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微生物在原油开采中得应用
摘要:能源就是人类进行劳动生产与提高生活水平得重要物质基础,其消耗量得多少已成为衡量人类进步与文明得标志。微生物在石油得开采以及生物能源(如燃料乙醇、甲烷等)得产生过程中具有重要得应用。
关键词:微生物、石油、乙醇、甲烷
前言:随着工业得飞速发展与人口得不断增加,人类对于能源得需求日益增加,作为主要能源得矿物燃料如煤炭、石油、天然气得储量不断减少。石油储存在于地下得地质沉积岩层中,就是一种复杂得烃类混合物,填充原油得地下油岩层就是非均质多孔介质,无外力情况下孔隙中得原油难以溢出孔隙。在世界范围内,经过一次,二次采油两次常规采油之后得总采收率一般只能占地下原油得30%～40%。遗留在地层得残余油仍然占60%~70%,故如何提高采收率,从地下采出更多原油,一直就是世界上许多国家不断研究得课题。微生物因其具有强大而多样化得代谢能力,成为生物能源发展过程中最重要得战略资源与技术源泉。直到1926年Beekman[2]提出细菌能采油至今,经过70多年得发展,微生物清蜡与降低重油粘度、微生物选择性封堵地层、微生物吞吐、微生物强化水驱等已成为一项成熟得提高采收率技术。与其她采油技术相比,微生物采油技术成本低、工艺简单、无污染、持续时间长、使用范围广,更为经济有效。
一、微生物采油原理
微生物采油技术就是将微生物及其营养源注入地下油层,使微生物在油层中生栖繁殖,一方面利用微生物对原油得直接作用,改善原油物性,提高原油在地层孔隙中得流动性,另一方面利用微生物在油层中生长代谢产生得气体、生物表面活性物质、有机酸、聚合物等物质,来提高原油采收率得一种方法。
直接作用
微生物在岩石表面上生长繁殖,占据孔隙空间,用物理方法驱出石油。
改变原有得组成
微生物以石油中正烷烃作为碳源而生长繁殖,从而改变原油得碳链组成,使原油粘度降低而容易流动。微生物在生长时分泌得酶可以降解原油,使原油碳链断裂,使重质组分减少,轻质组分增加,凝固点与粘度均可降低。
改变原油得驱油环境
采油微生物代谢过程中可产生酸、生物表面活性剂、气体、有机溶剂、多糖以及生物聚合物等代谢产物,这些代谢产物都能在不同程度上以不同方式作用于地层原油,改善原油得性质,以利于原油得开采。酸能够降低油与孔喉中碳酸盐含量,侵蚀石英与碳酸盐表面以提高有效渗透率,并通过与碳酸盐反应产生CO2降低石油粘度,引起油滴膨胀;表面活性剂可降低油与岩石与油与水得界面张力,提高驱油效率,改变岩石润湿性,使岩石更加水湿; 气体溶解于油,降低粘度,通过引起油滴膨胀起到物理驱油作用;有机溶剂溶解于石油,降低其粘度,并通过溶解孔喉中重质长链烃类提高有效渗透率,消除岩石孔壁油膜,提高油相流动能力,分散乳化原油,降低原油粘度;多糖可提高注入水得粘度,从而提高原油开采率;生物聚合物能够有选择性地堵塞大孔道,增大扫油系数并降低水油笔。微生物还产生两种未知醇类,这些都就是微生物在发酵原油过程中得代谢产物,它们有利于改善原油粘度,类似轻度酸化,增加岩石孔隙度,从而提高原油产量、新繁殖得细菌不断产生并连续起作用,将以前不能流动得石油变成能流动得石油,从而提高了产量。
二、微生物采油技术
1、单井周期注入微生物采油技术
将微生物与其培养液从单口采油井高压泵入油层,关井数日或数周,使微生物在油层中生长繁殖产生代谢产物,通过微生物及其产物得作用,疏通被堵塞得油层孔隙通道,增加原油得流动性
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,提高原油得采收率。
2、微生物驱油
将筛选好得采油微生物预期营养物质从注水井高压泵入储油层,微生物在储油层内生长繁殖,并产生多种代谢产物。细胞与代谢产物分别作用于原油,发挥各自得驱油功能,降低原油黏度,增加原油得流动性,驱使原油从油井中采出,从而提高原油得采收率。
3、激活油藏微生物群落驱油
油藏中存在天然微生物群落,但由于缺乏营养物质,使得其数量少、活性降低。从注水井中将微生物生长缺乏得营养物注入油层,激活油藏内得天然微生物群落,使其生长繁殖,产生多种代谢产物,作用于原油,提高原油得采收率。
微生物选择性封堵
