大慶油田微生物采油技術研究及應用

侯兆偉，李 蔚，樂建君，金 銳，竇緒謀

（1.國家能源陸相砂巖老油田持續開采研發中心，黑龍江大慶 163412；2.中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江大慶 163412；3.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318）

微生物采油是一項利用微生物代謝產物和微生物自身活動來增產或提高采收率的采油技術，具有適用范圍廣、工藝簡單、成本低、綠色無污染等優點［1-4］。自20 世紀60 年代以來，在大慶油田一直開展微生物采油技術研究，是中國率先開展微生物采油現場試驗的油田，1990 年在其中區東部油水過渡帶的稠油區進行了2 口井的微生物吞吐試驗，累積增油量為1 468 t［5］，但所用碳源為糖類等碳水化合物，成本較高。“九五”期間開展了以原油烴為碳源的微生物菌種篩選研究，實現了碳源由碳水化合物向碳氫化合物的轉變［6］，先后篩選出具有降解、產表面活性劑等功能的系列菌種200 多株。2007 年以來，針對微生物攝取、降解原油機理開展研究，明確了微生物趨向原油和降解原油的方式及影響因素［7-8］。在室內研究的基礎上，成功開展了低滲透油藏外源微生物驅和聚合物驅后油藏內源微生物驅現場試驗，并取得了較好的應用效果［9-11］。

1 微生物的原油趨向性機理

在微生物采油技術的應用過程中，微生物趨向原油的方式、趨向原油過程的調控對其發揮采油作用至關重要［12-14］。

1.1 用于趨向性研究的微生物選擇

實驗室篩選出具有良好降解烴及產表面活性劑能力的用于趨向性研究的采油菌株7 株（表1）。挑取采油菌株單克隆于肉湯培養基中活化，以體積分數為5%的接種量接入無機鹽培養基中，45 ℃震蕩培養5 d，制備種子液。將種子液以體積分數為5%的接種量接入原油培養基中，45 ℃震蕩培養5 d，觀察采油菌株對原油的作用效果，并采用紅外分光測油儀測定菌株對原油的降解率。由實驗結果（表1）可以看出，所選菌株均可以不同程度地乳化降解原油，作為采油菌株具有較好的代表性。

1.2 微生物趨向原油的方式

為研究微生物趨向原油的方式，建立了96孔板宏觀模型和凹陷顯微玻片微觀模型，其中96孔板宏觀模型是將96孔酶標板四周密封，形成一個由酶標板上、下層之間構成的空間，在頂蓋的兩端鉆孔，分別加入菌液及原油，將模型放至該菌最適宜溫度培養8～24 h后，在酶標儀中測量光密度（OD）值，利用酶標板剩余92個孔的OD值繪制微生物趨向原油的運動趨勢圖。凹陷顯微玻片微觀模型是利用單凹載玻片制片法，建立一個微觀可視化空間，通過顯微鏡下細菌運移情況的觀察，研究微生物以原油為碳源的趨向性運動規律。由于大部分細菌可以對多種引劑產生趨向性，因此，研究采油菌株對多種引劑的趨向性有助于進行細菌趨油性的橫向對比評價。通過實驗研究了采油菌株對碳源、氮源、生長因子、無機鹽等的趨向性，細菌對引劑的趨向性具有選擇性，且這種選擇性從易到難，細菌首先趨向能量效率最高的引劑并加以利用，實驗結果反映出菌株對多種引劑的能量依賴性程度。利用這2種模型對微生物趨向原油過程中細菌濃度、趨向性系數以及代謝產物的變化進行研究，得出主動趨向原油、黏附原油和產表面活性劑乳化原油共3 種微生物趨向原油的方式（圖1）。

表1 用于趨向性研究的采油菌株及對原油的乳化降解作用效果分析Fig.1 Analysis of oil production strains used for chemotaxis study and their effect of emulsification and degradation for crude oil

