铁还原菌提高低渗透油藏采收率的研究进展

黄卫红，张沛琳，樊海涛，李 丽，邹俊刚，种新明，罗一菁

(1．中国石油新疆油田分公司采油一厂，新疆 克拉玛依 834000；2．中国石油大学(北京)化学工程与环境学院，北京 102200；3．中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000)

石油在全球经济贸易中有着不可替代的重要作用，随着石油在能源战略中地位的不断提高，开发原油开采新技术、提高原油采收率越来越受到研究者的重视。目前在提高原油采收率研究中，国内外学者多关注于高渗透油藏的二次甚至三次开采，而对低渗透油藏的研究并不充分。实际上，低渗透油藏从储量上并不逊于其它类型的油藏，具有不可估量的开发潜力。据统计，2015年我国勘探出的低渗透油藏储量高达1.65×1010t，占已勘探总储量的54.27%[1]。目前我国老油田中高渗透油藏的开发处于不断衰退的阶段，因此，如何有效开发利用低渗透油藏、提高低渗透油藏采收率，成为当前急需解决的问题。

1 低渗透油藏的特点及开采面临的主要问题

低渗透油藏一般是指空气渗透率低于0.05 μm2的油藏，具有孔径小、毛细效应明显、均相性差、液体流动性差等特点，存在开采难度大、开发利用率低等问题。传统的低渗透油藏开采技术有超前注水、压裂、化学与微生物采油相结合等[2]。其中超前注水技术由于具有成本低、可操作性强等特点，成为我国低渗透油藏开采的主要方法。

地层堵塞是由潜在损害因素和地层自身外部因素的共同影响造成的[3]。在低渗透油藏地层中，蒙脱石岩层吸水膨胀明显，导致原本就狭窄的孔径进一步缩小，流体的流动性和储层的渗透能力也随之下降；而应用较广泛的水驱采油技术则会使得孔道围压升高，使油藏陷入无法继续注水开采的困境，进而加剧了油藏开采效率的下降。若采取增压增注的方法，不仅会对地层造成不可恢复的伤害，而且由于压力增大，岩层裂缝增多，会出现严重的水窜现象，造成水资源的浪费，不能从根本上解决低渗透油藏地层堵塞的问题。因此，如何有效解决地层堵塞成为提高低渗透油藏采收率的重点。

2 低渗透油藏解堵技术及局限性

油藏解堵技术主要分为物理法、化学法和生物法等三大类。其中物理法主要包括振动法、高压注水法、超声波法等，此外，利用高频电磁波改变油藏渗流状态的高频脉冲电渗流技术，作为油藏解堵的新型物理手段已经在某些油田进行了先导性试验，并取得了较好的效果。化学法主要有酸化解堵法、热化学解堵法、防膨剂法、氧化解堵法等，针对低渗透和特低渗透油藏，酸化解堵法和防膨剂法的应用最为广泛，且在现场试验中已经积累成一套相对成熟的操作体系。作为一种新颖的油藏解堵方法，生物法近年来受到国内外研究者的广泛关注，主要包括两种：一种是由美国最先提出并在委内瑞拉等国家得到现场应用的生物酶解堵法[4]，该方法利用以生物酶为主的多元生物化合物，通过影响岩石表面碳氢化合物来改变岩石润湿程度，降低原油黏度，进而提高原油采收率；另一种是处于起步阶段的微生物法，将微生物直接或间接作用于油藏储层，通过改变储层岩石结构或影响储层生物群落结构来提高原油采收率。微生物法具有成本低、适应性强、可改变油藏孔道流动阻力等特点，逐渐成为低渗透油藏解堵的新思路。

综上，适用于低渗透油藏解堵、提高采收率的方法主要是酸化解堵法、防膨剂法和微生物法。

2.1 酸化解堵法

酸化解堵法具有成本低、操作简单的特点，是国内外低渗透和特低渗透油藏解堵的主要方法。实际应用中，应根据油藏不同的地层特征和储层条件，采取不同的酸化解堵手段。根据酸液体系来划分，目前国内应用效果较为显著的有：用于近井地带的土酸体系、用于多层系油井的混合分层酸体系、用于特低渗透油藏的泡沫酸体系以及逐渐发展起来的多氢酸体系[5]。常规酸液体系(土酸、盐酸体系)的防膨率约为60%[6]。此外，表面活性剂和酸液体系复配、缓蚀剂和酸液体系复配、多元复合酸液体系等新兴手段也在不断发展完善中，其中，多元复合酸液体系在现场试验中的防膨率可达90%[6]。

