微生物采油技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

汪衛(wèi)東

（1.中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石化微生物采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東東營(yíng) 257000）

1926 年，微生物采油技術(shù)（Microbial Enhanced Oil Recovery，簡(jiǎn)稱MEOR）設(shè)想就已提出，但早期發(fā)展十分緩慢，主要有兩方面原因：一是當(dāng)時(shí)沒(méi)有較強(qiáng)的技術(shù)需求。微生物采油技術(shù)提出時(shí)，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(jì)八九十年代也只有極少數(shù)油田開(kāi)始三次采油，且主要是在中國(guó)。而當(dāng)三次采油技術(shù)啟動(dòng)應(yīng)用時(shí)，化學(xué)驅(qū)技術(shù)以其機(jī)理單一、明確而快速形成工業(yè)化規(guī)模，占據(jù)了三次采油的主要陣地。二是微生物采油技術(shù)機(jī)理較為復(fù)雜，其代謝產(chǎn)物幾乎具備了所有提高采收率的功能，但對(duì)微生物在油藏中的功能表達(dá)和群落演化難以準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)及控制，所以，該項(xiàng)技術(shù)一直處于試驗(yàn)階段。

近十幾年來(lái)微生物采油技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，同樣也存在兩方面原因：一是對(duì)微生物采油技術(shù)需求在逐漸增加。進(jìn)入“十二五”之后，化學(xué)驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，剩下的Ⅲ類、Ⅳ類油藏主要是高溫、高鹽斷塊油藏，化學(xué)驅(qū)技術(shù)難以適應(yīng)［1］，而新的接替技術(shù)目前尚未形成，微生物采油技術(shù)因其有一定的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)重新得到廣泛重視。二是微生物學(xué)科本身的發(fā)展推動(dòng)了微生物采油技術(shù)的進(jìn)步。近十幾年來(lái)，基于16S rRNA 基因分析技術(shù)特別是高通量基因測(cè)序的迅速發(fā)展，使油藏微生物群落結(jié)構(gòu)的全面認(rèn)識(shí)得到極大的提高，代謝組學(xué)和合成微生物技術(shù)的發(fā)展使油藏環(huán)境中微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的控制成為可能，這將直接提高微生物采油技術(shù)的實(shí)施效果和成功率。

中國(guó)微生物采油技術(shù)的發(fā)展在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。由于中國(guó)東部油田在“九五”期間就已進(jìn)入三次采油階段，客觀需求推動(dòng)了化學(xué)驅(qū)和微生物驅(qū)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為技術(shù)的發(fā)展提供了豐富的原始數(shù)據(jù)。同時(shí)，從“九五”開(kāi)始，國(guó)家科技部就開(kāi)始組織力量持續(xù)攻關(guān)研究，在基礎(chǔ)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方面均取得了巨大的進(jìn)步，至今，技術(shù)水平和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模均領(lǐng)先于其他石油生產(chǎn)國(guó)。

1 國(guó)外MEOR研究進(jìn)展

近十年來(lái)多個(gè)國(guó)家一直開(kāi)展微生物采油技術(shù)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，包括美國(guó)，俄羅斯、德國(guó)、沙特、阿曼、阿塞拜疆、印尼等。研究?jī)?nèi)容涉及微生物采油機(jī)理、微生物驅(qū)油物理模擬及數(shù)值模擬、利用營(yíng)養(yǎng)激活油藏中內(nèi)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等［2-8］。其中德國(guó)的研究主要有以下幾方面進(jìn)展：①證明油井井口取樣微生物分析結(jié)果與井底密封取樣分析結(jié)果基本一致，因此，井口取樣分析結(jié)果可以代表油藏中的微生物群落結(jié)構(gòu)信息［9］。②從細(xì)菌細(xì)胞水平解析了微生物對(duì)原油的趨向性，證明了微生物能主動(dòng)向原油移動(dòng)，富集于油水界面，提高微生物對(duì)原油的作用效果［10］。③巖心物理模擬實(shí)驗(yàn)證明微生物采油主要機(jī)理包括選擇性封堵、乳化、產(chǎn)氣及改善油水相流度比等［11］，并在物理模擬基礎(chǔ)上形成了微生物采油的數(shù)學(xué)模型［12］。④開(kāi)展了生物表面活性劑和生物多糖的驅(qū)油應(yīng)用研究，在德國(guó)北部老油田的高溫高鹽油藏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提高產(chǎn)量25%，增產(chǎn)操作成本為25～35$/bbl（圖1a）［13］。⑤在Wintershall 老油田開(kāi)展了微生物吞吐試驗(yàn)，為微生物驅(qū)油實(shí)施奠定了基礎(chǔ)［14］。

