馬 挺， 陳 瑜

(南開(kāi)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 分子微生物與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071)

石油素有“工業(yè)血液”之稱，是世界上非常重要的不可再生的資源之一。我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得對(duì)石油的需求量日益增多，高效環(huán)保的提高原油采收率技術(shù)需求迫在眉睫。為此，我國(guó)能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃也明確提出了大力推廣油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)，并將其列入當(dāng)前重點(diǎn)發(fā)展的先進(jìn)適用技術(shù)之列[1]。

油藏是一個(gè)具有較高溫度、壓力和少氧、寡營(yíng)養(yǎng)的水油氣巖石共存的封閉環(huán)境，除了微生物必須的氮、磷元素外，微生物新陳代謝所需要的主要元素碳、氫、硫、鎂、鉀、鈉、鹵族元素以及鐵、錳、鈣、鋅等跡量元素是比較豐富的。其中，碳元素主要以石油烴的形式存在，某些油藏中會(huì)富含硫酸鹽[2]。微生物在伴隨著石油形成的漫長(zhǎng)地質(zhì)年代中究竟扮演著什么樣的角色，一種說(shuō)法是由于油藏中某些元素匱乏限制了其生長(zhǎng)繁殖，但是一些產(chǎn)甲烷的古菌群落(可能還有大量未知的類群)能在厭氧條件下緩慢降解石油烴生成甲烷。目前，利用同位素分析技術(shù)已證明，有不少油藏中的天然氣是生物成因的甲烷，也就是說(shuō)，這些甲烷是通過(guò)微生物降解烴形成的。同時(shí)，對(duì)油藏中原油烷烴組分分析發(fā)現(xiàn)，有些烴類組分已被生物降解過(guò)[3]。此外，還有一些自養(yǎng)的厭氧菌參與油藏的硫、鐵、錳等元素循環(huán)，或者以高價(jià)態(tài)元素為電子受體進(jìn)行厭氧呼吸。總之，密閉油藏的微生物代謝活動(dòng)是極其緩慢的，但是在地球化學(xué)元素循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用。

石油依靠天然能量開(kāi)采后，地層巖石孔隙中的壓力釋放和能量虧空，大多數(shù)油田均采用注水的方式以補(bǔ)充地層能量，以獲得更高的原油采收率[4]。油田經(jīng)過(guò)多年注水開(kāi)發(fā)后，在油藏內(nèi)部就有可能形成了相對(duì)穩(wěn)定的微生物群落體系。相對(duì)于向地層中注入的微生物來(lái)說(shuō)，這些微生物是內(nèi)源微生物(Indigenous microorganisms)[5]。油藏中內(nèi)源微生物的種類不少但數(shù)量不多，主要是由于地層中營(yíng)養(yǎng)條件的限制，如果提供適當(dāng)?shù)臓I(yíng)養(yǎng)，可激活這些內(nèi)源微生物，并在油藏中大量繁殖。內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)就是通過(guò)注入激活劑，刺激油藏內(nèi)部的某些微生物，使其在油藏中生長(zhǎng)繁殖并代謝產(chǎn)生能與原油/巖石/水相互作用的代謝產(chǎn)物，從而改善水驅(qū)波及體積和洗油效率，最終達(dá)到提高原油采收率的目的，具有油藏適應(yīng)好、作用途徑多、協(xié)同作用強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)[6]。

