环境下的保护作用已有研究报道[9]，天然甜菜碱是微生物处于高渗（如高盐等）环境中时产生的相容性溶质之一。近年来，甜菜碱类表面活性剂在石油开采中的应用受到了关注，大庆油田的研究结果表明，甜菜碱与大庆原油可以在无碱条件下达到超低界面张力，从而作为低渗透油田以及普通水驱油藏和聚合物驱后提高采收率的方法[10]。甜菜碱类表面活性剂的应用为外源微生物采油的深入提供了新思路，即甜菜碱和与之具有相类似功能的相容性溶质（如海藻糖、甘油、四氢嘧啶等）作为外源采油微生物的细胞保护剂，与外源采油微生物按一定配比用于微生物采油。保护剂的成功运用将对于稳定外源采油微生物在油藏的高温、高压、高盐和厌氧等逆境下生长繁殖及有益代谢，进而提高原油采收率具有重要意义。

结语

微生物采油技术与其它三次采油技术相比较，具有无可比拟的优势。其高效、低能耗、低成本、无二次污染、无地域限制的特点，使之有望成为将来提高原油采收率的主要关键技术之一。内源微生物可通过基因工程手段进行菌种改良，应用于高温、高矿化度及稠油开采。外源微生物可通过添加保护剂或与产保护剂菌种配伍，应用于高温、高盐、高压、厌氧的逆环境油藏。MEOR技术经历了几十年的研究，取得了令人瞩目的成绩，内、外源微生物采油结合不断更新的技术深入开展研究，其应用前景定会更加辉煌。

【参考文献】：

[1] Lazar， I.， I.G. Petrisor， and T.E. Yen， Microbial enhanced oil recovery （MEOR） [J]. Petroleum Science and Technology， 2007. 25（11-12）： p. 1353-1366

[2] 雷光伦. 微生物采油技术的研究与应用 [J].石油学报，2001，22：56-61

[3] 武春彬，俞理，黄立信. 本源微生物采油研究现状 [J]. 西安石油大学学报（自然科学版），2007，22：97-99

[4] 彭玉生. 微生物采油基础及进展[M].石油工业出版社，2005

[5] 张廷阁. 本源微生物激活体系研究 [D]. 硕士学位论文，2006.

[6] 吕应年，杨世忠，牟伯中.脂肽类生物表面活性剂的研究进展 [J]. 生物技术通报，2004，6：11-16

[7]刘保磊，俞理， 黄立信， 等. 不同采出程度下微生物采油效果分析[J]. 科技导报， 2010， 28：67-70

[8] Wood JM. Osmosensing by bacteria： signals and membrane-based sensors [J]. Microbiology and Molecular Biology Reviews， 1999， 63：230-262.

[9] Kolp S， Pietsch M， Galinski EA， et al. Compatible solutes as protectants for zymogens against proteolysis [J]. Biochimica et Biophysica Acta， 2006， 764：1234-1242.

[10] 白術波， 王彦伟. 甜菜碱表面活性剂的合成及在三次采油中的应用 [J]. 科技创新导报， 2011， 19： 49-50.endprint