圖1 國(guó)外微生物采油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(kāi)采稠油［15］；在高溫高鹽油藏應(yīng)用生物表面活性劑驅(qū)油［16］；應(yīng)用普魯蘭多糖提高稠油開(kāi)采效果［17］。

美國(guó)的微生物采油研究一直沒(méi)有中斷，近年來(lái)，加利福尼亞大學(xué)研究了通過(guò)微生物作用引起油藏中礦化沉淀，實(shí)現(xiàn)選擇性封堵作用［18］；密西西比州立大學(xué)針對(duì)氣驅(qū)指進(jìn)的問(wèn)題，研發(fā)了高溫下（115 ℃）微生物的封堵技術(shù)應(yīng)用于CO2驅(qū)，并在Lit?tle Creek 油田成功應(yīng)用（圖1b）［19］；得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研究了微生物原位產(chǎn)生生物表面活性劑，并通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)提高采收率可以達(dá)到10%～15%［20］。

美國(guó)有多個(gè)微生物采油專業(yè)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(kāi)展微生物采油的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用［21］，近幾年又出現(xiàn)了Transworld 公司，不僅從事微生物采油，同時(shí)也開(kāi)展微生物采煤相關(guān)技術(shù)服務(wù)。Titan Oil Recovery Inc.公司在美國(guó)和加拿大實(shí)施了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用，該公司分析了其實(shí)施效果明顯的11 個(gè)區(qū)塊，這些見(jiàn)效區(qū)塊含水率都為75%～90%，其中含水率高、滲透率高的區(qū)塊增油效果較差；隨著油藏溫度的升高，原油產(chǎn)量呈增加的趨勢(shì)，當(dāng)溫度超過(guò)90 ℃，驅(qū)油效果變差；原油重度都在15°API（相對(duì)密度為0.97）以上，試驗(yàn)區(qū)塊中隨原油重度的升高，增油量逐漸增加，說(shuō)明原油的黏度越低越有利于微生物驅(qū)油，該公司微生物采油技術(shù)成本為6～15$/bbl［22］。

Glori Energy 公司于2012 年與北海Statoil 公司合作，針對(duì)美國(guó)水驅(qū)老油田探索低成本開(kāi)發(fā)技術(shù)，研發(fā)了內(nèi)源微生物驅(qū)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提高原油產(chǎn)量19%～32%，含水率降低10%以上［23］。美國(guó)杜邦公司也開(kāi)展了外源微生物驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中有個(gè)試驗(yàn)區(qū)塊17 口油井中有15 口出現(xiàn)了含水率下降的趨勢(shì)，含水率在試驗(yàn)階段下降了5%，產(chǎn)量提高了15%～20%，同時(shí)，硫酸鹽還原菌也得到有效抑制［24］。

20 世紀(jì)微生物采油技術(shù)主要以“地下法”為主，近十幾年“地面法”也受到關(guān)注。地下法是向油藏中注入外源微生物或只注入營(yíng)養(yǎng)激活油藏中的內(nèi)源微生物，其機(jī)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(qū)波及體積，也有的是依靠微生物產(chǎn)生生物表面活性物質(zhì)和生物氣的作用，乳化原油、改善油水界面和巖石表面潤(rùn)濕性。地面法應(yīng)用微生物在地面生產(chǎn)代謝產(chǎn)物用作驅(qū)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(fā)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(dá)50 000 mg/L）［25］，可應(yīng)用于不適合化學(xué)驅(qū)的油藏；生物表面活性劑的研究也一直沒(méi)有中斷，關(guān)注較多的是脂肽，因?yàn)橹脑谳^低的濃度下具有較強(qiáng)的作用效果，可以替代現(xiàn)有的化學(xué)表面活性劑［26］。地面法應(yīng)用的驅(qū)油劑是微生物的代謝產(chǎn)物，可被生物降解，既環(huán)保又沒(méi)有產(chǎn)出液處理問(wèn)題，隨著微生物代謝產(chǎn)率的提高和地面發(fā)酵成本的降低［27］，其應(yīng)用規(guī)模正在不斷擴(kuò)大。