1 油藏微生物研究

1.1 油藏微生物類群和代謝潛力

自從1926年Bastin等人在Science雜志上首次報(bào)道油藏中的硫酸鹽還原菌以來(lái)，已經(jīng)有40多個(gè)屬的微生物從油田采出液中被分離出來(lái)，其中很多微生物都屬于未知的新屬或新種。盡管在油藏中發(fā)現(xiàn)了大量遺傳與代謝多樣性的微生物，但其構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有真菌或原生動(dòng)物被發(fā)現(xiàn)，只有屬于古生菌界和細(xì)菌界的原核生物被檢出。2005年，Roche公司的454測(cè)序技術(shù)正式面世，打開(kāi)了高通量測(cè)序的大門。國(guó)內(nèi)外研究人員采用純培養(yǎng)和分子生態(tài)學(xué)技術(shù)對(duì)世界各地的低溫、中溫和高溫等各類水驅(qū)油藏環(huán)境中的微生物群落組成與分布做了大量深入調(diào)查[7-12]。對(duì)國(guó)內(nèi)外已報(bào)道的16個(gè)不同油藏區(qū)塊中微生物類群出現(xiàn)頻率進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)油藏環(huán)境中的細(xì)菌主要分布于Proteobacteria、Firmiucutes、Bacteroidetes、Chloroflexi、Actinobacteria、Spirochaetes、Thermotogae、Nitrospira、Deinococcus、Thermus和Synergistetes；古生菌主要分布于Methanomicrobia、Methanobacteria、Methanococci、Thermoplasmata 和Halobacteria[13-14]。但是它們大多數(shù)都存在一個(gè)問(wèn)題：它們雖然闡明了群落的結(jié)構(gòu)組成信息，并找到了優(yōu)勢(shì)菌群，但是卻無(wú)法解析群落中采油功能菌在提高原油采收率方面的代謝網(wǎng)絡(luò)；另外，在油藏這樣的極端環(huán)境中，大部分的微生物都屬于未培養(yǎng)微生物，高通量測(cè)序技術(shù)更加無(wú)法解析這些未培養(yǎng)微生物的功能和其參與的代謝途徑。

為了解除高通量測(cè)序技術(shù)的限制，更全面地探索微生物群落的代謝網(wǎng)絡(luò)，宏基因組測(cè)序和宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。與高通量測(cè)序技術(shù)不同，它們檢測(cè)的不僅僅是微生物的16S rRNA基因，而是整個(gè)環(huán)境中包括功能基因在內(nèi)的所有基因。宏基因組可以揭示油藏環(huán)境中微生物的群落組成以及代謝潛力，而宏轉(zhuǎn)錄組則可以揭示油藏環(huán)境中活躍的功能基因和代謝途徑。劉一凡等[15]結(jié)合宏基因組測(cè)序和宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)來(lái)探究油藏微生物的群落組成、代謝潛力以及原位活性，并通過(guò)拼接(binning)得到7個(gè)基因組中的功能基因推測(cè)出了不動(dòng)桿菌(Acinetobacter)、古球菌(Archaeoglobus)和甲烷鬃菌(Methanoseata)的好氧、厭氧烴降解和產(chǎn)甲烷的完整代謝鏈，最后通過(guò)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平來(lái)推測(cè)各代謝途徑的原位活性。

隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷更新和生物信息學(xué)分析方法的不斷發(fā)展，使我們更關(guān)心這些特殊生態(tài)環(huán)境的未培養(yǎng)微生物組成和潛在功能，有沒(méi)有未被發(fā)現(xiàn)的新物種和新功能，如近年來(lái)對(duì)于一些Thaumarchaeota、Korarchaeota、Woesearchaeota、Bathyarchaeota，以及一些Candidate division，重點(diǎn)關(guān)注可代謝有機(jī)質(zhì)或利用有機(jī)質(zhì)直接產(chǎn)甲烷的古生菌，尤其是近來(lái)發(fā)現(xiàn)Woesearchaeota很有可能通過(guò)代謝互補(bǔ)的方式與產(chǎn)甲烷古菌存在共生關(guān)系[16]，而B(niǎo)athyarchaeota被認(rèn)為廣泛存在于環(huán)境中并有代謝復(fù)雜有機(jī)物產(chǎn)甲烷的潛力[17]，這些對(duì)于揭示油藏微生物代謝功能和古生菌的演化具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。

1.2 油藏微生物的生態(tài)位和食物鏈

如前所述，在油田注水開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，部分的溶解氧和少量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被帶入到了地層中，這樣就在注水井及其近井地帶形成了一個(gè)有氧區(qū)。

