马 挺， 陈 瑜

(南开大学生命科学学院 分子微生物与技术教育部重点实验室，天津 300071)

石油素有“工业血液”之称，是世界上非常重要的不可再生的资源之一。我国经济的快速发展使得对石油的需求量日益增多，高效环保的提高原油采收率技术需求迫在眉睫。为此，我国能源发展“十三五”规划也明确提出了大力推广油气开发技术，并将其列入当前重点发展的先进适用技术之列[1]。

油藏是一个具有较高温度、压力和少氧、寡营养的水油气岩石共存的封闭环境，除了微生物必须的氮、磷元素外，微生物新陈代谢所需要的主要元素碳、氢、硫、镁、钾、钠、卤族元素以及铁、锰、钙、锌等迹量元素是比较丰富的。其中，碳元素主要以石油烃的形式存在，某些油藏中会富含硫酸盐[2]。微生物在伴随着石油形成的漫长地质年代中究竟扮演着什么样的角色，一种说法是由于油藏中某些元素匮乏限制了其生长繁殖，但是一些产甲烷的古菌群落(可能还有大量未知的类群)能在厌氧条件下缓慢降解石油烃生成甲烷。目前，利用同位素分析技术已证明，有不少油藏中的天然气是生物成因的甲烷，也就是说，这些甲烷是通过微生物降解烃形成的。同时，对油藏中原油烷烃组分分析发现，有些烃类组分已被生物降解过[3]。此外，还有一些自养的厌氧菌参与油藏的硫、铁、锰等元素循环，或者以高价态元素为电子受体进行厌氧呼吸。总之，密闭油藏的微生物代谢活动是极其缓慢的，但是在地球化学元素循环中发挥着重要的作用。

石油依靠天然能量开采后，地层岩石孔隙中的压力释放和能量亏空，大多数油田均采用注水的方式以补充地层能量，以获得更高的原油采收率[4]。油田经过多年注水开发后，在油藏内部就有可能形成了相对稳定的微生物群落体系。相对于向地层中注入的微生物来说，这些微生物是内源微生物(Indigenous microorganisms)[5]。油藏中内源微生物的种类不少但数量不多，主要是由于地层中营养条件的限制，如果提供适当的营养，可激活这些内源微生物，并在油藏中大量繁殖。内源微生物驱油技术就是通过注入激活剂，刺激油藏内部的某些微生物，使其在油藏中生长繁殖并代谢产生能与原油/岩石/水相互作用的代谢产物，从而改善水驱波及体积和洗油效率，最终达到提高原油采收率的目的，具有油藏适应好、作用途径多、协同作用强、工艺简单、成本低等优势[6]。

1 油藏微生物研究

1.1 油藏微生物类群和代谢潜力

自从1926年Bastin等人在Science杂志上首次报道油藏中的硫酸盐还原菌以来，已经有40多个属的微生物从油田采出液中被分离出来，其中很多微生物都属于未知的新属或新种。尽管在油藏中发现了大量遗传与代谢多样性的微生物，但其构成相对简单，没有真菌或原生动物被发现，只有属于古生菌界和细菌界的原核生物被检出。2005年，Roche公司的454测序技术正式面世，打开了高通量测序的大门。国内外研究人员采用纯培养和分子生态学技术对世界各地的低温、中温和高温等各类水驱油藏环境中的微生物群落组成与分布做了大量深入调查[7-12]。对国内外已报道的16个不同油藏区块中微生物类群出现频率进行对比分析，发现油藏环境中的细菌主要分布于Proteobacteria、Firmiucutes、Bacteroidetes、Chloroflexi、Actinobacteria、Spirochaetes、Thermotogae、Nitrospira、Deinococcus、Thermus和Synergistetes；古生菌主要分布于Methanomicrobia、Methanobacteria、Methanococci、Thermoplasmata 和Halobacteria[13-14]。但是它们大多数都存在一个问题：它们虽然阐明了群落的结构组成信息，并找到了优势菌群，但是却无法解析群落中采油功能菌在提高原油采收率方面的代谢网络；另外，在油藏这样的极端环境中，大部分的微生物都属于未培养微生物，高通量测序技术更加无法解析这些未培养微生物的功能和其参与的代谢途径。

