引用本文
罗娜, 穆红梅. 油藏微生物在油气开发中的应用及展望[J].中国地质调查, 2024,11(3): 9-16.
LUO Na, MU Hongmei. Application and prospects of reservoir micro-organisms in oil and gas development[J].Geological Survey of China, 2024,11(3): 9-16.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.03.02
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油藏微生物在油气开发中的应用及展望
罗娜1, 穆红梅2,*
1.北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871
2.清华大学环境学院, 北京 100084
通信作者简介: 穆红梅(1987—),女,博士后,主要从事环境微生物方面的研究工作。Email: muhm@tsinghua.edu.cn。

第一作者简介: 罗娜(1992—),女,博士研究生,主要从事石油地质方面的研究工作。Email: 754406042@qq.com。

收稿日期: 2024-05-16 修回日期: 2024-06-07
基金资助: 国家重点研发计划“油藏环境合成微生物组的构建(编号: 2018YFA0902100)”项目资助
摘要

油藏是典型的高温、高压、高矿化度且厌氧的多重极端环境,油藏微生物是其中重要的组成部分。研究油藏微生物对阐明油气资源的形成、生物地球化学循环及生命起源与进化等过程有重要意义。通过文献调研,对油藏中微生物的相互作用方式、机理和主要功能进行了阐述,对油藏微生物在提高石油采收率、石油污染生物修复以及碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization and storage, CCUS)等领域中的作用机理和应用进展进行了总结,并提出了未来在利用油藏微生物过程中还需要解决的关键问题。油藏微生物在油气勘探及环境修复应用中具有经济成本较低和环境友好的优势,未来具有良好的应用前景。研究成果可为油藏微生物的研究和应用提供参考。

关键词: 油藏微生物; 石油地质; 提高采收率; 碳捕集、利用与封存; 环境修复
中图分类号:P618.13;TE19 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2024)03-0009-08
Application and prospects of reservoir micro-organisms in oil and gas development
LUO Na1, MU Hongmei2
1. College of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
2. School of environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract

Oil reservoirs are typical extreme environments characterized by high temperature, high pressure, high salinity and anaerobic, and the reservoir micro-organisms are important components. Research on reservoir micro-organisms is of great significance to hydrocarbon resource formation, biogeochemical cycling, and the life origins and evolution. Through literature reviews, the authors in this paper described interaction modes and primary functions of micro-organisms in the reservoir, and summarized mechanisms and advancements in the application of reservoir micro-organisms in enhancing oil recovery, bioremediation of oil pollution, and carbon capture, utilization and storage (CCUS), and identified key issues that need to be addressed in the utilization of reservoir micro-organisms. The reservoir micro-organisms have advantages of low-cost and environmentally friendly in oil and gas exploration and development and environment restoration, indicating promising application prospect. This study could provide references and insights for further research and application in this field.

Keyword: reservoir micro-organisms; petroleum geology; enhance oil recovery; carbon capture, utilization and storage; environmental restoration
0 引言

微生物是对长宽为0.1 mm及以下的小生物的统称, 包括细菌、古菌、病毒和部分真核生物。微生物几乎存在于任何生态系统中, 并且发挥着重要的功能。Bar-On等[1]对全球生物量的普查结果显示全球约90%的细菌和古菌栖息在深部地下环境, 这些微生物共同构成了深部地下生物圈。油藏是深部地下环境的重要组成部分, 也是一个典型的高温、高压、高矿化度且厌氧的多重极端环境, 特殊的环境造就了独特的生态系统[2]。油藏中的微生物种类繁多、代谢途径多样, 在油气资源的形成、生物地球化学循环及生命起源与进化等过程中发挥着至关重要的作用。

