姜巖，張曉華，梁新元，張賢明

（重慶工商大學(xué)廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067）

生物法在油田地面處理及地下開(kāi)采系統(tǒng)中的應(yīng)用

姜巖，張曉華，梁新元，張賢明

（重慶工商大學(xué)廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067）

概述了生物技術(shù)在油田地面處理和地下開(kāi)采系統(tǒng)中的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，重點(diǎn)論述了在地面和地下兩個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的熱點(diǎn)研究方向。在地面處理系統(tǒng)中，生物技術(shù)已經(jīng)涉足到多個(gè)研究領(lǐng)域，尤以生物修復(fù)、生物破乳、生物絮凝3個(gè)方面得到了廣泛研究和一定應(yīng)用，但受到技術(shù)成熟度、實(shí)際工況條件、處理成本等因素的限制，制約了其進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。在地下開(kāi)采系統(tǒng)中，生物技術(shù)涉獵范圍很小。其中，微生物驅(qū)油技術(shù)歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，業(yè)已成為油田系統(tǒng)最具深遠(yuǎn)意義的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，部分成果已經(jīng)得到了小規(guī)模的應(yīng)用，但該技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)受控，且極大地受到油藏特點(diǎn)的影響，限制了其推廣；此外，近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的油藏勘探技術(shù)成為一大亮點(diǎn)，利用地表微生物群落構(gòu)成識(shí)別油藏的位置已經(jīng)取得了一定成果。未來(lái)隨著相關(guān)技術(shù)不斷完善，解決與實(shí)際工況條件有機(jī)契合問(wèn)題，將促使生物技術(shù)在油田生產(chǎn)中有更為廣闊的發(fā)展前景。

生物技術(shù)；油田；微生物修復(fù)；生物破乳；生物絮凝；微生物驅(qū)油；微生物勘探

生物技術(shù)在油田生產(chǎn)領(lǐng)域一直處于邊緣化地位［1-2］。近些年來(lái)，隨著我國(guó)多數(shù)油田進(jìn)入開(kāi)采后期，從油藏開(kāi)采到地面處理均暴露出越來(lái)越多的問(wèn)題，單純依靠理化方法解決這些問(wèn)題已力不從心，因而促進(jìn)了生物技術(shù)在油田中的發(fā)展［3］。在地面處理系統(tǒng)中，生物技術(shù)的研究已涉獵到很多領(lǐng)域，如土壤污染生物修復(fù)、原油生物破乳以及油田污水生物絮凝等；相比之下，在地下開(kāi)采系統(tǒng)中，以提高采收率為油田生產(chǎn)首要任務(wù)的微生物驅(qū)油技術(shù)歷經(jīng)了幾十年的發(fā)展，也已成為國(guó)內(nèi)外研究焦點(diǎn)。除此之外，生物技術(shù)在地下開(kāi)采系統(tǒng)中難有用武之地。直至近年來(lái)，利用生物技術(shù)探測(cè)油氣資源的油藏生物勘探技術(shù)出現(xiàn)在人們的視野，該技術(shù)的出現(xiàn)有力說(shuō)明了生物技術(shù)在油田龐大的生產(chǎn)系統(tǒng)中所蘊(yùn)藏的巨大潛力。

本文從油田地面處理系統(tǒng)和地下開(kāi)采系統(tǒng)兩個(gè)層面剖析了生物技術(shù)在油田生產(chǎn)領(lǐng)域中的發(fā)展，重點(diǎn)論述了原油污染土壤生物修復(fù)、生物破乳和生物絮凝，以及微生物驅(qū)油和油藏生物勘探等熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

1　生物技術(shù)在油田地面處理系統(tǒng)中的發(fā)展

生物技術(shù)在油田地面處理系統(tǒng)中已經(jīng)得到了較為廣泛的研究和應(yīng)用。其中，原油污染土壤生物修復(fù)、生物破乳以及生物絮凝早已發(fā)展成為研究熱點(diǎn)，并得到不同程度應(yīng)用；此外，在近些年來(lái)，油田污水處理、油泥生物處理、污油生物處理、生物抑菌、有害微生物防控等也得到了一定的研究或應(yīng)用。

1.1油田污染土壤微生物修復(fù)