在油藏內(nèi)部，因?yàn)槲⑸锟衫玫奶荚赐ǔＳ惺蜔N和腐植酸等有機(jī)化合物，所以在近井地帶的有氧區(qū)內(nèi)，能夠利用石油烴作為碳源的烴氧化菌(HOB)首先會(huì)被激活，將高分子的石油烴類降解為脂肪酸、有機(jī)醇和芳香族化合物。在注入水進(jìn)入地層深部的過(guò)程中，溶解氧逐漸被好氧微生物所利用和消耗，最終在油藏深部形成過(guò)渡帶和無(wú)氧區(qū)。同時(shí)，HOB代謝產(chǎn)生的物質(zhì)也隨著注入水進(jìn)入到過(guò)渡帶和無(wú)氧區(qū)中，為厭氧發(fā)酵菌(FMB)提供代謝底物。FMB發(fā)酵產(chǎn)生的小分子有機(jī)酸、氫氣、二氧化碳和醇類物質(zhì)又可以作為代謝底物被產(chǎn)甲烷菌(MPB)所利用[18-20]。同時(shí)，這些小分子有機(jī)酸、氫氣、二氧化碳和醇類物質(zhì)也可以被硫酸鹽還原菌(SRB)以及硝酸鹽還原菌(NRB)所利用，從而構(gòu)成了一個(gè)完整的油藏微生物食物鏈(圖1)。

值得注意的是，某些異養(yǎng)的SRB代謝所產(chǎn)生的硫化氫氣體會(huì)與污水回注系統(tǒng)中的金屬油管產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)其造成嚴(yán)重腐蝕。另外，從采油井逸出的硫化氫氣體會(huì)危害油田工作人員的健康[21]。因此，SRB屬于油藏環(huán)境中的有害菌群，在石油開(kāi)采過(guò)程中，需要對(duì)其生長(zhǎng)繁殖進(jìn)行嚴(yán)格控制。NRB和SRB所利用的代謝底物極為相似，但NRB的生態(tài)位要高于SRB，這就意味著NRB對(duì)于底物競(jìng)爭(zhēng)力較SRB更強(qiáng)，其大量的生長(zhǎng)繁殖可以競(jìng)爭(zhēng)性地抑制有害微生物SRB的生長(zhǎng)，已有油田成功應(yīng)用[22]。

2 微生物提高原油采收率技術(shù)

2.1 微生物提高原油采收率技術(shù)原理

微生物提高原油采收率技術(shù)(Microbial Enhanced Oil Recovery, MEOR)是一類通過(guò)微生物及其代謝產(chǎn)物來(lái)提高原油采收率的技術(shù)的總稱[23]。其原理主要分為兩大部分：一部分是改變?cè)臀锢砘瘜W(xué)性質(zhì)，提高其流動(dòng)性，參與這部分的代謝產(chǎn)物主要有表面活性物質(zhì)和生物氣等；另一部分是封堵滲流大孔道，擴(kuò)大水驅(qū)波及范圍，參與這部分的代謝產(chǎn)物主要有多糖和生物膜等。各代謝產(chǎn)物的作用機(jī)理如表1所示，具有代謝以上代謝產(chǎn)物的油藏微生物稱為采油功能菌。

圖1 油藏微生物代謝圖

微生物代謝產(chǎn)物 在采油中的作用產(chǎn)生的影響氣體(N2,CH4,CO2)降低原油黏度,增加流動(dòng)性增加壓力和原油流動(dòng)性產(chǎn)CO2,降低黏度使油滴膨脹增加石油流動(dòng)性酸(小分子酸,初級(jí)脂肪酸)溶解介質(zhì)中的碳酸鹽沉積物改善滲透性生物表面活性劑降低界面張力、乳化原油增加原油流動(dòng)性微生物多糖、生物膜堵塞大孔道改善滲透率微生物細(xì)胞選擇性降解原油增加原油流動(dòng)性

