牟建海
(上海中科合臣股份有限公司，上海 200062)
? 摘 要 介绍了微生物强化采油技术的基本概念、机理和发展现状，讨论了该技术的研究方法、优点及应用条件，并展望了微生物强化采油技术的应用前景。
? 关键词 三次采油 微生物强化采油 研究现状
? 中图分类号 TE 357.9 文献标识码 A 文章编号 1009-4725(2003)04-0006-04
Progress and Prospect of Microbial Enhanced Oil Recovery Technology
Mu Jianhai
(Shanghai Synica Co. Ltd.，Shanghai，200062)
Abstract The general description，basic principle and development history of the microbial enhanced oil recovery (MEOR) techniology were reviewed. The research method，advantages and application conditions of MEOR were discussed. The development prospect of MEOR in the future was described.
Keywords enhanced oil recovery microbial enhanced oil recovery current research situation
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1 微生物强化采油技术简介
当今世界正在进行一场以生物工程及应用为标志的新的技术革命，而生物开发能源技术成为生物工程中经济潜力最大、最有希望和前途的领域之一，现代化分析仪器和手段也使微生物科学进入一个崭新的发展时期，这些因素推动了微生物强化采油技术的研究和应用。
石油是一种非再生的能源，经过一次采油和二次采油后，地层中仍有约60%～70%的原油无法开采出来。如何提高采收率，从地下采出更多的原油，多年来一直是许多国家不断研究的课题。目前普遍采用的是用化学方法开采原油，如碱、表面活性剂、聚合物组成的ASP三元复合驱油体系［1］。从1980年代以来，很多国家开展了用微生物方法提高原油采收率，经过二十多年的努力，该技术取得了极大进展。这种使用化学或生物制剂提高采收率的技术被称为三次采油技术，国外亦称强化采油(EOR，Enhanced Oil Recovery)技术。为了将它们区分开来，用微生物提高采收率技术也可以称为四次采油技术或微生物强化采油(MEOR，Microbial Enhanced Oil Recovery)技术，它是指利用微生物生产有用的代谢产品或者利用微生物能够分解碳氢化合物的性能，从而提高原油采收率的技术。
微生物强化采油技术是一项科技含量高、发展迅猛的新技术，是现代生物技术在采油工程领域中开拓性的应用，对于高含水和接近枯竭的老油田更显示出其强大的生命力。微生物强化采油技术主要包括两类［2］：一类是利用微生物产品如生物聚合物和生物表面活性剂作为油田用化学剂进行驱油，称为微生物地上发酵提高采收率工艺，即生物工艺法，目前该技术在国内外已趋成熟；另一类是利用微生物及其代谢产物提高采收率，主要是利用微生物地下发酵和利用油层中固有微生物的活力，称为微生物地下发酵提高采收率方法。一般说微生物采油是指利用微生物地下发酵提高采收率的方法。
用于采油的微生物可分为油层中固有的微生物和从外部注入的微生物两种［2，3］。固有微生物中有好氧菌和厌氧菌之分，前者的生长容易分解烃类物质，降低石油质量，而厌氧菌不仅不容易分解烃类，还可以产生有机酸、有机溶剂、气体等，更有利于提高原油采收率。但是由于缺少营养，固有微生物的生长繁殖受到限制，可以向油层中注入微生物培养基促进微生物的生长。可供选择的注入微生物的种类很多，它们可以在地面上培养到有充足的生物量后再注入地层中，从而能更快发挥作用，减少封井时间。
