微生物采油技術研究進展與發展趨勢

汪衛東

（1.中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院，山東東營 257000；2.中國石化微生物采油重點實驗室，山東東營 257000）

1926 年，微生物采油技術（Microbial Enhanced Oil Recovery，簡稱MEOR）設想就已提出，但早期發展十分緩慢，主要有兩方面原因：一是當時沒有較強的技術需求。微生物采油技術提出時，世界大部分油田都處于一次采油或二次采油初期階段，至20世紀八九十年代也只有極少數油田開始三次采油，且主要是在中國。而當三次采油技術啟動應用時，化學驅技術以其機理單一、明確而快速形成工業化規模，占據了三次采油的主要陣地。二是微生物采油技術機理較為復雜，其代謝產物幾乎具備了所有提高采收率的功能，但對微生物在油藏中的功能表達和群落演化難以準確認識及控制，所以，該項技術一直處于試驗階段。

近十幾年來微生物采油技術進入快速發展時期，同樣也存在兩方面原因：一是對微生物采油技術需求在逐漸增加。進入“十二五”之后，化學驅現場應用效果在逐漸變差，其較適用的Ⅰ類、Ⅱ類油藏已基本完成了現場實施，剩下的Ⅲ類、Ⅳ類油藏主要是高溫、高鹽斷塊油藏，化學驅技術難以適應［1］，而新的接替技術目前尚未形成，微生物采油技術因其有一定的研究和應用基礎重新得到廣泛重視。二是微生物學科本身的發展推動了微生物采油技術的進步。近十幾年來，基于16S rRNA 基因分析技術特別是高通量基因測序的迅速發展，使油藏微生物群落結構的全面認識得到極大的提高，代謝組學和合成微生物技術的發展使油藏環境中微生物群落結構和功能的控制成為可能，這將直接提高微生物采油技術的實施效果和成功率。

中國微生物采油技術的發展在世界范圍內處于領先地位。由于中國東部油田在“九五”期間就已進入三次采油階段，客觀需求推動了化學驅和微生物驅技術的快速發展，特別是大量的現場試驗為技術的發展提供了豐富的原始數據。同時，從“九五”開始，國家科技部就開始組織力量持續攻關研究，在基礎研究和現場試驗等方面均取得了巨大的進步，至今，技術水平和現場應用規模均領先于其他石油生產國。

1 國外MEOR研究進展

近十年來多個國家一直開展微生物采油技術研究和現場試驗，包括美國，俄羅斯、德國、沙特、阿曼、阿塞拜疆、印尼等。研究內容涉及微生物采油機理、微生物驅油物理模擬及數值模擬、利用營養激活油藏中內源微生物、生物表面活性劑、生物多糖、微生物降低原油黏度和界面張力、以及現場試驗等［2-8］。其中德國的研究主要有以下幾方面進展：①證明油井井口取樣微生物分析結果與井底密封取樣分析結果基本一致，因此，井口取樣分析結果可以代表油藏中的微生物群落結構信息［9］。②從細菌細胞水平解析了微生物對原油的趨向性，證明了微生物能主動向原油移動，富集于油水界面，提高微生物對原油的作用效果［10］。③巖心物理模擬實驗證明微生物采油主要機理包括選擇性封堵、乳化、產氣及改善油水相流度比等［11］，并在物理模擬基礎上形成了微生物采油的數學模型［12］。④開展了生物表面活性劑和生物多糖的驅油應用研究，在德國北部老油田的高溫高鹽油藏現場試驗提高產量25%，增產操作成本為25～35$/bbl（圖1a）［13］。⑤在Wintershall 老油田開展了微生物吞吐試驗，為微生物驅油實施奠定了基礎［14］。