根據(jù)其所利用微生物的來(lái)源不同，MEOR可被分為外源微生物驅(qū)油技術(shù)和內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)這兩大類。外源微生物驅(qū)油技術(shù)又稱地面法，首先在地面將采油微生物發(fā)酵培養(yǎng)，然后將發(fā)酵液或者代謝產(chǎn)物注入油藏中，這種方法見(jiàn)效快，但成本較高，注入的外源微生物與內(nèi)源微生物存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)又稱油層法，是把油藏看作一個(gè)生物反應(yīng)器，通過(guò)注入營(yíng)養(yǎng)物(主要是氮、磷、生長(zhǎng)因子等)等激活地層中的采油功能菌，利用其在油藏環(huán)境下的生長(zhǎng)繁殖和代謝活動(dòng)，產(chǎn)生有利于驅(qū)油的代謝物質(zhì)，作用于油藏和油層流體，實(shí)現(xiàn)提高油井產(chǎn)量和原油采收率的目的(圖2)。這種方法比較廉價(jià)，可通過(guò)營(yíng)養(yǎng)劑的量和注入方式調(diào)節(jié)內(nèi)源微生物的激活效果，缺點(diǎn)是由于地層條件制約，微生物生長(zhǎng)代謝受到一定限制，增產(chǎn)見(jiàn)效慢。內(nèi)源微生物采油技術(shù)是低油價(jià)時(shí)代最具發(fā)展前景的采油技術(shù)之一，與太陽(yáng)能稠油熱采技術(shù)、天然氣水合物儲(chǔ)氣技術(shù)等被列為2016年國(guó)際石油十大科技進(jìn)展。

由于微生物是活的，人們還遠(yuǎn)不了解采油功能菌在地層中的競(jìng)爭(zhēng)、生長(zhǎng)和代謝規(guī)律，這可能是目前保障現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果穩(wěn)定性的攻關(guān)方向。

圖2 微生物采油機(jī)理模式圖

2.2 微生物提高原油采收率技術(shù)歷史

MEOR最早是由美國(guó)科學(xué)家Beckman于1926年提出的，但是當(dāng)時(shí)他也僅僅是提出了“在儲(chǔ)油層利用微生物提高原油采收率”的設(shè)想。到20世紀(jì)40年代，美國(guó)微生物學(xué)家Zobell于1943年申請(qǐng)了“將細(xì)菌直接注入地下提高原油采收率”的專利，并于1946年提出利用SRB進(jìn)行采油的一套現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案[24]。Zobell首次在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)，主要是利用厭氧發(fā)酵類芽胞桿菌和梭菌發(fā)酵糖蜜產(chǎn)酸、產(chǎn)氣影響儲(chǔ)層；應(yīng)用的工藝多為單井吞吐，少數(shù)為井組驅(qū)油，大部分試驗(yàn)有增油效果，但由于分析方法不統(tǒng)一無(wú)法比較。1954年，MEOR的第一次礦場(chǎng)試驗(yàn)在美國(guó)阿肯色州的聯(lián)合縣完成，并證實(shí)了細(xì)菌在油藏內(nèi)部的大規(guī)模發(fā)酵確實(shí)是可以提高原油采收率的。20世紀(jì)60至90年代是MEOR蓬勃發(fā)展的階段，美國(guó)能源部(DOE)組織了美國(guó)高校、石油技術(shù)研究所和技術(shù)公司，開(kāi)展了大量基礎(chǔ)研究，涉及菌種分離、功能評(píng)價(jià)、微生物生長(zhǎng)和運(yùn)移規(guī)律等研究，這些研究推動(dòng)了該技術(shù)的迅速發(fā)展。1986年DOE在俄克拉荷馬Delaware-Childers油田選擇了4個(gè)井組，注入產(chǎn)表面活性劑的地衣芽胞桿菌和糖蜜，開(kāi)展微生物強(qiáng)化水驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，每天注入僅幾加侖，但產(chǎn)量增加13%。1994～1998年，美國(guó)DOE在North Blowhorn Creek油田開(kāi)展了內(nèi)源微生物驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，注入氮、磷無(wú)機(jī)鹽和糖蜜，激活內(nèi)源微生物起到堵調(diào)作用，試驗(yàn)獲得7 953 t增油量，延長(zhǎng)油藏開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)壽命超過(guò)60～137個(gè)月。

