兩種封堵方式

微生物封堵通過注入微生物或激活地層內(nèi)源微生物，利用微生物菌體自身生長繁殖及代謝過程中產(chǎn)生的氣體、生物聚合物和礦物沉淀形成生物膜的作用，調(diào)整吸水、注氣剖面，達(dá)到堵調(diào)目的。近年來，科研人員對微生物堵調(diào)進(jìn)行了大量的研究和實驗，證明其存在封堵能力。

研究表明，營養(yǎng)物質(zhì)會優(yōu)先流向高滲區(qū)域，刺激微生物產(chǎn)生封堵作用，從而將流（氣）體轉(zhuǎn)移到低滲透區(qū)域，因此提高石油采收率。微生物封堵目前有兩種方式。

一種是原位微生物封堵。地層中原本就生存著多種有代謝活性的微生物群落，而對于高溫高鹽油藏來說，外源菌可能不適合地層極端條件，因此最好直接注入營養(yǎng)物質(zhì)，刺激“本土”微生物生長和代謝來進(jìn)行微生物原位封堵。由于油藏中有多種代謝活躍的微生物菌群，所以必須考慮營養(yǎng)劑會不會刺激有害菌體活動，而且要避免微生物的酸化和腐蝕作用。

另一種是注入外源菌封堵。如果要利用特定微生物代謝產(chǎn)生的化學(xué)品，如生物表面活性劑、多糖等來進(jìn)行封堵，而儲層中并不存在這種活性的功能菌，就需要注入外源菌。這種方式需要注意油藏原有微生物的穩(wěn)態(tài)機(jī)制和新注入菌種生長之間的相互影響，同時還要考慮環(huán)境條件對新引入生物體的影響。

三種菌體形態(tài)

微生物究竟怎么實現(xiàn)封堵？在神秘的微觀世界到底發(fā)生了什么？在顯微鏡下，可以看到微生物菌體的三種形態(tài)。

一是利用微生物菌體富集達(dá)到封堵目的。微生物菌體可看成顆粒，當(dāng)懸浮在液體中時，就容易進(jìn)入高滲透帶，特別是孢子和超微細(xì)菌，在多孔介質(zhì)中，通過添加營養(yǎng)物質(zhì)刺激其萌發(fā)或復(fù)蘇，導(dǎo)致原位不斷生長從而封堵住孔喉。有一種惡臭假單胞菌，它在饑餓時，細(xì)菌細(xì)胞體積會減小，這時就可以進(jìn)入高滲透區(qū)了，在適當(dāng)?shù)奈恢迷俳o它提供營養(yǎng)，就可以實現(xiàn)選擇性堵調(diào)。

二是利用微生物誘導(dǎo)礦物沉淀達(dá)到封堵目的。微生物誘導(dǎo)礦物沉淀是通過功能菌自身代謝產(chǎn)生的高分子物質(zhì)及高pH值環(huán)境與無機(jī)離子相互作用產(chǎn)生礦物晶核，進(jìn)而外延聚集成高強(qiáng)度礦物沉淀的過程，其中細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀是最常見的方式。實驗表明，利用微生物誘導(dǎo)，孔壁上分散遍布著許多球霰石和方解石晶體，有效地堵塞了孔隙空間。這種微生物介導(dǎo)的碳酸鈣具有較高的黏結(jié)性和機(jī)械強(qiáng)度。此外，一種巴氏桿菌在高堿性或酸性條件下也具有較強(qiáng)的生物活性，并能耐受高鹽度，也能實現(xiàn)選擇性封堵高滲透儲層。

三是利用微生物產(chǎn)聚合物達(dá)到封堵目的。菌體在地下通過代謝產(chǎn)生生物聚合物，細(xì)胞通過這種胞外聚合物而黏結(jié)、聚集成大的生物體，從而堵塞孔隙和喉道。