2 中國(guó)MEOR研究進(jìn)展

中國(guó)微生物采油技術(shù)起步于20 世紀(jì)60 年代，發(fā)展于90 年代后期。國(guó)家科技部先后支持了“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)課題“微生物驅(qū)油探索研究”、“十五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃“極端微生物石油開(kāi)采技術(shù)研究”、以及“十二五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）重點(diǎn)項(xiàng)目“內(nèi)源微生物采油技術(shù)研究”，推動(dòng)了微生物采油技術(shù)理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的快速發(fā)展，尤其是在項(xiàng)目研究過(guò)程中，增強(qiáng)了高校、研究院所與油田企業(yè)的密切合作。近十幾年主要在以下幾方面取得顯著的進(jìn)展。

2.1 油藏微生物群落的認(rèn)識(shí)

在進(jìn)行微生物采油研究過(guò)程中，首先必須要了解油藏中微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能，前期主要從油井井口取樣，以培養(yǎng)法分析其中的微生物組成，但是，長(zhǎng)期以來(lái)，不能確定井口取樣分析結(jié)果是否能真實(shí)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(wèn)題

油井井口取樣方式及樣品處理會(huì)直接影響分析結(jié)果。油井井口都在野外露天環(huán)境，取樣過(guò)程很容易受到污染，同時(shí)，樣品從油井向?qū)嶒?yàn)室運(yùn)輸需要一段時(shí)間，樣品放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其中的微生物組成會(huì)發(fā)生變化，從而會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。另外，通過(guò)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(guò)程也可能造成水相中微生物的流失。為此，勝利油田經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，優(yōu)化了現(xiàn)場(chǎng)取樣方式和樣品處理標(biāo)準(zhǔn)流程。在高通量基因測(cè)序前的樣品處理過(guò)程中，對(duì)油藏采出液室溫放置5 d 內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)以及連續(xù)5 d 獨(dú)立取樣的同一油井水樣間的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)，樣品室內(nèi)放置0～5 d 過(guò)程中，細(xì)菌和古菌群落結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢(shì)菌群沒(méi)有發(fā)生明顯改變，但是細(xì)菌和古菌的多樣性存在逐漸減少的趨勢(shì)，其中古菌多樣性的變化比細(xì)菌更為明顯。研究還發(fā)現(xiàn)，同一口油井連續(xù)5 d 獨(dú)立取樣的樣品間，細(xì)菌和古菌群落結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢(shì)菌群也沒(méi)有發(fā)生較大的變化，與室內(nèi)放置樣品的優(yōu)勢(shì)菌屬一致［28］。說(shuō)明油藏采出液室溫放置短期內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌群結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性，一次取樣的油水井樣品具有階段代表性，該研究結(jié)果為高通量測(cè)序技術(shù)在油藏微生物群落結(jié)構(gòu)解析中的應(yīng)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(gè)極端環(huán)境，其中存在的微生物多為極端微生物，由于環(huán)境中只有不到1%的微生物可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)培養(yǎng)，所以，常規(guī)的培養(yǎng)分析無(wú)法獲得準(zhǔn)確的油藏微生物群落信息，近十幾年來(lái)，基于16S rRNA 的分子微生物分析方法日臻完善［29］，并很快應(yīng)用到微生物采油技術(shù)研究領(lǐng)域，包括變性梯度凝膠電泳（DGGE）、末端限制性片段長(zhǎng)度分析（TFRLP）和高通量測(cè)序（High-throughput sequencing）等技術(shù)［30］，“十二五”期間，勝利油田、新疆油田、北京大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)和華東理工大學(xué)對(duì)中國(guó)溫度為30～90 ℃的各類油藏進(jìn)行了廣泛的普查，發(fā)現(xiàn)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(shù)的核心微生物具有采油潛力（表1）。