俄羅斯的MEOR研究主要是俄羅斯科學(xué)院微生物研究所承擔(dān)，主要研究激活內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)。1977年Ivanov等研究了Bondyuzhskoe油田15口井中的微生物，證實(shí)了注入水中的微生物為地層中微生物群落的主要來(lái)源。此后，Ivanov進(jìn)一步根據(jù)油藏內(nèi)源微生物的群落代謝特征以及各群體間的相互關(guān)系，結(jié)合多次實(shí)施的內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，提出了提高原油采收率的“兩步激活”理論[27]。該方法首先通過(guò)向地層中注入氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)激活近井地帶有氧區(qū)中的HOB，這些細(xì)菌在生長(zhǎng)代謝過(guò)程中所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物一方面能改善油藏環(huán)境，提高原油的可采收性；另一方面，它們會(huì)隨著注入水進(jìn)入油藏深部的過(guò)渡帶和厭氧區(qū)，依次被FMB和MPB所利用，并產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸、乙醇和氣體等能改善原油性質(zhì)的代謝產(chǎn)物。此外，硫酸鹽的存在會(huì)激活SRB產(chǎn)生大量的H2S氣體，該氣體會(huì)造成嚴(yán)重的油管腐蝕。但是，根據(jù)NRB的生態(tài)位要高于SRB這一現(xiàn)象，研究者們通常會(huì)采用向油藏環(huán)境中注入大量的硝酸鹽這一方式來(lái)刺激NRB的大量生長(zhǎng)，最終達(dá)到競(jìng)爭(zhēng)性地抑制SRB的目的。該技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模較大，1983～2002年共涉及134口水井和325口油井，增油近60×104t[28]，是所有歷史報(bào)道中增油最多的國(guó)家。

另外，澳大利亞開(kāi)展了利用好氧內(nèi)源微生物產(chǎn)生表面活性物質(zhì)以提高采收率的研究。Statoil公司在北海油田應(yīng)用好氧微生物驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得成功。近幾年來(lái)，加拿大、澳大利亞、英國(guó)、挪威、日本等國(guó)家也有微生物采油相關(guān)的研究報(bào)道，可以看出MEOR仍被廣泛關(guān)注。我國(guó)的MEOR研究始于20世紀(jì)60年代，由中科院微生物研究所王修垣教授在玉門油田開(kāi)展。20世紀(jì)80年代末開(kāi)始從美國(guó)和加拿大引進(jìn)微生物菌種，并相繼在國(guó)內(nèi)多家油田開(kāi)展了單井吞吐試驗(yàn)，均取得了一定的増油量。美國(guó)菌種的流入吸引了國(guó)內(nèi)高校和油田的合作攻關(guān)，南開(kāi)大學(xué)、山東大學(xué)也繼中科院微生物研究所之后開(kāi)展了MEOR研究。1997～2000年，大港油田與南開(kāi)大學(xué)合作，在高溫高含水稠油油藏官69斷塊開(kāi)展了微生物驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)，持續(xù)注入能降解重油中高膠、高蠟組分的高溫菌NG80-2，試驗(yàn)區(qū)7口井中有6口井先后見(jiàn)到增油降水效果，累計(jì)增油7 041 t。

2.3 微生物提高原油采收率技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，美國(guó)MEOR的發(fā)展方向逐漸清晰，一是希望開(kāi)發(fā)低成本的生物表面活性劑，或在地下原位產(chǎn)生生物表面活性劑提高驅(qū)油效率，以實(shí)現(xiàn)低成本且環(huán)保的目的[26]；二是通過(guò)注入營(yíng)養(yǎng)液激活內(nèi)源微生物，選擇性封堵多孔地帶，擴(kuò)大注入水的波及范圍，從而提高水驅(qū)效率。2007年，美國(guó)Titan公司在加拿大Saskatchewan水驅(qū)油田開(kāi)展內(nèi)源微生物驅(qū)試驗(yàn)，單井產(chǎn)量從1.27 t/d提高到4.13 t/d，含水下降10%，增油成本僅6美元/桶[25]。