油田作業(yè)每年造成數(shù)萬(wàn)噸土壤污染，部分石化區(qū)域土壤殘油高達(dá)10000mg/kg，是臨界值（200mg/kg）的50倍，致使土壤結(jié)構(gòu)、功能以及生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞［4-5］。微生物修復(fù)原油污染土壤已經(jīng)應(yīng)用到油田實(shí)踐中［6］，并且，其熱點(diǎn)研究態(tài)勢(shì)在近二十年一直處于上升趨勢(shì)?，F(xiàn)已證實(shí)能夠降解石油的微生物約占70個(gè)屬，共200多種微生物。土壤污染微生物修復(fù)技術(shù)發(fā)展至今衍生出多種多樣的修復(fù)手段，其中研究最為深入的是生物刺激法和外源微生物強(qiáng)化技術(shù)。

1.1.1生物刺激修復(fù)原油污染土壤

傳統(tǒng)的原油污染土壤處置方法通常采用人工鏟除表層油污后，將其回收至固廢處理站進(jìn)行集中處理，之后再對(duì)滲入地層的油污進(jìn)行原位修復(fù)。這種方法的運(yùn)輸、處理成本均相對(duì)較高；并且，若采用理化法進(jìn)行處理通常會(huì)帶來(lái)二次污染，且修復(fù)效果不甚理想。利用生物法進(jìn)行處理，針對(duì)不同區(qū)塊的污染土壤在結(jié)構(gòu)和污染物組成上的差異，采用通氣、施肥、投加添加劑等針對(duì)性處理手段［7］，激活深層土壤中的微生物，充分且高效地將土壤中的石油烴組分作為碳源加以分解利用，可以達(dá)到修復(fù)深層土壤的目的（圖1）。

圖1　生物刺激法修復(fù)油液污染土壤

生物刺激法已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛研究，其技術(shù)關(guān)鍵在于針對(duì)性地開(kāi)發(fā)刺激土著微生物活力的方法。表1總結(jié)了采用不同處置方法的修復(fù)效果。對(duì)于原油污染場(chǎng)地多以投加氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽，通過(guò)調(diào)控污染土壤中碳、氮、磷營(yíng)養(yǎng)平衡，有效刺激土著微生物的生長(zhǎng)，縮短修復(fù)周期。甄麗莎等［8］即采用了這種方法對(duì)陜北黃土高原石油污染土壤進(jìn)行了修復(fù)，除了投加氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽以外，還發(fā)現(xiàn)了鉀鹽對(duì)刺激土著微生物生長(zhǎng)也起到了重要作用。此外，SARKAR［9］、AYOTAMUNO［10］、喬?。?1］、高闖［12］等很多研究或?qū)嵺`也都證實(shí)了投加適宜的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以有效提高石油烴降解率，收到良好的生物修復(fù)效果。當(dāng)然，生物刺激法不僅局限于對(duì)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的篩選上，未來(lái)生物刺激手段將呈現(xiàn)出多樣化趨勢(shì)。EMBAR等［13］和GUO等［14］通過(guò)添加電子受體，利用動(dòng)電學(xué)作用激活電子受體的方法顯著提高了石油烴降解率，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)微生物在電子受體作用下與污染場(chǎng)地動(dòng)電學(xué)產(chǎn)生疊加的降解效果，二者的協(xié)同作用成為技術(shù)上的一個(gè)契合點(diǎn)，這種刺激手段與激活受體方式而產(chǎn)生的協(xié)同作用也是生物刺激法在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一?？傮w來(lái)講，生物刺激法雖具有成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，且在目前已經(jīng)發(fā)展成為一種研究與應(yīng)用最為廣泛的生物修復(fù)手段，但是，由于在石油污染場(chǎng)地中石油烴的組成復(fù)雜，單純利用土著微生物難以實(shí)現(xiàn)對(duì)各組分的有效降解，限制了生物修復(fù)作用。

