大庆油田微生物采油技术研究及应用

侯兆伟，李 蔚，乐建君，金 锐，窦绪谋

（1.国家能源陆相砂岩老油田持续开采研发中心，黑龙江大庆 163412；2.中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163412；3.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）

微生物采油是一项利用微生物代谢产物和微生物自身活动来增产或提高采收率的采油技术，具有适用范围广、工艺简单、成本低、绿色无污染等优点［1-4］。自20 世纪60 年代以来，在大庆油田一直开展微生物采油技术研究，是中国率先开展微生物采油现场试验的油田，1990 年在其中区东部油水过渡带的稠油区进行了2 口井的微生物吞吐试验，累积增油量为1 468 t［5］，但所用碳源为糖类等碳水化合物，成本较高。“九五”期间开展了以原油烃为碳源的微生物菌种筛选研究，实现了碳源由碳水化合物向碳氢化合物的转变［6］，先后筛选出具有降解、产表面活性剂等功能的系列菌种200 多株。2007 年以来，针对微生物摄取、降解原油机理开展研究，明确了微生物趋向原油和降解原油的方式及影响因素［7-8］。在室内研究的基础上，成功开展了低渗透油藏外源微生物驱和聚合物驱后油藏内源微生物驱现场试验，并取得了较好的应用效果［9-11］。

1 微生物的原油趋向性机理

在微生物采油技术的应用过程中，微生物趋向原油的方式、趋向原油过程的调控对其发挥采油作用至关重要［12-14］。

1.1 用于趋向性研究的微生物选择

实验室筛选出具有良好降解烃及产表面活性剂能力的用于趋向性研究的采油菌株7 株（表1）。挑取采油菌株单克隆于肉汤培养基中活化，以体积分数为5%的接种量接入无机盐培养基中，45 ℃震荡培养5 d，制备种子液。将种子液以体积分数为5%的接种量接入原油培养基中，45 ℃震荡培养5 d，观察采油菌株对原油的作用效果，并采用红外分光测油仪测定菌株对原油的降解率。由实验结果（表1）可以看出，所选菌株均可以不同程度地乳化降解原油，作为采油菌株具有较好的代表性。

1.2 微生物趋向原油的方式

为研究微生物趋向原油的方式，建立了96孔板宏观模型和凹陷显微玻片微观模型，其中96孔板宏观模型是将96孔酶标板四周密封，形成一个由酶标板上、下层之间构成的空间，在顶盖的两端钻孔，分别加入菌液及原油，将模型放至该菌最适宜温度培养8～24 h后，在酶标仪中测量光密度（OD）值，利用酶标板剩余92个孔的OD值绘制微生物趋向原油的运动趋势图。凹陷显微玻片微观模型是利用单凹载玻片制片法，建立一个微观可视化空间，通过显微镜下细菌运移情况的观察，研究微生物以原油为碳源的趋向性运动规律。由于大部分细菌可以对多种引剂产生趋向性，因此，研究采油菌株对多种引剂的趋向性有助于进行细菌趋油性的横向对比评价。通过实验研究了采油菌株对碳源、氮源、生长因子、无机盐等的趋向性，细菌对引剂的趋向性具有选择性，且这种选择性从易到难，细菌首先趋向能量效率最高的引剂并加以利用，实验结果反映出菌株对多种引剂的能量依赖性程度。利用这2种模型对微生物趋向原油过程中细菌浓度、趋向性系数以及代谢产物的变化进行研究，得出主动趋向原油、黏附原油和产表面活性剂乳化原油共3 种微生物趋向原油的方式（图1）。

表1 用于趋向性研究的采油菌株及对原油的乳化降解作用效果分析Fig.1 Analysis of oil production strains used for chemotaxis study and their effect of emulsification and degradation for crude oil

