第一章 微生物采油

《第一章 微生物采油》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章 微生物采油（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第一章 微生物采油 主要内容：第1节 概述第2节 油层微生物学第3节 微生物采油机理与筛选第4节 微生物采油的应用第5节 MEOR发展动态第1节 概述微生物提高原油采收率（Microbial Enhancement of Oil Recovery,简称MEOR）是一种通过引入或刺激在油藏中能 存活的微生物来提高原油采收率的技术工艺。该技术是将经 过筛选和评价的微生物与培养基注入地下油层，通过微生物 就地繁殖和代谢，产生酸、气体、溶剂、生物表面活性剂和 生物聚合物，改变岩石孔道和油藏原油的物理化学性质，提 高原油产量和增加油藏原油采收率。MEOR技术成本低，施 工方便，不作业，适应性强，不损害地

2、层，不污染环境，近 来得到了很快的发展。微生物采油技术成功的关键在于“超级细菌”的发现。 这种超级细菌的要求为：（1）能在不利的油藏环境下（高温、高盐、高压和无氧等 ）迅速繁殖和运移； （2）能产生大量的有益于原油流动的代谢产物；（3）能降解原油中的重质组分，能脱硫、脱重金属。微生物基本概念一、微生物的分类微生物（Microbe Microorganism）是指一切肉眼看不 见或看不清楚的微小生物的总称。它们是一些个体微小（小 于0.1mm）、构造简单的低等生物。就种类而言，微生物可 以分为原核微生物、真核微生物和非细胞微生物3大类。分 类框图如图1-1。微生物原生动物支原体细菌非细胞微生物真

3、核微生物原核微生物真菌（酵母、霉菌）蓝细菌衣原体立克次氏体放线菌类病毒病毒显微藻类朊病毒图1-1 微生物分类图用于提高采收率的微生物主要是原核微生物中的细菌， 因此，微生物采油又称细菌采油。细菌是个体微小（细胞直 径约0.5m，长度约5.0m），结构简单，细胞壁坚韧，以分 裂方式繁殖，水生性强的原核微生物。根据细菌的形状可分 为球状、杆状和螺旋状三大类，细分类见图1-2。细菌棒状菌双球菌单球菌螺旋菌杆菌球菌短杆菌葡萄球菌链球菌八叠球菌四联球菌螺菌弧菌梭杆状菌螺旋体梭状菌图1-2 细菌分类框图二、微生物的营养要素微生物6种营养素的类型、分类及来源见表1-1所示。 表1-1 微生物的营养元素三、微

4、生物的生长环境微生物必须在适当的环境下才能生长，代谢和繁殖。生长 环境包括温度、压力、水的矿化度、PH值以及其他物理化学 条件。(主要有氧气、温度、PH、压力等)1、氧气氧气对微生物的生命活动起着极其重要的作用，但不同的 微生物对氧气的需要量存在很大差异。氧对不同的微生物生长 的影响见图1-3。在微生物学中按微生物与氧的关系可把微生 物分为好氧菌（Aerobe）与厌氧菌（Anaerobe）两个大类， 并分为5类，见表1-2。图1-3 氧气对微生物生长速度的影响表1-2 根据氧气需求的细菌分类表2、温度微生物的生长温度都有3个重要的温度指标，即最低生长温 度、最适生长温度和最高生长温度。细菌的生

5、长速率与温度的 关系如图1-4所示。根据细菌的最适生长温度，细菌可分为嗜冷 菌、中温菌及嗜热菌。他们的温度范围见表1-3.细细菌最适生长长温度极限生长长温度嗜冷菌20一般为为-5 10 ，极端为为-30 中温菌2045 嗜热热菌45 一般为为80 90 ，极端为为150 300 表1-3 不同细菌的温度适应范围图1-4 微生物生长速度与温度关系图1-4表示不对细菌营养 物加以控制条件下，细菌生 长速度与温度的典型关系曲 线。对于一种给定的营养液， 细菌的生长速率随温度的升 高而增加，在最佳生长温度 （Topt）时达到最大值；当温 度高于（Topt）时，细菌的生 长速度随温度的升高而迅速 下降。

6、Tmax为细菌生长的最高温度，对于不同的菌种， Topt 和Tmax变化很大。而对于给定的菌种，Topt和Tmax 受压力、含盐 量和培养基浓度等因素的影响相对较小。3、pH值尽管微生物生长的pH值范围较宽，但多数微生物生长的 pH值为59之间。与温度3个基本点相似，对于不同的微生物 的生长pH值来说，都存在最高、最低和最适合的3个pH值数 。根据微生物生长的最佳pH值，可把微生物分为嗜碱微生物 （basophile）、耐碱微生物（basotolerant microbe）、嗜酸 微生物（acidophile）和耐酸微生物（acidotolerant microbe ）。凡是最适生长pH值偏于