微生物强化采油的机理比较复杂，就目前所知可归纳为如下几点［4～6］：(1)微生物的生长代谢可以将原油中的重质组分分解为轻质组分，将大分子的烃类转化为低分子量的烃，从而降低原油粘度，使其流动性能得到改善；(2)微生物在油藏内代谢活动产生的CO2、H2、N2、CH4等气体能增加油层内部的压力，增强原油的溶解能力，促进原来不连续原油区粘连成片，便于开采；(3)微生物的生长代谢能促使原油释放出低分子量的醇、脂肪酸、糖脂、生物表面活性剂等，降低油水界面张力，改善原油的流动性能；(4)微生物代谢产生的生物聚合物可以有选择地堵塞渗透率较高的岩石层，使驱替流体转向渗透率较小的孔隙，提高驱替效果；(5)微生物产生的酸性物质能溶解岩石，改善油层渗流；(6)微生物中的厌氧菌产生的溶剂性产物能溶解石油，降低油水界面张力，使石油从岩石表面释放。
利用微生物提高采收率主要有四种方式［4，5，7，8］：一是微生物清蜡和降低重油粘度。微生物清蜡可以代替溶剂的使用和热油处理方法，大多数细菌对蜡质脂肪烃的代谢速度高于对芳香烃的代谢速度，细菌产生的溶剂对近井区域地层也能起到很好的清洗作用；二是微生物选择性封堵地层。把能产生生物聚合物的微生物注入地层，或向地层注入适当的营养液，使微生物在高渗透层内大量繁殖形成生物多糖，可起到封堵高渗透地层的作用；三是周期性注入微生物采油。将微生物、营养液、生物催化剂注入一口生产井内关井一段时间，发酵数天到数周，然后开井生产，经过一段时间的生产，当产量明显下降时，重复上述过程；四是微生物强化水驱。在水驱油藏中开展微生物强化水驱，可有效地提高水驱效率。将菌种和营养液混合而成的微生物处理液由注水井注入地层，处理液被注入水推进通过油层时，微生物代谢作用产生溶剂、表面活性剂、有机酸、气体和繁衍出新细菌，这些代谢产物通过物理、化学作用将岩石孔隙中的原油释放出来，使不能流动的原油以油水乳化液的形式被注入水驱向生产井，从而延长油井寿命。
2 微生物强化采油技术的发展现状
1926年，Beckman最早提出了用微生物提高原油产量的想法［9］，关于微生物在原油中应用的第一项重大研究是由Zobell在1940年代进行的，主要研究了厌氧的硫酸盐还原菌从砂体中释放原油的机理，1949年第一次报道了这些实验，提出了硫酸盐还原菌可以提高实验室模型系统的石油采收率，这一先导性工作对以后微生物用于石油开采的发展起到了很大影响。到1950年代，美国、前苏联及一些东欧国家相继进行了微生物采油的工业规模现场实验，结果表明，可以利用微生物提高石油采收率。1970年代初出现世界石油危机后，美、英等国加快了微生物强化采油技术的研究步伐。1982年在美国俄克拉荷马州召开了有34个国家参加的“世界微生物采油会议”，系统交流了多年来的研究成果，并决定今后每两年召开一次国际会议［10］。随着生物工程技术的发展，现代微生物科学已提供了识别和分离某种特殊菌种的方法。1986年，美国BAC公司和NPC公司开发了油田专用系列微生物产品，使这项技术在油田生产中得到迅速发展。1987年，NPC公司在美国Altamont/Bluebell油田推广微生物技术，成功率达75%以上，原油增产幅度10%～300%。微生物采油技术逐渐从室内微生物过程评价走向全球现场应用［11］。1990年代微生物强化采油技术在美国、前苏联的矿场应用标志着工业性应用阶段的到来。近十几年来，微生物强化采油技术已经在更多国家的石油开采中得到应用，取得了很好的经济效益，同时许多大学和石油公司的实验室也加大了微生物强化采油技术的研究和开发力度，取得了许多可喜的成果。
我国早在1966年，新疆石油管理局就开始利用微生物进行原油脱蜡技术的研究，1986年开展了微生物稠油脱蜡技术的研究工作；进入1990年代以来，加快了微生物采油技术的研究步伐，新型调剖堵水剂——黄原胶的研究已取得实用性成果，开发研究出的新菌种能降低原油界面张力60%，而且能够耐压24 MPa。大庆油田开展的菌种配伍性研究，进展十分喜人。辽河油田锦州采油厂1995年率先开展了将微生物处理技术用于针对稠油中胶质、沥青质组分的研究，1996年进入矿场试验阶段，1996～1997年先后在辽河千12块进行微生物吞吐26井次，取得良好效果［12］。扶余采油三厂自1992年6月至1995年5月底在86口井中应用微生物强化采油技术，成功率高达79%，平均提高采油量204%，增产原油近15.4 kt。1999年，微生物单井吞吐采油技术在胜利油田6个采油厂实施了77口油井，累计增油11 kt，平均单井增油148 t，投入产出比1∶9以上，取得了良好的经济效益。2003年2月，大庆油田的微生物驱油试验获得成功，在朝阳沟油田实施13口油井，注入微生物菌液24.5 t，累计增产原油1428 t。2002年5月，我国目前最大吨级(5 kt)的微生物采油厂在山东东营动工兴建，这将对我国微生物强化采用技术的发展起到巨大的促进作用。