2000年，中石油從俄羅斯引進(jìn)內(nèi)源微生物采油技術(shù)，在大港油田開(kāi)展室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中2001年在孔二北區(qū)塊11口水井注入0.003 PV激活劑，截止2006年累計(jì)增油5.4×104t。與此同時(shí)，勝利油田在羅801區(qū)塊開(kāi)展微生物驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，2006年開(kāi)始空氣輔助微生物驅(qū)，2012年轉(zhuǎn)為內(nèi)源微生物驅(qū)，至2017年度增油16.37×104t，階段提高采收率5.62%，是現(xiàn)有報(bào)道試驗(yàn)時(shí)間最長(zhǎng)的微生物驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

自2008年至今是中國(guó)微生物采油高速發(fā)展的十年，國(guó)家科技部持續(xù)設(shè)立863重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行校企聯(lián)合攻關(guān)，在此期間室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，微生物采油技術(shù)總體達(dá)到甚至超過(guò)世界先進(jìn)水平。2009年開(kāi)始，新疆油田的六中區(qū)、七中區(qū)和勝利油田的中1區(qū)N3、沾3區(qū)塊、辛68區(qū)塊先后開(kāi)展內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)研究，并取得突破性進(jìn)展。其中2010年在新疆六中區(qū)累計(jì)注入激活劑0.04 PV，截止2012年底累積增油3 921 t，階段提高采收率3.3%，并發(fā)現(xiàn)乳化功能菌對(duì)增油量有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明原油乳化是微生物采油的主要機(jī)理之一[29]；為了驗(yàn)證這一機(jī)理，新疆油田2013年又在七中區(qū)擴(kuò)大注入量，截止2017年底累計(jì)注入激活劑0.15 PV，累計(jì)增油3.49×104t，階段提高采收率4.8%，目前現(xiàn)場(chǎng)還在持續(xù)注入，計(jì)劃注入激活劑0.2 PV。勝利油田中1區(qū)N3于2012年3月開(kāi)始注入激活劑，50 d開(kāi)始見(jiàn)效，2口中心井綜合含水下降2%，日均增產(chǎn)原油4.3 t，且效果維持在5個(gè)月以上[30]；沾3區(qū)自2011年注入激活劑6個(gè)月后5口油井見(jiàn)到明顯效果，對(duì)應(yīng)油井產(chǎn)量由26.3 t/d上升至51.8 t/d，含水率由96.1%下降至92.8%，2013年采用周期注入生產(chǎn)井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)得到進(jìn)一步改善，見(jiàn)效井增加到11口，試驗(yàn)區(qū)產(chǎn)油量進(jìn)一步升至80.4 t/d，綜合含水率進(jìn)一步下降至89.1%，截至2014年12月，試驗(yàn)區(qū)14口油井中12口油井見(jiàn)效，累計(jì)增油2.75×104t，并發(fā)現(xiàn)微生物群落多樣性與現(xiàn)場(chǎng)原油產(chǎn)量之間明顯負(fù)相關(guān)，在內(nèi)源微生物驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，激活劑注入、油藏細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)之間可以進(jìn)行有效的調(diào)控[31]。

大慶油田針對(duì)聚驅(qū)后I、II類油藏開(kāi)展了內(nèi)源微生物驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)，為了有效應(yīng)對(duì)聚驅(qū)后儲(chǔ)層非均質(zhì)性嚴(yán)重的現(xiàn)狀，采取低濃度聚合物作為前置和后置保護(hù)段塞，將激活劑推至油藏深部，利用激活菌體選擇性封堵高滲地帶以及分泌表面活性劑驅(qū)油的機(jī)理，于2012年2月開(kāi)始在南二區(qū)開(kāi)展礦場(chǎng)試驗(yàn)。截止2014年6月累計(jì)注入0.08 PV，含水最低下降2.2個(gè)百分點(diǎn)，累積增油5 957 t，投入產(chǎn)出比為1∶6以上[32-33]。