圖1 國外微生物采油現場試驗Fig.1 Field trials of MEOR abroad

阿曼的微生物采油研究包括：利用微生物降解作用開采稠油［15］；在高溫高鹽油藏應用生物表面活性劑驅油［16］；應用普魯蘭多糖提高稠油開采效果［17］。

美國的微生物采油研究一直沒有中斷，近年來，加利福尼亞大學研究了通過微生物作用引起油藏中礦化沉淀，實現選擇性封堵作用［18］；密西西比州立大學針對氣驅指進的問題，研發了高溫下（115 ℃）微生物的封堵技術應用于CO2驅，并在Lit?tle Creek 油田成功應用（圖1b）［19］；得克薩斯大學奧斯汀分校研究了微生物原位產生生物表面活性劑，并通過數值模擬預測提高采收率可以達到10%～15%［20］。

美國有多個微生物采油專業公司，主要有Titan Oil Recovery Inc.，Glori Energy 和杜邦公司，這三家公司先后與BP，Total 和Shell 等石油公司合作，開展微生物采油的現場試驗與應用［21］，近幾年又出現了Transworld 公司，不僅從事微生物采油，同時也開展微生物采煤相關技術服務。Titan Oil Recovery Inc.公司在美國和加拿大實施了大量的現場試驗和應用，該公司分析了其實施效果明顯的11 個區塊，這些見效區塊含水率都為75%～90%，其中含水率高、滲透率高的區塊增油效果較差；隨著油藏溫度的升高，原油產量呈增加的趨勢，當溫度超過90 ℃，驅油效果變差；原油重度都在15°API（相對密度為0.97）以上，試驗區塊中隨原油重度的升高，增油量逐漸增加，說明原油的黏度越低越有利于微生物驅油，該公司微生物采油技術成本為6～15$/bbl［22］。

Glori Energy 公司于2012 年與北海Statoil 公司合作，針對美國水驅老油田探索低成本開發技術，研發了內源微生物驅技術，現場試驗提高原油產量19%～32%，含水率降低10%以上［23］。美國杜邦公司也開展了外源微生物驅油現場試驗，其中有個試驗區塊17 口油井中有15 口出現了含水率下降的趨勢，含水率在試驗階段下降了5%，產量提高了15%～20%，同時，硫酸鹽還原菌也得到有效抑制［24］。

20 世紀微生物采油技術主要以“地下法”為主，近十幾年“地面法”也受到關注。地下法是向油藏中注入外源微生物或只注入營養激活油藏中的內源微生物，其機理主要是依靠微生物在油藏中形成生物膜引起堵塞，從而提高水驅波及體積，也有的是依靠微生物產生生物表面活性物質和生物氣的作用，乳化原油、改善油水界面和巖石表面潤濕性。地面法應用微生物在地面生產代謝產物用作驅油劑，近兩年較多的研究集中在生物聚合物和生物表面活性劑的研發方面。生物聚合物由于具有較好的耐溫和耐鹽性能（耐鹽可達50 000 mg/L）［25］，可應用于不適合化學驅的油藏；生物表面活性劑的研究也一直沒有中斷，關注較多的是脂肽，因為脂肽在較低的濃度下具有較強的作用效果，可以替代現有的化學表面活性劑［26］。地面法應用的驅油劑是微生物的代謝產物，可被生物降解，既環保又沒有產出液處理問題，隨著微生物代謝產率的提高和地面發酵成本的降低［27］，其應用規模正在不斷擴大。

2 中國MEOR研究進展

中國微生物采油技術起步于20 世紀60 年代，發展于90 年代后期。國家科技部先后支持了“九五”國家重點科技攻關課題“微生物驅油探索研究”、“十五”國家重點科技攻關計劃“極端微生物石油開采技術研究”、以及“十二五”國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）重點項目“內源微生物采油技術研究”，推動了微生物采油技術理論研究和現場試驗的快速發展，尤其是在項目研究過程中，增強了高校、研究院所與油田企業的密切合作。近十幾年主要在以下幾方面取得顯著的進展。

2.1 油藏微生物群落的認識

在進行微生物采油研究過程中，首先必須要了解油藏中微生物群落的結構和功能，前期主要從油井井口取樣，以培養法分析其中的微生物組成，但是，長期以來，不能確定井口取樣分析結果是否能真實反映油藏中的微生物群落信息。