圖1 3種微生物趨向原油方式Fig.1 Three migration modes of microorganisms to crude oil

主動趨向原油的微生物的趨油能力主要表現在微生物濃度相對于原油的空間變化，該種微生物趨向原油具有明顯的趨化帶和趨油梯度，且受氧含量、運動緩沖液和礦化度等條件的影響。其中運動緩沖液（KH2PO4∶Na2HPO4=1∶1）有利于細菌保持良好的運動性，從而增強細菌的趨油性，使細菌在原油周圍形成趨化帶，采油菌與原油的密切接觸促進了對原油的降解。以黏附原油方式趨向原油的微生物，其趨油能力主要表現在不同的生長周期微生物細胞表面的疏水性不同，疏水性越強，越易發生趨向；黏附原油主要依靠微生物細胞表面的疏水性物質，其疏水性有利于微生物在原油表面黏附聚集，添加表面活性劑等營養物質，可以較好地促進該種微生物繁殖并協同表面活性劑黏附原油。通過研究發現表面活性劑對細菌本身沒有激活作用，而是通過乳化原油增加了細菌與原油的接觸機會，而接觸的增加源于細菌的趨油性及黏附作用。在該過程中，表面活性劑乳化原油，使其親水性增強、溶解度增加。依靠產生表面活性劑乳化原油的微生物，其趨油能力主要表現在產生的表面活性劑的質量濃度的高低；通過優化培養條件，提高微生物自身表面活性劑的產量和速率，能夠加速微生物在原油表面的聚集。

2 微生物降解原油機理

大慶油田的原油含蠟量高，為凝點高的石蠟基原油，高碳烷烴和芳香烴對黏度的影響較大。利用氫放射性同位素氘對石油烴組分進行標記，通過降解過程中的中間代謝產物的氣相色譜-質譜和同位素標記物檢測分析，可以闡明微生物降解多環芳香烴的機理及途徑。

2.1 微生物降解芳香烴（芴）中間代謝產物鑒定

利用微生物DQ8（銅綠假單胞菌）進行芳香烴（芴）的降解實驗。將芴降解1 d 后的樣品進行氣相色譜檢測，結果顯示，中性樣品中出現多個峰，而未衍生的酸性樣品峰很少，且中性樣品中多種物質在酸性樣品中未出現，可見氣相色譜檢測的方法對代謝物中的酸性和中性樣品具有很好的分離能力。

將微生物降解芳香烴（芴）的中性樣品進行質譜鑒定，得到中間代謝產物Ⅰ，Ⅱ和Ⅵ（圖2），其中Ⅰ為代謝底物芴的質譜檢測結果，與數據庫中標準樣品的質譜檢測結果吻合很好；芳香烴（芴）降解1 d后，酸性樣品甲基化衍生后氣相色譜檢測到中間代謝產物Ⅲ，Ⅳ和Ⅶ（圖2）。質譜鑒定結果驗證了酸性樣品甲基化衍生后氣相色譜檢測的方法可以較好地將代謝產物中的中性樣品和酸性樣品分離，增強了酸性樣品衍生物檢測的針對性，為后續研究打下了良好的基礎。

圖2 微生物DQ8降解芳香烴（芴）中間代謝產物Fig.2 Microbial metabolites of fluorene by microorganism DQ8

利用氘代芴進行降解實驗及中間代謝產物鑒定實驗。通過休止細胞反應，從反應體系中鑒定得到3 種降解產物，從中性樣品中鑒定出D-9-芴醇，從酸性樣品中鑒定出羧基甲基化的茚酮乙酸和茚酮丙酸。這3種代謝產物與非同位素標記化合物代謝中間產物一致。

2.2 微生物降解芳香烴（芴）途徑

降解過程中間代謝產物鑒定和同位素標記代謝產物檢測結果表明，微生物降解芳香烴（芴）存在2條代謝途徑：一是9位兩步單加氧反應生成9-fluo?renone；二是3，4位雙加氧，然后開環，經過連續兩步氧化，然后氧化脫羧、氧化開環生成反式-2-羥基肉桂酸，表明實驗菌株對多環芳香烴氧化開環后產物進一步脫羧降解的過程為α-氧化方式［15-16］。

