生物表面活性剂在提高石油采收率方面的应用

在提高石油采收率的三次采油技术中，除了上节所述的几种方法以外，还有一种研究、采用较晚，但前景颇为看好的技术，就是微生物提高石油采收率技术。微生物在石油开采中，要使用通过代谢生成的生物表面活性剂，从而提高石油采收率。因此，可以在某.种程度上认为是生物表面活性剂提高了石油采收率。生物表面活性剂在其中的作用非常重要，通过筛选合适的采油微生物和改变生长条件，可以产生各种生物表面活性剂，以满足不同原油和不同地质条件的要求。生物表面活性剂在石油开采中的应用已扩展到成片油田。对地面法和地下法都进行了多年的研究，并取得了很好的成果。

(1)生物表面活性剂应用历史及发展现状在提高石油采收率研究过程中，利用微生物及其代谢产物并不是什么新设想。早在1895年，Miyoshi最早记载了微生物作用于烃类的现象，1926年Bastin等人证实了在油层水中存在硫酸盐还原菌等生理菌群的现象。同年Bakcmann报道了关于细菌对石油的作用，他提出在石油开采中可利用细菌中的酶，首次提出细菌采油的设想。他认为世界石油供应有限，但公认油井停止自喷后地下仍留下很大百分率的油。或许是由于黏性油对沙子的摩阻太大而阻止继续流动，那么有否可能，用接种产酶的培养介质去接触剩油，所产酶能否改变原油.黏度和相对密度而引起重新流动?自1926年以来，掌握了关于残余油以及有关微生物方面的许多资料，但Backmann的基本想法仍然可行。他还建议处理沥青和煤时，利用微生物活动破除油／水乳化。只是由于种种原因，未能进行实质上的研究。

关于微生物在石油开采中应用的第一个重大的研究工作，是美国Zobell在20世纪40年代进行的。这个工作与美国石油研究所的研究项目《关于细菌在石油成因中的作用》有关。l943年，Zobell第一个发现厌氧的、利用烃的硫酸盐还原菌能从砂砾中释放出石油，并首先申请了把细菌直接注入地下提高石油采收率的专利。1946年他提出一项专利，是关于含油层利用硫酸盐还原菌处理，引起油层中化学变化和物理变化，从而提高原油产量的。在研究硫酸盐还原菌从砂砾中释放原油机理时，他就提出微生物产生的生物表面活性剂是细菌驱油的主要机理之一。

1946年，Zobell提出了一套用厌氧硫酸盐还原菌进行二次采油的现场实施方案，次年，Back进行了首次工业试验，又利用其他类型细菌进行了提高原油采收率的研究。1953年，Zobell提出了第二个专利，扩大了适用石油释放的细菌范围。Zobell(1947a,b,c)研究通过细菌作用从砂中释放原油的微生物，得出的结论是：有关细菌从含油层中提高采油量的实际应用，可以说都是有希望进一步研究的领域。此后他又进行了多方面研究，奠定了细菌采油的基础。

Zobell的先导型工作对以后微生物用于石油开采的发展产生了巨大的影响。阿普得格拉夫(Updegraff)、希茨曼(Hitaman)和前苏联的库兹涅佐夫(Kuznetsov)等人，对硫酸还原菌、产芽孢细菌以及油层内的原生微生物提高原油采收率做了大量的工作。阿普得格拉夫(Updegraff)和维恩(Wern)在1953年提出一项专利，将糖蜜加入油层中用作硫酸盐还原菌生长底物。其他一些研究者积极地继续进行硫酸盐还原菌用于提高原油采收率的研究。1954年美国在阿肯色州的联合(Union)县、莫比尔(Mobil)油田，成功地进行了一次利用细菌大规模地下发酵提高石油采收率的实验。这是一次有文字记载以来当时最好的试验之一。所用的微生物是丙酮丁醇梭状芽孢杆菌，是在油层内用2％的甜菜糖蜜溶液培养的。处理后，石油产量增加了250％。l957年，捷克斯洛伐克的多斯塔列克(Dostalek)和斯普末(Spumy)把脱硫弧菌(Desulf0-vibrio)和假单胞菌连同糖蜜一起注入油层，原油产量得以提高。他们认为，可能是细菌产生的表面活性物质，改变了岩石一油一水三相系统的界面张力所致。

