微生物驱油技术综述

摘要相对于常规提高采收率技术, 微生物采油有 2 个优点, 即微生物不会消耗大量能源且其使用与油价无关。微生物能以油藏里的物质为营养代谢, 在发酵过程中排出生物气, 占据部分储层空间, 或形成人工气顶。微生物还可以堵塞油层的高渗透通道。微生物在油藏整个水相里都发挥作用, 包括水与岩石界面和油水界面, 并可以受控地在分子和孔隙微观水平上连续产出气体、溶剂、表面活性剂以及其他生物化学剂，驱替石油。日本和中国用优选的微生物菌种注入油藏进行矿场试验, 结果提高采收率15 %～23 % 。但是微生物采油也有一些局限性, 所以应该加强目前进行的微生物驱油模拟研究, 确定最好的菌种、营养物、代谢和生理特征, 使微生物驱油开采技术获得较高成功率。

一、微生物采油原理

为了让微生物快速繁殖和生长, 研究人员用各种方法往油藏里注入营养物, 激活这些微生物。有些微生物能以油藏里的物质为营养代谢, 在发酵过程中排出生物气, 占据部分储层空间, 或形成人工气顶。

微生物还可用于堵塞油层的高渗透通道。在多年注水开发后, 注入水会绕过渗流阻力高的含油部位, 沿渗流阻力最小通道流动。微生物数量在这个通道中也很多, 可以在注入水中添加营养物激活微生物。微生物的繁殖造成其数量猛增, 封堵无效循环的水路, 扩大波及体积, 提高注水效率。

大多数微生物具有天然依附于岩石表面的倾向, 不在液体中自由浮动。油藏里, 微生物吸附在岩石表面并繁殖, 产生胞外多糖, 促进了菌体在岩石表面的吸附作用, 形成生物膜, 起到对菌体保护的作用, 并加快细菌更好地利用营养物等资源。随注入水进入油藏的细菌将在原来的生物膜上流过, 有时微生物也会从生物膜中分离出去并与注入水一起渗流, 或者到油藏深部。

从物理化学原理方面看, 促使微生物增长并释放原油的机理与常规EOR 技术基本是一样的。尽管泄油机理相似, 但其他方面却有很大差异。常规的非微生物提高采收率技术是通过井口大量注水, 而微生物在油藏整个水相里都发挥作用, 包括水与岩石界面和油水界面, 并可以在受到控制的情况下在分子和孔隙微现水平上连续产出气体、溶剂、表面活性剂以及其他生物化学剂。这些生物生成物都有已知的泄油机制, 对石油具有化学和物理作用。

二、微生物驱技术分类

微生物可以在油藏中也可以在地面增长。地面培养时, 可以分离和收集微生物的代谢产物, 经过加工和处理再注入到油藏里驱油。

从专业角度来看, 微生物驱油有些类似于地下生物改造作用。注入的营养物与本源或外源微生物一起促进地下微生物的增长和代谢产物, 使更多原油流动, 通过油藏降压作用、界面张力/ 油相降粘以及选择性堵塞高渗区来提高剩余油流动性。另外, 经发酵后的活微生物再注入油藏也能达到增采的效果。

微生物在地下不但要生成原油流动所必需的化学物, 而且要在油藏环境下繁殖增长。在微生物驱油过程中, 要经常注入营养物保持微生物代谢作用, 有时还往油藏注入可发酵的碳水化合物作为碳源。有的油藏还需要无机营养物作为细胞生长的基液或者作为有氧呼吸的另一种电子受体。

三、油藏特征与效果

在注微生物前, 必须确定油藏的特征, 如矿化度、p H 值、温度、压力和营养物情况。岩石性质也很重要。天然裂缝可能改变微生物有效进入油藏的方式。泥质的存在可能会吸收生物聚合物和生物表面活性剂, 影响作用的发挥。碳酸盐会迅速与酸反应, 产生更大量的有利气体, 例如二氧化碳。

只有细菌是微生物驱油的希望之星。由于菌类的原因, 霉菌、酵母、藻类和原生动物等无法在油藏条件下增长。许多油藏的NaCl浓度高, 这就要求使用能够适应这种环境的细菌。在