图1 3种微生物趋向原油方式Fig.1 Three migration modes of microorganisms to crude oil

主动趋向原油的微生物的趋油能力主要表现在微生物浓度相对于原油的空间变化，该种微生物趋向原油具有明显的趋化带和趋油梯度，且受氧含量、运动缓冲液和矿化度等条件的影响。其中运动缓冲液（KH2PO4∶Na2HPO4=1∶1）有利于细菌保持良好的运动性，从而增强细菌的趋油性，使细菌在原油周围形成趋化带，采油菌与原油的密切接触促进了对原油的降解。以黏附原油方式趋向原油的微生物，其趋油能力主要表现在不同的生长周期微生物细胞表面的疏水性不同，疏水性越强，越易发生趋向；黏附原油主要依靠微生物细胞表面的疏水性物质，其疏水性有利于微生物在原油表面黏附聚集，添加表面活性剂等营养物质，可以较好地促进该种微生物繁殖并协同表面活性剂黏附原油。通过研究发现表面活性剂对细菌本身没有激活作用，而是通过乳化原油增加了细菌与原油的接触机会，而接触的增加源于细菌的趋油性及黏附作用。在该过程中，表面活性剂乳化原油，使其亲水性增强、溶解度增加。依靠产生表面活性剂乳化原油的微生物，其趋油能力主要表现在产生的表面活性剂的质量浓度的高低；通过优化培养条件，提高微生物自身表面活性剂的产量和速率，能够加速微生物在原油表面的聚集。

2 微生物降解原油机理

大庆油田的原油含蜡量高，为凝点高的石蜡基原油，高碳烷烃和芳香烃对黏度的影响较大。利用氢放射性同位素氘对石油烃组分进行标记，通过降解过程中的中间代谢产物的气相色谱-质谱和同位素标记物检测分析，可以阐明微生物降解多环芳香烃的机理及途径。

2.1 微生物降解芳香烃（芴）中间代谢产物鉴定

利用微生物DQ8（铜绿假单胞菌）进行芳香烃（芴）的降解实验。将芴降解1 d 后的样品进行气相色谱检测，结果显示，中性样品中出现多个峰，而未衍生的酸性样品峰很少，且中性样品中多种物质在酸性样品中未出现，可见气相色谱检测的方法对代谢物中的酸性和中性样品具有很好的分离能力。

将微生物降解芳香烃（芴）的中性样品进行质谱鉴定，得到中间代谢产物Ⅰ，Ⅱ和Ⅵ（图2），其中Ⅰ为代谢底物芴的质谱检测结果，与数据库中标准样品的质谱检测结果吻合很好；芳香烃（芴）降解1 d后，酸性样品甲基化衍生后气相色谱检测到中间代谢产物Ⅲ，Ⅳ和Ⅶ（图2）。质谱鉴定结果验证了酸性样品甲基化衍生后气相色谱检测的方法可以较好地将代谢产物中的中性样品和酸性样品分离，增强了酸性样品衍生物检测的针对性，为后续研究打下了良好的基础。

图2 微生物DQ8降解芳香烃（芴）中间代谢产物Fig.2 Microbial metabolites of fluorene by microorganism DQ8

利用氘代芴进行降解实验及中间代谢产物鉴定实验。通过休止细胞反应，从反应体系中鉴定得到3 种降解产物，从中性样品中鉴定出D-9-芴醇，从酸性样品中鉴定出羧基甲基化的茚酮乙酸和茚酮丙酸。这3种代谢产物与非同位素标记化合物代谢中间产物一致。

2.2 微生物降解芳香烃（芴）途径

降解过程中间代谢产物鉴定和同位素标记代谢产物检测结果表明，微生物降解芳香烃（芴）存在2条代谢途径：一是9位两步单加氧反应生成9-fluo⁃renone；二是3，4位双加氧，然后开环，经过连续两步氧化，然后氧化脱羧、氧化开环生成反式-2-羟基肉桂酸，表明实验菌株对多环芳香烃氧化开环后产物进一步脱羧降解的过程为α-氧化方式［15-16］。