7、碱性的微生物称之为嗜碱微生物 （ basophile ），相反，凡是最适生长pH值偏于酸性的微生 物称为嗜酸微生物。氢离子浓度对微生物的生长、繁殖和代谢具有很大影响。 大多数微生物都喜欢在中性或略显碱性的环境中生长。pH值不仅要影响微生物的生长速度和存活，而且还影响其代 谢产物的类型。因此，常用缓冲液来调剂微生物环境的pH值 ，以获得所需的代谢产物。常用的缓冲剂是碳酸盐，它是 HCO3-、CO32-、CO2和H2O处于平衡的一种缓冲液。4、压力图1-5表示压力对细菌生长的影响。在高压下，压力是影 响细菌细胞生长的重要因素。高压往往会使细菌的生长速度降 低，而且会改变细菌的形态。不同的菌种压力对

8、其产生的影响 差异极大。油层水中存在的脱硫弧菌是最耐压的，他可在 1000MPa下还原硫酸盐。图1-5 压力和温度对微生物生长的影响由于高压下细菌的形 态变化较大，而细菌的形 状影响了细菌在油层中的 运移能力，因此，在微生 物采油的设计中，必须考 虑压力对细菌的影响第2节 油层微生物学 一、本源细菌本源细菌是指油藏内部存在的细菌。油藏本源细菌的分 类见表2-1。表2-1 油藏原生细菌的分类1、硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌是油层中分布最广的菌种，也是人们最早研 究和利用的微生物提高采收率的菌种。硫酸盐还原菌的主要作 用是降低油水的界面张力。实验证明，在以糖蜜或原油等为营 养物时，可使原油粘度降低。硫

9、酸盐还原菌可以从含油的地下水中分离出来，它们分别 是：脱硫螺菌（Spirillum desulfuricans ），河口短螺菌（ Mierospira aestuari ），嗜热菌（Vibiriothermo desulfuricans ） ，弧菌（Vibirio sp ），脱硫弧菌（Desulfovirio desulfuricans ） 。单纯用硫酸盐还原菌的不利因素主要在于：（1）对钢铁的腐蚀作用；（2）这些细菌产生的硫化氢在油藏中遇铁反应生成的硫化 铁的胶状沉淀会堵塞地层；（3）硫酸盐还原菌相对缓慢的代谢活性。2.利用烃的细菌利用烃细菌是能够氧化气态和液态烃的细菌，主要是荧光 极毛杆菌

10、（Pseudomnas fluorescens ），另外，还有一些是假 单胞杆菌菌株，以及某些硫酸盐还原菌。氧化甲烷细菌广泛散 布于土壤、沉积岩层和水环境中。氧化甲烷菌是假单胞杆菌科 假单胞杆菌属。氧化甲烷细菌可以作为石油勘探中鉴别含油区 的一个标志（氧化甲烷菌专门吞噬甲烷）。3、甲烷形成菌甲烷形成菌是一类形态上各式各样的细菌种群，存在于 各厌氧环境中。石油伴生气中的甲烷部分是由甲烷形成菌产 生的。在油层和油田水中存在各类甲烷形成菌。4、芽孢形成杆菌（Spore-forming Bacillus ）对微生物来说，油层是一个相当不利的环境，芽孢杆菌 株很容易从油层液体中分离出来。这可能是由于芽孢

11、杆菌细 胞能形成芽孢（孢子），因而使其能进入油层并耐受油层中 的不利条件。在厌氧条件下，还可从油田注入水中分离出产生生物表 面活性剂的菌株，其中有苔状芽孢杆菌JF-2菌株（Bacillus licheniformis strain JF-2），JF-2表面活性剂的性质与精致芽孢杆菌（Bacillus subtilis）所产生的表面活性剂性质非常相似 。5、耐盐产气的梭状芽孢杆菌（Clostridium sp. 耐盐、嗜热）梭状芽孢杆菌在微生物采油中发挥着重大作用。这些细菌 主要包括丁醇梭状芽胞杆菌、丁酸梭状芽胞杆菌、乙酰梭状芽 胞杆菌、致软梭状芽胞杆菌和多粘梭状芽孢杆菌。这些细菌用 于使糖发酵