20世纪50年代，前苏联、波兰、罗马尼亚、捷克斯洛伐克、匈牙利等国家进行了大量的现场应用试验，而美国等主要集中进行室内研究。正是由美国的C.E.Zobell和D.Voplegraff，前苏联的S.I.Kuznetsov和L.D.Shturn，捷克斯洛伐克的M.Dostalek和M.Spuruy，波兰的J.Karaskiewicz，匈牙利的I.Jarnyi和M.Dienes，罗马尼亚的l.Lazar等学者早期开展的国际范围的室内研究和矿场试验开拓性工作，奠定了细菌采油的基础。

自20世纪40年代开展研究以来，已有许多关于微生物提高原油采收率的专利和论文。但是，引起人们注意的是在20世纪60年代中的报道。当时，原油充裕，油价太低，以致不能说明任何一种三次采油方法使用是合算的。大多数石油微生物学家研究其他一些项目。但是，到了20世纪的70年代，情况起了变化，阿拉伯国家对西方实行了石油禁运，导致油价上涨。能源短缺再次证实了人类面临的能源危机。地下剩余原油量有限，在已知油田中，留在地下的油比新发现的多。随着油价的上涨，三次采油方法就较现实了，而发展这些方法的活动也增加了，这重新引起人们对微生物用于油层内提高采收率潜力的兴趣，美国首先进行了一系列的研究工作。设在俄克拉荷马州Bartlesville的美国能源部能源研究中心，以支持大学的研究项目方式，开始从事分离和筛选能提高原油采收率的细菌、生物表面活性剂在提高原油采收率方法中的应用，利用生物表面活性剂降低原油黏度的方法，细菌在多孔介质中的运移规律等课题的研究，大大强化了微生物采油的前进步伐。l975年，在美国首先召开了“微生物在石油开采中的作用研讨会”。l982年，在俄克拉荷马州的埃弗顿召开了有34个国家的科学家和工程技术人员参加的“世界微生物采油会议”，系统地交流了多年来的研究成果，并决定以后每两年召开一次国际会议。同时决定，l986年创办《世界微生物采油杂志》。此后，又相继出版了专著和发表了大量论文，有力地促进了该项技术的发展。l986年4月，在得克萨斯州召开了第三次国际微生物采油会议，详细讨论了将细菌注入地下的条件，评价了微生物采油的应用效果和前景，推动了矿场应用的研究。前苏联科学家库兹涅佐夫(Kuznetsov)、伊万诺夫(Ivanov)、别卢阿耶夫(Belyaev)等，在微生物提高原油采收率领域中也作出了重要贡献。

20世纪70年代后，石油工业开始发展，微生物对石油的乳化机制引起关注。对提取的生物表面活性剂集中于结构、性能、生物合成及调控的研究。1978年，Zajie和Panbehal综述了微生物乳化剂的来源及特性，预测了它们的应用潜力。1980年，Cooper和Zajie评述了生物表面活性剂的化学特性。l984年Zajie和Seffens阐述了生物表面活性剂的理化性能。最近几年，国内外研究微生物采油的大学越来越多，许多石油公司的实验室也在进行微生物采油技术的研究和开发，取得了许多可喜的研究成果。l977～1982年，美国Pertrogen石油公司用微生物处理了24口井。其中18口井压力增加了0.7～1.4MPa，有4口井双倍增产长达半年；12口井增产50％达3个月；有5口井生产水平在短期内增加了6倍；所有的试验井增产42％以上。l987年，美国某生物工程公司在俄克拉荷马州的Detaware Childers油田4口注水井口，注入微生物进行区块试验，结果表明，整个地区的原油增产幅度为l3％。A·A·Matz等人报道，他们在不同地区油田的七个试验区进行了MEOR试验，结果增产原油7万吨。

尽管大多数科学家当时认为，微生物提高原油采收率方面的应用处于早期开发阶段，但已做过许多油田试验。Hitzman的文献中，对所有油田试验的结果进行了综述(表1)。已报道的油田试验超过200个，大多数是在美国进行的。而事实上，这些均是用“吞吐法”处理的枯竭井。

表1各国用微生物处理的油井数(Hitzman.1983)