无论是常规酸化解堵手段还是新的复配酸化解堵手段，其效果持续时间短，对地层和环境造成的伤害不容忽视，应用于低渗透油藏均存在以下问题：

(1)加速设备腐蚀和老化

酸化解堵是将酸液体系注入油井以达到溶解岩层膨胀粘土、疏通堵塞的目的，在此过程中，酸液体系与设备接触，会对设备尤其是金属设备造成腐蚀，加速设备的老化，增加了维护成本和人工管理费用。

(2)地层伤害

在注入酸液体系后，酸液在腐蚀水化膨胀的粘土的同时，也会腐蚀地层中的其它岩层。因为酸液无法选择性地作用于目标岩层，因此酸液体系对地层的伤害是不可避免的，同时也是难以修复和逆转的。如我国定边油田某油井注水伤害后的电测解释泥质含量达到66%[7]。

(3)二次污染

酸液体系注入油井后，会沿着缝隙扩散到各处，对当地的植被、生物种群等产生影响；残余的酸液会渗入到地下水体，对当地的生态系统造成二次污染。

2.2 防膨剂法

但是，防膨剂防止或减少粘土膨胀的手段往往存在时效性较短的问题。油藏地层环境复杂，防膨剂注入地层后只能在短时间内起到作用，由于地层中各种物质的作用和破坏，防膨剂的作用和活性会随着时间的延长逐渐衰减。为保证粘土膨胀持续被抑制，只能不断补注防膨剂，使得现场运营和管理成本增加。因此，利用微生物及其代谢产物抑制粘土水化膨胀的思路逐渐成为低渗透油藏解堵的新重点。

2.3 微生物法

微生物法具有环保、工艺简单、易操作等特点，逐渐应用于低渗透油藏解堵领域。我国利用微生物法提高原油采收率的研究起步较晚，20世纪后期才开始在大庆油田进行微生物驱油试验[11]。当前，微生物法解堵的工作重点在于功能菌的筛选、驯化、作用机理研究和现场应用等方面。研究发现，铁还原菌可以将蒙脱石中的Fe3+还原成Fe2+以改变蒙脱石的晶体结构，抑制其水化膨胀[12]，进而缓解低渗透油藏地层堵塞问题，提高原油采收率。

3 铁还原菌提高低渗透油藏采收率的机制及研究进展

自1987年第一株具有铁还原功能的希瓦氏菌从加拿大油田中被分离出来[13]，人们开始了对油藏铁还原菌的探索研究。随着近代微生物采油技术的发展，铁还原菌在油气田开发领域受到越来越多的关注。铁还原菌对Fe3+的还原能力可以改变蒙脱石的晶体结构，抑制其水化膨胀，进而减少低渗透油藏孔道堵塞，达到缩膨增注的目的。研究发现，铁还原菌在与蒙脱石接触时，蒙脱石水化膨胀受到一定抑制，可能存在以下两种机制：

(1)向伊利石方向转化

由于蒙脱石晶体结构中含有Fe3+，而铁还原菌在与蒙脱石接触时，铁还原菌将Fe3+还原成Fe2+，使得原本含Fe3+的八面体晶体结构遭到破坏，导致晶格中的离子浓度发生不同程度的变化或离子被取代[12,14]。离子的取代促使“三明治”结构层间产生更多负电荷，从而吸引周围岩层环境中更多的K+来平衡多余的负电荷。根据束状晶体交叉生长机制，由于K+、Al3+的带入和Fe2+、Mg2+、Si4+的带出形成蒙脱石-伊利石混合层矿物[15]，逐渐向伊利石方向转化，进而减少蒙脱石水化膨胀。