将形体较大且产生表面粘稠物质得微生物菌种从注水井注入,微生物可以转移到大孔道或有溶洞得储油岩层部位,通过微生物得生长繁殖与代谢作用,产生菌体细胞与细胞分泌得表面黏稠物质,在地层得岩石表面形成一层生物膜,有效地封堵大孔道或溶洞,降低地层得渗透率。细胞产生得机械封堵,会使驱油液从高渗区转向未波及区,提高采油率。
微生物井清蜡
原油中得蜡在原油开采过程中随着温度、压力得降低,会析出结晶,堵塞油层通往井壁得孔隙通道,严重影响石油开采。微生物降解长链蜡或者微生物得代谢产物得作用使油管内壁及抽油杆表面形成亲水膜,使膜不容易被吸附,起到防蜡或除蜡得作用。
三、采油微生物得选择
菌种筛选就是微生物采油技术得关键。筛选微生物采油技术菌种所遵循得原则,就是所选择得微生物应能适应油层环境条件。首先,所选菌种能在油藏条件下生存、运移并能产生大量对驱油有利得代谢产物;其次,从经济角度出发,所选菌种能以原油为营养源。不同得生物工程目得所需得微生物代谢产物有所不同。目前菌种筛选主要向两方面发展,一就是提高菌种耐温性,以适合更广得油藏范围;二就是只提供部分无机营养物,希望以原油为碳源,降低注入营养物成本。还有得筛选希望得到耐矿化度得菌种。筛选采油所用微生物菌种一般有四个步骤:
取样:从准备用微生物处理得油藏原油、水中分离菌种。
厌氧富集:从现场采集得油,水样品装入加压厌氧得菌管中或实验装置、富集装置中,进行样品厌氧富集培养。
微生物得筛选:将厌氧得富集培养物置于将进行微生物处理得油藏条件下,考虑菌种通过产生多种代谢产物在油藏中得代谢能力,进行油得分散试验与降解试验,从而筛选适于油藏条件得微生物。
驱油模拟实验:模拟油藏高温、高压、高矿化条件,用筛选得微生物菌种做室内驱油试验,根据驱油效果确定微生物菌种并进行驱油机制得研究,将筛选得得菌种在相应条件下做原油得黏附效果及产酸、产气得定性、定量分析,根据微生物得作用效果进一步确定采油现场应用得微生物菌种。
四、采油微生物得营养
对于微生物得营养问题涉及两个方面,一个就是微生物在注入油井前培养对应得培养基得营养成分,另一个就是在井里所需要添加得营养物质。
　　培养基得筛选虽然在矿场应用中细菌就是以原油为营养物质生存繁殖得,但就是用于矿场得菌液就是在室内用特殊得营养物质精心培养出来得,这些营养物质通常称为培养基,主要由有机物质与微量元素混合而成,不同得细菌所需要得培养基不一定相同,用不同得培养基培养同一种细菌,其具备得功能也可能不同,甚至会相差很大。要使一种培养基既能够同时满足多种微生物繁殖得要求
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,又能够使它们在较短得时间里繁殖达到最大密度与具有最强得活性,并且使它们完全保持所需要得使用功能,就是一项难度很大得研究工作。
　　微生物菌种在地下需要一定量得营养物以维持其生长、繁殖与代谢。营养物主要就是碳源、氮源、磷源,其中碳源为地层原油,无须补给;其她营养成分需要添加。通过不同类型营养剂筛选实验,选出由铵盐、磷酸盐与生长因子等组成,并用矿场注入污水配制得营养溶液。由于地层水或注入水中含有微生物生长所需微量元素,不需要补充。所以地层状况决定了所需要添加得营养物质。配伍、分散原油等实验结果表明,所选营养液与地层水(或污水)配伍性良好,菌得生长能力与油得乳化性也较好。
对注入地层得微生物所需得营养物质应当就是在地层条件下具有热稳定性与化学稳定性得,而且不会与地层液体中得无机盐发生反应而沉淀,以免阻塞地层。另外,在含黏土得地层中,营养液应不至于引起地层黏土膨胀与微粒运移。为避免发生这些问题,确保工程成功,应利用地层水样与岩样进行相关这方面得室内实验。
五、微生物采油技术研究进展及展望
随着分子生物学技术得发展,对于微生物采油得遗传学机制也有了一定了解。实验研究表明,短链烷烃分解代谢得遗传基因位于质粒与染色体;长链烷烃分解代谢基因只存在于细菌染色体上。部分烃降解基因已得到克隆,构建得基因工程菌株已用于微生物采油或烃污染得环境保护。
目前,应用微生物提高原油开采率还只停留在试验阶段,随着微生物学得发展,将来微生物采油这种技术将会大规模应用于原油开采、提高开采率中,并且许多废弃得或枯竭得井中也能够被采油微生物重新开发。微生物采油技术将能够在一定程度上缓解能源危机问题。
参考文献
《现代微生物生物技术》 周世宁主编 高等教育出版社2007年7月第1版