現(xiàn)場實驗有效

目前國外生物封堵研究，主要是將不斷發(fā)展的生物技術(shù)嵌入油田技術(shù)研究，對微生物封堵的機(jī)理及方式進(jìn)行深入梳理，以明確其適宜的油藏條件及激活體系，篩選適用于不同條件油藏的功能菌。另外，對拓寬原位微生物封堵應(yīng)用范圍也有研究，尤其是適應(yīng)高溫高鹽油藏條件，尋求經(jīng)濟(jì)有效的激活劑，達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保的封堵目的，逐步增強(qiáng)現(xiàn)場應(yīng)用效果。國外部分油田應(yīng)用不同的微生物封堵調(diào)剖，封堵率最高達(dá)80%。

我國在20世紀(jì)90年代開始微生物采油技術(shù)研究，其中包括微生物堵調(diào)技術(shù)。大慶、勝利和吉林等油區(qū)都已開展了相關(guān)的研究和現(xiàn)場實驗。目前，業(yè)界認(rèn)為可通過控制實現(xiàn)微生物選擇性封堵，而且該項技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，有望在高含水開發(fā)期及防二氧化碳?xì)飧Z中發(fā)揮重要作用。

例如，在單家寺油田單12塊進(jìn)行的內(nèi)源微生物驅(qū)油實驗證明，菌體能有效封堵儲層孔隙和喉道，封堵率達(dá)到80%。在后續(xù)水驅(qū)中，滲透率基本保持穩(wěn)定。勝利油田針對水驅(qū)油藏微生物誘導(dǎo)礦物沉淀也進(jìn)行了大量研究，已充分認(rèn)識其機(jī)理并分離出兩株適宜中溫油藏的功能菌，分別是黃單胞桿菌和產(chǎn)堿功能菌，前者可以產(chǎn)生大分子的胞外多糖，為生物礦物沉淀提供結(jié)晶位點，后者具有將蛋白質(zhì)分解成氨基酸轉(zhuǎn)化為胺類的能力，導(dǎo)致環(huán)境呈堿性，二者的適宜溫度為50攝氏度。

攻關(guān)任重道遠(yuǎn)

雖然微生物封堵技術(shù)具有高效、經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保等優(yōu)點，目前國內(nèi)已有部分成功的室內(nèi)實驗，但現(xiàn)場實驗總體尚處于起步階段，要將其作為一項成熟技術(shù)在現(xiàn)場進(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用，還有許多問題需要解決。

以勝利油田為例，我國大部分油田存在以下問題：一是水驅(qū)油藏微生物封堵機(jī)制和適應(yīng)范圍還不明確，不同水驅(qū)油藏孔喉差異大，不同菌體與孔喉匹配關(guān)系及菌體運(yùn)移和封堵位置不明確，導(dǎo)致水驅(qū)油藏微生物封堵技術(shù)缺少調(diào)控依據(jù)；二是水驅(qū)油藏微生物誘導(dǎo)礦物沉淀缺少調(diào)控方式，研究發(fā)現(xiàn)水驅(qū)油藏某些微生物具有誘導(dǎo)礦物沉淀封堵高滲帶的作用，但如何誘導(dǎo)該類菌體在油藏中進(jìn)行封堵的調(diào)控機(jī)制和方式不明確；三是勝利油田二氧化碳驅(qū)油藏微生物激活封堵能力不明確，國外成功案例并不適合勝利油田高溫二氧化碳驅(qū)油藏，其內(nèi)源微生物種類及激活封堵能力還需要進(jìn)行探索研究。

油藏原位微生物封堵作用的研究尤為重要。內(nèi)源微生物是地層中本身存在的“土著”微生物，能很好地適應(yīng)地層環(huán)境，并能在激活劑作用下大量繁殖。利用其在油藏原位生長代謝，可產(chǎn)生礦物沉淀或形成菌體富集封堵，在油藏深部形成堵調(diào)，提高驅(qū)替效率，其工藝簡單成本低，綠色環(huán)保，應(yīng)用前景良好。