20世纪80年代末90年代初。随着生物工程和信息技术等高科技在世界范围内的迅速发展，加之人们对MEOR技术认识的深化，美国、加拿大、英国、澳大利亚、俄罗斯、波兰、罗马尼亚等国，在MEOR室内研究及矿场试验方面取得了令人瞩目的成果。其中，以美国国家石油和能源研究所(NIPER)、BAC公司(Micro-BAC International Inc.)、NPC公司(National Parakleen Company)等最具代表性。1991年，美国正式把微生物采油列为传统的热驱、化学驱、气驱之后的第四类提高石油采收率的方法。这表明继前三’类传统提高采收率方法之后，微生物驱已成为油田现场工业性应用的新方法。微生物采油技术在美国、前苏联的大规模矿场应用，标志着工业性应用阶段的到来。据第十三届世界石油大会报道，1990年前苏联的微生物采油产量为3.18m³／d，而美国l992年的微生物采油产量3.18m³／d。据美国Micr0-BAC国际有限公司报道，全世界估计有2500～3000口油井用采油微生物产品处理过，大约50％的油井增加了采油量。

近数十年来，微生物采油取得了令人瞩目的进展，研究内容不断加深。研究领域不断拓宽。目前，已从室内研究走向矿场试验井并进行了现场应用，取得了良好的效果。微生物采油应用技术在日臻完善之中，但微生物驱油机理方面的研究仍有待进一步加强和深入。

我国地下微生物及生物表面活性剂采油技术的研究和开发应用较晚。国内于l955年才开始微生物勘探石油的研究。20世纪60年代中期，研究细菌代谢多聚糖类增稠剂，典型菌株为元-A-144的假单胞杆菌，20世纪70年代，主要开展生物表面活性剂方面的研究，筛选到了两株菌48105g和4-13。“七五”期间，微生物三次采油被列为国家科技攻关项目，主要内容有：

①微生物地下发酵提高石油采收率研究；

②生物表面活性剂的研究；

③生物聚合物提高采收率的研究；

④注水油层微生物活动规律及其控制的研究。

其间，在大庆油田东6J-22井进行了吞吐试验，研制出了槐糖脂、鼠李糖脂、海藻糖脂、多糖脂等4种糖脂型生物表面活性剂体系。分离筛选出黄原胶生产菌种，其增黏性、耐温性、抗盐性和驱油效率等性能良好；研究了注水油层微生物在油层特定条件下生长发育的规律。

    20世纪80年代后期，中科院北京微生物研究所与大庆油田合作，开展了微生物吞吐试验并取得了明显效果。20世纪90年代初，吉林油田和中科院北京微生物研究所合作，进行了35口井吞吐试验，增油360t。1994年，南开大学进行采油微生物的研究，从菌种中筛选与评价，建立起采油微生物筛选模型，并着手建立采油微生物菌种库。其研制的采油微生物产品，在大港油田驱油试验中取得显著增油效果。大庆油田筛选的野油菜黄单胞菌、地衣芽孢杆菌、铜绿色假单胞菌等，在低产油区进行微生物驱油现场试验，两年每口油井增油480t。并系统研究了单一生物表面活性剂、混合生物表面活性剂以及生物表面活性剂与化学合成表面活性剂复配体系。实验表明，单一生物表面活性剂可使原油界面张力降为0.4～0.6mN／m,海藻糖脂一碱二元体系可使原油界面张力降为0.3mN／m；海藻糖脂与石油磺酸盐的复配体系呈明显韵协同作用，低酸值的大庆原油界面张力达到0.006mN／m。用该体系驱油可提高残余油采油率l5％，显示了良好的应用前景。

在MEOR技术方面，美国BCA公司、NPC公司于1993～1994年，在我国华北、新疆、大港、辽河、胜利等油田推广使用微生物采油技术，先后对50余口井进行试验，取得良好的效果。其中，在胜利油田进行了17口井的试验，共增产石油1700t。

近年来，我国MEOR技术研究方面取得令人瞩目的成果。中科院微生物所，山东大学对采油微生物开展了大量研究，并进行了现场应用试验，中科院有机所对生物表面活性剂驱油进行了攻关。上海有机所的科技人员进行了关于生物表面活性剂应用于提高石油采收率的研究。他们是通过菌种选育，筛选出两株高效产生BS的菌株。在实验室空气提升式发酵缸及小型公式发酵缸中，对生物表面活性剂槐糖脂和鼠李糖脂的发酵生产工艺进行了试验。最终使槐糖脂的产率达到809g／L，鼠李糖脂达到20g／L。并分别测定了这两种BS及鼠李糖脂发酵液的成分。在实验室研究成功的基础上，上海有机化学研究所的科研人员将以上技术提供给大庆油田，以进行筛选，配方和现场试验。经大庆油田的研究部门进行复配和驱油试验，这两种糖类BS实验室岩心驱油效果较好，可提高石油采收率15％。显示了鼠李糖脂等生物表面活性剂在三次采油中的应用和良好的工业应用前景。在此期间，国内油田MEOR应用技术也已进入到工业化应用阶段。大庆、胜利、大港、中原等油田，大庆石油学院的科研机构都已制定了攻关项目，并正在密切合作付诸实施。大港油田建立了微生物菌液厂，并率先进行了区块的微生物驱矿场先导试验。目前，辽河油田、胜利油田、新疆油田也在开展MEOR的室内研究和应用研究。