2.1.1 解決了微生物樣品處理問題

油井井口取樣方式及樣品處理會直接影響分析結果。油井井口都在野外露天環境，取樣過程很容易受到污染，同時，樣品從油井向實驗室運輸需要一段時間，樣品放置時間過長，其中的微生物組成會發生變化，從而會影響測試結果。另外，通過濾膜收集水樣中的微生物前，為了防止濾膜的堵塞，需先分離油水相，該過程也可能造成水相中微生物的流失。為此，勝利油田經過多次反復試驗，優化了現場取樣方式和樣品處理標準流程。在高通量基因測序前的樣品處理過程中，對油藏采出液室溫放置5 d 內的微生物群落結構以及連續5 d 獨立取樣的同一油井水樣間的微生物群落結構進行比較。研究發現，樣品室內放置0～5 d 過程中，細菌和古菌群落結構中的優勢菌群沒有發生明顯改變，但是細菌和古菌的多樣性存在逐漸減少的趨勢，其中古菌多樣性的變化比細菌更為明顯。研究還發現，同一口油井連續5 d 獨立取樣的樣品間，細菌和古菌群落結構中的優勢菌群也沒有發生較大的變化，與室內放置樣品的優勢菌屬一致［28］。說明油藏采出液室溫放置短期內優勢菌群結構具有穩定性，一次取樣的油水井樣品具有階段代表性，該研究結果為高通量測序技術在油藏微生物群落結構解析中的應用提供了重要的理論支撐。

2.1.2 完善了樣品分析方法

油藏是一個極端環境，其中存在的微生物多為極端微生物，由于環境中只有不到1%的微生物可以實現室內培養，所以，常規的培養分析無法獲得準確的油藏微生物群落信息，近十幾年來，基于16S rRNA 的分子微生物分析方法日臻完善［29］，并很快應用到微生物采油技術研究領域，包括變性梯度凝膠電泳（DGGE）、末端限制性片段長度分析（TFRLP）和高通量測序（High-throughput sequencing）等技術［30］，“十二五”期間，勝利油田、新疆油田、北京大學、南開大學和華東理工大學對中國溫度為30～90 ℃的各類油藏進行了廣泛的普查，發現不同油藏中微生物組成存在較大差異，但在不同的油藏中也存在共有的“核心微生物組”，多數的核心微生物具有采油潛力（表1）。

表1 油藏中常見的具有驅油功能的微生物Table1 Common microorganisms with oil displacement function in oil reservoirs

2.2 微生物采油機理的認識

微生物采油機理復雜多樣，幾乎涵蓋了提高采收率的所有機理，通過微生物在油藏中的生長代謝作用，既能提高洗油效率，也能擴大水驅波及體積，還可以通過產生生物氣，提高地層壓力（能量）［31］，機理的復雜性給實際應用帶來不少困惑。早期認為微生物通過降解原油中的石蠟大分子，降低原油黏度或凝點，后來的研究證實這不是微生物采油的主導機理。近二十年的研究和試驗結果表明，微生物采油機理雖然復雜，但在具體應用時僅有一至兩方面機理占主導，其他方面的機理作用貢獻極小，無論是油井吞吐還是微生物驅油，目前公認的主導機理是乳化降黏及產氣增能，前者是通過微生物在地下產生生物表面活性物質實現原油乳化，啟動不能流動的殘余油，同時改變潤濕性，降低原油流動阻力；后者是通過產氣微生物產生CO2，N2，CH4等生物氣補充地層能量，同時生物氣產生時對流體的擾動作用也可大幅度提高乳化效率［32］。目前有關微生物在油藏中利用碳水化合物發酵生熱的采油機理還沒有相關的研究，理論計算在厭氧環境中，微生物通過生長產熱可提高液體溫度20 ℃左右，雖然與熱采相比升溫幅度不大，但在有其他采油機理作用的同時，溫度升高20 ℃可能會顯著提高整體驅油效率，有關微生物在油藏中生熱的作用貢獻還有待進一步研究。