表1　不同生物刺激手段下的石油烴降解率

1.1.2外源微生物強(qiáng)化修復(fù)原油污染土壤

外源微生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)是建立在生物刺激法基礎(chǔ)之上，最初是針對(duì)污染場(chǎng)地中難降解組分的處理，通過(guò)向污染土壤中投加已經(jīng)馴化的特異性降解菌或基因工程菌等的高效外源微生物，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定組分的降解。隨著該技術(shù)的快速發(fā)展，以提高石油烴降解率，協(xié)同土著微生物提高修復(fù)效率為目的的研究和應(yīng)用越來(lái)越多［19］。當(dāng)前，很多石油烴降解菌已經(jīng)從原油污染場(chǎng)地中分離純化，并已證實(shí)可以作為外源微生物對(duì)油污染土壤進(jìn)行生物修復(fù)（表2）。張瑞玲等［20］利用分離自遼河油田的枯草芽孢桿菌（Bacillus subtillus）和鞘氨醇桿菌（Sphingobacterium multivolum）分別開(kāi)展原油污染土壤微生物修復(fù)實(shí)驗(yàn)，前者可使石油烴降解率提高到69.9%，后者可以提高到60.1%。LEE等［21］則從勝利油田中分離出6株高效石油烴降解菌，通過(guò)進(jìn)一步比較各菌種降解不同石油烴的能力，最終得到一株紅球菌EH831，該菌對(duì)石油烴的降解率可以達(dá)到46%～49%。

表2　外源微生物強(qiáng)化修復(fù)代表性研究成果

上述利用單一外源微生物強(qiáng)化修復(fù)的研究和實(shí)踐很多。在此基礎(chǔ)上，人們發(fā)現(xiàn)通過(guò)構(gòu)建高效菌群可以更有效地提高石油烴降解率，收到更好的修復(fù)效果。INAM等［23］發(fā)現(xiàn)利用嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌（Stenotrophomonas maltophilia）、蠟狀芽胞桿菌（B. cereus）、短小芽胞桿菌（B. pumilus）構(gòu)建的混合菌群能使污染物降解率達(dá)到99.77%，遠(yuǎn)優(yōu)于單一菌種的修復(fù)效果。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究成果也很多。其中，BAO等［26］從勝利油田中分離得到了紅球菌（Rhosococcus sp.）和蠟狀芽孢桿菌（B. cereus sp.），并以此構(gòu)建了混合菌群，發(fā)現(xiàn)在特定的降解周期內(nèi)，可以使土壤的石油去除率提高到78%以上；此外，YU等［27］也發(fā)現(xiàn)利用分離自勝利油田的枯草芽孢桿菌和多食鞘氨醇桿菌（S. multivorum）進(jìn)行聯(lián)合強(qiáng)化修復(fù)，可以提高生物修復(fù)效率。可見(jiàn)，通過(guò)構(gòu)建高效菌群強(qiáng)化修復(fù)或許會(huì)成為生物修復(fù)技術(shù)新的研究熱點(diǎn)。

外源微生物強(qiáng)化修復(fù)獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，發(fā)展至今早已不局限于針對(duì)難降解污染物，而是希望從整體上提高生物修復(fù)效率。外源微生物在生物修復(fù)中所起的作用，一直是該領(lǐng)域的研究難點(diǎn)之一。多數(shù)研究都是建立在對(duì)照修復(fù)基礎(chǔ)上，通過(guò)土壤含油率來(lái)評(píng)價(jià)外源微生物對(duì)于生物修復(fù)的貢獻(xiàn)。由于外源微生物對(duì)于污染場(chǎng)地的適應(yīng)性始終是一個(gè)敏感問(wèn)題，采用諸如熒光標(biāo)記等現(xiàn)代生物技術(shù)對(duì)外源微生物在污染場(chǎng)地中進(jìn)行跟蹤，可以更直觀地掌握外源微生物的生長(zhǎng)和代謝情況，更有助于針對(duì)性實(shí)施修復(fù)和評(píng)估外源微生物的作用。

1.2油水乳化液生物破乳

化學(xué)破乳劑在石化行業(yè)中廣泛應(yīng)用。它依靠化學(xué)表面活性作用破乳，對(duì)水質(zhì)、油品、溶質(zhì)、乳化形態(tài)及功能劑的依賴性較強(qiáng)，故應(yīng)用范圍窄，造成品種繁多、相互之間無(wú)法替代。隨著油田開(kāi)采工藝的發(fā)展，化學(xué)破乳劑的應(yīng)用受到更大限制，會(huì)導(dǎo)致乳化層增厚甚至形成另一乳化液致使電場(chǎng)被破壞等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了原油的生產(chǎn)［28］。不僅如此，化學(xué)法破乳還會(huì)產(chǎn)生污染，危害環(huán)境及人體?；瘜W(xué)法破乳的這些缺陷促使生物破乳得到廣泛研究。AMIRABADI等［29］利用血平板法研究了類芽孢桿菌（Paenibacillus alvei ARN63）和假單胞菌（Pseudomonas sp.）的破乳特性，在生物作用18 h后，通過(guò)檢測(cè)溶血圈直徑及菌落直徑的大?。ㄇ罢?.372mm/0.154mm，后者0.486mm/0.211mm）證實(shí)了后者具有更強(qiáng)的破乳能力。MA?GORZATA等［30］則進(jìn)一步研究認(rèn)為，生物破乳劑的結(jié)構(gòu)與CO官能團(tuán)密切相關(guān)，繼而利用傅里葉紅外光譜技術(shù)對(duì)8株菌的代謝產(chǎn)物進(jìn)行了針對(duì)性研究，分別在1720cm-1和1770cm-1出現(xiàn)了很強(qiáng)的吸收峰，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物破乳劑的定量化檢測(cè)。

