分子生物学技术在微生物采油技术中的应用前景

原创 暗潮  2017-11-02 15:26:01  阅读 65 次 评论 0 条
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1微生物采油技术及发展现状

1.1微生物采油技术

微生物采油是指将地面分离培养的微生物菌液和营养液注入油层,或单纯注人营养液激活油层内微生物,使其在油层内生长繁殖,产生有利于提高采收率的代谢产物,以提高油田采收率的采油方法,也称微生物强化采油(Microbial Enhanced 0il Recovery或Microbial Improved Oil Recovery,简称MEOR或MIOR) [1]。微生物种类分为本源微生物和外源注入微生物两种。目前,MEOR 技术主要分为美国和俄罗斯两大学派。美国多采用培养筛选菌种注入油藏;而俄罗斯则是利用营养物激活原微生物,但都是利用微生物代谢产物来提高原油采收率。
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1.2发展现状

MEOR始于20世纪中后期。1926年,美国人Beckm an最旱提出用微生物提高原油产量的想法[2]。在其后的40多年间,微生物采油一直处于方法探索阶段,没有取得较大的发展。直到20世纪70年代,随着世界石油危机的爆发和提高老油田采收率对增产技术的迫切需求,加速了这种经济可行的提高采收率方法研究,使其得到快速发展并形成完整技术,微生物采油已从单一的自然菌发展到自然菌与工程菌复合的新阶段。进人20世纪90年代中后期,微生物采油也从单纯的实验研究发展到数学模型的建立和数值模拟研究,油藏作用方式也从单井发展到区块,微生物采油技术更加成熟。目前国际上从事微生物采油的公司主要有美国微生物总公司MI/NPC、Micro-Bac生物工程公司和加拿大微生物采油技术公司共22家,每年实施采油井微生物吞吐处理600-1500口井,1800-5000井次,实施微生物驱替10-15井组,微生物调剖10井组以上。此外,俄罗斯科学院采用本源微生物驱油技术提高原油采收率,年实施规模为10-20井组。在美国微生物采油技术被视为潜力极大的采油技术,正在进行广泛的现场试验,其研究结果表明,在注水开发后期的油藏实施微生物采油技术可提高采收率16%,并于1991年在全美试验区进行了投入产出比研究,认为该技术取得了投入产出比为1∶5的好效果;挪威国家石油公司(Statoil)在北海油区Norne油田开展了一次世界上规模最大的微生物采油技术试验,取得巨大的成功,Statoil将微生物提高采收率技术作为其今后研究主要方向。

我国自20世纪60年代开展微生物采油的试验研究工作以来,进展缓慢,在大部分的微生物采油试验都取得成功后,80年代中后期方引起各油田的广泛重视,研究工作有了较大进展。1986年,新疆石油管理局开展了微生物稠油脱蜡技术、甲醇蛋白等研究工作。进入90年代以后,我国微生物采油技术的研究和应用飞速发展。到目前为止,大港、胜利、辽河、吉林、大庆、华北、新疆等油田先后开展了微生物采油矿场试验,其中采油井微生物吞吐处理累计施工1150口井,成功率70%左右。据大庆、胜利、辽河油田7个区块截至2013年底开展的微生物驱油现场试验,统计分析结果阶段采收率平均提高4.6%,预计最终可提高10.17%。2004年,胜利油田首次在单12区块现场展开内源微生物驱油先导试验,两年内增油7900吨,投入产出比达到1∶3,尽管与国外有一定差距,但经济前景看好。

总体上,MEOR 技术已从室内研究走向矿场试验并逐渐开始现场应用[3]。目前国内外微生物采油技术的关注点是,查清和采集更加优秀的微生物群落,查明微生物在地层条件下的功能,系统探究微生物提高采收率机理,以及实用化规模化的矿场试验等。如TRC( Technology Research Center , Japan National Oil Corp) 正在微生物采油试验中导入遗传基因解析技术,目的是正确掌握油层内注入微生物的状况,查明增油机理,以提高微生物采油的实用性,其在一个侧面反映了微生物采油技术发展现状。目前, TRC探索采集到了产生气体、酸、表面活性剂、聚合物等发挥增油效果的有用菌株,证实了这些微生物在油田的增油效果。