近几年来，我国先后从美国、加拿大引进微生物产品和微生物采油技术，从多方面来加快我国微生物采油技术的发展。先导性试验的油田增多，推广速度加快。先后在新疆、大庆、扶余、大港、胜利、冀东、辽河、江汉等油田开展了微生物采油技术的推广应用，先导性试验共2000多井次。矿场试验由单井向区块整体试验发展；由浅层向中深层发展；由高渗井向中、低渗井发展；由低温井向高温井发展(最高温度为102℃)；由低含水井向高含水井发展(最高含水80%)；由原油正构烷中长链向长链发展(最长C60)；由原油较高挥发成分向低挥发成分发展(最低仅有5%)；含蜡量最高51.4%；沥青质、胶质含量最高31.6%。矿场试验难度的增加，使得先导性试验结果具有很强的代表性和广泛的适应性。先导性试验油田达到的指标和效果是使原油含水率一般下降5%以上，80%以上的处理井有清蜡效果，原油含蜡一般能降低6.4%以上；60%～70%的处理井获增油效果(最高达84%)；油井产量一般增加46%～68%(最高达104%)；油井凝析气产量增加95%，CO2含量增加21%，经济效果显著，投入产出比1∶4至1∶6(最高达1∶9)。增产的最佳有效期8～12个月(最高达18个月)。现场施工中，单井平均每次注入菌种量为113.6～151.4 L，最高为424.0 L。联合研究模式有了新开端，中科院上海有机所和北京微生物所、南开大学、山东大学等科研单位参加了与油田有关的联合研究工作，为室内试验尽快转入矿场试验发挥了积极作用。
3 微生物强化采油技术的研究方法
进行微生物强化采油技术的研究是一项比较新的课题，其基本程序如图1所示。
在选择适用于具体油井的微生物采油技术时，应首先结合生产中出现的具体问题，对油井条件进行调查；然后根据筛选标准，确定是否适宜采用微生物强化采油技术；之后再结合生产中出现的实际问题和油井条件，在多种微生物采油工艺中选择适用于具体油井的微生物采油工艺，再进行配伍性试验和单井注入试验，确定所选工艺是否与被处理油井匹配；最后根据配伍试验和单井注入试验，提出矿场工程设计方案，进行生产规模的现场试验，并推广成熟的技术［3，8］。
配伍试验是采用人工岩芯进行实验室试验，以考察不同类型微生物在油层流体和油层岩石中的生长情况，测量其代谢能力，分析油层各种条件(温度、深度、矿物含量和固有微生物等)对注入微生物的影响，以及注入微生物对油田生产的影响，优化微生物培养液的配方，从而最终确定实际应用时的工艺条件。单井注入试验是选择有代表性的单个油井进行初步的微生物注入试验，为该技术在大面积油田的应用提供实际生产的数据和经验。
4 微生物强化采油技术的优点及应用条件
微生物强化采油技术与其它三次采油方法相比具有以下优点［2,13］：(1)注入的微生物和培养基价格便宜，成本低，来源广，容易获得，便于应用，可以针对具体的油藏灵活调整微生物配方；(2)微生物具有自我复制功能，注入到有油藏中的细菌通过生长、繁殖，可以在一个很长的时期内起作用；(3)几种机理同时起作用，效果显著，因此在矿场试验中往往将具有不同功能的细菌一起注入地下，使它们共同起作用；(4)设备与注入工艺简单，与注水驱替注入方式类似，微生物采油矿场试验不需要大型地面设备，注入工艺也很简单，因此，施工非常方便，成本低廉；(5)不会对地层产生伤害、引起油和水品质明显下降，也不会引起明显的结垢腐蚀或堵塞等问题；(6)微生物只在需要它的地方繁殖并产生代谢产物，针对性较强；(7)微生物体积小，运移能力强，能进入其它驱油工艺不能触及到的油层中的死角和裂缝；(8)产物可以降解，不污染环境；(9)可开采各种类型的原油，尤其对重质原油效果优异。
微生物生长需要一定的环境条件，使用微生物采油必须选择适宜的油层条件，如温度、压力、矿化度、pH值、渗透率等，并非所有油层都适宜采用微生物强化采油技术，这也决定了其自身的局限性。表1中概括了适用微生物强化采油技术的主要油层条件。其中油层温度以30～50℃为最佳，油层深度最好小于1500 m，矿化度最好在10%以下［14］。
表1 适用微生物强化采油技术的油层条件
|
参数 |