現(xiàn)有研究表明，具有破乳活性的微生物多是從受石油污染的土壤、海泥、活性污泥以及水體等環(huán)境樣品中篩選得到。表3概括了幾種具有較高破乳活性的菌株［31］。這些菌株能夠利用石油烴代謝產(chǎn)生糖脂、多糖、蛋白等生物活性成分，通過(guò)改變油水界面張力實(shí)現(xiàn)原油破乳；亦或通過(guò)對(duì)油-水界面的親和力實(shí)現(xiàn)反向破乳，這對(duì)于油田污水的處理具有潛在應(yīng)用價(jià)值。生物破乳技術(shù)因具有諸多優(yōu)勢(shì)而發(fā)展成為研究熱點(diǎn)，但從當(dāng)前的研究進(jìn)展來(lái)看，該技術(shù)真正步入油田得以應(yīng)用會(huì)受到實(shí)際工況條件的極大制約。畢毅等［32］在勝利油田研究了應(yīng)用生物法破乳的可行性，發(fā)現(xiàn)具有破乳活力的菌株受到C、N、pH、溫度、攪拌和通氣速度、氧氣傳輸速度以及加料方式和順序等諸多條件的制約，在實(shí)際工況條件下，難以將這些外部因素優(yōu)化到有利于產(chǎn)生有效破乳成分的水平，所以生物破乳效果受到很大抑制。顯然，現(xiàn)有豐富的研究成果與生產(chǎn)工藝的契合將決定生物破乳法在原油破乳和油田污水處理中的應(yīng)用或推廣。

表3　高效生物破乳菌株

1.3生物絮凝處理油田回注水

油田生產(chǎn)產(chǎn)生大量廢水，大部分經(jīng)處理后用于回注，僅有部分外排。前者處理的重點(diǎn)在于控制懸浮固體的含量和粒徑；后者則偏重除油。大量的回注水中含有驅(qū)油劑、表面活性劑、緩蝕劑和降黏劑等顆粒物助劑，需處理達(dá)標(biāo)后再回注使用。利用生物法針對(duì)性絮凝污水中的雜質(zhì)可以收到良好的處理效果。鄒啟賢等［33］利用所開(kāi)發(fā)的生物絮凝劑Ⅺ開(kāi)展了油田回注水中試試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示COD指標(biāo)從初始的350mg/L下降至150mg/L以下，礦物油濃度也由初始的35mg/L控制在10mg/L以內(nèi)，處理效果優(yōu)于用于對(duì)照實(shí)驗(yàn)的聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺；此外，試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)該型生物絮凝劑適用于較為寬泛的酸堿環(huán)境，特別在pH 5～6范圍內(nèi)，生物絮凝效果更好。鑒于微生物菌群的多樣性，其生物絮凝劑的功效也較為寬泛。PATHAK等［34］從印度阿薩姆邦的采油廠分離篩選出一種生物絮凝劑β-casein，在同其他3種化學(xué)絮凝劑進(jìn)行對(duì)比研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，β-casein對(duì)回注水中的Ni2+、Zn2+、Cd2+、Cu2+及Pb2+等金屬離子也具有極強(qiáng)的絮凝能力，有效減少了水中重金屬的含量?？梢?jiàn)，生物絮凝技術(shù)在油田具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)于生物絮凝機(jī)制，一般認(rèn)為水中的固體顆粒物在糖蛋白、黏多糖、纖維素和核酸等高分子代謝產(chǎn)物作用下，能夠形成大顆粒絮凝體，沉降速度較快。中國(guó)石油大學(xué)［35］對(duì)生物絮凝劑的篩選方法進(jìn)行研究，對(duì)比了傳統(tǒng)篩選法、吡啶篩選法和DEHP篩選法的優(yōu)勢(shì)和不足，證實(shí)了利用吡啶篩選法能夠獲得更多的目的菌株，從而利用該法從含油廢水、土壤和活性污泥中篩選出一株腸桿菌屬菌株，并對(duì)其實(shí)施紫外誘變育種處理，獲得的正變株對(duì)含油廢水處理效果較好，形成的絮凝體體積大，沉降快。同生物法破乳相似，生物絮凝劑在油田污水處理方面雖具有一些突出優(yōu)勢(shì)，但在油田中的應(yīng)用推廣也受制于處理成本和工況條件。當(dāng)前，生物絮凝劑菌株或細(xì)胞代謝活性成分的分離和純化均需較高的成本，因此優(yōu)化廉價(jià)有效的培養(yǎng)條件、提高菌體絮凝劑產(chǎn)量或絮凝功效，以及生物絮凝條件和實(shí)際工況的契合是決定該技術(shù)能否在油田大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