華北油田根據(jù)寶力格儲(chǔ)層非均質(zhì)性嚴(yán)重和油品物性較差的現(xiàn)狀，采取弱凝聚調(diào)堵和微生物降黏的技術(shù)原理，自2007年開(kāi)始在巴19、38斷塊開(kāi)展凝膠-微生物復(fù)合驅(qū)，通過(guò)微生物單井吞吐、微生物凝膠復(fù)合驅(qū)等先導(dǎo)技術(shù)試驗(yàn)、擴(kuò)大應(yīng)用，初步建立了微生物場(chǎng)、實(shí)現(xiàn)了微生物循環(huán)驅(qū)，有效地改善了油田開(kāi)發(fā)效果。截止2017年共注入工作液0.12 PV，綜合含水分別下降了6.91%和3.46%[34]。

長(zhǎng)慶油田在安塞、靖安等幾個(gè)低滲透、特低滲透油藏開(kāi)展了微生物驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)，證明微生物驅(qū)油在低滲透油藏具有堵水調(diào)剖作用，起到較好的降水增油效果[35]。2009年在特低滲透油藏-安塞王窯區(qū)開(kāi)展外源微生物驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，油井見(jiàn)效比例47.1%，累計(jì)增油3 740 t；2010年在低滲透油藏-靖安ZJ2區(qū)開(kāi)展內(nèi)源+外源微生物驅(qū)先導(dǎo)性試驗(yàn)，油井見(jiàn)效明顯，累計(jì)增油5 836 t；2011年又在超低滲油藏-華慶白153區(qū)開(kāi)展先導(dǎo)試驗(yàn)，吸水剖面得到改善，累計(jì)增油1 581 t。以上試驗(yàn)結(jié)果均證明，微生物驅(qū)油技術(shù)能有效減緩低滲透油田水驅(qū)產(chǎn)量遞減，改善開(kāi)發(fā)效果。

2.4 微生物采油的發(fā)展方向

進(jìn)一步深化機(jī)理與菌種等基礎(chǔ)研究：微生物采油技術(shù)發(fā)展了近100 a，仍沒(méi)有大面積推廣，筆者認(rèn)為主要有以下幾個(gè)亟待解決的主要問(wèn)題：結(jié)合油藏條件的室內(nèi)機(jī)理研究還不夠深入，生物氣、表面活性劑和菌體細(xì)胞堵塞對(duì)提高采收率的量率對(duì)應(yīng)關(guān)系尚需明確；微生物的油藏適應(yīng)性及其在生態(tài)環(huán)境中的相互作用關(guān)系還不清楚，采油功能菌生長(zhǎng)、代謝和運(yùn)移規(guī)律還有待深入研究，可靠的數(shù)學(xué)模型尚需形成。此外，新的驅(qū)油菌種的富集和性能研究仍是近一段時(shí)間機(jī)理研究的重要手段，基因工程、代謝工程、合成生物學(xué)技術(shù)，以及分子快速檢測(cè)手段在采油微生物中的應(yīng)用也必將大大推進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展。