表1 油藏中常見(jiàn)的具有驅(qū)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(jī)理的認(rèn)識(shí)

微生物采油機(jī)理復(fù)雜多樣，幾乎涵蓋了提高采收率的所有機(jī)理，通過(guò)微生物在油藏中的生長(zhǎng)代謝作用，既能提高洗油效率，也能擴(kuò)大水驅(qū)波及體積，還可以通過(guò)產(chǎn)生生物氣，提高地層壓力（能量）［31］，機(jī)理的復(fù)雜性給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)不少困惑。早期認(rèn)為微生物通過(guò)降解原油中的石蠟大分子，降低原油黏度或凝點(diǎn)，后來(lái)的研究證實(shí)這不是微生物采油的主導(dǎo)機(jī)理。近二十年的研究和試驗(yàn)結(jié)果表明，微生物采油機(jī)理雖然復(fù)雜，但在具體應(yīng)用時(shí)僅有一至兩方面機(jī)理占主導(dǎo)，其他方面的機(jī)理作用貢獻(xiàn)極小，無(wú)論是油井吞吐還是微生物驅(qū)油，目前公認(rèn)的主導(dǎo)機(jī)理是乳化降黏及產(chǎn)氣增能，前者是通過(guò)微生物在地下產(chǎn)生生物表面活性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)原油乳化，啟動(dòng)不能流動(dòng)的殘余油，同時(shí)改變潤(rùn)濕性，降低原油流動(dòng)阻力；后者是通過(guò)產(chǎn)氣微生物產(chǎn)生CO2，N2，CH4等生物氣補(bǔ)充地層能量，同時(shí)生物氣產(chǎn)生時(shí)對(duì)流體的擾動(dòng)作用也可大幅度提高乳化效率［32］。目前有關(guān)微生物在油藏中利用碳水化合物發(fā)酵生熱的采油機(jī)理還沒(méi)有相關(guān)的研究，理論計(jì)算在厭氧環(huán)境中，微生物通過(guò)生長(zhǎng)產(chǎn)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(jī)理作用的同時(shí)，溫度升高20 ℃可能會(huì)顯著提高整體驅(qū)油效率，有關(guān)微生物在油藏中生熱的作用貢獻(xiàn)還有待進(jìn)一步研究。

2.3 微生物采油物理模擬和數(shù)值模擬的研究

與化學(xué)驅(qū)相比，微生物采油的特點(diǎn)就是微生物在油藏驅(qū)替過(guò)程中不斷地發(fā)生變化，所以，在物理模擬研究時(shí)，近年來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)是向長(zhǎng)巖心方向發(fā)展，目的是讓微生物在巖心中停留更長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)，結(jié)合高通量測(cè)序及熒光定量PCR 技術(shù)定量描述物理模擬驅(qū)出液菌群結(jié)構(gòu)、多樣性指數(shù)及驅(qū)油功能細(xì)菌濃度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并分析生物特征動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與含水率變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。大量的物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多輪次段塞激活劑注入后，內(nèi)源菌群呈現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)演替變化，菌群結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單化，多樣性指數(shù)逐漸降低，在時(shí)間尺度上存在明顯的好氧、兼性及厭氧驅(qū)油功能菌的激活規(guī)律，厭氧產(chǎn)甲烷古菌激活時(shí)整個(gè)代謝鏈被啟動(dòng)，驅(qū)油效率最高［33］。同時(shí)還證實(shí)油藏內(nèi)源微生物的好氧、厭氧空間接替分布規(guī)律［34］，巖心前端主要存在一些好氧類的產(chǎn)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(yán)格厭氧類細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌（圖2）。除了長(zhǎng)巖心物理模擬實(shí)驗(yàn)外，三維物理模擬和微觀物理模擬實(shí)驗(yàn)也正在進(jìn)行，這些研究結(jié)果將為微生物采油數(shù)值模擬和工藝的優(yōu)化提供理論支撐。