为了应对油藏的极端环境, 油藏中的微生物进化出了复杂的分子适应能力。这些能力影响着油藏微生物的初级和次级代谢途径, 它们由此演变出了独特的生理特征和代谢过程。随着对微生物之间及微生物与环境之间相互作用的认识的不断深入, 以及生物化学技术的不断进步, 相关学者在油藏微生物的应用方面开展了一系列研究工作[3, 4, 5], 如提高石油采收率、石油污染生物修复及碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization and storage, CCUS)等, 取得了众多创新认识和成果。油藏微生物在应用过程中具有经济环保、工艺简单等优势, 可作为低渗透、边际和枯竭油藏开发、石油污染环境修复, 以及二氧化碳生物转化的重要储备技术。然而, 微生物作为一种有生命活性的生物, 发挥相关功能的菌群在不同地质条件下的相互作用规律尚未被完全揭示, 导致现场应用效果并不稳定。因此, 还需对油藏微生物进行深入研究以扬利弊害。本文对油藏微生物在上述领域中的应用进行梳理总结, 可为后续油藏微生物的研究和应用提供参考。

1 油藏微生物类型和相互作用方式

油藏既是一种典型的多重极端环境, 又是油、气、水共存的多孔介质环境[6], 不同形成过程和地质条件的油藏环境差异显著。油藏地层温度变化范围为30~200 ℃, 压力变化范围从数兆帕到上百兆帕, 矿化度可达20 g/L以上[7], 这种特殊的极端环境造就了油藏独特的微生物生态系统。这些环境条件也导致不同油藏中的微生物种类和数量存在较大差异, 目前已在油藏中检测到类型多样的细菌、古菌和病毒。其中, 细菌是油藏中数量最多、分布最广的微生物类群, 且变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门是检测频率最高的细菌类群。

在油藏生态系统中, 微生物之间并不是孤立存在的, 而是相互影响形成复杂的生态相互作用网络, 从而以微生物群落的形式存在。为了简化复杂的相互作用, 通常将两个微生物之间的相互作用分为6种生态类型(图1), 包括: 互利共生, 即双方对彼此都产生了有利影响; 偏利共生, 即只有一方对另一方产生了有利影响; 中立, 即双方对彼此都没有影响; 偏害共生, 即只有一方对另一方产生了不利影响; 剥削, 即一方对另一方产生了有利影响, 但另一方对一方产生了不利影响; 竞争, 即双方对彼此都产生了不利影响[8]。研究表明这些相互作用决定了油藏微生物群落的功能[9]。例如, Hao等[10]从新疆油田分离出一株非石油降解菌, 当其与另外3株同时分离于新疆油田的细菌共培养时, 构成的4成员微生物群落对石油的降解率达77.75%, 这相比不添加非石油降解菌的降解率提高了28.8%。表明在微生物群落中添加非石油降解菌后, 有利于通过微生物间的相互作用提高整个微生物群落对石油的降解能力, 显示出微生物相互作用对微生物群落功能的生态学意义。

图1 油藏微生物间的相互作用类型Fig.1 Interactions types among reservoir micro-organisms

过去数十年的研究揭示了油藏环境中微生物的许多功能信息, 强调了其在油藏生物地球化学循环、石油形成与转化、生命起源与进化等过程中的关键作用。根据功能可以将油藏微生物大致划分为6类, 分别是烃氧化菌、发酵菌、硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌、产甲烷菌和铁氧化菌[11]。这些功能微生物通过相互作用共同参与了原油降解, 并形成密切的代谢网络(图2)。在油藏中, 微生物能够利用的碳源主要是原油, 烃氧化菌体内的烃类降解酶可以通过一系列的生物化学反应将原油中的烃类分解为脂肪酸、醇类和芳香族化合物等。这些代谢产物又可以作为发酵菌的碳源, 进一步代谢产生小分子有机酸、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和醇类物质。最终, 这些代谢产物又可以被产甲烷菌、硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌和铁氧化菌代谢, 用于自身的繁殖, 形成一个完整的生态相互作用网络[12]。