为了解除高通量测序技术的限制，更全面地探索微生物群落的代谢网络，宏基因组测序和宏转录组测序技术应运而生。与高通量测序技术不同，它们检测的不仅仅是微生物的16S rRNA基因，而是整个环境中包括功能基因在内的所有基因。宏基因组可以揭示油藏环境中微生物的群落组成以及代谢潜力，而宏转录组则可以揭示油藏环境中活跃的功能基因和代谢途径。刘一凡等[15]结合宏基因组测序和宏转录组测序技术来探究油藏微生物的群落组成、代谢潜力以及原位活性，并通过拼接(binning)得到7个基因组中的功能基因推测出了不动杆菌(Acinetobacter)、古球菌(Archaeoglobus)和甲烷鬃菌(Methanoseata)的好氧、厌氧烃降解和产甲烷的完整代谢链，最后通过相关基因的转录水平来推测各代谢途径的原位活性。

随着互联网数据库的不断更新和生物信息学分析方法的不断发展，使我们更关心这些特殊生态环境的未培养微生物组成和潜在功能，有没有未被发现的新物种和新功能，如近年来对于一些Thaumarchaeota、Korarchaeota、Woesearchaeota、Bathyarchaeota，以及一些Candidate division，重点关注可代谢有机质或利用有机质直接产甲烷的古生菌，尤其是近来发现Woesearchaeota很有可能通过代谢互补的方式与产甲烷古菌存在共生关系[16]，而Bathyarchaeota被认为广泛存在于环境中并有代谢复杂有机物产甲烷的潜力[17]，这些对于揭示油藏微生物代谢功能和古生菌的演化具有重要的学术价值。

1.2 油藏微生物的生态位和食物链

如前所述，在油田注水开发的过程中，部分的溶解氧和少量的营养物质被带入到了地层中，这样就在注水井及其近井地带形成了一个有氧区。

在油藏内部，因为微生物可利用的碳源通常有石油烃和腐植酸等有机化合物，所以在近井地带的有氧区内，能够利用石油烃作为碳源的烃氧化菌(HOB)首先会被激活，将高分子的石油烃类降解为脂肪酸、有机醇和芳香族化合物。在注入水进入地层深部的过程中，溶解氧逐渐被好氧微生物所利用和消耗，最终在油藏深部形成过渡带和无氧区。同时，HOB代谢产生的物质也随着注入水进入到过渡带和无氧区中，为厌氧发酵菌(FMB)提供代谢底物。FMB发酵产生的小分子有机酸、氢气、二氧化碳和醇类物质又可以作为代谢底物被产甲烷菌(MPB)所利用[18-20]。同时，这些小分子有机酸、氢气、二氧化碳和醇类物质也可以被硫酸盐还原菌(SRB)以及硝酸盐还原菌(NRB)所利用，从而构成了一个完整的油藏微生物食物链(图1)。

值得注意的是，某些异养的SRB代谢所产生的硫化氢气体会与污水回注系统中的金属油管产生化学反应，对其造成严重腐蚀。另外，从采油井逸出的硫化氢气体会危害油田工作人员的健康[21]。因此，SRB属于油藏环境中的有害菌群，在石油开采过程中，需要对其生长繁殖进行严格控制。NRB和SRB所利用的代谢底物极为相似，但NRB的生态位要高于SRB，这就意味着NRB对于底物竞争力较SRB更强，其大量的生长繁殖可以竞争性地抑制有害微生物SRB的生长，已有油田成功应用[22]。

2 微生物提高原油采收率技术

2.1 微生物提高原油采收率技术原理

微生物提高原油采收率技术(Microbial Enhanced Oil Recovery, MEOR)是一类通过微生物及其代谢产物来提高原油采收率的技术的总称[23]。其原理主要分为两大部分：一部分是改变原油物理化学性质，提高其流动性，参与这部分的代谢产物主要有表面活性物质和生物气等；另一部分是封堵渗流大孔道，扩大水驱波及范围，参与这部分的代谢产物主要有多糖和生物膜等。各代谢产物的作用机理如表1所示，具有代谢以上代谢产物的油藏微生物称为采油功能菌。

图1 油藏微生物代谢图

微生物代谢产物 在采油中的作用产生的影响气体(N2,CH4,CO2)降低原油黏度,增加流动性增加压力和原油流动性产CO2,降低黏度使油滴膨胀增加石油流动性酸(小分子酸,初级脂肪酸)溶解介质中的碳酸盐沉积物改善渗透性生物表面活性剂降低界面张力、乳化原油增加原油流动性微生物多糖、生物膜堵塞大孔道改善渗透率微生物细胞选择性降解原油增加原油流动性