(2)生物表面活性剂提高石油采收率的方法将生物表面活性剂应用于MEOR有两种能被采用的方法，一种是利用微生物生产的生物制品(如生物聚合物和生物表面活性剂)作为油田化学品进行驱油，即地面法MEOR，目前这类技术在国外已趋于成熟；另一种是利用微生物及其代谢产物(主要是利用微生物地下发酵和利用油层固有微生物的活动)提高石油采收率。

①地面法MEOR(Extra Situm MEOR)  在地面上建立发酵反应釜，为微生物提供必须营养物，通过微生物的代谢作用，生物表面活性剂用生化法在地面培养产生，即进行地面发酵。向地下注入微生物代谢产物生物表面活性剂等生物产品，生产场所与注入井位置无关，视需要与可能而定。生物表面活性剂经生产、分离和纯化以后，以和水驱一样的常规手段将其注入油层，这就是地面法MEOR。这种方法的优点是发酵在地面进行，微生物生长和代谢活动可不受地层条件的影响，只要选择产生生物表面活性剂能力强的菌种和合适的生产条件，就可以得到驱油用的生物表面活性剂，完全不用考虑地层条件对微生物生长、生物表面活性剂积累的影响，成功的可能性相当大，国内外不乏成功的例子。

德国的F.Wagner实验室将生产的生物表面活性剂海藻糖脂以50mg／L的浓度在北海油田进行驱油试验，石油采收率提高了30％，比一般的化学合成的表面活性剂驱油效果提高了5倍，该实验室还申请了多项专利。美国俄克拉荷马大学将地面法MEOR注入生物表面活性剂，与注入微生物细菌Lieheniformis JF-2(美国专利号4522261)进行了提高原油采收率的对比，发现两种方法都能得到良好的效果。

我国大庆油田的研究人员也进行了这方面的工作，取得了很好的效果。用海藻糖脂生物表面活性剂与其他化学合成表面活性剂(如烷基苯磺酸盐类)复配进行了驱油试验，可大大降低三元复合驱中表面活性剂的用量，经筛选的配方可使油水界面张力达到10-3mN／m数量级，矿场试验采收率比水驱提高20％。在这种方法中，如果要想得到较纯净的生物表面活性剂，不往地层中注入微生物的培养基及其他代谢产物，则生物表面活性剂的生产成本就会比化学合成的表面活性剂高得多。经过筛选的微生物在烃或糖类基质中生长，生产生物表面活性剂，这需要高技术体系，需要输入相当大的能量和动力进行搅拌和通气。当然更多的费用用于生物表面活性剂产品的分离和浓缩。

②地下法MEOR(In Situ MEOR)  把油层作为巨大的生物反应器，利用分子生物学技术，将经筛选的配伍性较好的、浓度相对较低的、能产生生物表面活性剂的采油微生物菌株注入到地下油层中，同时注入能维持微生物生长、繁殖和代谢的合适的基质及培养基营养液和生物催化剂，促使其在地下油层中流动，利用微生物及其在层内细胞一油界面上的代谢产物生物表面活性剂(主要利用微生物地下发酵和油层里固有微生物的活动)，采收油层中滞留的原油，提高石油采收率。这种使有代谢活力的细胞渗入油层，产生生物表面活性剂用于采油的方法，称为地下法MEOR。目前，地下法MEOR有两种工艺：一种是将微生物及相关营养物质由注水系统注入地层；另一种是通过分析地层中的微生物群落结构，向地层中注入一定组成的营养物质，激活地下某些微生物，使其生长繁殖，发挥驱油作用，即内源(本源)微生物驱油技术。