(2)二次结晶生成次级矿物

在铁还原菌作用下，矿物晶格结构发生破坏和坍塌，硅氧四面体中的Si4+以及铝氧八面体中的Al3+不再受晶体结构束缚，被释放出来；游离态的Si4+、Al3+以及Fe2+与其它离子重新结合，经二次结晶生成新的次级矿物，其透水性较蒙脱石大大减弱。伴随着新的次级矿物的生成，蒙脱石结构中层间的阳离子浓度降低，层间水分子被排出，整体表现为蒙脱石膨胀缩小。

在利用铁还原菌抑制低渗透油藏粘土水化膨胀的研究中，研究人员提出了两种提高采收率的方法：一种是向油藏中注入激活剂，刺激本源微生物的生长繁殖[16]，来达到减少粘土水化膨胀的目的；另一种是从不同油藏中针对性地筛选出目标铁还原菌，在实验室培养繁殖后，将菌液注入低渗透油藏中[17]。这两种方法都是基于本源微生物进行研究和应用，没有引入新的微生物种群，对环境和地层的伤害最小。此外，本源微生物在油藏中的存留时间长，相对于其它化学方法，其时效性也更长。

铁还原菌除了能提高低渗透油藏采收率外，还具有其它潜在的应用价值。张涵等[18]研究发现，铁还原菌可以在厌氧条件下降解石油烃类物质，如甲烷、芳香烃等，颠覆了传统理论中石油烃降解需要消耗氧气的认知，在环境保护和减少温室气体排放等方面具有十分重要的意义。

微生物解堵技术通过筛选、分离本源微生物，利用微生物自身作用和代谢产物作用，改善油藏渗透率，提高流体流动性，降低液体黏度，已在我国低渗透油藏进行了现场应用。优选的微生物解堵体系在鄂尔多斯盆地某特低渗透油藏油井的现场试验效果良好，解堵率近90%[19]；从大庆油田低渗透油藏中筛选出目标菌种，利用营养缺陷培养法制得超小微生物，将超小微生物作用于特低渗透油藏，提高了近井地带的渗透率，油井平均日产液量和产油量均有明显提高，增幅分别超过40%和50%，含水率则降低1.3%[20]。

目前，虽然关于微生物缩膨增注技术的研究较多，但针对铁还原菌的研究较少，与石油领域相关的也多限于利用铁还原菌降解石油烃物质的研究，目前仅有Cui等[14]利用铁还原菌提高原油采收率的研究。刘邓[21]研究发现，半胱氨酸或者胱氨酸可作为“电子穿梭体”促进异化铁还原菌对绿泥石的还原，同时还可推动蒙脱石以纳米聚集的形式向伊利石方向转化。

我国新疆油田率先开展利用铁还原菌实现低渗透油藏缩膨增注的先导性现场试验，以车60、车362等区块采出液中的本源微生物群落为基础，筛选出具有缩膨功能的铁还原菌，通过激活、驯化、复配，使目标菌群实现功能最大化，进而达到低渗透油藏缩膨增注的目的，提高原油采收率。

4 结语

目前，关于油藏中铁还原菌的研究和应用尚处于探索和起步阶段。从低渗透油藏采出液中筛选出本源铁还原菌，作用于水化膨胀的粘土层，实现缩膨增注的目的，由于没有引入新的菌种，不会对地层微生物群落造成影响和破坏。此外，相比于传统的酸化解堵法，铁还原菌通过改变粘土层中岩石结构来抑制其水化膨胀，不对地层其它成分造成伤害，也不会产生二次污染，且成本更低、时效更长，是一种绿色且对环境友好的方法。油藏给本源微生物提供了相对适宜的生长环境，有缩膨功能的铁还原菌可在油藏中存活较长时间，比酸化解堵法的时效更长。此外，本源微生物和油藏的配伍性远高于化学抑制剂或其它来源微生物。可见，利用本源微生物解决地层堵塞问题是目前提高低渗透油藏采收率的最行之有效的方法之一。未来可以通过探究不同地区、不同类型的低渗透油藏中的铁还原菌种类，找到一种或多种适应性较强的功能菌或功能菌群，对其进行驯化或基因功能改造使其适用于多种低渗透油藏，有可能会推动提高低渗透油藏采收率的革新浪潮。