图2 油藏微生物代谢网络示意图Fig.2 Schematic diagram of reservoir micro-organisms metabolism network

2 油藏微生物在油气开发中的应用
2.1 提高石油采收率

近年来, 随着越来越多的老油田进入到采出程度高、含水率高的“ 双高” 阶段, 我国石油产量呈现出稳中带降的特点, 维持2亿t年产量的目标将越来越难以实现。与此同时, 我国的石油对外依存度从2009年首次超过50%的安全警戒线以来逐年上升, 至2023年为72%, 这对我国的能源安全和国家安全构成了重大威胁。虽然风能、氢能、太阳能和核能等多种新能源发展迅速, 但是在较长一段时间内依旧无法替代石油, 更何况在涉及到国计民生的其他领域, 如农业、运输、建材、金属加工、制药和纺织等, 石油都发挥着无可替代的重要作用, 因此提高石油采收率具有重要的战略意义[13]。

目前提高石油采收率的方法主要有化学驱、气驱和热驱3大类, 从提采产量的贡献来看热驱占主要地位。这些提高石油采收率技术的共同特点是注入的工作介质能够快速改变原油性质和流动状态, 从而增大产量。然而, 这些提采手段除了在应用时受到储层条件和原油性质的诸多限制, 还存在另外两个问题: 一是经济成本高, 大量化学药剂的注入使得化学驱成本居高不下, 气源的成本虽然较化学药剂低, 但受到气源条件的限制, 加上配套管道设施建设, 导致气驱的成本也十分巨大, 热驱需要将大量热量直接作用在储层原油上, 热传递效率低、能耗高、配套设备多, 使得热力采油的经济效益最低; 二是对环境破坏严重, 化学药剂的注入会极大地破坏储层环境, 同时化学驱废料处理难度较大, 对地面水体和土壤环境的威胁也较大。在国际原油价格低迷、环保要求日益增高的形势下, 微生物提高石油采收率(microbial enhanced oil recovery, MEOR)技术因其经济成本低和环境友好的优势, 已经成为一种发展迅速的提高石油采收率技术, 是生物工程技术在油田开发领域开拓性的应用[14]。

MEOR技术是利用微生物及其代谢产物改变原油性质和流动状态, 从而进行有效驱油的采油方法。因此, 充分了解微生物在油藏中的生命活动是实现MEOR技术的关键。自1926年美国科学家Beckman提出MEOR的设想至今, 人们对MEOR机理的认识已经日趋完善, 目前认为MEOR的机理分为两大类(表1), 即微生物本身的作用和微生物代谢产物的作用, 这两种作用的对象可以是原油或岩石, 最终目的是启动不能流动的残余油, 同时降低能流动残余油的黏度[15, 16]。根据微生物来源不同, MEOR技术可分为外源微生物驱油技术和内源微生物驱油技术两种[17]。外源微生物驱油技术又称地面法, 是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, 这种方法见效快但经济成本较高; 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)激活地层中的功能微生物, 利用其在油藏环境中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, 实现提高油井产量的目的[18]。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, 被评为2016年国际石油十大科技进展之一。