微生物技術(shù)在地面處理系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究不單單局限于生物修復(fù)、生物破乳、生物絮凝等方面，在生物型抑菌劑的開(kāi)發(fā)、油田外排污水處理、有害微生物防控等領(lǐng)域也逐漸被發(fā)掘。未來(lái)圍繞著原油的處理加工，伴隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，生物法將滲透到油田地面生產(chǎn)系統(tǒng)的諸多環(huán)節(jié)，應(yīng)用前景廣闊。

2　生物法在地下開(kāi)采系統(tǒng)中的應(yīng)用

生物技術(shù)在油田地下開(kāi)采系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用較少，不過(guò)利用微生物促進(jìn)油藏開(kāi)采早已成為研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外諸多油田都對(duì)此技術(shù)的開(kāi)發(fā)寄予厚望。除此之外，利用微生物技術(shù)進(jìn)行油藏勘探是近年來(lái)的一個(gè)新興研究方向。

2.1微生物驅(qū)油技術(shù)

自20世紀(jì)90年代初，微生物驅(qū)油（microbial enhanced oil recovery，MEOR）就被視為第三次采油技術(shù)。由于其成本低及具有復(fù)合采油的特點(diǎn)，世界各國(guó)紛紛投入研究并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，但隨著對(duì)MEOR認(rèn)知的深入，發(fā)現(xiàn)其復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期，研究進(jìn)程一度放緩。近年來(lái)，現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展對(duì)能源的需求迅速增長(zhǎng)，而另一方面早期的很多油田已進(jìn)入開(kāi)采后期，含水量迅速提高，為提高采收率，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開(kāi)發(fā)，MEOR技術(shù)再一次成為研究熱點(diǎn)。在近十年里，相關(guān)研究一直處于快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中不乏小規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。

2.1.1微生物驅(qū)油技術(shù)的研究與應(yīng)用

國(guó)外率先探索了利用微生物進(jìn)行驅(qū)油的可行性。表4指出，美國(guó)俄克拉荷馬Delaware-Childers油田［36］和North Blowhorn Creek油田［37］早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)將MEOR技術(shù)投入試驗(yàn)性生產(chǎn)中。前者利用能夠代謝產(chǎn)生高效表面活性成分的地衣芽孢桿菌進(jìn)行驅(qū)油試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)油田的原油產(chǎn)量比對(duì)照油田提高了13%；后者則發(fā)現(xiàn)油藏中固有的本源微生物的代謝產(chǎn)物具有良好的驅(qū)油特性，繼而嘗試向油藏中注入KNO3、NaH2PO4以及糖蜜等營(yíng)養(yǎng)劑，用以刺激本源微生物的代謝活性，結(jié)果使原油產(chǎn)量增加了7293t。繼美國(guó)之后，北美的一些國(guó)家相繼跟進(jìn)。阿根廷的Piedras Coloradas油田和Vizacheres油田通過(guò)投加驅(qū)油微生物和營(yíng)養(yǎng)劑，使原油產(chǎn)量得到提高［38］；秘魯?shù)腜rovidencia油田［39］和Lobitos油田［40］在將驅(qū)油微生物注入到油藏3～6個(gè)月后，原油產(chǎn)量分別提高了36.4%和46.5%。特別值得關(guān)注的是加拿大，該國(guó)的Saskatchewan油田首先利用引進(jìn)的營(yíng)養(yǎng)劑投加技術(shù)使原油產(chǎn)量提高了225%，收到了巨大成效［41］。同中國(guó)一樣，加拿大的部分油田也已進(jìn)入到開(kāi)采后期，一元、二元驅(qū)油技術(shù)已無(wú)法滿足開(kāi)采需要，大量的人財(cái)物已經(jīng)集中在MEOR大規(guī)模試驗(yàn)上，正逐漸將該技術(shù)在國(guó)內(nèi)油田推廣。除了這些已經(jīng)基本掌握MEOR技術(shù)的國(guó)家以外，其他很多國(guó)家也在進(jìn)行積極探索。以墨西哥為例，CASTORENA-CORTES G等［42］利用油藏微生物制成混合菌株A7，該混合菌株在實(shí)驗(yàn)室模擬油藏條件下能夠產(chǎn)生大量具有驅(qū)油作用的代謝產(chǎn)物；ROLDAN-CARRILLO等［43］則利用兩株分離自油藏的菌種AF1和AF2構(gòu)建了功能性菌群，該菌群在油藏溫度為70℃、厭氧環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，收到了良好的驅(qū)油效果。MEOR技術(shù)率先在北美一些國(guó)家得到了蓬勃發(fā)展，當(dāng)然這一技術(shù)的發(fā)展與各國(guó)油田的開(kāi)采現(xiàn)狀有直接關(guān)系。