2.3 微生物采油物理模擬和數值模擬的研究

與化學驅相比，微生物采油的特點就是微生物在油藏驅替過程中不斷地發生變化，所以，在物理模擬研究時，近年來發展的趨勢是向長巖心方向發展，目的是讓微生物在巖心中停留更長的時間，同時，結合高通量測序及熒光定量PCR 技術定量描述物理模擬驅出液菌群結構、多樣性指數及驅油功能細菌濃度的動態變化規律，并分析生物特征動態變化規律與含水率變化之間的對應關系。大量的物理模擬實驗結果表明，多輪次段塞激活劑注入后，內源菌群呈現連續動態演替變化，菌群結構趨于簡單化，多樣性指數逐漸降低，在時間尺度上存在明顯的好氧、兼性及厭氧驅油功能菌的激活規律，厭氧產甲烷古菌激活時整個代謝鏈被啟動，驅油效率最高［33］。同時還證實油藏內源微生物的好氧、厭氧空間接替分布規律［34］，巖心前端主要存在一些好氧類的產生物表面活性劑類微生物如假單胞菌屬，巖心中段主要存在兼性和厭氧類的微生物如地芽孢桿菌和厭氧桿菌屬，巖心末端主要分布嚴格厭氧類細菌和產甲烷古菌（圖2）。除了長巖心物理模擬實驗外，三維物理模擬和微觀物理模擬實驗也正在進行，這些研究結果將為微生物采油數值模擬和工藝的優化提供理論支撐。

圖2 長巖心（1 800×Φ380 mm）微生物驅油物理模擬試驗產出液微生物群落分析結果Fig.2 Analysis results of microbial community in produced fluid of physical simulation experiment on long core（1 800×Φ380 mm）microbial flooding

目前的微生物采油數值模擬研究已建立了能全面反映微生物驅油過程的三維三相六組分數學模型，模型涉及的組分有油、氣、水、微生物、營養物以及代謝產物，并綜合考慮了微生物生長/死亡、營養消耗、產物生成、化學趨向性、對流擴散、油相黏度降低、吸附、解吸附以及油-水界面張力變化等特性。數值模擬研究發現，在微生物作用下提高原油采收率最高可以達到24.53%［35］，但目前對油藏條件下微生物生長代謝規律、微生物采油機理等認知仍存在較大的局限性，現有的微生物采油數學模型還無法為該技術的現場應用提供準確、有效的支撐。

3 現場試驗與應用

微生物采油應用工藝主要包括單井吞吐和微生物驅，在具體工藝上有較多的改進。單井吞吐的改進主要是注入總量和注入配方，以前單井吞吐主要是向油井注入菌液和/或營養，主要目標是解決近井地帶的有機和無機堵塞，注入量只有幾十方，一般不超過一百方，關井時間一周左右。而現在要解決的不僅是近井地帶，而是油井的井控儲層體積，所以，注入量增加到幾百方甚至上千方，關井時間延長到幾個月，讓微生物在油藏中與殘余油充分作用；注入的體系主要是微生物菌液和營養，有時復合少量化學降黏劑或氣體（CO2或N2），增加地層能量，擴大微生物在油藏中的作用范圍，提高微生物吞吐的總體效果，這種吞吐工藝比較適用于常規稠油（地層原油黏度為100～500 mPa·s）油藏，效果好的一個輪次能增產1 000～2 000 t［36］，中國每年約處理400～600口井。一些多輪次蒸汽吞吐的稠油油井也正在嘗試應用微生物吞吐技術延長其經濟壽命。目前微生物吞吐的成功率仍然不高，僅為70%左右。