为了进一步探讨微生物驱油机理，在对微生物作用前后单一烷烃和芳香烃分析的基础上，建立了乙醇-氢氧化钠-正己烷萃取体系，对原油中极性含氧化合物进行了提取分离，甲酯化后，采用气相色谱-质谱检测方法对菌株DQ4 和HT 降解原油后的油相和水相提取物中酸、醇等物质进行了分析。结果显示：油相中脂肪酸由作用前的7 种分别增至17和24 种，质量分数由作用前的1.05%分别升高至60.05%和61.02%，2 种菌株作用大庆油田原油后都有新的醇产生，且新产生的醇相近，均以一元醇为主，碳数在20以下；水相中检测到乙酸、丙酸、丁酸、异戊酸4种有机酸。原油中极性含氧化合物的分析结果进一步验证了微生物降解烷烃和芳香烃途径的判断。

3 应用实例

基于微生物原油趋向性机理和降解原油机理，结合低渗透和聚合物驱后油藏特征，研制出适合大庆油田油藏条件的微生物吞吐技术、外源微生物驱技术和内源微生物驱技术，并开展了现场试验。

3.1 微生物吞吐技术

微生物吞吐技术是大庆油田单井增产增注措施。自2001年以来，针对由于近井地带堵塞导致供液不足、产量递减快以及采油速度低的油井，筛选出以无机氮、磷为主要营养物的短短芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌。微生物吞吐技术采用移动式撬装注入方式，利用环套空间将配伍菌菌液和营养物注入到采油井井底，先后在外围低渗透油田进行了93口井的微生物吞吐试验，总成功率为74.2%，平均单井增油量为149 t，累积增油量为1.39×104t（表2），吨增油菌液和激活剂成本为300元。

表2 大庆油田微生物吞吐试验Table2 Field tests of microbial huff-n-puff in Daqing Oilfield

3.1.1 解决近井堵塞

微生物吞吐技术可以减少近井地带污染并增加原油流动性，有效地解决近井堵塞。以朝阳沟油田朝72-76 井为例，该井于2003 年采取微生物吞吐措施，共注入微生物菌液量为4.5 t，吞吐前平均日产油量为3.0 t/d，吞吐后平均日产油量为7.1 t/d，阶段累积增油量近200 t。在吞吐前测压时，利用压力恢复曲线参数解释的表皮系数为2.56，井底污染严重。采取微生物吞吐措施1 个月后的表皮系数为-1.44，近井地带阻力明显降低，渗透率由10.9 mD 增至12.5 mD，说明微生物能够减少油井近井地带的污染。油井朝61-杨121实施微生物吞吐后，在微生物的作用下原油含蜡量下降了35.3%，含胶量下降了36.4%，产出液界面张力下降了40%，使得该井原油的流动能力显著增强；吞吐后，平均日产油量从0.4 t/d 增至5.2 t/d，平均含水率由95.6%下降至29%，阶段累积增油量达556.7 t［17-18］。

3.1.2 单井多轮次周期应用

2003年对朝阳沟油田前期微生物吞吐见效的4口井实施第2 轮吞吐，取得与第1 轮吞吐相当的增油效果，表明单井微生物吞吐技术可以作为一种增产措施在同一口油井多次应用。其中，油井100-66在施工后开井初期产液量大幅度上升，第1 轮吞吐后日增油量为0.9 t/d，阶段累积增油量为92.5 t；第2轮吞吐后日增油量为1.5 t/d，阶段累积增油量为291.9 t；第2 轮吞吐效果明显好于第1 轮吞吐效果（图3）。因此，针对微生物吞吐有效周期过后出现含水率增高、水驱低效及无效的油井，单井微生物吞吐技术可以作为一种增产增注措施多次应用。

图3 朝阳沟油田100-66井产液动态分析Fig.3 Dynamic fluid production of Well100-66 in Chaoyanggou Oilfield