NaCl浓度高达8%的条件下生成的生物表面活性剂和聚合物能够得以生长并选择性地堵塞砂岩, 造成封塞, 就可以采出更多原油。

没有哪一种微生物驱油方法能适用所有的油藏。有一种成功地利用碳源并适应高温、高压和高矿化度的嗜热微生物驱油法, 所选择的微生物在70～90℃、13.6～17MPa 和矿化度1.3 %～2.5 % 条件下在原油上增长。能在80～110℃条件下生长的极端嗜热厌氧菌已经分离培养出来。

用一维模型对微生物驱油过程进行了模拟。该模型有5个组成部分(原油、细菌、水、营养物和微生物快速繁殖, 代谢产物), 且具备吸附、扩散、趋药性、细菌生长、分解、营养物消耗、渗透率下降和孔隙度降低作用。通过试验与模拟结果比较，证实模拟结果有效并确定其准确程度（平均绝对相对误差8.323％）。结果发现，原油采收率随注人微生物浓度、微生物培养段塞尺寸、培育时间及残余油饱和度而发生变化。

定量模拟微生物在油藏里的生物反应综合了微生物和油藏工程专业知识。应用反应率公式可以了解微生物发挥作用的程度。微生物活跃地区是具有某个半径的生物反应区, 流体在生物反应区的停留时间必须大于反应时间才能发挥作用。要想准确地使用这些模型, 还需要从现场试验中获得更多资料来进一步解释。

微生物驱油过程中会产生不同类型的发酵产物, 比如从原油、烃和各种非烃基液产出二氧化碳、甲烷、氢、生物表面活性剂和多糖。在微生物驱现场试验中经常使用的生物胶是一种微生物聚合物, 是用水溶性基质的聚芳基酰胺作共聚物。生物胶是一种胞外多糖, 分子由许多不同的糖组成, 成分极其复杂, 钻井中用它润滑钻柱、清除井筒岩屑, 而在微生物驱油中, 生物胶用于补偿地层压力下降, 有利于原油生产。

微生物驱油中生物的聚合物性质包括在油藏环境下剪切稳定性、高溶液黏度、与油层水配伍性、不同p H 值下黏度稳定、温度、压力和对生物降解的抵抗力。细菌发酵产生的有机酸会溶解碳酸盐, 大大提高灰岩油藏渗透率。有机溶剂和溶解的二氧化碳可以降低原油黏度, 发酵气体能够恢复油井压力和产生气驱条件, 提高轻质和常规原油的驱替效果和产量。

当油藏渗透性很好而且微生物和生物聚合物封堵了水淹区的时候, 可采出剩余油。把微生物和营养物一起注入油藏、关井, 便于微生物增长、堵塞渗透性高的区域, 然后注水(水驱), 驱动出被捕集在低渗透率部位的原油进入油井。

用微观透明模型模拟富含营养物条件下的生物堵塞作用, 结果表明, 随着微生物流过多孔介质, 在营养物与菌种界面处产生一个生物段塞。营养液浓度高、p H 值高, 会促进段塞形成。以注入营养物为基础在地层生长的微生物有选择性地堵塞油藏高渗透层, 开采水驱不到的残余油。

微生物在油藏里繁殖后的堵塞作用要远远大于其刚刚注入地层在岩石表面累积时的作用。从技术上看, 这个过程比较简单, 并且也很稳定。随着水进入油藏，微生物快速繁殖，转向下一个渗透层流动，从而促进更多的微生物增长。通过营养物的调节可以控制这一过程。

注人的或者在地层中产生的生物表面活性剂有助于原油乳化以及油膜从岩石表面剥离。

日本和中国用优选的微生物菌种注入油藏进行了矿场试验, 结果提高采收率达15 %～23 % 。检测表明, 长链脂肪族烃发生降解, 但是芳香族环形结构没有明显降解。80 年代初微生物驱油技术从实验室起步, 90 年代在中国、美国、澳大利亚、秘鲁、罗马尼亚和俄罗斯开展现场试验, 大部分获得成功。据报道, 这些微生物驱油项目提高采收率各不相同, 从零到13 % 、19 % 、36 % 、50 % ～65 % , 甚至204 % 。除了增加原油产量外, 有的还降低含水率、提高油气比和改善注入能力。虽然微生物驱油潜力巨大, 但现场应用依然有限。这方面, 巴西国家石油公司走在最前面。

