先进的微生物驱油技术

相关研究表明在经过一次采油和二次采油后，仍然有三分之二的原油存在于油藏之中。由此而诞生的原油第三次采油技术中，微生物强化采油（microbial enhanced oil recovery，MEOR）是一项绿色环保的、经济的、低毒的、生物可降解的、特异的、具有较强的适应性和广阔的应用前景的石油三采技术。

▲ 油藏环境地中微生物行为特征

石油资源在推动社会经济发展的过程中具有重要作用。在经历了自然开采、气驱、热驱、化学驱和水驱等第一次和第二次石油开采之后，各油藏原油开采率只有35%~50%，而残余原油因较大的油水表面张力和油层孔隙毛细管力而难以开采。传统的石油水驱开采在大港油田已被运用40 余年之久，在长期的水驱开采后，部分油井石油含水率高达95%以上，研究表明当石油含水率高于70%时，水驱开采模式就基本上不再适用。同时水驱过程会降低油层温度，使原油中的石蜡、沥青质等重质组分沉淀和富集在地层孔隙、管路和开采设备中，阻碍了原油流动。尽管利用化学溶剂、表面活性剂、石蜡抑制剂和热流体等能在一定程度上缓解这一现状，但是化学和热力学法成本过高，不利于普遍推广。如何解决贫油层和即将采空油层水驱开采过程中的瓶颈问题，提高原油采收率，最大限度利用不可再生资源，成为目前亟待解决的科学难题。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》已将复杂地质油气资源勘探开发利用列入未来研究发展的重点领域和优先主题。我国低品位油气资源储量巨大，包括低渗透、稠油和高含水油藏。随着石油勘探开发程度的延伸，低品位储量所占的比例将越来越大，对能提高采收率的新技术的需求迫切。显然，传统的工艺技术已难以满足低品位油田开发的需要。实现大规模低品位油气资源的高效开发，必须探索新的技术突破口。

▲ 微生物水驱示意图

Bera A, Mandal A J J o P E, and Technology P. Microemulsions: a novel approach to enhanced oil recovery:A review. J. Petrol. Explor. Prod. Technol, 2015, 5: 255-268.

微生物驱油技术的发展为解决贫油层或即将采空油层开采效率低的科学难题提供了可能。油藏微生物具有产表面活性剂、产气和降解石蜡等功能，这些特性可降低原油黏度并增加原油流动性，有利于石油开采。

表 微生物代谢产物及其在微生物强化采油中的作用

研究石油水驱开采过程中的微生物群落结构特征，对于采取针对性的微生物驱油技术具有重要的指导意义。目前，基因文库构建等分子生物学技术的发展，使人们对水驱油藏微生物群落具有了全新的认识，然而对水驱石油开采过程中的微生物群落结构研究，更侧重于单纯比较油藏各微生境中微生物群落结构的差异，而往往忽视了水驱干扰过程与油藏微生物响应之间的关系。油藏作为一个复杂的极端环境，必然为微生物多样性提供了可能，同时也必会影响人们对水驱干扰过程下油藏微生物多样性的准确认识。同位素示踪技术的运用，为深入认识水驱石油开采过程中注入水对油藏各微生境的影响提供了重要的参考信息，弥补了采样过程的随机性和不确定性，为系统、准确地研究水驱过程中的微生物群落结构特征及其微生物学响应提供了可能。

▲同位素分馏技术在油藏微生物的苯代谢途径中的应用

作者根据近年来已有的工作基础， 结合国家国际科技合作专项（2010DFB23160）、国家自然科学基金国际（ 地区） 合作交流项目（40920134003）、中德合作科研项目（PPP）（留金欧〔2013〕6007）、德国罗伯特·博世基金会项目和国家自然科学基金重点项目（41430106）等资助项目以及以中国地质大学（北京）地质过程与矿产资源国家重点实验室、北京科技大学国家环境与能源国际科技合作基地、南开大学、中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司、中国石油勘探开发研究院为依托，同时也依托美国耶鲁大学地球科学系及生物圈研究所、德国亥姆霍兹环境研究中心（UFZ）和德国联邦地球科学和自然资源研究所三家国际合作项目的合作单位的科研条件所取得的研究进展，并融合查阅到的国内外大量资料，历经5 年终于完成了《油藏环境地微生物多样性及微生物驱油机制》（姚俊等著. 北京：科学出版社，2019.4）一书的写作。

