油藏采油功能菌愛吃什么?怎樣才能讓它們在地下茁壯成長……在過去的十幾年中，如何定向“投喂”這些“菌寶寶”讓南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副院長馬挺教授團(tuán)隊(duì)操碎了心。

可別小看這些油藏采油功能菌，它們生長壯大后，可以“驅(qū)趕”出老油田留在地下的難以開采的原油。馬挺教授團(tuán)隊(duì)據(jù)此研發(fā)的油藏微生物原位激活和調(diào)控驅(qū)油新技術(shù)，可直接利用營養(yǎng)刺激油藏采油功能菌的生長代謝，從而大幅度提高原油的采收率。目前該項(xiàng)新技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用于勝利、新疆、大慶等6個(gè)油田，采收率提升近10%，新增產(chǎn)值9.2億元。“油藏微生物定向調(diào)控大幅度提高原油采收率技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目獲得2021年度天津市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

老油田六成以上原油無法開采利用

油氣資源是國家能源安全的重要保障，油氣資源的清潔、高效、可持續(xù)開發(fā)是國家重大戰(zhàn)略和企業(yè)重大需求。

“我國已開發(fā)油田的采收率實(shí)際只有30%左右，也就是說有60%以上的原油未能得到開發(fā)利用。”馬挺介紹，第一次采油過程中，原油靠地層與地面的壓力差噴涌而出，然而原油在噴出的時(shí)候壓力就完全被釋放了，但此時(shí)只有5%左右原油被開采出來，因此接下來還需要二次采油甚至三次采油。

由于沒有了足夠的壓力，接下來的采油就需要進(jìn)行“驅(qū)油”。二次采油最常用的技術(shù)是水驅(qū)采油，這種技術(shù)會(huì)向地層中注入水，使地層壓力升高，從而將地層中的原油驅(qū)替到附近的生產(chǎn)井內(nèi)。水驅(qū)采油技術(shù)自20世紀(jì)50年代以來被廣泛使用，不過水和油并不互溶，水會(huì)朝著壓力低的地方流，并且會(huì)在地下沖出大的孔道。老油區(qū)進(jìn)入高含水期后，較大的油水表面張力和油層孔隙毛細(xì)管力導(dǎo)致殘余原油難以開采。二次采油只會(huì)增加10%左右的采油量。

因此，絕大多數(shù)油田還需要進(jìn)行三次采油，其中氣驅(qū)、熱驅(qū)、化學(xué)驅(qū)都是在三次采油中比較常用的驅(qū)油技術(shù)。

水驅(qū)過程會(huì)降低油層溫度，使原油中的石蠟、瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分沉淀和富集在地層孔隙、管路和開采設(shè)備中，阻礙了原油流動(dòng)。盡管利用化學(xué)溶劑、表面活性劑、石蠟抑制劑和熱流體等能在一定程度上緩解這一現(xiàn)狀，但是化學(xué)和熱力學(xué)驅(qū)油方法成本過高，不利于普及和推廣。

如何解決貧油層和即將采空油層水驅(qū)開采過程中的瓶頸問題，提高原油采收率，最大限度利用不可再生資源，成為亟待解決的科學(xué)難題。

“定向投喂”讓采油功能菌“一枝獨(dú)秀”

微生物驅(qū)油技術(shù)的發(fā)展，為提高貧油層或即將采空油層開采效率低提供了可能。

“微生物代謝會(huì)產(chǎn)生生物表活劑、低分子溶劑、有機(jī)酸，降低油水界面張力，提高驅(qū)替毛管數(shù)和洗油效率;代謝產(chǎn)生氣體，使原油膨脹，提高地層的壓力從而達(dá)到氣驅(qū)的目的;通過降解原油中的重質(zhì)組分，降低原油的黏度，改善流動(dòng)性;細(xì)菌細(xì)胞及生物聚合物在地層中起到調(diào)堵的作用，擴(kuò)大水驅(qū)波及體積。”馬挺表示，使用微生物驅(qū)油技術(shù)，可以有效提升三次采油技術(shù)的石油開采率。

微生物驅(qū)可分為外源微生物驅(qū)油和內(nèi)源微生物驅(qū)油兩種方式。

“傳統(tǒng)的外源微生物驅(qū)是選擇合適的微生物菌種在地面發(fā)酵以后注入地層實(shí)現(xiàn)微生物驅(qū)油。”馬挺介紹，這種“趕著細(xì)菌去采油”的驅(qū)油模式發(fā)酵成本高、采油效果不穩(wěn)定，而且細(xì)菌在培植的過程中，會(huì)釋放出大量二氧化碳。

