神秘古菌有望“復(fù)活”老油田

通訊員 任厚毅

2019年的某一天，勝利油田石油工程技術(shù)研究院微生物所專家林軍章從孤島油田帶回一瓶地下水采樣，里面含有各種微生物、古菌之類的。這很平常，微生物所的科研人員經(jīng)常收集、培養(yǎng)、研究這些菌樣，從中發(fā)現(xiàn)一些有益于石油開采的細(xì)菌之類的，加以培養(yǎng)放大，為微生物采油做貢獻(xiàn)。

“真的沒有想到，這里面竟然含有一種從未發(fā)現(xiàn)過的全新古菌，完全打破了傳統(tǒng)認(rèn)知，有望讓一些瀕臨枯竭的老油田起死回生?！绷周娬抡f。

中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)古菌生產(chǎn)甲烷全新途徑

北京時(shí)間2021年12月23日凌晨0時(shí)，世界著名《自然》雜志在線發(fā)表中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。由農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所、中石化微生物采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及深圳大學(xué)、德國馬克斯普朗克海洋微生物研究所等組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)一種來自油藏的新型產(chǎn)甲烷古菌，可在厭氧環(huán)境下直接氧化原油中的長鏈烷基烴產(chǎn)生甲烷，突破了產(chǎn)甲烷古菌只能利用簡單化合物生長的傳統(tǒng)認(rèn)知，拓展了對(duì)產(chǎn)甲烷古菌碳代謝功能的認(rèn)知。

“簡單地說，以前都是混合菌群，經(jīng)過較長時(shí)間的代謝分解，才產(chǎn)生出甲烷，而這個(gè)菌，僅憑‘一己之力’，并且在較短時(shí)間內(nèi)，就能將長鏈?zhǔn)头纸?，產(chǎn)生出甲烷，意義相當(dāng)重大?！绷周娬陆忉屨f。

“新發(fā)現(xiàn)揭示了古菌產(chǎn)生甲烷的全新途徑，打破了原油降解產(chǎn)甲烷需要多種微生物參與、調(diào)控難度大的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，該發(fā)現(xiàn)為構(gòu)建高效氣化菌系及實(shí)現(xiàn)氣化技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用奠定重要科學(xué)基礎(chǔ)?！绷周娬卵a(bǔ)充說。

“智慧科學(xué)迷”微博說得更形象：宇宙中有沒有以核能為食的哥斯拉，到目前為止還不清楚，但有一種吃石油排甲烷的神秘微生物被我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。該微生物結(jié)合了石油降解器和甲烷生成器的特性，可以將石油分解為甲烷和二氧化碳。

這是一條以前完全未知的甲烷生成途徑。該研究成果讓科學(xué)家對(duì)地下石油的開采有了全新的了解，未來幾年可以重點(diǎn)研究如何工業(yè)化，有望能使未充分開發(fā)的油田重新被開發(fā)。

揭開產(chǎn)甲烷新古菌的神秘面紗

產(chǎn)甲烷古菌是一種獨(dú)特的厭氧微生物，對(duì)氧氣敏感，通常在空氣中暴露幾分鐘就會(huì)死亡。它之所以被稱為“古菌”，是因?yàn)檫@種獨(dú)特的生命早在35億年前就存在于地球之上。它是地球上生命起源最早的一類原核微生物，也是全球大氣甲烷排放的主要貢獻(xiàn)者。正是它們與細(xì)菌一起，在缺氧環(huán)境中將有機(jī)質(zhì)降解、產(chǎn)生甲烷（也就是沼氣發(fā)酵）。根據(jù)已有的研究，這種古菌僅能通過乙酸發(fā)酵、二氧化碳還原、甲基裂解和氧甲基轉(zhuǎn)化這四條途徑產(chǎn)生甲烷。而最新成果研究提出了古菌產(chǎn)生甲烷的第五條途徑。

早在1999年，德國科學(xué)家首次證實(shí)了石油烴降解產(chǎn)甲烷的生物學(xué)過程。10年后，加拿大科學(xué)家報(bào)道了油藏中石油烴降解產(chǎn)甲烷也是一種常見的生物過程：微生物可以“吃”掉石油烴，將這種碳?xì)溆袡C(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷，但是這樣的轉(zhuǎn)化過程非常緩慢，整個(gè)轉(zhuǎn)化過程也十分復(fù)雜，涉及降解有機(jī)物和合成甲烷2個(gè)截然不同的步驟。

“通常產(chǎn)甲烷古菌的生長周期都需要一兩年以上時(shí)間，文獻(xiàn)報(bào)道的最長培養(yǎng)時(shí)間超過800天。也就是說，在做實(shí)驗(yàn)的過程中，你休兩年假回來都不晚?！傲周娬滦φf，“但在培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)，這次從孤島油田中取樣的菌液，產(chǎn)氣速率卻非?？?，跟其他菌液很不一樣。”林軍章敏銳捕捉到了實(shí)驗(yàn)中的異樣，將樣品送到了長期合作的農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所。