圖2 長(zhǎng)巖心（1 800×Φ380 mm）微生物驅(qū)油物理模擬試驗(yàn)產(chǎn)出液微生物群落分析結(jié)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(shù)值模擬研究已建立了能全面反映微生物驅(qū)油過(guò)程的三維三相六組分?jǐn)?shù)學(xué)模型，模型涉及的組分有油、氣、水、微生物、營(yíng)養(yǎng)物以及代謝產(chǎn)物，并綜合考慮了微生物生長(zhǎng)/死亡、營(yíng)養(yǎng)消耗、產(chǎn)物生成、化學(xué)趨向性、對(duì)流擴(kuò)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(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，在微生物作用下提高原油采收率最高可以達(dá)到24.53%［35］，但目前對(duì)油藏條件下微生物生長(zhǎng)代謝規(guī)律、微生物采油機(jī)理等認(rèn)知仍存在較大的局限性，現(xiàn)有的微生物采油數(shù)學(xué)模型還無(wú)法為該技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供準(zhǔn)確、有效的支撐。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用

微生物采油應(yīng)用工藝主要包括單井吞吐和微生物驅(qū)，在具體工藝上有較多的改進(jìn)。單井吞吐的改進(jìn)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(yíng)養(yǎng)，主要目標(biāo)是解決近井地帶的有機(jī)和無(wú)機(jī)堵塞，注入量只有幾十方，一般不超過(guò)一百方，關(guān)井時(shí)間一周左右。而現(xiàn)在要解決的不僅是近井地帶，而是油井的井控儲(chǔ)層體積，所以，注入量增加到幾百方甚至上千方，關(guān)井時(shí)間延長(zhǎng)到幾個(gè)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(yíng)養(yǎng)，有時(shí)復(fù)合少量化學(xué)降黏劑或氣體（CO2或N2），增加地層能量，擴(kuò)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(guī)稠油（地層原油黏度為100～500 mPa·s）油藏，效果好的一個(gè)輪次能增產(chǎn)1 000～2 000 t［36］，中國(guó)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(yīng)用微生物吞吐技術(shù)延長(zhǎng)其經(jīng)濟(jì)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(qū)油技術(shù)已在不同的油藏進(jìn)行試驗(yàn)，從早期的外源微生物驅(qū)發(fā)展到目前3 種工藝，即外源微生物驅(qū)、內(nèi)源微生物驅(qū)和微生物制劑驅(qū)。新的趨勢(shì)表明，無(wú)論是外源微生物驅(qū)還是內(nèi)源微生物驅(qū)，都需要注入營(yíng)養(yǎng)，而且是含碳、氮、磷的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)，微生物可以快速利用這些營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)生有利驅(qū)油的代謝產(chǎn)物，從而提高驅(qū)油效果。2010 年以來(lái)，中國(guó)已有40多個(gè)區(qū)塊實(shí)施微生物驅(qū)，主要有勝利、華北、克拉瑪依、大慶和長(zhǎng)慶等油田。勝利油田有5 個(gè)區(qū)塊正在進(jìn)行微生物驅(qū)油試驗(yàn)，均為水驅(qū)稠油高含水區(qū)塊，其中沾3 區(qū)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(qū)塊為高溫高鹽深層稠油區(qū)塊，不適合于化學(xué)驅(qū)，油層溫度為89～93 ℃，產(chǎn)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(yàn)區(qū)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(qū)稠油的斷塊油藏?cái)U(kuò)大微生物驅(qū)規(guī)模。

大慶油田主要在外圍低滲透油藏和聚合物驅(qū)后油藏開(kāi)展微生物驅(qū)試驗(yàn)。其中南二區(qū)東部聚合物驅(qū)后的水驅(qū)區(qū)塊實(shí)施了內(nèi)源微生物驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(qū)后油藏仍然可以采用內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)進(jìn)一步提高原油采收率。2009年在外圍低滲透油田開(kāi)展了2 注10 采微生物驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)，累積增油量為1.45×104t。之后又開(kāi)展了9注24 采擴(kuò)大試驗(yàn)，已有15 口生產(chǎn)井含水率明顯下降，產(chǎn)油量上升41.6%［39］。