“我們采用內(nèi)源微生物驅(qū)油方式，直接刺激油藏本源微生物的原位生長代謝而提高采收率，相當(dāng)于‘發(fā)動(dòng)’細(xì)菌去采油，不僅消除了地面發(fā)酵帶來的碳排放，還可以發(fā)揮本源菌適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，進(jìn)一步降低成本。”馬挺說。

然而，由于油藏環(huán)境特殊、多樣，微生物群落復(fù)雜、未知，如何準(zhǔn)確識(shí)別和定向激活采油功能菌，是該技術(shù)的核心及難點(diǎn)。

從2008年開始，科研團(tuán)隊(duì)就開始對油藏采油功能菌進(jìn)行識(shí)別篩選和定量檢測。“最初由于技術(shù)有限，所用方法十分繁瑣，往往識(shí)別一個(gè)菌都需要1個(gè)月的時(shí)間。”馬挺回憶說，后來團(tuán)隊(duì)通過分子生態(tài)學(xué)、宏基因組學(xué)和微生物網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，將這個(gè)時(shí)間縮短至1周。“用這項(xiàng)技術(shù)，我們揭示了完整的油藏微生物代謝網(wǎng)絡(luò)圖，明確了能產(chǎn)生表面活性劑的嗜烴菌是核心功能菌，解決了對油藏功能菌認(rèn)識(shí)不清的問題。”

然而團(tuán)隊(duì)很快發(fā)現(xiàn)，“萬里挑一”選出來的嗜烴菌種類多樣，90%不可培養(yǎng)。如何才能“優(yōu)中選優(yōu)”?

“我們發(fā)明了接頭引物多重聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)和聚乙炔囊泡顯色技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對不同種屬的嗜烴菌及其代謝產(chǎn)物的一次性準(zhǔn)確定量，保障了功能菌的快速識(shí)別和動(dòng)態(tài)監(jiān)控。”馬挺說。

目標(biāo)選定，下一步就需要“定向投喂”，以保證功能菌能在眾菌群中“一枝獨(dú)秀”。

“針對功能菌激活效率低的問題，我們通過分析功能菌營養(yǎng)需求，研發(fā)了系列定向激活劑，使其濃度快速提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)。為了能讓功能菌保持生長優(yōu)勢度，我們又發(fā)明了有機(jī)、無機(jī)營養(yǎng)交替調(diào)控技術(shù)，形成了核心專利群，使嗜烴功能菌占比從5%提高到40%，保障了微生物采油技術(shù)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。”馬挺介紹。

為了讓這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用更加廣泛，科研團(tuán)隊(duì)針對非均質(zhì)油藏，研發(fā)了激活劑稠化技術(shù)，地下生物場的作用范圍擴(kuò)大了60%;針對低滲透油藏、中高滲透油藏和稠油油藏，建立了4項(xiàng)個(gè)性化采油技術(shù)，保障了現(xiàn)場效果的持續(xù)性和穩(wěn)定性。

目前全國90%的油田都適合應(yīng)用油藏微生物定向調(diào)控這項(xiàng)技術(shù)。

打造能源綠色開發(fā)示范區(qū)

從2018年開始，項(xiàng)目開始陸續(xù)應(yīng)用于勝利、新疆、大慶等6個(gè)油田。

和實(shí)驗(yàn)室相比，油田地下情況更為復(fù)雜。為了讓這項(xiàng)技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，真正應(yīng)用于生產(chǎn)中，從研發(fā)開始，馬挺就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)奔波于各大油田，經(jīng)常在大戈壁上一蹲就是一個(gè)多月。

“在使用中，我們也密切關(guān)注著各項(xiàng)數(shù)據(jù)的反饋，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，團(tuán)隊(duì)研制出幾十種采油新裝備、檢測試劑盒。”馬挺說。

功夫不負(fù)有心人，截至2020年12月，該項(xiàng)目共計(jì)增油26萬噸，采收率提升10%，而且目前增油效果還在持續(xù)。

“我們的目標(biāo)是把油田打造成一個(gè)能源綠色開發(fā)的示范區(qū)。”馬挺說。

“微生物會(huì)在地下產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳可以轉(zhuǎn)化為甲烷，甲烷作為清潔燃料可以被周圍居民利用。我們通過技術(shù)研發(fā)，把玉米秸稈、煉過油的豆渣等農(nóng)業(yè)廢棄物加工成功能菌的‘口糧’，實(shí)現(xiàn)了資源化再利用。”馬挺說，團(tuán)隊(duì)還正在研發(fā)通過微生物對水驅(qū)采油后的水進(jìn)行清潔處理技術(shù)。

一幅嶄新的生態(tài)環(huán)保綠色油田藍(lán)圖正在徐徐打開……(記者 陳曦)