為了進一步探討微生物驅油機理，在對微生物作用前后單一烷烴和芳香烴分析的基礎上，建立了乙醇-氫氧化鈉-正己烷萃取體系，對原油中極性含氧化合物進行了提取分離，甲酯化后，采用氣相色譜-質譜檢測方法對菌株DQ4 和HT 降解原油后的油相和水相提取物中酸、醇等物質進行了分析。結果顯示：油相中脂肪酸由作用前的7 種分別增至17和24 種，質量分數由作用前的1.05%分別升高至60.05%和61.02%，2 種菌株作用大慶油田原油后都有新的醇產生，且新產生的醇相近，均以一元醇為主，碳數在20以下；水相中檢測到乙酸、丙酸、丁酸、異戊酸4種有機酸。原油中極性含氧化合物的分析結果進一步驗證了微生物降解烷烴和芳香烴途徑的判斷。

3 應用實例

基于微生物原油趨向性機理和降解原油機理，結合低滲透和聚合物驅后油藏特征，研制出適合大慶油田油藏條件的微生物吞吐技術、外源微生物驅技術和內源微生物驅技術，并開展了現場試驗。

3.1 微生物吞吐技術

微生物吞吐技術是大慶油田單井增產增注措施。自2001年以來，針對由于近井地帶堵塞導致供液不足、產量遞減快以及采油速度低的油井，篩選出以無機氮、磷為主要營養物的短短芽孢桿菌和蠟狀芽孢桿菌。微生物吞吐技術采用移動式撬裝注入方式，利用環套空間將配伍菌菌液和營養物注入到采油井井底，先后在外圍低滲透油田進行了93口井的微生物吞吐試驗，總成功率為74.2%，平均單井增油量為149 t，累積增油量為1.39×104t（表2），噸增油菌液和激活劑成本為300元。

表2 大慶油田微生物吞吐試驗Table2 Field tests of microbial huff-n-puff in Daqing Oilfield

3.1.1 解決近井堵塞

微生物吞吐技術可以減少近井地帶污染并增加原油流動性，有效地解決近井堵塞。以朝陽溝油田朝72-76 井為例，該井于2003 年采取微生物吞吐措施，共注入微生物菌液量為4.5 t，吞吐前平均日產油量為3.0 t/d，吞吐后平均日產油量為7.1 t/d，階段累積增油量近200 t。在吞吐前測壓時，利用壓力恢復曲線參數解釋的表皮系數為2.56，井底污染嚴重。采取微生物吞吐措施1 個月后的表皮系數為-1.44，近井地帶阻力明顯降低，滲透率由10.9 mD 增至12.5 mD，說明微生物能夠減少油井近井地帶的污染。油井朝61-楊121實施微生物吞吐后，在微生物的作用下原油含蠟量下降了35.3%，含膠量下降了36.4%，產出液界面張力下降了40%，使得該井原油的流動能力顯著增強；吞吐后，平均日產油量從0.4 t/d 增至5.2 t/d，平均含水率由95.6%下降至29%，階段累積增油量達556.7 t［17-18］。

3.1.2 單井多輪次周期應用

2003年對朝陽溝油田前期微生物吞吐見效的4口井實施第2 輪吞吐，取得與第1 輪吞吐相當的增油效果，表明單井微生物吞吐技術可以作為一種增產措施在同一口油井多次應用。其中，油井100-66在施工后開井初期產液量大幅度上升，第1 輪吞吐后日增油量為0.9 t/d，階段累積增油量為92.5 t；第2輪吞吐后日增油量為1.5 t/d，階段累積增油量為291.9 t；第2 輪吞吐效果明顯好于第1 輪吞吐效果（圖3）。因此，針對微生物吞吐有效周期過后出現含水率增高、水驅低效及無效的油井，單井微生物吞吐技術可以作為一種增產增注措施多次應用。

圖3 朝陽溝油田100-66井產液動態分析Fig.3 Dynamic fluid production of Well100-66 in Chaoyanggou Oilfield