油层温度 |
油层深度 |
矿化度 |
pH值 |
岩石渗透率 |
残余油饱和度 |
原油含蜡 |
产出液含水 |
井底压力 |
|
筛选标准 |
<120℃ |
<3000 m |
<20% |
4～9 |
>0.05 μm2 |
>25% |
>3.0% |
>10% |
不限 |
微生物强化采油技术除了油层条件的限制外，还需要进行实验室配伍性试验以及合理的工程设计，其采油机理还没有完全证实，油田应用的筛选标准还没有最终确立，能可靠预测现场过程的地层模拟技术尚待开发。另外，微生物在井下出现也有不利的一面，如某些细菌能产生粘性渗出液造成地层堵塞、有些细菌能腐蚀油管和泵等，我们应用微生物强化采油技术时应尽量发挥微生物对石油开采有利的一面，避免其不利方面造成损失。
5 微生物强化采油技术的研究应用前景
微生物强化采油技术经过半个多世纪的发展已日趋成熟。世界上许多国家都开展了这项技术的研究试验，大都获得了比较满意的增产效果，尤其对于稠油的开采，更是其它方法无法比拟的。我国绝大多数油田都进入了三次采油阶段，有一些油田的化学驱油也已经开展了十几年，产出液含水已经比较高，必须考虑用微生物技术进行采油。同时我国稠油资源分布很广，地质储量达16.4亿吨，陆地稠油约占石油总资源的20%以上，这更为微生物采油提供了广阔的应用前景。
针对微生物强化采油技术在我国的研究和应用现状，必须认真总结目前已有的经验，在研究工作上把握住宏观问题与微观机理之间的关系，抓住微生物采油的前提性、关键性理论与技术问题进行攻关，促进微生物采油方法在尽可能短的时间内在油田开发中形成生产能力，并最终实现微生物强化采油技术的产业化。进一步加强微生物采油相关学科的交叉渗透，加强油田与研究院所及高校的联合攻关，优势互补；加强与国外的交流，在技术上合作研究开发，而不是简单的大量从国外购进菌液；近几年内要争取让微生物采油技术在油田形成生产能力，成为我国东部油田提高采收率的一种重要方法。
为了实现我国微生物强化采油技术产业化，应该努力实现以下目标：(1)建成具有初步规模的中国采油微生物菌种库；(2)开发具有独立知识产权的微生物采油数值模拟软件；(3)完成中国微生物采油技术的应用潜力评价，并对中国今后十年应用微生物采油技术的效益作出评价；(4)完成微生物采油技术工艺研究及配套装备的设计工作并制造一套样机；(5)通过项目的开展和完成，培养和形成一支具有一定的研究、开发及设计能力的微生物采油技术人才队伍，建成具有一定规模的微生物采油技术研究基地；(6)在实施微生物采油的地区提高石油采油率5%～10%。
在研究工作方面建议主要进行以下几方面的内容：
(1)采油微生物评价指标体系和评价方法研究与评价标准的制订。分别针对稠油油藏、高含水油藏、化学驱后油藏等不同油藏条件，建立采油微生物评价指标体系与评价标准；
(2)采油微生物菌种筛选与培养及菌种库的建立。建成具有初步规模的中国采油微生物菌种库；
(3)采油微生物工程菌开发的探索性研究。运用现代生物工程技术，对我国开发采油微生物工程菌的技术与经济及环境问题作出可行性评价；
(4)采油微生物与油藏适应性的研究。完成针对油藏条件确定采油微生物菌种的计算机专家系统，实现微生物采油油藏筛选与菌种库候选菌种匹配的智能化；
(5)微生物提高原油采收率机理的研究。确定微生物驱油过程当中对提高原油采收率有直接贡献的主要因素，为不同油藏条件下微生物菌种的开发提供依据，为微生物驱油数值模拟软件的编制提供模型。
(6)微生物采油数值摸拟软件的开发研究。开发具有独立知识产权的微生物采油数值模拟软件，实现微生物采油方案设计及生产作业的科学化；
(7)微生物采油技术应用的潜力评价研究。确定中国应用微生物采油技术的潜力区块并分类，对中国今后十年微生物采油技术应用的经济效益作出评价；
(8)微生物采油工艺技术的研究。建立微生物采油矿场应用技术工艺参数设计体系。
(9)延长微生物采油技术作用有效期的研究。建立延长微生物采油作业有效期方案调整及营养物补充周期确定与评价方法；
(10)微生物采油配套装备的研究。研制一套车装式微生物单并处理专用系统及微生物驱油专用注入系统的样机。
微生物强化采油技术经过几十年的研究和发展，已经取得了比较辉煌的成绩，成为一种具有十分巨大潜力的采油技术。随着人们研究的深入和实践经验的积累，必将为石油工业的发展发挥更大的作用。
收稿日期：2003-2-3