表4　微生物驅(qū)油代表性研究

我國(guó)在MEOR技術(shù)的開(kāi)發(fā)上起步較晚，相關(guān)研究略有滯后。不過(guò)，該技術(shù)在我國(guó)也得到高度關(guān)注，在大慶油田、勝利油田等已開(kāi)展了專項(xiàng)研究。WANG等［44］在勝利油田羅801區(qū)塊注入自主開(kāi)發(fā)的營(yíng)養(yǎng)劑刺激本土微生物生長(zhǎng)，最終使原油產(chǎn)量提高了3.35%。這一成果雖不及國(guó)外的一些研究，但仍具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同年，樂(lè)建君等［45］報(bào)道了在大慶油田開(kāi)展了微生物驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，結(jié)合大慶油田的油藏條件，在通用營(yíng)養(yǎng)劑中增加部分基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，最終采收率得到了較為顯著的提高?？梢?jiàn)，我國(guó)在MEOR技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用上也取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，該技術(shù)的發(fā)展適合我國(guó)很多油田已步入開(kāi)采后期的實(shí)際情況。事實(shí)上，隨著MEOR技術(shù)在大范圍內(nèi)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，也吸引了石油資源豐富的中東地區(qū)國(guó)家的關(guān)注。例如，伊朗已經(jīng)逐步開(kāi)發(fā)出具有較強(qiáng)驅(qū)油能力和環(huán)境適應(yīng)性的工程菌株，并且從油藏的油水界面張力切入，對(duì)MEOR的機(jī)理進(jìn)行了探索性研究［46］。

大量的研究成果證實(shí)，MEOR技術(shù)在提高油藏采收率方面，特別對(duì)于開(kāi)采后期的油藏，蘊(yùn)藏著極大的潛力。不過(guò)，MEOR也存在著突出的技術(shù)壁壘。無(wú)論是本源微生物還是外源微生物在油藏中難以實(shí)現(xiàn)受控，能否充分發(fā)揮代謝活性成分的驅(qū)油效率，是否存在著消極影響等問(wèn)題都有待進(jìn)一步研究；此外，該技術(shù)至少在實(shí)施細(xì)節(jié)上受到不同油藏、不同區(qū)塊特點(diǎn)的影響，這就是為何很多國(guó)家在掌握MEOR核心技術(shù)后，在大規(guī)模推廣上仍然需要開(kāi)展針對(duì)性試驗(yàn)研究的原因。

2.1.2微生物驅(qū)油機(jī)理

國(guó)外早期的研究指出微生物驅(qū)油機(jī)理是由于微生物降解原油中的大分子，而對(duì)小分子沒(méi)有影響，使原油黏度下降，但實(shí)際的油藏環(huán)境一般都是厭氧環(huán)境，原油的厭氧降解非常緩慢，難以在油藏條件下引起黏度下降［47］；后來(lái)發(fā)現(xiàn)，油藏中的微生物代謝產(chǎn)物組分復(fù)雜多樣，能夠起到溶解、乳化原油、降低原油黏度、改變巖石潤(rùn)濕性、改善巖層滲透率、增加地層壓力和提高原油流動(dòng)性等作用。驅(qū)油微生物的功能型代謝產(chǎn)物及其作用目前已基本探明，主要包括多糖、表面活性物質(zhì)、生物氣、酸性物質(zhì)等（表5）。產(chǎn)生的多糖最終形成生物聚合物，能夠在油藏多孔介質(zhì)中起到堵調(diào)作用；表面活性物質(zhì)能夠降低原油表面張力，直接用于驅(qū)油；生物氣在油藏中提高了壓力，擠壓滯留在孔道中的殘余油；酸性物質(zhì)能夠溶解地層中的碳酸鹽組分，能夠提高油藏的滲透性（圖2）。