微生物驅油技術已在不同的油藏進行試驗，從早期的外源微生物驅發展到目前3 種工藝，即外源微生物驅、內源微生物驅和微生物制劑驅。新的趨勢表明，無論是外源微生物驅還是內源微生物驅，都需要注入營養，而且是含碳、氮、磷的有機營養，微生物可以快速利用這些營養產生有利驅油的代謝產物，從而提高驅油效果。2010 年以來，中國已有40多個區塊實施微生物驅，主要有勝利、華北、克拉瑪依、大慶和長慶等油田。勝利油田有5 個區塊正在進行微生物驅油試驗，均為水驅稠油高含水區塊，其中沾3 區塊油藏溫度為63 ℃，滲透率為682 mD，地層原油黏度為1 885 mPa·s，截至2019 年底，累積增油量為6.13×104t，階段提高采收率3.13%［37］。辛68 區塊為高溫高鹽深層稠油區塊，不適合于化學驅，油層溫度為89～93 ℃，產出水礦化度為55 920 mg/L，平均滲透率為813 mD，地層原油黏度為321 mPa·s，截至2019年底，試驗區累積增油量為9 891 t，提高采收率2.52%［38］，目前勝利油田正在一些水驅稠油的斷塊油藏擴大微生物驅規模。

大慶油田主要在外圍低滲透油藏和聚合物驅后油藏開展微生物驅試驗。其中南二區東部聚合物驅后的水驅區塊實施了內源微生物驅油現場試驗，4口采油井最高增油量為13.4 t/d，綜合含水率最低下降2.2%，表明聚合物驅后油藏仍然可以采用內源微生物驅油技術進一步提高原油采收率。2009年在外圍低滲透油田開展了2 注10 采微生物驅礦場試驗，累積增油量為1.45×104t。之后又開展了9注24 采擴大試驗，已有15 口生產井含水率明顯下降，產油量上升41.6%［39］。

華北油田針對其儲層非均質性強，平面、層間矛盾突出問題，將微生物驅與凝膠結合，以調驅擴大微生物工作液的波及體積，提高微生物凝膠組合驅效果。2007 年在巴19、巴51 斷塊探索微生物凝膠組合驅技術的適應性，2010 年推廣至巴38、巴48等斷塊，累積增油量為26.14×104t［40］。

克拉瑪依油田油藏溫度較低，油藏內源微生物種類豐富，具有開展微生物驅油的物質基礎，但另一方面由于適應該溫度范圍的微生物種類繁多，驅油功能菌定向激活難度大。該油田先后在六中區和七中區開展了微生物驅油試驗，其中七中區克上組礫巖油藏油層溫度為37 ℃，滲透率為123 mD，地層原油黏度為5.55 mPa·s，綜合含水率為88.6%，采出程度為41.2%，在這樣高的采出程度下，實施微生物驅油后，累積增油量為3.93×104t，階段提高采收率達到5.46%［41］。

長慶油田在馮66-72、盤33-21 和王16-5 井組等低滲透油藏開展了微生物驅現場試驗，并在王46-035 和西25-15 等區塊開展了微生物解堵試驗，均取得明顯的增油效果［42］。近兩年來又在6個區塊開展了微生物活化水驅，將回注水在地面進行生化處理，然后直接注入地下實現微生物驅油，已初步見效，正準備擴大試驗區。

2018年統計結果表明，中國共有25個區塊正在實施微生物驅油，累積增油量超過80×104t，試驗區塊數量與十年前相比有明顯的增加趨勢，表明該技術具有較廣的油藏適應范圍（表2）。

4 面臨的問題

盡管微生物采油在單井吞吐和微生物驅油現場試驗中均見到增油或提高采收率的效果，但在工業應用過程中仍然存在不少問題，影響了該技術的大規模推廣應用。

近年來高通量測序技術的應用證實油藏中存在大量未知的微生物，該技術雖然能準確高效地解析油藏中微生物生態結構，但未知的微生物占有較大比例，且廣泛分布于各種類型的油藏中，這些微生物的分類及功能仍不清楚，在實施微生物采油過程中一定會有影響。

與化學驅相比，微生物驅增產和含水率下降的幅度普遍較小，且變化緩慢，這主要是因為微生物在地下生長代謝需要一個過程，而且其生長代謝存在極限值，這個極限值是微生物本身的生理特性，不會因為增加細菌和營養的注入量、注入濃度而突破，在一定時間段內微生物的作用存在極限值，但可通過延長作用時間提高最終的效果。所以，微生物提高采油速度幅度有限，但可提高最終采收率，理論上認為同一油藏可多次實施微生物驅油。