勝利油田適合水驅(qū)微生物封堵的儲量約為5.6億噸，適合二氧化碳驅(qū)微生物封堵的儲量約為1.2億噸，以微生物封堵有效率80%來估算，能夠提高采收率5個百分點以上，經(jīng)濟(jì)效益可觀。目前，勝利油田石油工程技術(shù)研究院已立項“油藏微生物原位封堵提高驅(qū)替效率研究”展開攻關(guān)。

微生物采油漫談

微生物是一切肉眼看不見或看不清楚的微小生物的總稱，存于世至少30億年。地球上的化石碳源（石油、天然氣、煤）基本上是在微生物作用下，經(jīng)過碳循環(huán)而累積起來的有機(jī)物質(zhì)。石油微生物是指通過連續(xù)加富培養(yǎng)技術(shù)可分離得到的能利用較為復(fù)雜石油組分的微生物。

微生物采油是指利用微生物（主要是細(xì)菌）在油藏中的生長代謝活動或其代謝產(chǎn)物提高原油產(chǎn)量和采收率的技術(shù)，包括微生物在油層中的生長、繁殖和代謝等生物化學(xué)過程，微生物菌體、微生物營養(yǎng)液、微生物代謝產(chǎn)物在油層中的運(yùn)移，以及相互作用引起的巖石、油、氣、水物性的改變。微生物采油施工簡單、成本低，已逐漸成為油田開發(fā)后期穩(wěn)油控水、提高采收率的主要技術(shù)之一。

該技術(shù)具有綠色環(huán)保的天然優(yōu)勢。目前，我國主要油田都進(jìn)入高含水開發(fā)后期，為了保持油田的可持續(xù)發(fā)展，熱力驅(qū)、化學(xué)驅(qū)、聚合物驅(qū)的作用從某種意義上說已發(fā)展到“極致”，接下來就需要微生物來“收場”了。

深埋地下2000多米的油藏中就有大量微生物，它們生命力頑強(qiáng)，可以在地下巖石表面油膜下生長繁殖，占據(jù)孔隙空間，迫使原油從巖石表面脫離，從而驅(qū)出原油；有的微生物可以吃掉原油，但它們比較挑食，只吃原油中的長鏈飽和烴，這樣原油黏度降低、流動性增強(qiáng)，更容易被開采；微生物的代謝產(chǎn)物對油藏也有間接作用，作用范圍廣，這主要取決于環(huán)境條件（溫度、壓力、鹽度、pH值、氧含量）、維持細(xì)胞代謝的營養(yǎng)物，以及與石油相互作用的菌種等因素，這些微生物的代謝產(chǎn)物也豐富多樣，包括二氧化碳、甲烷、氫氣等氣體，表面活性劑，多糖，以及各種非烴化合物。

微生物在代謝過程中產(chǎn)生的氣體溶解在原油中，可以降低原油黏度，增加油藏壓力，提升原油流動能力。當(dāng)這些氣體以小氣泡形式存在時，還可以增加注入水的水流阻力，擴(kuò)大注入水波及的范圍，從而可以驅(qū)出更多原油。此外，產(chǎn)甲烷微生物還可以將油藏內(nèi)部難以開采的殘余油轉(zhuǎn)化為易于開采的甲烷氣，將甲烷氣作為資源進(jìn)行開采進(jìn)一步提高采收率，該技術(shù)具有開發(fā)成本低、綠色環(huán)保等特點，已成為油田開發(fā)后期一項非常有潛力的提高采收率技術(shù)。

就像食用油會粘在盤子上，原油也會吸附在巖石上，在地層中加入“洗潔精”就可以把吸附在巖石上的原油盡可能多地洗下來。微生物就可以產(chǎn)生這種采油用“洗潔精”——生物表面活性劑。微生物產(chǎn)的生物表面活性劑可以降低油水界面張力，同時改變巖石的性質(zhì)，讓巖石變得排斥原油，致使吸附在巖石表面的油膜脫落，從而提高采收率。