表5　驅(qū)油微生物的代謝產(chǎn)物及其功效

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)驅(qū)油機(jī)理的研究主要圍繞著對(duì)一兩種代謝產(chǎn)物的微觀試驗(yàn)分析，如生物表面活性劑微觀驅(qū)油機(jī)理、生物氣微觀驅(qū)油機(jī)理等。在未來(lái)的研究中，開(kāi)展多組分代謝產(chǎn)物協(xié)同作用機(jī)制、代謝產(chǎn)物定性和定量化表征、建立微生物驅(qū)油模型等［49］，從多層面切入，都將促進(jìn)對(duì)微生物驅(qū)油機(jī)制的深入認(rèn)知。

2.2油藏生物勘探技術(shù)

我國(guó)油田經(jīng)過(guò)五十多年的勘探開(kāi)發(fā)，大多數(shù)勘探程度較高，易于發(fā)現(xiàn)的油藏均已被開(kāi)發(fā)，剩余石油資源分散，且規(guī)模逐漸減小，導(dǎo)致常規(guī)勘探難度增大，增加勘探成本。由此衍生出油田微生物勘探（microbial prospecting of oil and gas，MPOG）技術(shù)應(yīng)用于預(yù)測(cè)油藏，特別是地下深層油藏，可以確定地質(zhì)構(gòu)造的含油級(jí)別及分布，指明油藏位置，對(duì)于提高我國(guó)油田勘探和開(kāi)發(fā)具有重要意義。

圖2　微生物驅(qū)油機(jī)理示意圖

MPOG技術(shù)起源于20世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)地質(zhì)學(xué)家MOGILEWSKII發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的繁殖可以引起地表土壤中輕烴氣發(fā)生季節(jié)性的變化，從而開(kāi)創(chuàng)了利用微生物勘探石油的先例［50］。MPOG技術(shù)是基于：在油藏壓力的驅(qū)動(dòng)下，促使油藏中的輕烴氣體連續(xù)不斷的在垂直方向擴(kuò)散，并遷移至地表，促進(jìn)了土壤中能夠以輕烴氣為碳源的專性微生物的繁殖代謝，其結(jié)果造成在位于油藏上方的地表土壤中該微生物群落數(shù)量明顯增加，繼而可以作為特異性微生物指示油藏的存在和原油的分布［51］。早在1986年，RICE等［52］就利用該技術(shù)發(fā)現(xiàn)了一處地表輕烴異常的區(qū)塊，通過(guò)進(jìn)一步勘探發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)地下深度約1700m的含油圈。近年來(lái)，該技術(shù)得到了較快的發(fā)展。SAUNDERS等［53］發(fā)現(xiàn)土壤中的微生物出現(xiàn)異常，進(jìn)而探明了德克薩斯州Leon郡埋藏深度為305m的Eileen Sullivan油田；KLUSMAN［54］和DANIEL［55］等也報(bào)道了利用MPOG技術(shù)發(fā)現(xiàn)多個(gè)零散油藏區(qū)塊，經(jīng)開(kāi)發(fā)后證實(shí)79%以上的油井均可開(kāi)采。國(guó)內(nèi)在MPOG技術(shù)的研究也取得一定進(jìn)展。長(zhǎng)江大學(xué)地質(zhì)微生物實(shí)驗(yàn)室［56］在我國(guó)大港油田地區(qū)通過(guò)對(duì)輕烴氣檢測(cè)異常的區(qū)塊進(jìn)行探測(cè)而發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)量豐富的油氣資源；汪曉萌［57］對(duì)港西構(gòu)造西端油藏進(jìn)行MPOG方法實(shí)用運(yùn)作，包括地質(zhì)調(diào)查與樣品采集、微生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)、綜合評(píng)價(jià)與遠(yuǎn)景預(yù)測(cè)，最終在60個(gè)控制點(diǎn)中識(shí)別出12個(gè)微生物異常區(qū)塊，并確定8個(gè)含油圈富集區(qū)；袁志華等［58］將MPOG技術(shù)應(yīng)用于濱北地區(qū)進(jìn)行取樣分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域微生物出現(xiàn)異常，從而探明了該區(qū)域油氣運(yùn)移路徑，并指出多處油氣富集區(qū)。所有這些發(fā)現(xiàn)均建立在微生物對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)源異常高的適應(yīng)性及廣泛分布性的基礎(chǔ)上。不過(guò)，當(dāng)前尚無(wú)統(tǒng)一的油田指示微生物判定標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)針對(duì)不同油藏的形成和發(fā)育特點(diǎn)，建立油氣資源指示微生物資源庫(kù)，識(shí)別烴類微生物的指示特征，闡明高活性油氣微生物群落多樣性分布特點(diǎn)，可以為MPOG技術(shù)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的理論和技術(shù)支撐。