12、，产生大量气体和有机酸。许多芽孢杆菌种的菌株 具有强大的产气、产酸和产溶剂的能力。实验证实，可产生大 量天然气的梭状芽胞杆菌和厌氧细菌接种并加入糖蜜作为发酵 碳源后，注入油井，可使高度枯竭的油藏增加产量。二、地层条件对细菌的影响a.油藏的构造。在原油储集层的构造中，含油层与含水层 间的接触关系既可能是油水完全接触，也可能完全不存在油水 接触称之为封闭型油藏，封闭型油藏和裸露型油藏相比，油 藏构造不同，微生物在数量上大不相同。在油和水中微生物总 数取决于水的替换速度，而且随着油藏中水流量的增加而增加 。在沉积岩水层中，微生物数目沿含水层走向而变化，在没有 溶解氧的石油沉淀区，微生物总数少，但却出

13、现硫酸盐还原菌 （SRB） ；在排放区，则有硫化氢存在，噬硫细菌数量增加 。SRB和甲烷菌属厌氧性菌。b.岩性。多孔岩石中的粘土及某些矿物质的吸附作用影 响微生物增产处理效果。在一定PH和离子强度下，粘土和岩 石表面都具有电荷，这对微生物能产生吸附作用，从而阻碍 微生物在介质中的运移。()蒙脱石离子交换能力最强，粘 土因吸水膨胀阻碍了微生物在岩石基质中的扩散，粘土还能 增大水相的粘度，从而影响微生物所需的某些气体和营养物 质的渗透。（）地层中的硅质矿物表面还能吸附阴离子化 学剂和阳离子化学剂，这些化学剂即使以低浓度注入地层， 也会使矿物表面对微生物产生毒性。c.孔隙大小和渗透率。细菌形态各异，

14、其长度在0.5 10.0m之间间，宽宽度在0.5 2.0m之间。因此，当孔隙直径小 于0.5m时，细菌在岩石基质中的运移会受到严重阻碍。Updegraff指出，孔隙直径必须至少大于球菌或短杆菌直径 的两倍才能使细菌有效地通过。渗透率对细菌的扩散有影响 ，Forbes认为细菌有效运移的渗透率下限在0.0750.1m2之 间间，对对低渗地层层可结结合采用压压裂技术术。d.温度。温度与深度的关系式如下：Tr=To+grDr/100，式中， Tr地层温度；To地面温度；gr地热梯度，通常1.83.6/100m；Dr地层深度。人们最感兴趣的是那些能在无氧条件下繁殖的喜温微生物， 梭状芽孢杆菌是可形成芽孢

15、子的专性厌氧菌，能通过发酵有 机物产生醇类、有机酸和多种气体。有的油层温度可远远超 过100。e.地层水化学组分。弄清油层盐水的化学组分，以便选择 能配伍的微生物和营养物，从而获得理想的施工效果。任何微生物采油方法都需要使用一些最基本的营养物质 ，以便让细菌进行适当的繁殖和代谢，所有的微生物都需要 微量的钼、磷、铁、镁、钾和钙。某些微生物还需要微量的 钼、锰、锌、钠、氯化物、硒、钴、铜、镍和钙。另外，由 于细胞产生能量，需要氧和硝酸盐或硫酸盐作为微生物的电 子接受体。如果使用发酵微生物，则必须提供蔗糖、葡萄糖或乳糖之类的可代谢物质。某些微生物还需要有机氮源（ 如蛋白质）以及少量的微量元素。为了

16、使微生物进行有效的代谢，应提供易于发酵的蔗糖并 添加或不添加硝酸盐。大多数情况下地层中都缺乏这些物质， 必须将这些物质注入地层。此外，还须注入磷酸盐和氮（NH4 ）。否则这两种物质将成为地层中对微生物起限制作用的物质 。在高矿化度水中磷酸盐含量很有限。因为它们容易与二价阳 离子（如镁和钙）进行络合而形成沉淀。细菌利用磷酸盐产生 化学能，合成核酸和磷酸脂。必须弄清注入的营养物质与地层盐水和粘土的配伍性，以 便有效地输送营养物质而不致于造成粘土膨胀和运移。f.有毒化学物质。地层盐水中的某些化学物和元素（主要是重金属）如果浓度太高，对微生物可能有毒性。如砷、汞、 镍、硒含量过高都对微生物有毒性。通常这些元素的含量应小 于1015mg/L。0.3M的H2S就会通过阻止NO和NO2的还原而 影响某些反硝化细菌的反硝化作用。反硝化作用是细菌在油层 内无氧条件下的一种代谢方式。通常重金属浓度超过10-3M时 对许多细菌都有毒性，而高浓度轻金属离子兼有抑制作用。由 于地