2微生物采油技术中的分子生物学问题浅析

2.1内源微生物群落体系构建与菌种(群)鉴定问题

内源微生物驱或者外源微生物驱提高原油采收率,都是通过功能菌群在油藏内的繁殖和代谢物与原油发生作用实现的。但是,目前还不完全清楚一个高效驱油的功能菌群到底由多少菌种组成、它们之间协同效应如何[4]。因为,伴随着地下油藏开发,外来液携带的新菌和地层原有的古菌在油藏内部形成了相对稳定的内源微生物群落体系。这就需要研究如何构建高效的内源功能菌群和准确鉴定菌种(群)问题。近年来一些学者进行了有益尝试,如运用基于16S rRNA基因文库法,对目标油藏所有注水样和采出液样品中细菌群落初步完成了高通量测序,获得了我国典型油藏微生物群落分布特征阶段成果;在采油功能菌群的构建中,对典型区块在实验室条件下进行了多体系(有氧,无氧,营养添加,外源微生物菌株及群落)的驯化富集培养,也初步构建了采油微生物群落,并能利用T-RFLP、功能基因芯片、高通量测序技术对微生物群落进行跟踪分析评价等。

2.2微生物生态系统分析问题

油藏是庞大的充满油气水三相的复杂地质体,高温、高压、高盐、缺氧、贫营养环境下是微生物生存的极端环境,同时又是一个相对独立的微生物生态环境。油藏微生物种群为了适应新的营养生态环境,通过竞争、抑制、共生等途径进行群落结构的重新分布与调整,逐渐形成新的生态体系,保证整个系统的动态平衡。所以,注入外源微生物采油和激活内源微生物采油,均相当于人工干涉这个生态环境。因此,微生物采油技术本质上是人工调整油藏的微生物生态环境。但是受当前技术手段和我们认识能力所限,能够认知的对油藏有有益作用的微生物数量是十分有限的,作用也是微弱的,必须激活成百上千亿的有益微生物,促进并形成有益于提高采收率的微生物生态体系,才能发挥驱油效果[5]。因此,极端环境的微生物生态系统研究是长期的研究课题。

2.3采油微生物基因重组育种研究问题

基因工程菌往往具有某种独特的性能,如耐高温、富产酸、富产表面活性剂等,对增强微生物与原油作用效果有积极意义。增益较强竞争力的基因工程菌已是现代微生物采油技术的主要目标之一,利用基因工程菌,可有针对性地培养有利菌株,拓展微生物采油菌种的资源[3]。现代生物学已实现了通过PCR 技术,构建基因文库的方法获得可表达的基因克隆片段,进行基因重组育种。因此,PCR技术、基因工程等技术为用不同性能的MEOR菌进行基因重组育种、构建嗜蜡、嗜胶等多功能复合石油降解基因工程菌,提供了有效的技术方法。

2.4微生物与原油及地层作用机理研究技术问题

微生物与原油及地层作用十分复杂。首先是微生物与原油相互作用。微生物直接与原油作用,改变原油组成,如微生物以石油中正构烷烃作为碳源而生长繁殖,从而改变原油的碳链组成;微生物生长时释放出的生物酶,可降解原油,使重组分减少,改变原有品质,二者均使原油粘度变低,但是从分子生物学角度,其作用机理如何?效率如何?可能有不同的解释。其次是微生物与地层作用。微生物代谢产物有机酸,如甲酸、乙酸等和无机酸如碳酸等,具有分解岩石的能力,从而使地层中有机污染物及无机污染物得到充分分解,起到了清理孔道的作用,也就是提高了地层的有效渗透率。但从分子生物学角度,其作用机理如何?改善地层孔隙度和有效渗透率的效率?可能有不同的解释。这是有益的研究课题。

