微生物與油藏環境之間的相互影響與作用

李凡

長江大學教育部油氣資源與勘探技術重點實驗室 武漢430050

近幾年，利用微生物提高石油采收率已經引起了世界范圍的關注，這項技術是向油層注入可在油藏中生長的微生物，其產物有助于進一步降低二次采油后滯留在儲層中的剩余油。目前，國內外微生物采油方式主要有兩種。一是地面法，即微生物的培養發酵都在地面進行，再將微生物代謝產生的生物產物注入油層，從而達到提高采收率的目的。此種工藝優點是微生物生長代謝不會受到地層因素的影響。二是地下法，指將微生物直接注入油層，使其代謝作用在油層中進行，只要供給微生物的營養物質充足，代謝產物的產生速度就會大于被降解的速度。這種工藝的優點是驅油持續時間長且成本低。

一、微生物采油原理

微生物提高石油采收率的主要原理可以體現在微生物在生長過程中所產生的各種代謝產物及其自身在油藏中的作用。微生物產生的有機酸（甲酸、丙酸、異丁酸等）可溶解灰質膠結物，增大巖石孔隙度和滲透率。微生物產生的氣體（CO2、CH4和H2等）可提高油層壓力，溶于原油并降低原油黏度。微生物產生的溶劑（丙醇、丁醇、酮類、醛類）可溶解原油中的蠟及膠質，從而降低原油黏度。微生物產生的生物表面活性劑可乳化原油，改變巖石潤濕性，提高驅油效率。微生物產生的生物聚合物（聚多糖）可堵塞大孔道，起到分流的作用。微生物自身也能起到選擇性或非選擇性的封堵作用。

二、微生物對油藏環境的影響

1.微生物對油藏物理化學環境的影響

地層中注入微生物及其營養液后，微生物能夠利用地下原油作為碳源來發酵，原油中的高碳數飽和烴通過降解產生能溶解石蠟的有機溶劑，從而降低井筒結蠟程度并使油井的熱洗周期得以延長。一些表面活性物質是微生物在地層中發酵產生的，這些物質起到了乳化地層中原油、改變巖石潤濕性的作用，使巖石顆粒對原油的的吸附性降低。微生物發酵時產生的氣體還可以占據巖石孔隙空間，驅替出孔隙中的剩余油。另外，微生物還可以直接作用于原油，增加其流動性。這些綜合因素相互作用，是采油微生物能夠提高原油產量的重要原因。

但在處理單井時，那些擁有較大空間的巖石孔隙會被微生物率先占據，在其大量生長繁殖的過程中可能會產生一種粘稠的生物聚合體，這些生物聚合體連同已經死亡的微生物體以及地層中的砂質顆粒混合，會堵塞一些大孔道，使儲層的滲透率大大降低，對原油開采造成影響。

2.微生物對油藏流體的影響

在前人的一些微生物驅油實驗中，當封閉時間達到微生物生長衰退時間，產出的油水分布是先互溶后分層（所謂封閉時間，即是指微生物在巖心中從穩定生長、代謝原油的時間）。這與其它驅油方法產出的油水狀況不相同。前人對實驗結果進行過大量分析，認為微生物可能存在一種攝取原油的機制，通過這種機制的作用來實現菌—物接觸。烴類是石油中的主要化合物，原油發酵使具有疏水性的烷烴穿過細胞壁進入細胞內，實現對原油的攝取。Erickson認為微生物對烷烴的攝取機制有三種，即微生物與溶于水相中的烷烴接觸；微生物與“增溶的”或“容納的”烷烴接觸；微生物與較大的烷烴小滴接觸。筆者認為，這三種機制都應該存在，但后兩種是主要機制，微生物產生的生物表面活性物質增溶烷烴，實現微生物與烷烴小滴接觸。

三、油藏環境對微生物的影響

1.油藏溫度和壓力對微生物的影響

Bubela通過實驗觀察到，桿狀細菌在遭受高壓時會變為球狀。如若壓力突然降低，微生物會破裂；但若壓力逐漸降低，它們會重新變回桿狀，對生物活動沒有明顯的影響。Bubela同時注意到脫硫腸狀菌在10MPa和70℃下生長時，其代謝速率為正常狀況下的10倍（根據H2S生成量測出）。但是其它一些理想的采油微生物并不能達到這一結果，因為對生物代謝起到至關重要作用的酶在極端環境下可能遭到某種程度的破壞。

Marquis則是用嗜熱脂肪芽孢桿菌和硫酸鹽還原菌做實驗，以研究溫度和壓力對微生物的影響。Marquis觀察到，存在一個壓力臨界點（約13.8MPa），超過這個壓力時，在任何溫度下，微生物的生長和代謝都將受到抑制。相反的，當達到或接近該細菌的最佳生長溫度時，其顯示出具有較好的耐高壓性。

美國國家石油能源研究所制定了可采用微生物的油藏標準，油藏溫度應小于76.67℃，NaCl濃度小于100g/L，地層壓力對微生物的影響不大。

2.PH值對微生物的影響

PH值是油層內對微生物生長和代謝影響最嚴重的一個參數。目前，公認的是pH值在4.0-9.0范圍內，微生物生長最佳，但一些微生物也能在pH值最低1.0和最高12.0的條件下生長。PH值也能影響重金屬的增溶性，從而間接影響微生物的生長和代謝。一般重金屬含量大于10－3mol/L，就會對微生物有顯著影響。但很多因素都會影響微生物對重金屬濃度的反應，最新研究發現有些微生物也可耐受很高濃度的重金屬。

3.注水對微生物的影響

目前微生物提高原油采收率的一個重點就是提高老油田的采收率。老油田通常經歷了多次注水，油田水被注入的低鹽度水調節，且完全被氧所飽和。Ivanov和Belyaey發現微生物對原油的氧化作用發生在該油層地層水與注入低鹽地面水之間相接觸的層帶。原油氧化產物激勵了產甲烷菌的活性。他們發現當地層水被注入的低鹽度水淡化時，微生物產生甲烷的速率增加。這不僅與碳酸氫鹽濃度的增大和有機碳的減少有關，還與碳酸氫鹽的δ13C組分變多和甲烷的δ13C組分變少有關。

四、研究展望

由于微生物采油技術具有多學科性的特點，其今后的研究工作必將出現石油地質專家、石油工程專家和微生物學家協同合作攻關的局面。接下來的工作重點將會是加強對水—油—巖—生物相互作用機理的研究，建立微生物作用理論模型，開發出數模軟件，為日后擴大微生物采油技術的應用范圍提供合適的標準。

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