科技日报记者 陈 曦
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油藏采油功能菌爱吃什么？怎样才能让它们在地下茁壮成长……在过去的十几年中，如何定向“投喂”这些“菌宝宝”让南开大学生命科学学院副院长马挺教授团队操碎了心。
可别小看这些油藏采油功能菌，它们生长壮大后，可以“驱赶”出老油田留在地下的难以开采的原油。马挺教授团队据此研发的油藏微生物原位激活和调控驱油新技术，可直接利用营养刺激油藏采油功能菌的生长代谢，从而大幅度提高原油的采收率。目前该项新技术已经产业化推广应用于胜利、新疆、大庆等6个油田，采收率提升近10%，新增产值9.2亿元。“油藏微生物定向调控大幅度提高原油采收率技术及应用”项目获得2021年度天津市科学技术奖技术发明一等奖。
老油田六成以上原油无法开采利用
油气资源是国家能源安全的重要保障，油气资源的清洁、高效、可持续开发是国家重大战略和企业重大需求。
“我国已开发油田的采收率实际只有30%左右，也就是说有60%以上的原油未能得到开发利用。”马挺介绍，第一次采油过程中，原油靠地层与地面的压力差喷涌而出，然而原油在喷出的时候压力就完全被释放了，但此时只有5%左右原油被开采出来，因此接下来还需要二次采油甚至三次采油。
由于没有了足够的压力，接下来的采油就需要进行“驱油”。二次采油最常用的技术是水驱采油，这种技术会向地层中注入水，使地层压力升高，从而将地层中的原油驱替到附近的生产井内。水驱采油技术自20世纪50年代以来被广泛使用，不过水和油并不互溶，水会朝着压力低的地方流，并且会在地下冲出大的孔道。老油区进入高含水期后，较大的油水表面张力和油层孔隙毛细管力导致残余原油难以开采。二次采油只会增加10%左右的采油量。
因此，绝大多数油田还需要进行三次采油，其中气驱、热驱、化学驱都是在三次采油中比较常用的驱油技术。
水驱过程会降低油层温度，使原油中的石蜡、沥青质等重质组分沉淀和富集在地层孔隙、管路和开采设备中，阻碍了原油流动。尽管利用化学溶剂、表面活性剂、石蜡抑制剂和热流体等能在一定程度上缓解这一现状，但是化学和热力学驱油方法成本过高，不利于普及和推广。
如何解决贫油层和即将采空油层水驱开采过程中的瓶颈问题，提高原油采收率，最大限度利用不可再生资源，成为亟待解决的科学难题。
“定向投喂”让采油功能菌“一枝独秀”
微生物驱油技术的发展，为提高贫油层或即将采空油层开采效率低提供了可能。
“微生物代谢会产生生物表活剂、低分子溶剂、有机酸，降低油水界面张力，提高驱替毛管数和洗油效率；代谢产生气体，使原油膨胀，提高地层的压力从而达到气驱的目的；通过降解原油中的重质组分，降低原油的黏度，改善流动性；细菌细胞及生物聚合物在地层中起到调堵的作用，扩大水驱波及体积。”马挺表示，使用微生物驱油技术，可以有效提升三次采油技术的石油开采率。
微生物驱可分为外源微生物驱油和内源微生物驱油两种方式。
“传统的外源微生物驱是选择合适的微生物菌种在地面发酵以后注入地层实现微生物驱油。”马挺介绍，这种“赶着细菌去采油”的驱油模式发酵成本高、采油效果不稳定，而且细菌在培植的过程中，会释放出大量二氧化碳。
“我们采用内源微生物驱油方式，直接刺激油藏本源微生物的原位生长代谢而提高采收率，相当于‘发动’细菌去采油，不仅消除了地面发酵带来的碳排放，还可以发挥本源菌适应性强的特点，进一步降低成本。”马挺说。
然而，由于油藏环境特殊、多样，微生物群落复杂、未知，如何准确识别和定向激活采油功能菌，是该技术的核心及难点。
从2008年开始，科研团队就开始对油藏采油功能菌进行识别筛选和定量检测。“最初由于技术有限，所用方法十分繁琐，往往识别一个菌都需要1个月的时间。”马挺回忆说，后来团队通过分子生态学、宏基因组学和微生物网络分析技术，将这个时间缩短至1周。“用这项技术，我们揭示了完整的油藏微生物代谢网络图，明确了能产生表面活性剂的嗜烃菌是核心功能菌，解决了对油藏功能菌认识不清的问题。”
然而团队很快发现，“万里挑一”选出来的嗜烃菌种类多样，90%不可培养。如何才能“优中选优”？
“我们发明了接头引物多重聚合酶链式反应（PCR）技术和聚乙炔囊泡显色技术，实现了对不同种属的嗜烃菌及其代谢产物的一次性准确定量，保障了功能菌的快速识别和动态监控。”马挺说。
目标选定，下一步就需要“定向投喂”，以保证功能菌能在众菌群中“一枝独秀”。
“针对功能菌激活效率低的问题，我们通过分析功能菌营养需求，研发了系列定向激活剂，使其浓度快速提高了3个数量级。为了能让功能菌保持生长优势度，我们又发明了有机、无机营养交替调控技术，形成了核心专利群，使嗜烃功能菌占比从5%提高到40%，保障了微生物采油技术的高效性和经济性。”马挺介绍。
为了让这项技术应用更加广泛，科研团队针对非均质油藏，研发了激活剂稠化技术，地下生物场的作用范围扩大了60%；针对低渗透油藏、中高渗透油藏和稠油油藏，建立了4项个性化采油技术，保障了现场效果的持续性和稳定性。
目前全国90%的油田都适合应用油藏微生物定向调控这项技术。
打造能源绿色开发示范区
从2018年开始，项目开始陆续应用于胜利、新疆、大庆等6个油田。
和实验室相比，油田地下情况更为复杂。为了让这项技术走出实验室，真正应用于生产中，从研发开始，马挺就带领团队奔波于各大油田，经常在大戈壁上一蹲就是一个多月。
“在使用中，我们也密切关注着各项数据的反馈，同时根据实际情况，团队研制出几十种采油新装备、检测试剂盒。”马挺说。
功夫不负有心人，截至2020年12月，该项目共计增油26万吨，采收率提升10%，而且目前增油效果还在持续。
“我们的目标是把油田打造成一个能源绿色开发的示范区。”马挺说。
“微生物会在地下产生二氧化碳，二氧化碳可以转化为甲烷，甲烷作为清洁燃料可以被周围居民利用。我们通过技术研发，把玉米秸秆、炼过油的豆渣等农业废弃物加工成功能菌的‘口粮’，实现了资源化再利用。”马挺说，团队还正在研发通过微生物对水驱采油后的水进行清洁处理技术。
一幅崭新的生态环保绿色油田蓝图正在徐徐打开……
标签： 三次采油
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