表2 部分國內微生物驅油試驗區塊油藏條件及試驗效果Table2 Reservoir conditions and trial results of some MEOR projects in China

現有的微生物采油工藝還需進一步優化。由于目前仍沒有較完善的微生物采油數學模型，所以微生物和營養物的用量、使用濃度以及注入速度等關鍵工藝參數難以優化，多數實施方案是以物理模擬實驗結果和現場經驗為依據，所以，并沒有充分發揮微生物的作用優勢，需要建立微生物對殘余油的作用與微生物生長代謝兩者之間的關系模型。

在確定營養配方時，一直存在選擇有機營養還是無機營養的爭論。中國多數現場使用有機營養，希望微生物能在地下盡快生長繁殖，盡快見到增產效果。而無機營養只提供無機鹽，微生物只能利用石油烴作為原始碳源，生長代謝速度慢，見效遲緩。但有機營養成本也要高得多，所以，需要研發成本更低的有機碳源和氮源的營養體系。

經過長期水驅和化學驅的油藏，進一步提高采收率難度越來越大，單項技術很難奏效。在實施微生物采油過程中也需要一些配套技術，特別是堵調技術，這樣才能最大限度地發揮微生物采油技術優勢，只要不影響微生物的生長繁殖，也可復合其他類型驅油注劑，包括液體或氣體，以達到與微生物的協同作用，提高整體采油效果。

5 發展趨勢

微生物采油技術在中國經過二十多年的發展，整體技術水平已領先于國外，主要是因為中國有大量的油藏已進入三次采油階段，而可供選擇的提高采收率技術并不多。內源微生物驅從單純的注入基本營養廣泛激活向油藏微生物生態定向調控方向發展，理論上認為除了一些低滲透油藏（滲透率小于10 mD，微生物無法進入），或原油在油藏條件下不能流動的稠油油藏，其他油藏均可實施微生物采油，其中低于100 ℃的油藏可實施內源或外源微生物采油，而高于100 ℃的油藏可實施微生物制劑驅油。微生物采油技術在未來主要有三個發展趨勢。

微生物稠油冷采技術。中國普通稠油儲量占有較大比例，熱采成本高，水驅效果不理想，而微生物可以通過乳化、產氣作用啟動不能流動的殘余油，實現地層原油黏度為100～500 mPa·s 的普通稠油的微生物冷采。

微生物采油的地面法將進入一個快速發展階段。廣義的微生物采油技術包括地面法，即在地面生產生物多糖和生物表面活性劑用于驅油，一方面是化學驅在Ⅰ類、Ⅱ類油藏的推廣已接近尾聲，剩下的Ⅲ類、Ⅳ油藏均為高溫高鹽油藏，化學驅難以適應，而生物多糖和生物表面活性劑在耐溫、耐鹽方面有明顯的優勢，可以用于這類油藏提高采收率；另一方面是生物制劑更加環保，且其生產過程不需要以石油作為原料，而且不會對環境造成污染，所以地面法微生物采油可能在今后一個相當長的時間內發揮重要作用。

微生物采油的地下法發展到目前仍以內源或外源微生物加有機營養為主，經過工藝的優化，同時完善配套技術，將成為不適合化學驅開發油藏的重要接替技術，尤其是大量的斷塊油藏。當油藏采出程度達到40%甚至60%以上時，可進一步應用微生物殘余油氣化技術，這個階段只需要提供無機鹽營養，由微生物將殘余油轉化為生物氣（甲烷為主），初期產生的生物氣將伴隨著部分殘余油產出，后期產油逐漸減少，進入產氣階段，以此延長油藏開發壽命。

6 結束語

經過多年的研究和試驗，微生物采油技術發展目前正在進入工業化階段，現場試驗提高采收率的幅度和增油量與化學驅相比均不具優勢，這決定了現階段該技術還不能作為油田提高采收率的主導技術，但一些特殊條件的油藏，包括化學驅之后的油藏，微生物采油技術仍具備一定的潛力和優勢，通過技術的發展進步，有望在油田開發后期成為主導技術。