根据其所利用微生物的来源不同，MEOR可被分为外源微生物驱油技术和内源微生物驱油技术这两大类。外源微生物驱油技术又称地面法，首先在地面将采油微生物发酵培养，然后将发酵液或者代谢产物注入油藏中，这种方法见效快，但成本较高，注入的外源微生物与内源微生物存在竞争关系。内源微生物驱油技术又称油层法，是把油藏看作一个生物反应器，通过注入营养物(主要是氮、磷、生长因子等)等激活地层中的采油功能菌，利用其在油藏环境下的生长繁殖和代谢活动，产生有利于驱油的代谢物质，作用于油藏和油层流体，实现提高油井产量和原油采收率的目的(图2)。这种方法比较廉价，可通过营养剂的量和注入方式调节内源微生物的激活效果，缺点是由于地层条件制约，微生物生长代谢受到一定限制，增产见效慢。内源微生物采油技术是低油价时代最具发展前景的采油技术之一，与太阳能稠油热采技术、天然气水合物储气技术等被列为2016年国际石油十大科技进展。

由于微生物是活的，人们还远不了解采油功能菌在地层中的竞争、生长和代谢规律，这可能是目前保障现场试验效果稳定性的攻关方向。

图2 微生物采油机理模式图

2.2 微生物提高原油采收率技术历史

MEOR最早是由美国科学家Beckman于1926年提出的，但是当时他也仅仅是提出了“在储油层利用微生物提高原油采收率”的设想。到20世纪40年代，美国微生物学家Zobell于1943年申请了“将细菌直接注入地下提高原油采收率”的专利，并于1946年提出利用SRB进行采油的一套现场实施方案[24]。Zobell首次在现场进行了试验，主要是利用厌氧发酵类芽胞杆菌和梭菌发酵糖蜜产酸、产气影响储层；应用的工艺多为单井吞吐，少数为井组驱油，大部分试验有增油效果，但由于分析方法不统一无法比较。1954年，MEOR的第一次矿场试验在美国阿肯色州的联合县完成，并证实了细菌在油藏内部的大规模发酵确实是可以提高原油采收率的。20世纪60至90年代是MEOR蓬勃发展的阶段，美国能源部(DOE)组织了美国高校、石油技术研究所和技术公司，开展了大量基础研究，涉及菌种分离、功能评价、微生物生长和运移规律等研究，这些研究推动了该技术的迅速发展。1986年DOE在俄克拉荷马Delaware-Childers油田选择了4个井组，注入产表面活性剂的地衣芽胞杆菌和糖蜜，开展微生物强化水驱现场试验，每天注入仅几加仑，但产量增加13%。1994～1998年，美国DOE在North Blowhorn Creek油田开展了内源微生物驱现场试验，注入氮、磷无机盐和糖蜜，激活内源微生物起到堵调作用，试验获得7 953 t增油量，延长油藏开发的经济寿命超过60～137个月。

俄罗斯的MEOR研究主要是俄罗斯科学院微生物研究所承担，主要研究激活内源微生物驱油技术。1977年Ivanov等研究了Bondyuzhskoe油田15口井中的微生物，证实了注入水中的微生物为地层中微生物群落的主要来源。此后，Ivanov进一步根据油藏内源微生物的群落代谢特征以及各群体间的相互关系，结合多次实施的内源微生物驱油技术的经验，提出了提高原油采收率的“两步激活”理论[27]。该方法首先通过向地层中注入氮、磷等营养物质来激活近井地带有氧区中的HOB，这些细菌在生长代谢过程中所产生的代谢产物一方面能改善油藏环境，提高原油的可采收性；另一方面，它们会随着注入水进入油藏深部的过渡带和厌氧区，依次被FMB和MPB所利用，并产生挥发性脂肪酸、乙醇和气体等能改善原油性质的代谢产物。此外，硫酸盐的存在会激活SRB产生大量的H2S气体，该气体会造成严重的油管腐蚀。但是，根据NRB的生态位要高于SRB这一现象，研究者们通常会采用向油藏环境中注入大量的硝酸盐这一方式来刺激NRB的大量生长，最终达到竞争性地抑制SRB的目的。该技术现场应用规模较大，1983～2002年共涉及134口水井和325口油井，增油近60×104t[28]，是所有历史报道中增油最多的国家。