2.5环境中微生物群落变化的动态监测方法问题

微生物群落与环境因子之间的相互作用及其动态变化过程,可用于环境中微生物群落变化的动态监测,微生物群落生理代谢以及环境微生物群落分布的研究。

2.6土壤污垢的生物修复术问题

利用微生物催化降解有机污染物,将有机污染物的浓度降低到地域检测限或低于环保部门规定的浓度[7]。

3分子生物学技术在微生物采油技术中的应用前景

分子生物学技术在微生物采油技术中的应用思路将是,以现代分子生物学技术方法为手段,建立油藏微生物分子生态学技术监测体系,分析油藏多种微生物种群组成,确定油藏内源优势菌种,攻关构建基因工程菌,为微生物采油工程提供技术支持,其应用前景主要体现在三个方面。

3.1 基因分析技术将成为油田微生物监测技术中的关键技术

随着分子生物分析技术的发展,利用基因分析技术提取微生物的DNA,对油藏中细菌及其比例进行分析,将准确掌握地层中菌群的分布状态。这一技术完成改变以前科研人员先对微生物进行培养,然后分析找出适用的菌种,由于分辨率低,油藏中95%的细菌无法通过这种方法培养起来,脱离了油藏的环境很多细菌无法生长的工程难题。随着研究深入与广泛,微生物的分辨速度提高了,费用降低了,将大大满足现场需要。当前攻关难点在,菌群只分析到属,对于菌群在油藏环境中的作用机理还不完全清楚,需要把功能菌从菌群中有效地分离、提纯出来,研究各自作用机理。但基因分析技术助推油田微生物监测技术发展无用置疑。

3.2利用现代生物技术构建基因工程菌将步入快车道

自1990年,微生物采油技术全面步入现代微生物采油技术发展新阶段,国内外科技攻关团队均将培养较强竞争力的基因工程菌列为现代微生物采油技术攻关课题。美国正在应用现代生物技术重组微生物菌体,构建基因工程菌,使微生物菌种具有更高的性能。由于基因工程菌是面向油田产层环境,自然成为微生物采油技术发展的主要方向[6]。

3.3分子生物学技术全面应用于微生物采油机理基础理论研究,同时也将促进自身发展

近二十年来,分子生物学技术的快速发展使采油微生物研究已经进入了分子水平。PCR(Polymerase Chain React)技术的应用、DNA芯片技术的应用以及PCR技术与DNA芯片技术的联合应用,一方面可以详细调查油层地层中存在的微生物群落,查清和有效利用具有微生物采油作用的菌种,同时对有害菌进行有效防治;更加重要的是,将大大深化微生物采油菌种的油藏适应性产生机理认识、微生物提高油层地下运移能力机理认识、微生物增殖与增采能力机理认识,进而系统探究微生物驱油增产机理并形成新的油藏开发理论。油藏开发新理论的形成将为增产工艺调整、设计方案优化、实验进程把控提供详指导依据。

参考文献

[1]雷光伦. 微生物采油技术的研究与应用[J]. 石油学报,2001,22(2):56-61

[2]秦伟军.中国东部断陷盆地石油潜力资源量分布及转化探明储量潜力[J].当代石油石化,2006,14(8):21-22,25

[3]黄永红,袁红梅,丁海燕,等.分子生物学技术在微生物采油中的应用[J].油气田地而工程, 2009,28(5):47-49 

[4]佘越惠,张凡,向廷生,等.PCR一DGGE方法分析原油储层微生物群落结构及种群多样性[J].生态学报,2005, 25( 2) : 237-242

[5]李辉,牟伯中.油藏微生物多样性的分子生态学研究进展[J].微生物学通报,2008,  35( 5):803- 808

[6]Grahowski A,Blanchet D,Jean thon C.Characterization of long-chain fatty-acid-degrading syntrophic associations from a biodegraded Oil  reservoir[J].Res Microbiol,2005,156( 7):8148-21.

(来源:当代石油石化、2016(1),作者:秦伟军等,单位:中国石化石油勘探开发研究院)

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