華北油田針對(duì)其儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，平面、層間矛盾突出問(wèn)題，將微生物驅(qū)與凝膠結(jié)合，以調(diào)驅(qū)擴(kuò)大微生物工作液的波及體積，提高微生物凝膠組合驅(qū)效果。2007 年在巴19、巴51 斷塊探索微生物凝膠組合驅(qū)技術(shù)的適應(yīng)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(nèi)源微生物種類豐富，具有開(kāi)展微生物驅(qū)油的物質(zhì)基礎(chǔ)，但另一方面由于適應(yīng)該溫度范圍的微生物種類繁多，驅(qū)油功能菌定向激活難度大。該油田先后在六中區(qū)和七中區(qū)開(kāi)展了微生物驅(qū)油試驗(yàn)，其中七中區(qū)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(shí)施微生物驅(qū)油后，累積增油量為3.93×104t，階段提高采收率達(dá)到5.46%［41］。

長(zhǎng)慶油田在馮66-72、盤(pán)33-21 和王16-5 井組等低滲透油藏開(kāi)展了微生物驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并在王46-035 和西25-15 等區(qū)塊開(kāi)展了微生物解堵試驗(yàn)，均取得明顯的增油效果［42］。近兩年來(lái)又在6個(gè)區(qū)塊開(kāi)展了微生物活化水驅(qū)，將回注水在地面進(jìn)行生化處理，然后直接注入地下實(shí)現(xiàn)微生物驅(qū)油，已初步見(jiàn)效，正準(zhǔn)備擴(kuò)大試驗(yàn)區(qū)。

2018年統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，中國(guó)共有25個(gè)區(qū)塊正在實(shí)施微生物驅(qū)油，累積增油量超過(guò)80×104t，試驗(yàn)區(qū)塊數(shù)量與十年前相比有明顯的增加趨勢(shì)，表明該技術(shù)具有較廣的油藏適應(yīng)范圍（表2）。

4 面臨的問(wèn)題

盡管微生物采油在單井吞吐和微生物驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中均見(jiàn)到增油或提高采收率的效果，但在工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中仍然存在不少問(wèn)題，影響了該技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

近年來(lái)高通量測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用證實(shí)油藏中存在大量未知的微生物，該技術(shù)雖然能準(zhǔn)確高效地解析油藏中微生物生態(tài)結(jié)構(gòu)，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(shí)施微生物采油過(guò)程中一定會(huì)有影響。

與化學(xué)驅(qū)相比，微生物驅(qū)增產(chǎn)和含水率下降的幅度普遍較小，且變化緩慢，這主要是因?yàn)槲⑸镌诘叵律L(zhǎng)代謝需要一個(gè)過(guò)程，而且其生長(zhǎng)代謝存在極限值，這個(gè)極限值是微生物本身的生理特性，不會(huì)因?yàn)樵黾蛹?xì)菌和營(yíng)養(yǎng)的注入量、注入濃度而突破，在一定時(shí)間段內(nèi)微生物的作用存在極限值，但可通過(guò)延長(zhǎng)作用時(shí)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(rèn)為同一油藏可多次實(shí)施微生物驅(qū)油。

表2 部分國(guó)內(nèi)微生物驅(qū)油試驗(yàn)區(qū)塊油藏條件及試驗(yàn)效果Table2 Reservoir conditions and trial results of some MEOR projects in China

現(xiàn)有的微生物采油工藝還需進(jìn)一步優(yōu)化。由于目前仍沒(méi)有較完善的微生物采油數(shù)學(xué)模型，所以微生物和營(yíng)養(yǎng)物的用量、使用濃度以及注入速度等關(guān)鍵工藝參數(shù)難以優(yōu)化，多數(shù)實(shí)施方案是以物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，所以，并沒(méi)有充分發(fā)揮微生物的作用優(yōu)勢(shì)，需要建立微生物對(duì)殘余油的作用與微生物生長(zhǎng)代謝兩者之間的關(guān)系模型。