另外，澳大利亚开展了利用好氧内源微生物产生表面活性物质以提高采收率的研究。Statoil公司在北海油田应用好氧微生物驱油现场试验获得成功。近几年来，加拿大、澳大利亚、英国、挪威、日本等国家也有微生物采油相关的研究报道，可以看出MEOR仍被广泛关注。我国的MEOR研究始于20世纪60年代，由中科院微生物研究所王修垣教授在玉门油田开展。20世纪80年代末开始从美国和加拿大引进微生物菌种，并相继在国内多家油田开展了单井吞吐试验，均取得了一定的増油量。美国菌种的流入吸引了国内高校和油田的合作攻关，南开大学、山东大学也继中科院微生物研究所之后开展了MEOR研究。1997～2000年，大港油田与南开大学合作，在高温高含水稠油油藏官69断块开展了微生物驱矿场试验，持续注入能降解重油中高胶、高蜡组分的高温菌NG80-2，试验区7口井中有6口井先后见到增油降水效果，累计增油7 041 t。

2.3 微生物提高原油采收率技术发展现状

目前，美国MEOR的发展方向逐渐清晰，一是希望开发低成本的生物表面活性剂，或在地下原位产生生物表面活性剂提高驱油效率，以实现低成本且环保的目的[26]；二是通过注入营养液激活内源微生物，选择性封堵多孔地带，扩大注入水的波及范围，从而提高水驱效率。2007年，美国Titan公司在加拿大Saskatchewan水驱油田开展内源微生物驱试验，单井产量从1.27 t/d提高到4.13 t/d，含水下降10%，增油成本仅6美元/桶[25]。

2000年，中石油从俄罗斯引进内源微生物采油技术，在大港油田开展室内和现场试验，其中2001年在孔二北区块11口水井注入0.003 PV激活剂，截止2006年累计增油5.4×104t。与此同时，胜利油田在罗801区块开展微生物驱先导试验，2006年开始空气辅助微生物驱，2012年转为内源微生物驱，至2017年度增油16.37×104t，阶段提高采收率5.62%，是现有报道试验时间最长的微生物驱油现场试验。

自2008年至今是中国微生物采油高速发展的十年，国家科技部持续设立863重点项目进行校企联合攻关，在此期间室内研究和现场试验均取得了长足的发展，微生物采油技术总体达到甚至超过世界先进水平。2009年开始，新疆油田的六中区、七中区和胜利油田的中1区N3、沾3区块、辛68区块先后开展内源微生物驱油技术研究，并取得突破性进展。其中2010年在新疆六中区累计注入激活剂0.04 PV，截止2012年底累积增油3 921 t，阶段提高采收率3.3%，并发现乳化功能菌对增油量有一定的对应关系，说明原油乳化是微生物采油的主要机理之一[29]；为了验证这一机理，新疆油田2013年又在七中区扩大注入量，截止2017年底累计注入激活剂0.15 PV，累计增油3.49×104t，阶段提高采收率4.8%，目前现场还在持续注入，计划注入激活剂0.2 PV。胜利油田中1区N3于2012年3月开始注入激活剂，50 d开始见效，2口中心井综合含水下降2%，日均增产原油4.3 t，且效果维持在5个月以上[30]；沾3区自2011年注入激活剂6个月后5口油井见到明显效果，对应油井产量由26.3 t/d上升至51.8 t/d，含水率由96.1%下降至92.8%，2013年采用周期注入生产井生产动态得到进一步改善，见效井增加到11口，试验区产油量进一步升至80.4 t/d，综合含水率进一步下降至89.1%，截至2014年12月，试验区14口油井中12口油井见效，累计增油2.75×104t，并发现微生物群落多样性与现场原油产量之间明显负相关，在内源微生物驱油现场试验过程中，激活剂注入、油藏细菌群落结构与现场生产动态之间可以进行有效的调控[31]。

大庆油田针对聚驱后I、II类油藏开展了内源微生物驱矿场试验，为了有效应对聚驱后储层非均质性严重的现状，采取低浓度聚合物作为前置和后置保护段塞，将激活剂推至油藏深部，利用激活菌体选择性封堵高渗地带以及分泌表面活性剂驱油的机理，于2012年2月开始在南二区开展矿场试验。截止2014年6月累计注入0.08 PV，含水最低下降2.2个百分点，累积增油5 957 t，投入产出比为1∶6以上[32-33]。

华北油田根据宝力格储层非均质性严重和油品物性较差的现状，采取弱凝聚调堵和微生物降黏的技术原理，自2007年开始在巴19、38断块开展凝胶-微生物复合驱，通过微生物单井吞吐、微生物凝胶复合驱等先导技术试验、扩大应用，初步建立了微生物场、实现了微生物循环驱，有效地改善了油田开发效果。截止2017年共注入工作液0.12 PV，综合含水分别下降了6.91%和3.46%[34]。