3.2 外源微生物驱技术

针对大庆油田外围油田储层渗透率低、储量丰度低和油井产量低等开发问题，利用复配外源微生物的降黏和产表面活性剂等机理，先后在朝阳沟油田进行了2 注10 采先导试验和9 注24 采扩大微生物驱试验。2004年开展2注10采先导试验，至2009年7 月底，10 口油井中有7 口见效，试验区含水率由46.8%降至最低的40.3%，月产油量由361 t/月最高上升至843 t/月，阶段累积增油量为1.45×104t。在先导试验成功的基础上，2009 年实施扩大微生物驱试验，全区日产油量从32.4 t/d最高上升至49.6 t/d，截至2018 年，在注入量仅为0.03 PV 的条件下，累积增油量为6×104t，采收率提高4.95 个百分点，吨增油菌液和激活剂成本为557 元。自2000 年以来，朝阳沟油田朝50 区块的动态数据统计结果显示（图4），微生物驱技术可以有效减缓产量递减趋势，是特低渗透油田改善开发效果的有效方法［19-20］。

图4 朝阳沟油田朝50区块微生物驱试验产量变化Fig.4 Oil production during microbial flooding tests in Block Chao50 of Chaoyanggou Oilfield

3.2.1 具有较好的油藏适应性和驱油能力

对微生物注入前后油井采出液微生物浓度进行检测，注入前油井采出液微生物浓度为103～104个/mL，见效油井采出液微生物浓度一直保持在106个/mL 左右，说明微生物在地层中繁殖生长，具有较好的油藏适应性，且从注入井穿过整个油层到达油井的产出端。

室内对比油藏条件下微生物作用前后原油变化情况发现，试验区微生物作用后平均地层原油黏度由94.3 mPa·s 降至76.0 mPa·s，油水界面张力由46.3 mN/m 降至39.8 mN/m。正构烷烃气相色谱检测结果显示，原油中的低碳组分增加，中高碳数烷烃减少，说明外源微生物在地层中能够有效降解原油的重质组分，代谢产生活性物质。同时外源微生物能够改善油层的吸水效果，动用程度提高。注入微生物后，试验区油层新增4个吸水层，油层吸水厚度增加8.1 个百分点，注入的外源微生物在油层中有效地发挥了作用。

3.2.2 注采关系是影响效果的主要因素

从整个试验区各油井见效时间来看，沿主河道砂体和裂缝发育方向油井见效早，增产效果最为明显，微生物更多地随着注入水进入到吸水能力较强、含水率较高的主力油层。例如61-121井注入微生物3 个月后见效，在产液量未见显著变化的情况下，日产油量由试验前的0.72 t/d 上升至2.31 t/d，含水率由80.4%下降至45.9%（图5）。与之相比，处于非裂缝发育方向、含水率低且吸水状况差的砂体边部以及二类油层的油井则见效较晚，例如66-126井2009 年9 月开始注入微生物，2010 年7 月产量才出现上升，见效时间为10个月左右。

图5 朝阳沟油田61-121井产液动态分析Fig.5 Dynamic fluid production of Well61-121 in Chaoyanggou Oilfield

针对上述情况，为增强油井吸水能力，改善注采关系，对微生物驱试验区部分位于砂体边部的含水率低的油井进行微生物吞吐，均取得良好的增油效果。例如62-120井前期增产效果不明显，日产液量为2.1 t/d，日产油量为1.5 t/d，含水率为29.4%，2010年10月实施单井微生物吞吐后，日产液量和日产油量分别上升至4.49 和2.7 t/d，含水率上升至38%，并且一直保持较高的产能状态，至2014年6月日产油量仍为2.5 t/d 左右（图6）。考虑到单井微生物吞吐的有效时间一般为3～9个月，认为该井增产效果主要是微生物驱作用。因此，在低渗透油田可以考虑微生物驱与压裂等措施结合应用，以取得更好的效果。2017 年5 月朝50 区块的产量仍保持在十年前水平，表明微生物驱技术可以作为外围油田提高采收率、控制产量递减的有效方法。同时微生物驱作为一种以水驱为载体的三次采油技术，注入的微生物菌液主要沿水线方向推进，试验效果仍受注采关系和连通状况的影响。