仅在美国就已经开展了400 多次微生物驱油现场试验, 多数是单井措施。据不完全统计, 单井日产量可从1.4bbl 增至2.8bbl , 并保持2～6个月。秘鲁最近一次试验显示每桶增加成本

＄1.3～7.92 。

四、微生物驱油的局限

微生物采油也有一些局限性, 尤其在现场应用中涉及包括培养基效果、油藏流体毒性和造成的堵塞。另外采出石油后, 必须分离出微生物生成的物质以及微生物本身, 防止发生进一步生物作用。大部分微生物酶在细胞内, 所以不得不通过相对不渗透的细胞膜才能吸附原油。大分子的烃类不能渗透到细胞膜内, 这就大大减少了微生物降解烃类的范围。另外, 有研究指出油藏微生物增长和菌聚集形成胶团的倾向性, 大大地降低了渗透率, 因而降低了原油产量。

微生物驱油过程可能改变油藏周围环境, 同样对生产设施或地层造成不良影响。如, 某些硫酸盐还原菌能产生H2 S , 腐蚀管线和其他采油设备。这一点从注入富含硫酸盐的水时已经得到普遍证实。在本源脱氮菌群中加入硝酸盐和亚硝酸盐可以抑制这种作用。

尽管有许多微生物驱油现场试验取得了较好的效果, 但其驱油过程仍然有很多不确定方面。如果确定具体目标, 会增加成功几率。微生物井筒处理技术比较简单, 成功率较高。利用微生物就地生成对提高采收率有益的物质, 以及激活这些物质在油藏深部发挥作用是非常复杂的过程。

有效地调控微生物生长和繁殖的环境条件对于其增长很重要, 但控制油藏中的微生物的活动很困难, 此外, 油藏条件不同, 适合各自油藏条件的微生物驱油技术也不同。

五、目前研究区域

微生物增采和作用原油的过程非常复杂, 一般有多种生物化学过程相互作用。微生物或生物聚合物在油藏中的作用有: 堵塞高渗透层并改变水驱方向; 生成表面活性剂, 增加残余油流动力; 产生CO2 或甲烷, 增加气体压力; 消化大分子, 降低原油黏度等。

现在正在进行利用生物技术把煤、页岩油和残余油转化成工业级储量甲烷的研究。油藏微生物转化成甲烷的潜力导致可能在几天内(而不是几百万年内) 大量天然气即可生成。

研究人员一直致力于石油微生物菌种的开发, 使细菌能适应油藏恶劣环境并能够发酵, 发挥微生物提高采收率作用。依靠基因工程开发菌种, 不但能在高温下存活, 而且能依靠低廉的营养物保持其代谢或合成驱油的化学成分, 如表面活性剂等。已有研究人员正在开发依靠廉价的农业生产废物生长菌种的技术。

下面是微生物驱油技术进一步研究的区域:

◇油藏条件下生物表面活性剂与人工合成表面活性剂动态效果对比

◇油藏内原油生物乳化技术

◇油藏内微生物运移、增长和代谢参数

◇引入微生物对油藏环境的影响

其他方面也很重要, 例如增加油藏内生物聚合物对盐和热的忍耐力, 也应研究如何削弱生物聚合物的极强生物降解力。

六、结论

微生物驱油技术对环境有利, 减少甚至消除了化学物的需求。随着基因工程的发展, 将会开发出更多能够以廉价但丰富的营养物为基础生长的菌种, 由此微生物驱油技术将更加经济可行。相对传统的化学方法, 微生物驱油是更好的三次采油方式。

与地下生物改造一样, 无法控制的环境因素影响着微生物驱油作用。在地面最佳条件下, 能够生产降低原油黏度的微生物产品并注入地下将具有更为良好的效益。应当研究开发可以广泛应用的微生物产品。

要继续加强微生物驱油模拟研究, 确定最好的菌种、营养物、代谢和生理特征, 以达到在使用微生物驱油开采技术中获得较高成功率的目的。