早在1926年，美國工程師就提出了生物驅(qū)油技術(shù)，20世紀(jì)40年代，在美國首次進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，之后捷克、波蘭、匈牙利、羅馬尼亞、荷蘭、蘇聯(lián)先后開展了研究和實驗。公開報道的現(xiàn)場實驗呈現(xiàn)3次高峰。第一次主要集中在20世紀(jì)五六十年代的東歐和蘇聯(lián)，應(yīng)用的工藝多為單井吞吐，少數(shù)為井組驅(qū)油，大部分實驗有增油效果；第二次是在20世紀(jì)八九十年代的美國，系統(tǒng)研究也是此時開始，主要涉及油藏適應(yīng)范圍、耐高溫菌的分離、微生物采油功能評價，以及不同微生物的生長、運(yùn)動和運(yùn)移規(guī)律等研究，同時開展了微生物防蠟、單井吞吐和微生物驅(qū)油現(xiàn)場實驗；第三次就是在20世紀(jì)90年代以后的中國。

經(jīng)過幾十年的攻關(guān)研究，我國微生物采油技術(shù)有了長足發(fā)展，已拓展應(yīng)用到勘探、環(huán)保、防腐、水處理等更多領(lǐng)域，多項技術(shù)達(dá)到世界一流水平。

目前，我國石油微生物技術(shù)發(fā)展迅猛，已形成包括微生物單井處理、微生物驅(qū)油、空氣輔助微生物驅(qū)油、內(nèi)源微生物驅(qū)油、油田采出水生化處理、采出水資源化利用等一系列成熟的技術(shù)體系。相關(guān)技術(shù)在勝利油田15個區(qū)塊實施，年增油15萬噸以上，“十四五”末將實現(xiàn)年增油30萬噸。

“973”夢想

在勝利油田石油工程技術(shù)研究院微生物所的辦公樓前，經(jīng)常停放著一輛牌號尾數(shù)是“973”的車。“973”曾經(jīng)代表國家最高級別科研項目“國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃”，這三個數(shù)字可以娓娓道出一個科研工作者的夢想。

車的主人是勝利油田首席專家汪衛(wèi)東，他是石油微生物技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜液蛣倮吞锸臀⑸锛夹g(shù)研究的領(lǐng)軍人物。自購置新車掛上“973”的牌照后，他干事創(chuàng)業(yè)的激情更加強(qiáng)烈了。

1993年，非石油專業(yè)碩士畢業(yè)的汪衛(wèi)東加入只有3人的微生物課題組，他從石油基本教材學(xué)起，一直到大學(xué)教材，記下十幾本幾十萬字的學(xué)習(xí)筆記，翻譯70萬字的外文資料，終于從一個“石油門外漢”入門。

1995年，勝利油田立項開始微生物采油的早期研究。

1996年，汪衛(wèi)東拿出第一批菌種，隨后建成實驗室并開始生產(chǎn)自己的菌種，到1997年，單井吞吐實驗實現(xiàn)年處理200口井，微生物采油的單井吞吐技術(shù)日趨成熟。

2001年，微生物水處理技術(shù)在孤島采油廠工業(yè)化應(yīng)用，總體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

2016年，勝利油田成立石油微生物創(chuàng)新工作室，建立了目前國內(nèi)石油石化系統(tǒng)最大的菌種庫，已形成微生物驅(qū)油、微生物吞吐、生化水處理等系列主導(dǎo)技術(shù)，在勝利油田15個區(qū)塊展開規(guī)?；瘧?yīng)用，年增油突破20萬噸。

2021年底，石油微生物技術(shù)團(tuán)隊又獲重大成果：首次發(fā)現(xiàn)可以改寫教材的獨(dú)立產(chǎn)甲烷古菌。新發(fā)現(xiàn)揭示了一條古菌產(chǎn)生甲烷的全新途徑，繞過了所有傳統(tǒng)代謝步驟，從烴降解到產(chǎn)生甲烷，甲烷生產(chǎn)時間從200多天縮短到60天。該研究成果刊發(fā)于《Nature》雜志，為微生物氣化技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用奠定了科學(xué)基礎(chǔ)，有望讓“點油成氣”成真，拯救許多面臨枯竭的老油田。