图6 朝阳沟油田62-120井产液动态分析Fig.6 Dynamic fluid production of Well62-120 in Chaoyanggou Oilfield

3.3 内源微生物驱技术

大庆油田聚合物驱工业化应用的动用储量达10.45×108t，平均采出程度为56.7%，进入后续水驱的地质储量为7.86×108t，具有进一步提高采收率的巨大潜力，是油田持续开发的优质资源。自2007年以来，开展了不同类型油藏内源微生物群落研究，显示聚合物驱后油藏具有丰富的微生物资源［21-22］，适合开展内源微生物驱油［23-24］。针对聚合物驱后剩余油无法有效驱替的问题，利用微生物驱的产气、降黏和产表面活性剂机理，进一步提高聚合物驱后油藏采收率，自2011年开展了萨南油田聚合物驱后油藏1 注4 采的2 轮内源微生物驱试验（图7）。从2011 年12 月开始分2 个周期共计注入激活剂0.05 PV，试验区日产液量由482 t/d 最高增至560 t/d，日产油量由18.1 t/d 最高增至31.5 t/d，综合含水率由96.2%下降至93.9%，累积增油量为6 243 t，采收率提高3.93 个百分点，吨增油激活剂成本为643 元。现场试验效果证实，利用微生物驱技术进一步提高聚合物驱后油藏采收率具有可行性［25］。

图7 萨南油田内源微生物驱试验区生产动态变化Fig.7 Oil production during endogenous microorganism flooding tests in Sanan Oilfield

试验区微生物菌群结构的动态变化研究结果表明，激活3～5 个月后油藏微生物的种类逐渐减少，4 口采油井N2-D3-P40，N2-D2-P40，N2-2-P141 和N2-2-P140 具有降解和产气功能的目标菌陶厄氏菌属和具有产表面活性剂能力的目标功能菌数量增加，主要目标功能菌群被有效激活，成为油藏优势菌群。古菌含量在激活前后的变化较小，优势古菌为具有产气功能的甲烷丝状菌属和甲烷微菌属。

激活后的内源微生物产生大量生物气，随着激活剂注入呈现明显的两阶段产气特征。第1阶段产气量大、周期短，以微生物降解原油代谢产生的二氧化碳气为主；第2阶段产气相对缓慢，气体主要为厌氧甲烷菌作用后的甲烷气。第1轮激活剂注入压力升高2.2 MPa，第2 轮压力升高2.6 MPa，产气是激活油藏内源微生物驱油的重要机理之一［26］。

4 结论

针对大庆油田研究出不同微生物趋向原油的方式以及关键影响因素，明确了微生物降解原油的途径。在机理研究的基础上，筛选出适用于大庆油田外围低渗透、老区高含水率及稠油过渡带、聚合物驱后等不同类型油藏的微生物，为不断提高微生物采油技术的实施效果，进而指导现场应用奠定了基础。针对大庆油田低渗透和化学驱后油层开展微生物采油技术研究，对于油层发育好、微生物丰度高的长垣油田老区聚合物驱后油藏，应充分发挥内源微生物成本低的优势，以内源微生物驱为主；对于微生物种类少、部分采油功能菌缺失的外围油田，在充分利用油藏内源微生物的基础上，应补充相应的外源菌，采用内、外源微生物驱技术相结合的方法。已开展的外围特低渗透和聚合物驱后油层先导性试验均取得较好的开发效果，经济效益突出，为中外同类型油藏利用该技术提供了重要的借鉴。针对大庆油田将进一步研发高效微生物驱油体系，不断扩大微生物采油技术在外围油田、化学驱后油藏的应用规模。