生物法在油田地下開(kāi)采系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用很少，除MEOR技術(shù)和MPOG技術(shù)兩個(gè)方面外少見(jiàn)其他研究。不過(guò)，上述兩項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外油田均已得到高度關(guān)注，雖不成熟但已得到一定應(yīng)用，具有極大的發(fā)展前景。

3　結(jié) 語(yǔ)

微生物技術(shù)在油田生產(chǎn)中總體處于邊緣化地位，除個(gè)別領(lǐng)域得到一定應(yīng)用外，其他多數(shù)成果仍處于研究階段。不過(guò)，隨著油田生產(chǎn)工藝的深入發(fā)展，處理技術(shù)趨向復(fù)雜化，暴露出許多利用傳統(tǒng)方法難以解決的新問(wèn)題，將促進(jìn)極具潛力的生物技術(shù)在油田的進(jìn)一步發(fā)展。現(xiàn)有成果在油田中應(yīng)用或推廣受制的主要原因在于，難以解決成果的技術(shù)特點(diǎn)與生產(chǎn)工藝的配伍性問(wèn)題，即便部分得以應(yīng)用的成果也因自身不夠完善以及受到實(shí)際工況條件的制約而限制了其進(jìn)一步的大面積推廣。隨著這些技術(shù)不斷地發(fā)展和完善，將促進(jìn)更多的生物技術(shù)在油田中得以應(yīng)用和推廣。

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Biotechnological application to ground processing and underground mining in oil field

JIANG Yan，ZHANG Xiaohua，LIANG Xinyuan，ZHANG Xianming
（Engineering Research Center for Waste Oil Recovery Technology and Equipment of Ministry of Education，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

In this paper，biotreatments applied to ground processing and underground mining in oilfield were summarized and discussed mainly on as the present development situation and existing problems. In ground processing system，biological technology is involved in many research areas，such as bioremediation，biological demulsification，and biofloculation. It has been extensively researched，but moderately applied. However，further promotion and application are severely hindered due to the constraints of the technology maturity，the actual working conditions and treatment costs. In underground mining system，the application scope of biological technology is comparatively narrow，and microbial enhanced oil recovery（MEOR）has become the most profound forefront research area in oilfield during decades of development. Some achievements have been applied on small scale，yet this technology would be greatly influenced by different characteristics of reservoirs. Hence，it is of great difficulty to apply MEOR in the controlled environment，which would be the restraint from its popularization. Besides，microbial prospecting of oil and gas（MPOG），a recently-developed microbiological exploration technology to identify the location of the reservoir based on the surfacecomposition of microbial community，has already achieved some results. With the future improvement of the related technologies and the solutions to the actual working condition problems，biological technology is bound to be developed more broadly in oilfield production.

biotechnology；oil field；bioremediation；biological demulsification；biofloculation；microbial enhanced oil recovery；microbial prospecting of oil and gas

X 592；X 172

A

1000-6613（2016）11-3383-09

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.001

2016-03-24；修改稿日期：2016-07-05。

國(guó)家自然科學(xué)基金（21376285）、重慶市科學(xué)基金（CSTC2013jcyjA20014）、教育部平臺(tái)科技資助項(xiàng)目（FYKF201506）、重慶市應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目（cstc2014yykfB90002）及重慶市教委科技資助重點(diǎn)項(xiàng)目（KJZH14210）。

及聯(lián)系人：姜巖（1971—），男，博士，教授，主要從事環(huán)境生物技術(shù)研究。E-mail jiangyan@ctbu.edu.cn。