3.2 外源微生物驅技術

針對大慶油田外圍油田儲層滲透率低、儲量豐度低和油井產量低等開發問題，利用復配外源微生物的降黏和產表面活性劑等機理，先后在朝陽溝油田進行了2 注10 采先導試驗和9 注24 采擴大微生物驅試驗。2004年開展2注10采先導試驗，至2009年7 月底，10 口油井中有7 口見效，試驗區含水率由46.8%降至最低的40.3%，月產油量由361 t/月最高上升至843 t/月，階段累積增油量為1.45×104t。在先導試驗成功的基礎上，2009 年實施擴大微生物驅試驗，全區日產油量從32.4 t/d最高上升至49.6 t/d，截至2018 年，在注入量僅為0.03 PV 的條件下，累積增油量為6×104t，采收率提高4.95 個百分點，噸增油菌液和激活劑成本為557 元。自2000 年以來，朝陽溝油田朝50 區塊的動態數據統計結果顯示（圖4），微生物驅技術可以有效減緩產量遞減趨勢，是特低滲透油田改善開發效果的有效方法［19-20］。

圖4 朝陽溝油田朝50區塊微生物驅試驗產量變化Fig.4 Oil production during microbial flooding tests in Block Chao50 of Chaoyanggou Oilfield

3.2.1 具有較好的油藏適應性和驅油能力

對微生物注入前后油井采出液微生物濃度進行檢測，注入前油井采出液微生物濃度為103～104個/mL，見效油井采出液微生物濃度一直保持在106個/mL 左右，說明微生物在地層中繁殖生長，具有較好的油藏適應性，且從注入井穿過整個油層到達油井的產出端。

室內對比油藏條件下微生物作用前后原油變化情況發現，試驗區微生物作用后平均地層原油黏度由94.3 mPa·s 降至76.0 mPa·s，油水界面張力由46.3 mN/m 降至39.8 mN/m。正構烷烴氣相色譜檢測結果顯示，原油中的低碳組分增加，中高碳數烷烴減少，說明外源微生物在地層中能夠有效降解原油的重質組分，代謝產生活性物質。同時外源微生物能夠改善油層的吸水效果，動用程度提高。注入微生物后，試驗區油層新增4個吸水層，油層吸水厚度增加8.1 個百分點，注入的外源微生物在油層中有效地發揮了作用。

3.2.2 注采關系是影響效果的主要因素

從整個試驗區各油井見效時間來看，沿主河道砂體和裂縫發育方向油井見效早，增產效果最為明顯，微生物更多地隨著注入水進入到吸水能力較強、含水率較高的主力油層。例如61-121井注入微生物3 個月后見效，在產液量未見顯著變化的情況下，日產油量由試驗前的0.72 t/d 上升至2.31 t/d，含水率由80.4%下降至45.9%（圖5）。與之相比，處于非裂縫發育方向、含水率低且吸水狀況差的砂體邊部以及二類油層的油井則見效較晚，例如66-126井2009 年9 月開始注入微生物，2010 年7 月產量才出現上升，見效時間為10個月左右。

圖5 朝陽溝油田61-121井產液動態分析Fig.5 Dynamic fluid production of Well61-121 in Chaoyanggou Oilfield

針對上述情況，為增強油井吸水能力，改善注采關系，對微生物驅試驗區部分位于砂體邊部的含水率低的油井進行微生物吞吐，均取得良好的增油效果。例如62-120井前期增產效果不明顯，日產液量為2.1 t/d，日產油量為1.5 t/d，含水率為29.4%，2010年10月實施單井微生物吞吐后，日產液量和日產油量分別上升至4.49 和2.7 t/d，含水率上升至38%，并且一直保持較高的產能狀態，至2014年6月日產油量仍為2.5 t/d 左右（圖6）。考慮到單井微生物吞吐的有效時間一般為3～9個月，認為該井增產效果主要是微生物驅作用。因此，在低滲透油田可以考慮微生物驅與壓裂等措施結合應用，以取得更好的效果。2017 年5 月朝50 區塊的產量仍保持在十年前水平，表明微生物驅技術可以作為外圍油田提高采收率、控制產量遞減的有效方法。同時微生物驅作為一種以水驅為載體的三次采油技術，注入的微生物菌液主要沿水線方向推進，試驗效果仍受注采關系和連通狀況的影響。