表1 微生物提高石油采收率的机理 Tab.1 Mechanism of microbial enhanced oil recovery

近数十年来, 随着科技的进步以及人类对油藏微生物认识的不断深化, 美国、英国、俄罗斯、德国、澳大利亚、日本、挪威等国在MEOR室内研究及矿场试验方面取得了良好的效果[19, 20]。1992年, 俄罗斯先后在罗马什金油田的8个区块进行了外源微生物驱油现场试验, 截至2002年累计增油3.2× 105 t; 2001年, 挪威在北海的Norne油田进行了内源微生物驱油试验, 阶段提采率达6%[21]; 2009年, Town等[22]在加拿大萨斯喀彻温省的一个水驱油田开展了内源微生物驱油试验, 单井产量从1.2 t/d 提高到了4.1 t/d, 含水率下降了10%, 而成本仅6美元/桶。我国在20世纪80年代末通过引进微生物菌种相继在国内多个油田开展了单井微生物吞吐试验, 均取得了一定效果。1990年, 吉林油田对40多口油井进行了微生物驱油试验, 在3年中累计增油数千吨[23]; 2000年, 中国石油在大港油田开展微生物驱油试验, 截至2006年11口水井累计增油5.4× 104 t[24]。自2008年开展大量现场试验以来, 中国微生物采油技术高速发展, 国家科技部持续设立863重点项目进行校企联合攻关, 促使室内研究和现场试验均取得了长足进步, 微生物采油技术总体达到甚至领先于世界先进水平[25]。2012年, 胜利油田在罗801区块开展内源微生物驱油试验, 截至2017年累计增油16.37× 104 t, 阶段提采率达5.62%; 2022年, 中国石油在大庆采油七厂葡南油田针对外围低渗透油层进行的微生物驱油试验中获得了显著效果, 阶段投入产出比为1∶ 3.25, 单年多采出9 400 t原油[26]; 2023年, 中国石油在庆新油田开展的6注17采微生物驱油现场试验中, 有8口见效油井与试验前相比日增油14.1 t, 含水率下降4.6%[27]。然而, 由于微生物的生命活动过程十分复杂, 它们在不同类型油藏中的行为和相互作用机制尚未得到深入揭示, 这导致现场应用效果并不稳定。例如, 早期的现场试验选择硫酸盐还原菌作为采油功能菌, 只考虑了硫酸盐还原菌降解原油的功能, 并没有考虑硫酸盐还原代谢过程产生的硫化氢(H2S)气体对设备的腐蚀, 实践证实选用硫酸盐还原菌作为采油功能菌的弊大于利。

2.2 石油污染生物修复

在石油的开发过程中, 一旦石油或有害泥浆发生泄露, 会对土壤、地表水和地下水、生物、植被等造成直接或间接的危害, 而且很有可能间接危害到该环境中人们的身体健康。传统的处理方法主要有热处理和化学处理, 但由于传统方法经济成本较高, 且处理不彻底容易产生二次污染, 还无法实现产业化规模应用。微生物修复是利用微生物改变石油污染物的物理化学性质, 对其在环境中的迁移、转化和降解可产生有利影响, 最终实现污染物去除或衰减为危害较小的产物[28]。该技术以其成本低、环保、修复效果良好等特点已成为石油生态修复中的潜力技术。

微生物修复石油污染技术的关键在于筛选出高效的石油降解微生物。尽管自然界存在种类繁多的石油降解微生物, 但作为石油环境的“ 土著” , 油藏微生物具有较强的环境适应能力和极强的降解石油组分的潜力, 是修复石油污染的理想候选者。Dellagnezze等[29]通过建立以石油和酵母提取物为底物的海水微宇宙体系, 模拟油藏微生物修复海洋石油泄漏的微观过程, 评估了从油藏中分离出的微球菌、海洋迪茨氏菌和其他4种富集的微生物群落对石油的降解能力, 结果显示在培养21 d后, 微球菌和海洋迪茨氏菌对石油的降解率均超过99%, 上述微生物群落对石油的降解率范围为11%~45%, 均表现出较强的原油降解潜力, 表明油藏微生物资源可以被有效应用于石油污染地区的生物修复。然而, 石油的组成极其复杂, 单一微生物或群落往往仅能对其某些组分具有较强的降解能力[30]。