在確定營(yíng)養(yǎng)配方時(shí)，一直存在選擇有機(jī)營(yíng)養(yǎng)還是無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)的爭(zhēng)論。中國(guó)多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)使用有機(jī)營(yíng)養(yǎng)，希望微生物能在地下盡快生長(zhǎng)繁殖，盡快見(jiàn)到增產(chǎn)效果。而無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)只提供無(wú)機(jī)鹽，微生物只能利用石油烴作為原始碳源，生長(zhǎng)代謝速度慢，見(jiàn)效遲緩。但有機(jī)營(yíng)養(yǎng)成本也要高得多，所以，需要研發(fā)成本更低的有機(jī)碳源和氮源的營(yíng)養(yǎng)體系。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期水驅(qū)和化學(xué)驅(qū)的油藏，進(jìn)一步提高采收率難度越來(lái)越大，單項(xiàng)技術(shù)很難奏效。在實(shí)施微生物采油過(guò)程中也需要一些配套技術(shù)，特別是堵調(diào)技術(shù)，這樣才能最大限度地發(fā)揮微生物采油技術(shù)優(yōu)勢(shì)，只要不影響微生物的生長(zhǎng)繁殖，也可復(fù)合其他類型驅(qū)油注劑，包括液體或氣體，以達(dá)到與微生物的協(xié)同作用，提高整體采油效果。

5 發(fā)展趨勢(shì)

微生物采油技術(shù)在中國(guó)經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，整體技術(shù)水平已領(lǐng)先于國(guó)外，主要是因?yàn)橹袊?guó)有大量的油藏已進(jìn)入三次采油階段，而可供選擇的提高采收率技術(shù)并不多。內(nèi)源微生物驅(qū)從單純的注入基本營(yíng)養(yǎng)廣泛激活向油藏微生物生態(tài)定向調(diào)控方向發(fā)展，理論上認(rèn)為除了一些低滲透油藏（滲透率小于10 mD，微生物無(wú)法進(jìn)入），或原油在油藏條件下不能流動(dòng)的稠油油藏，其他油藏均可實(shí)施微生物采油，其中低于100 ℃的油藏可實(shí)施內(nèi)源或外源微生物采油，而高于100 ℃的油藏可實(shí)施微生物制劑驅(qū)油。微生物采油技術(shù)在未來(lái)主要有三個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

微生物稠油冷采技術(shù)。中國(guó)普通稠油儲(chǔ)量占有較大比例，熱采成本高，水驅(qū)效果不理想，而微生物可以通過(guò)乳化、產(chǎn)氣作用啟動(dòng)不能流動(dòng)的殘余油，實(shí)現(xiàn)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(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展階段。廣義的微生物采油技術(shù)包括地面法，即在地面生產(chǎn)生物多糖和生物表面活性劑用于驅(qū)油，一方面是化學(xué)驅(qū)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(xué)驅(qū)難以適應(yīng)，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(yōu)勢(shì)，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(huán)保，且其生產(chǎn)過(guò)程不需要以石油作為原料，而且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，所以地面法微生物采油可能在今后一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)發(fā)揮重要作用。

微生物采油的地下法發(fā)展到目前仍以內(nèi)源或外源微生物加有機(jī)營(yíng)養(yǎng)為主，經(jīng)過(guò)工藝的優(yōu)化，同時(shí)完善配套技術(shù)，將成為不適合化學(xué)驅(qū)開(kāi)發(fā)油藏的重要接替技術(shù)，尤其是大量的斷塊油藏。當(dāng)油藏采出程度達(dá)到40%甚至60%以上時(shí)，可進(jìn)一步應(yīng)用微生物殘余油氣化技術(shù)，這個(gè)階段只需要提供無(wú)機(jī)鹽營(yíng)養(yǎng)，由微生物將殘余油轉(zhuǎn)化為生物氣（甲烷為主），初期產(chǎn)生的生物氣將伴隨著部分殘余油產(chǎn)出，后期產(chǎn)油逐漸減少，進(jìn)入產(chǎn)氣階段，以此延長(zhǎng)油藏開(kāi)發(fā)壽命。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的研究和試驗(yàn)，微生物采油技術(shù)發(fā)展目前正在進(jìn)入工業(yè)化階段，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提高采收率的幅度和增油量與化學(xué)驅(qū)相比均不具優(yōu)勢(shì)，這決定了現(xiàn)階段該技術(shù)還不能作為油田提高采收率的主導(dǎo)技術(shù)，但一些特殊條件的油藏，包括化學(xué)驅(qū)之后的油藏，微生物采油技術(shù)仍具備一定的潛力和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，有望在油田開(kāi)發(fā)后期成為主導(dǎo)技術(shù)。