我國適用微生物技術(shù)的地質(zhì)儲量約110億噸。2022年，國家重點研發(fā)計劃“油田采油生物制劑研發(fā)及應(yīng)用”項目正式獲批立項，這是國家綠色生物制造領(lǐng)域首次在國內(nèi)油田的應(yīng)用。國家重點研發(fā)計劃正是由原來的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）等整合而成，汪衛(wèi)東和團(tuán)隊成員的“973”夢想終于實現(xiàn)了！

鏈接

油田開發(fā)相關(guān)微生物技術(shù)

?微生物清防蠟技術(shù)：

定期將經(jīng)篩選的微生物加入油井，可阻止蠟的沉淀和析出，起到清防蠟作用，同時也抑制其他有害菌而起到防腐作用，延長油井有效生產(chǎn)時間。

?微生物單井吞吐技術(shù)：

將經(jīng)篩選的微生物菌液擠入油井的近井油層地帶，通過微生物的代謝作用和代謝產(chǎn)物的作用，產(chǎn)生表面活性劑，清除近井地帶的有機(jī)阻塞，改善原油流動性，減輕蠟堵并提高泵效，延長油井免修期，同時，微生物產(chǎn)生的有機(jī)酸可清除近井油層的結(jié)垢，提高油層滲透性，從而提高油井產(chǎn)量。

?微生物驅(qū)油技術(shù)：

篩選適合油藏環(huán)境的微生物菌種，可產(chǎn)生表面活性物質(zhì)和生物氣等有利于提高采收率的代謝產(chǎn)物，注入油藏后微生物在油藏內(nèi)部生長、代謝和繁殖，對殘余油發(fā)生作用，提高水驅(qū)洗油效率，從而提高采收率。

?空氣輔助微生物驅(qū)油技術(shù)：

在注入菌液和營養(yǎng)液的同時注入少量空氣，在近井地帶形成好氧環(huán)境，快速激活好氧微生物，建立生物場，而當(dāng)氧氣耗盡時，好氧微生物的代謝產(chǎn)物又可作為厭氧微生物的代謝底物，從而整體提高微生物對營養(yǎng)的利用水平、生長速度及增強(qiáng)驅(qū)油效果。

?微生物堵調(diào)技術(shù)：

利用產(chǎn)生胞外多糖生物聚合物的微生物，在油藏高滲帶生長繁殖形成生物團(tuán)，可實現(xiàn)選擇性、深部堵調(diào)作用，擴(kuò)大水驅(qū)波及體積，進(jìn)而提高采收率。

?微生物勘探技術(shù)：

任何油氣藏都存在不同程度的滲漏。當(dāng)油氣藏中的輕烴揮發(fā)到地表土壤，會引起土壤中的某些特殊微生物數(shù)量發(fā)生變化，如烴類利用菌數(shù)量會增加。因此，通過檢測土壤中這些特殊微生物的數(shù)量，可預(yù)測地下油氣藏的分布。

?微生物防腐技術(shù)：

利用特殊微生物形成生存競爭，抑制引起腐蝕的有害菌生長繁殖，其優(yōu)勢在于不使用殺菌劑，減少對環(huán)境的危害，同時處理效果好。

?微生物水處理技術(shù)：

利用微生物的生物化學(xué)作用，將水中可溶性復(fù)雜有機(jī)物及氨化合物等分解為簡單物質(zhì)，再經(jīng)過澄清，去除懸浮物，達(dá)到將有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)的目的，使采出水得到凈化。從過程形式上可分為：污泥法、生物過濾法和氧化塘法。

?微生物控制硫酸鹽還原菌技術(shù)：

硫酸鹽還原菌（簡稱SRB）是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的有害菌，主要危害是引起生物腐蝕。新研究指出，通過生物競爭作用可抑制硫酸鹽還原菌活性及控制硫酸鹽還原菌代謝產(chǎn)物。