长庆油田在安塞、靖安等几个低渗透、特低渗透油藏开展了微生物驱矿场试验，证明微生物驱油在低渗透油藏具有堵水调剖作用，起到较好的降水增油效果[35]。2009年在特低渗透油藏-安塞王窑区开展外源微生物驱现场试验，油井见效比例47.1%，累计增油3 740 t；2010年在低渗透油藏-靖安ZJ2区开展内源+外源微生物驱先导性试验，油井见效明显，累计增油5 836 t；2011年又在超低渗油藏-华庆白153区开展先导试验，吸水剖面得到改善，累计增油1 581 t。以上试验结果均证明，微生物驱油技术能有效减缓低渗透油田水驱产量递减，改善开发效果。

2.4 微生物采油的发展方向

进一步深化机理与菌种等基础研究：微生物采油技术发展了近100 a，仍没有大面积推广，笔者认为主要有以下几个亟待解决的主要问题：结合油藏条件的室内机理研究还不够深入，生物气、表面活性剂和菌体细胞堵塞对提高采收率的量率对应关系尚需明确；微生物的油藏适应性及其在生态环境中的相互作用关系还不清楚，采油功能菌生长、代谢和运移规律还有待深入研究，可靠的数学模型尚需形成。此外，新的驱油菌种的富集和性能研究仍是近一段时间机理研究的重要手段，基因工程、代谢工程、合成生物学技术，以及分子快速检测手段在采油微生物中的应用也必将大大推进该技术的发展。

加强现场应用油藏与工程技术配套：近十几年来，虽然我国的微生物采油技术获得了长足的发展，但是诸多现场试验仍然暴露了机理解释不清、提高采收率幅度不高、见效不稳定等问题。这里既有油藏的问题，也有微生物及其营养剂的问题。油藏精细描述和综合调整措施不到位，微生物及激活剂效果不佳，缺乏有效的注入方式，成本要求下的整体注入量偏低(目前最大的注入量为新疆七中区0.15 PV)等等，这些可能都是制约现场效果的因素。笔者建议：①中高渗水驱油藏。在目前营养剂和空气注入量<0.1 PV的条件下，可提高采收率3%～5%。要想大幅度提高采收率(>8%)，需要进一步优化内源微生物驱油的油藏方案与配套工艺设计：通过油藏精细描述，优化注采井网，确保井网对油藏控制程度在70%以上；重视注入井的调剖工作，确保激活、补氧体系均衡注入；重视高效采油功能菌的选育，开展基因工程菌研究，确保微生物油藏适应性和代谢旺盛；提高激活、补氧体系注入总量(>0.2 PV)，优化段塞设计，扩大好氧功能菌在储层的控制范围并确保处于优势地位；重视高含水油井所处厌氧区采油功能菌研究，探索和完善“水井微生物驱+油井微生物吞吐增效”的增油模式。此外，在高含水、特高含水油藏，如单项技术受局限，可借鉴宝力格复合技术的经验，与其他技术配套，如化学堵调。②低渗透水驱油藏。前期已开展区系的调查，发现含有烃氧化菌等功能菌的含量均在103～105个/mL，可并优化好空气注入与激活体系的关系，进一步开展空气微生物复合驱；确保注采井网与裂缝系统匹配，或直接将激活剂通过裂缝输送到油藏深部。此外，鉴于超低渗透储层的特性，可开展生物表面活性剂驱，以达到降压增注，提高洗油效率的效果。③稠油水驱和热采油藏。采用外源与内源微生物相结合的方式进行稠油的生物化学降黏和改质增效，加大微生物在地层中与原油的作用周期，研究生物降黏机理和强化水驱技术。④化学驱后水驱油藏。聚合物驱、三元复合驱进入后续水驱阶段，发展以内源微生物为主体的接替技术，可称为四次采油。需要在优化激活剂组成和地层水配伍性的基础上，进一步关注油藏剩余油分布和地层非均质性带来的影响。

3 展 望

油藏微生物可形成一个复杂的食物链，对生物地球化学元素循环(碳、硫、锰、铁等)起着非常重要的作用。一些极端微生物具有资源化开发潜力，一些古老的生命种群对揭示早期生命活动机制具有重要的理论意义。微生物提高原油采收率技术作为油田开发后期、延长油藏开发寿命的首选技术，对我国能源安全和微生物学科进步具有十分重要的意义。现阶段我们需要大力加强机理研究，不断完善微生物驱油的油藏方案与配套工艺设计，最终达到大范围推广和大幅度提高采收率的目的。油藏是一个充满挑战的未知世界，相信不远的将来人们不仅能通过油藏微生物研究了解生命本质，还利用油藏这一生物反应器创造出更多的经济效益。