本书以极端油藏环境地作为科学研究切入点，系统阐述了油藏复杂环境中微生物群落结构特征及微生物驱油机制。本文分享“第4 章 先进的微生物驱油技术”概要，阐明注氧本源微生物驱油技术和油藏甲烷转化开采技术研究，拓展第三次采油技术的选择面。

注氧本源微生物驱油技术

一般而言，原油油藏环境地均为厌氧状态，有时，地层水的渗入会带入微量氧气，但油藏整体环境仍然以厌氧为主，其中的微生物过程是缓慢的。随着注入水工艺的发展，由于注入水循环使用，且需要在注入前经过前处理，可能将溶解氧气带入油层之中，虽然带入的氧气有限，对深层的油藏环境地不能构成直接影响，但却能在注入水井周围形成一定范围的好氧或微氧区域，促进这部分的原油快速降解，并产生多种多样的代谢产物，其将随注入水进入深层区域，从而促进整个油层的微生物过程。基于这个过程，注氧（或空气）可以激活浅层油层的本源微生物作用，通过其代谢产物的深入传递，一方面利用代谢产物中的表面活性剂成分促进原油采收，另一方面为深层的微生物提供易于利用的营养来源，促进深层微生物的代谢，最终达到提高原油采收率的目的。

油藏甲烷转化开采技术

深层的油藏环境地为缺氧环境，在缺氧环境下，油藏的本源微生物能够对原油发生降解作用，并在一定条件下产出甲烷，这种产甲烷的过程在油田内部是有益的，尤其对于一些开采率持续下降的油田，它能提高油层中原油的流动性，增加油田的油气产量等。基于该理论，一些学者提出了油藏的甲烷转化开采技术，即利用油层自身的本源微生物的厌氧活动，将很难开采的原油转化为甲烷，经过一定时间的转化积累后，再以油层气的形式开采出来。不过由于厌氧作用的时间较长，该技术周期比其他微生物采油技术应用时间更长，但另一方面，它是对难开采油藏采油技术的一次长远意义上的挑战，具有较高的长期战略价值。

本书以大港港西区域的油藏本源微生物为研究对象，考察其在厌氧条件下对原油的降解作用及其产甲烷的情况，了解其产甲烷中的关键步骤——乙酸产甲烷的基本机制，以期为甲烷转化开采技术的可行性提供论证基础。

本文摘编自《油藏环境地微生物多样性及微生物驱油机制》（姚俊等著. 北京：科学出版社，2019.4）一书“前言”“第4 章 先进的微生物驱油技术”，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-060824-6

责任编辑：霍志国

本书以极端油藏环境地作为科学研究切入点，系统阐述了油藏复杂环境中微生物群落结构特征及微生物驱油机制。全书分为4 章，内容涉及微生物驱油技术的发展背景、油藏微生物的作用方式和影响因素、分子生物学技术在微生物驱油中的应用、油气同位素分析、原油的气相色谱-质谱分析、原油的生物标志物分析、油藏环境地微生物多样性分析、油藏功能微生物分子筛选、生物表面活性剂开发、注氧本源微生物驱油技术和油藏甲烷转化技术研究等方面，丰富了微生物驱油技术理论，为解决贫油层或即将采空油层开采效率低的科学难题提供了新的思路。

本书可供地球科学、石油工业、环境科学、环境微生物学和有机化学等研究领域的学生和相关科研人员阅读参考。

（本文编辑：刘四旦）