圖6 朝陽溝油田62-120井產液動態分析Fig.6 Dynamic fluid production of Well62-120 in Chaoyanggou Oilfield

3.3 內源微生物驅技術

大慶油田聚合物驅工業化應用的動用儲量達10.45×108t，平均采出程度為56.7%，進入后續水驅的地質儲量為7.86×108t，具有進一步提高采收率的巨大潛力，是油田持續開發的優質資源。自2007年以來，開展了不同類型油藏內源微生物群落研究，顯示聚合物驅后油藏具有豐富的微生物資源［21-22］，適合開展內源微生物驅油［23-24］。針對聚合物驅后剩余油無法有效驅替的問題，利用微生物驅的產氣、降黏和產表面活性劑機理，進一步提高聚合物驅后油藏采收率，自2011年開展了薩南油田聚合物驅后油藏1 注4 采的2 輪內源微生物驅試驗（圖7）。從2011 年12 月開始分2 個周期共計注入激活劑0.05 PV，試驗區日產液量由482 t/d 最高增至560 t/d，日產油量由18.1 t/d 最高增至31.5 t/d，綜合含水率由96.2%下降至93.9%，累積增油量為6 243 t，采收率提高3.93 個百分點，噸增油激活劑成本為643 元。現場試驗效果證實，利用微生物驅技術進一步提高聚合物驅后油藏采收率具有可行性［25］。

圖7 薩南油田內源微生物驅試驗區生產動態變化Fig.7 Oil production during endogenous microorganism flooding tests in Sanan Oilfield

試驗區微生物菌群結構的動態變化研究結果表明，激活3～5 個月后油藏微生物的種類逐漸減少，4 口采油井N2-D3-P40，N2-D2-P40，N2-2-P141 和N2-2-P140 具有降解和產氣功能的目標菌陶厄氏菌屬和具有產表面活性劑能力的目標功能菌數量增加，主要目標功能菌群被有效激活，成為油藏優勢菌群。古菌含量在激活前后的變化較小，優勢古菌為具有產氣功能的甲烷絲狀菌屬和甲烷微菌屬。

激活后的內源微生物產生大量生物氣，隨著激活劑注入呈現明顯的兩階段產氣特征。第1階段產氣量大、周期短，以微生物降解原油代謝產生的二氧化碳氣為主；第2階段產氣相對緩慢，氣體主要為厭氧甲烷菌作用后的甲烷氣。第1輪激活劑注入壓力升高2.2 MPa，第2 輪壓力升高2.6 MPa，產氣是激活油藏內源微生物驅油的重要機理之一［26］。

4 結論

針對大慶油田研究出不同微生物趨向原油的方式以及關鍵影響因素，明確了微生物降解原油的途徑。在機理研究的基礎上，篩選出適用于大慶油田外圍低滲透、老區高含水率及稠油過渡帶、聚合物驅后等不同類型油藏的微生物，為不斷提高微生物采油技術的實施效果，進而指導現場應用奠定了基礎。針對大慶油田低滲透和化學驅后油層開展微生物采油技術研究，對于油層發育好、微生物豐度高的長垣油田老區聚合物驅后油藏，應充分發揮內源微生物成本低的優勢，以內源微生物驅為主；對于微生物種類少、部分采油功能菌缺失的外圍油田，在充分利用油藏內源微生物的基礎上，應補充相應的外源菌，采用內、外源微生物驅技術相結合的方法。已開展的外圍特低滲透和聚合物驅后油層先導性試驗均取得較好的開發效果，經濟效益突出，為中外同類型油藏利用該技術提供了重要的借鑒。針對大慶油田將進一步研發高效微生物驅油體系，不斷擴大微生物采油技術在外圍油田、化學驅后油藏的應用規模。