近年来, 合成生物学迅猛发展, 为加强微生物修复工程的应用提供了技术支持。合成生物学是在充分认识微生物降解石油污染物代谢机制和途径的基础上, 定向设计和改造现有菌株, 构建能够降解一种或多种污染物的工程菌株。针对复合型污染, 在建立典型污染物代谢、调控和抗逆相关基因元件的模块库基础上, 引入人工菌群等策略, 对生物系统进行理性设计和组装, 构建高效降解群落[31]。例如, Cui等[32]基于最小值算法优化了3种石油降解菌之间的混合比例, 并结合已报道的石油降解菌群混合构建了一个新的微生物群落。当以27%、21%、28%和24%的比例分别接种P3、P10、P14菌株和石油降解菌群于以石油为碳源的培养基时, 石油的降解率为78.9%, 比只接种石油降解菌群的石油降解率高34.8%。进一步将新构建的微生物群落接种于被石油污染的土壤中, 在进行生物修复20 d后, 污染土壤中的石油被去除了40%。目前通过合成生物学策略已经构建了多种可降解石油污染物的基因工程菌和菌群, 但是在实验室条件下筛选的石油烃降解微生物可能无法在现场复杂环境中充分发挥作用。因此, 要实现微生物修复工程应用仍需进行一系列的深入研究。

2.3 碳捕集、利用与封存

碳捕集、利用与封存是指将CO2从工业生产、能源利用或大气中分离出来, 并加以利用或注入地层以实现永久减排的过程, 是实现长期绝对CO2减排的必要技术手段, 现已在全球得到广泛应用[33]。在多种CO2封存策略中, 将CO2注入枯竭油气藏封存是一项具有应用前景的CO2再生利用技术[34]。油藏中的微生物不仅可以促进CO2固定, 也可以催化CO2转化成高附加值的产物。油藏中的硝酸盐还原菌、解脲菌、铁还原菌、硫酸盐还原菌和构巢曲霉等微生物可通过代谢作用产生碳酸盐矿物, 促进CO2的固化和稳定封存[3]。例如, 巴氏芽孢杆菌能在短时间内生成大量碳酸根( CO32-), 降低地下环境的孔隙率, 缓解CO2注入后的渗漏[35]。更重要的是, 油藏中含有丰富的CO2还原型微生物, 利用这些微生物可以将CO2转化为一系列有机物, 如短链脂肪酸(甲酸、乙酸、乳酸)、醇类(乙醇、丁醇、丁二醇)、酮类和甲烷(CH4)等。

甲烷是目前应用十分广泛的一种清洁能源, 因其能量转化率和利用率较高, 成为CCUS技术中广受关注的转化产物。油藏中氢营养型产甲烷菌的代谢过程是微生物介导CO2甲烷化的关键。氢营养型产甲烷菌是一类利用H2作为电子供体, 且利用CO2作为电子受体产生CH4和H2O的微生物, 这一代谢过程包含了一系列复杂的生化反应: 首先, CO2被甲酰甲烷呋喃脱氢酶(Fmd)还原为甲酰基(-CHO), 并连接在甲烷呋喃(MFR)的甲酰基上产生CHO-MFR; 随后, 甲酰基被转移给四氢甲烷喋呤(H4MPT), 通过辅酶(F420)作为电子载体再依次被还原为次甲基(≡ CH)、亚甲基(=CH)和甲基(-CH3); 在四氢甲烷喋呤S-甲基转移酶(Mtr)的作用下, 甲基被转移到巯基辅酶M(HS-CoM)上; 最后, 由甲基辅酶M还原酶(Mcr)将其转化为 CH4[36]。研究表明30%的天然甲烷是通过氢营养型产甲烷菌的CO2还原途径产生, 这意味着微生物介导的CO2甲烷化潜力巨大[37]。