加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用油藏與工程技術(shù)配套：近十幾年來(lái)，雖然我國(guó)的微生物采油技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是諸多現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)仍然暴露了機(jī)理解釋不清、提高采收率幅度不高、見(jiàn)效不穩(wěn)定等問(wèn)題。這里既有油藏的問(wèn)題，也有微生物及其營(yíng)養(yǎng)劑的問(wèn)題。油藏精細(xì)描述和綜合調(diào)整措施不到位，微生物及激活劑效果不佳，缺乏有效的注入方式，成本要求下的整體注入量偏低(目前最大的注入量為新疆七中區(qū)0.15 PV)等等，這些可能都是制約現(xiàn)場(chǎng)效果的因素。筆者建議：①中高滲水驅(qū)油藏。在目前營(yíng)養(yǎng)劑和空氣注入量<0.1 PV的條件下，可提高采收率3%～5%。要想大幅度提高采收率(>8%)，需要進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)源微生物驅(qū)油的油藏方案與配套工藝設(shè)計(jì)：通過(guò)油藏精細(xì)描述，優(yōu)化注采井網(wǎng)，確保井網(wǎng)對(duì)油藏控制程度在70%以上；重視注入井的調(diào)剖工作，確保激活、補(bǔ)氧體系均衡注入；重視高效采油功能菌的選育，開(kāi)展基因工程菌研究，確保微生物油藏適應(yīng)性和代謝旺盛；提高激活、補(bǔ)氧體系注入總量(>0.2 PV)，優(yōu)化段塞設(shè)計(jì)，擴(kuò)大好氧功能菌在儲(chǔ)層的控制范圍并確保處于優(yōu)勢(shì)地位；重視高含水油井所處厭氧區(qū)采油功能菌研究，探索和完善“水井微生物驅(qū)+油井微生物吞吐增效”的增油模式。此外，在高含水、特高含水油藏，如單項(xiàng)技術(shù)受局限，可借鑒寶力格復(fù)合技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，與其他技術(shù)配套，如化學(xué)堵調(diào)。②低滲透水驅(qū)油藏。前期已開(kāi)展區(qū)系的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)含有烴氧化菌等功能菌的含量均在103～105個(gè)/mL，可并優(yōu)化好空氣注入與激活體系的關(guān)系，進(jìn)一步開(kāi)展空氣微生物復(fù)合驅(qū)；確保注采井網(wǎng)與裂縫系統(tǒng)匹配，或直接將激活劑通過(guò)裂縫輸送到油藏深部。此外，鑒于超低滲透儲(chǔ)層的特性，可開(kāi)展生物表面活性劑驅(qū)，以達(dá)到降壓增注，提高洗油效率的效果。③稠油水驅(qū)和熱采油藏。采用外源與內(nèi)源微生物相結(jié)合的方式進(jìn)行稠油的生物化學(xué)降黏和改質(zhì)增效，加大微生物在地層中與原油的作用周期，研究生物降黏機(jī)理和強(qiáng)化水驅(qū)技術(shù)。④化學(xué)驅(qū)后水驅(qū)油藏。聚合物驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)進(jìn)入后續(xù)水驅(qū)階段，發(fā)展以內(nèi)源微生物為主體的接替技術(shù)，可稱為四次采油。需要在優(yōu)化激活劑組成和地層水配伍性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步關(guān)注油藏剩余油分布和地層非均質(zhì)性帶來(lái)的影響。

3 展 望

油藏微生物可形成一個(gè)復(fù)雜的食物鏈，對(duì)生物地球化學(xué)元素循環(huán)(碳、硫、錳、鐵等)起著非常重要的作用。一些極端微生物具有資源化開(kāi)發(fā)潛力，一些古老的生命種群對(duì)揭示早期生命活動(dòng)機(jī)制具有重要的理論意義。微生物提高原油采收率技術(shù)作為油田開(kāi)發(fā)后期、延長(zhǎng)油藏開(kāi)發(fā)壽命的首選技術(shù)，對(duì)我國(guó)能源安全和微生物學(xué)科進(jìn)步具有十分重要的意義?，F(xiàn)階段我們需要大力加強(qiáng)機(jī)理研究，不斷完善微生物驅(qū)油的油藏方案與配套工藝設(shè)計(jì)，最終達(dá)到大范圍推廣和大幅度提高采收率的目的。油藏是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的未知世界，相信不遠(yuǎn)的將來(lái)人們不僅能通過(guò)油藏微生物研究了解生命本質(zhì)，還利用油藏這一生物反應(yīng)器創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益。