沼氣科學(xué)研究所一直從事厭氧微生物的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，對(duì)本次異常古菌也是高度重視。經(jīng)反復(fù)研究比對(duì)驗(yàn)證，神秘古菌浮出水面，并被逐步揭開面紗。

全新認(rèn)識(shí)有望讓老油田“復(fù)活”

傳統(tǒng)的原油開采技術(shù)，主要是應(yīng)用化學(xué)物質(zhì)或水壓力來驅(qū)動(dòng)地下深層的原油運(yùn)移?！斑@種利用物理和化學(xué)方法采油的技術(shù)，仍然有超過一半的原油殘留在地下油藏，難以被開采利用。”中石化微生物采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室勝利油田微生物采油首席專家汪衛(wèi)東說。

基于這項(xiàng)研究成果，將有可能利用地下厭氧微生物的作用，把液態(tài)的原油降解變成氣態(tài)的甲烷，形成油氣共采，最終達(dá)到比較高效率的原油開采利用率。這也可延長油藏的開發(fā)壽命，有望讓老油田“復(fù)活”。

“液體原油氣采，相當(dāng)于在原來的基礎(chǔ)上，提高至少20個(gè)百分點(diǎn)的采收率?！绷周娬抡f。

沼氣科學(xué)研究所所長王登山認(rèn)為，這項(xiàng)成果是從“0”到“1”的基礎(chǔ)研究認(rèn)知，是開創(chuàng)性的。為人們開發(fā)“地下沼氣工程”奠定了理論基礎(chǔ)。

“地下的油不用抽出來，可以直接把油變成氣，讓氣體出來，進(jìn)行甲烷的收集。這相當(dāng)于我們把沼氣池修在了幾千米的地下油藏中，形成平方公里尺度的巨大‘地下沼氣池’。”因此，基于該項(xiàng)成果的技術(shù)攻關(guān)一旦突破，對(duì)枯竭油藏進(jìn)行油氣共采，增產(chǎn)的油氣總量將達(dá)到數(shù)億噸。這將為緩解我國能源對(duì)外依賴度，保障國家能源安全提供科學(xué)支撐。

“當(dāng)然，要達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用水平，這里面還需要很長的路要走，還需要方面面面從理論到試驗(yàn)到應(yīng)用的配合?！绷周娬抡f。

基礎(chǔ)理論研究推動(dòng)微生物采油技術(shù)快速發(fā)展

早在2007年，勝利油田就與沼氣科研所合作，從羅801區(qū)塊產(chǎn)出液中分離得到一株新的產(chǎn)甲烷菌，經(jīng)鑒定為新屬，并以“勝利油田”命名為“勝利嗜熱甲烷微球菌”，并且得到了國際菌種保藏中心（DSMZ）的認(rèn)證。新誕生的產(chǎn)甲烷菌種是所見報(bào)道中生長溫度最高的甲基營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌。這也是我國科技工作者在產(chǎn)甲烷古菌研究領(lǐng)域中首次申報(bào)的新屬。

羅801區(qū)塊由于長期實(shí)施微生物驅(qū)油，地下微生物“兵團(tuán)”兵強(qiáng)馬壯，實(shí)力雄厚，有效控制著區(qū)塊含水緩上升，原油穩(wěn)增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該區(qū)塊實(shí)施20多年以來，累計(jì)增油17萬噸以上，階段提高采收率5.93%。據(jù)了解，這也是國際上迄今實(shí)施時(shí)間最長、效果最顯著的微生物驅(qū)油區(qū)塊。

嘗到了微生物基礎(chǔ)研究的甜頭，這些年，中石化微生物采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室除了同農(nóng)業(yè)部沼氣研究所合作首次發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)甲烷古菌外，在微生物嗜烴降黏機(jī)制、潤濕改性機(jī)制、菌群調(diào)控理論等方面也取得較大進(jìn)展；同中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，揭示了微生物降解膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子機(jī)制；同中國科學(xué)院合作，明確了微生物界面潤濕改性機(jī)制；同南開大學(xué)合作，發(fā)現(xiàn)內(nèi)源菌群演替變化的生態(tài)機(jī)制，形成內(nèi)源菌群定向激活調(diào)控技術(shù)。近三年在《Nature》、《Molecules》、《Energy Fuels》等SCI期刊發(fā)表文章30余篇，形成的研究成果均處于國際領(lǐng)先水平。

基礎(chǔ)理論研究的突破推動(dòng)了微生物采油技術(shù)的快速發(fā)展，在油藏的適用范圍不斷提高。近3年勝利油田的微生物采油技術(shù)覆蓋地質(zhì)儲(chǔ)量由700萬噸提高到2600萬噸，年增油量由4萬噸提高到18萬噸，預(yù)計(jì)十四五末將達(dá)到30萬噸以上。