现阶段, 在油藏环境中封存CO2并通过生物转化为CH4的技术的可行性已得到大量理论和试验验证[38]。学者们通过培养和免培养的方法, 在低温和高温油藏中发现了多种参与CO2转换为CH4生物过程的氢营养型产甲烷菌, 并且基于功能基因对油藏微生物群落的代谢情况进行分析, 证实了CO2转化为CH4途径的可能性[2]。在油田现场试验中, Tyne等[39]对比了美国路易斯安那州一个注入CO2的油藏和其邻近未注入CO2的油藏中CO2的变化, 结果显示微生物的产甲烷作用可以将13%~19%的CO2转化为CH4, 在标准温度和压力条件下油藏原位微生物产甲烷速率为73~109 mmol· m-3· a-1。天然条件下的产甲烷菌对CO2的转换速率较慢, 为了提高CO2甲烷化的经济效益, Xiong等[40]创新性地提出了以枯竭气藏为大型生化反应器来利用CO2生化合成天然气的技术构想(图3)。工作流程如下: ①向枯竭气藏注入CO2和H2(主要来源于含氢工业废气)等气体组成的混合气体及高活性的产甲烷菌; ②关井等待产甲烷菌将绝大部分CO2和H2转换为CH4; ③在适宜时机从枯竭气藏中开采以CH4为主要组分的再生天然气; ④再生天然气产生的CO2被捕获后被用于下一阶段的生化转换。此外, 油藏微生物还可以协同作用原油降解和CO2甲烷化, 在提高石油采收率的同时封存CO2, 达到“ 利用与封存一体, 增产与减排双赢” 的效果, 这对实现双碳目标具有能源和环境的双重意义。

图3 枯竭气藏CO2封存与生化合成天然气示意图Fig. 3 Schematic diagram of CO2 storage and using micro-organisms to convert CO2 into natural gas in depleted gas reservoirs

3 结论与展望
3.1 结论

油藏微生物技术发展至今, 已成为油田开发领域中一种重要的技术手段, 具有经济成本低、环境友好等优点。油藏微生物在国内外提高石油采收率领域研究和应用规模较大, 在多个国家的现场试验中取得良好的增油效果, 而在石油污染修复和CCUS领域主要处在理论研究和室内实验阶段, 尚未得到较大规模的现场应用。后续针对相关方面的问题继续开展深入研究, 将进一步完善和拓展油藏微生物技术的应用范围。

3.2 展望

目前油藏微生物技术在油气开发、石油环境污染修复和CO2封存利用等关系国家安全与民生的重要领域得到了一定程度的应用, 这对促进我国能源结构调整, 实现“ 双碳” 目标, 保障我国能源安全具有重要的科学和实践意义。然而, 仍有许多关键科学问题有待解决。

(1)相比于单一微生物, 使用微生物群落往往具有更好的应用效果。油藏微生物间的相互作用决定了整个微生物群落的结构和功能。然而, 目前在油藏微生物群落的应用过程中, 还缺乏对功能菌群在实际现场中相互作用规律的认识。未来对油藏微生物之间的相互作用以及微生物群落与原油和岩石之间的相互作用进行深入研究是保障现场试验效果稳定的重要攻关方向。

(2)油藏微生物群落在CO2封存和利用过程中能够发挥积极作用, 但微生物的代谢产物和微生物形成的生物被膜容易封堵岩石孔隙, 从而干扰CO2封存。此外, 油藏中的某些微生物及其代谢产物会抑制CO2转化。因此, 未来需要科学调控和运用油藏微生物群落, 优化提高CO2地质封存效率和处置安全, 最大限度地避免微生物群落的工程危害。

(3)随着高通量测序技术的发展和采样范围的扩大, 不少研究表明油藏中存在大量未知类群的微生物。基于微生物的基因组数据分析显示很大一部分未知类群的微生物在油藏中发挥着重要的生态学功能, 特别是病毒。目前, 对油藏中病毒的研究还处于初级阶段。研究发现病毒可以通过侵染细菌或古菌等宿主, 调控微生物群落的组成和功能。未来对未知类群的微生物进行深入挖掘与功能解析, 以及对病毒与宿主的相互作用机制开展研究, 可以为油藏微生物技术在油气开发、石油污染生物修复和CO2封存利用等多个领域的应用提供新的微生物资源与新思路。

(责任编辑: 魏昊明)

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