将上述微生物、基质、培养液从单口井高压泵入油层，关井数日或数周，以完成微生物在油层的培养，注入微生物迁移到井周围约lOm的储油层生长繁殖，并产生包括生物表面活性剂在内的各种代谢产物。生物表面活性剂溶解原油中的蜡质，清除孔隙堵塞、增加原油流动性，提高产量。近30年来开展的现场应用有以下几类：

a.单井吞吐法采油  为提高低产油井产量，在油井高压注入采油微生物、关井，使微生物运移到油井周围的储油岩层，经微生物的生命活动，疏通被堵塞的油层孔隙通道，增加原油的流动性，提高原油采收率。开井后，采油微生物可被反排出来，故称“吞吐”法。为保持高产，需要不问断地周期注入采油微生物。

b.微生物驱油  采油微生物从注水井注入油层，运移到储油层深部，随注水向油井移动，微生物生长繁殖，并产生生物表面活性剂及多种代谢产物。生物表面活性剂和代谢产物综合作用于原油，降低黏度，增加原油流动性，提高原油采收率。

c.激活油藏微生物群落驱油  油藏中存在着天然微生物，由于营养物质贫乏使之数量很少。从注水井将营养液注入油层，激活天然微生物，让其生长繁殖，产生生物表面活性剂及多种代谢产物用于驱油。

d.微生物选择性封堵  将形体较大的微生物菌种从注水井注入，运移到大孔道储油岩层部位，用生长繁殖的细胞和表面黏稠物质形成的生物膜封堵大孔道，防止注入水“指状”流动，提高原油采收率。

e.微生物压裂液压裂  将在厌氧条件下产生有机酸的微生物及营养物，注入孔隙度甚小、渗透率较低的储油层，在高压下用有机酸溶解岩层形成缝隙，使原油流动，提高原油采收率。

f.微生物油井清蜡原油中含蜡量较高，会析出蜡晶固着在井壁，堵塞孔隙通道，降低原油流动性，降低原油产量。注入产生生物表面活性剂的采油微生物，用生物表面活性剂、生物乳化剂清洗井壁，溶解固形石蜡，提高原油采收率。

利用微生物地下发酵提高石油采收率，是微生物和三次采油中投资成本最低、效果最好、工艺最简单、适用范围较广的方法之一，甚至可以用于高盐度、高温、高压的石油储层。这是微生物采油发展的方向，见图1。

图1在油层中就地生长的细菌的代谢物驱替原油示意图

用微生物在地下油一水界面上连续产生表面活性剂，有利于提高石油采收率。微生物在地下生产生物表面活性剂的速度很快，生产量足以弥补由于吸附造成的损失，吸附损耗将不成为问题。由于在地下法MEOR中，生物表面活性剂是在其最大效力的地方产生，因而其用量会比化学法的需有量要少。如果能探索出合适的条件，则微生物在被注入地下一段时间后，在离注入井很远地方也能产生生物表面活性剂。因此，地下法MEOR是将选定的微生物注入油层，促使其生长。由于微生物的存在和活性，将使原油产量增加。

原则上说，油田都有不同的规模、深度、油藏地质条件和原油类型。从技术角度出发，油田主要分为两类：一类是海上油田，它们一般是规模大、井深、高温的高产油田；另一类是陆地油田，它们常常是规模小、井浅、低温的低产油井。浅层陆地油田的产油历史已有一个世纪了，而象北海及阿拉斯加这样的深层高温油田，开采历史较短，但现在就得考虑应用三次采油技术。到目前为止，地下法MEOR都只在小而浅的陆地油井中进行试验。之所以如此，显然并不是因为此类油田具有化学稳定条件和微生物代谢的条件。主要是万一试验不成功，所承担的风险较小。从一个几近水淹的油田中，如果真能采收更多的油，这意味着油田采收率大幅度增加。.即使试验失败，采收率不是增加而是降低，也不会使这种油田的预期产油期缩短很多，因为它已接近枯竭。

一些作者综述了地下法MEOR现场采油的实验。这样的试验已在美国、捷克斯洛伐克、罗马尼亚、前苏联、匈牙利和波兰等国进行。Hitaman编纂了1954年以来，美国、前苏联和东欧由地下法MEOR处理的200多座油井的数据。这些油井原来一般产量为每日l59～318dm3(1～2桶)原油。在其综述中，除列出了大量数据外，还记录了总的变化情况。Lazar综述了1971年以来罗马尼亚进行的地下法MEoR试验。他认为只有当地层的物理、化学条件和注入菌种及营养培养基的生物性质使得油层象一个大发酵罐一样，现场试验才能认为获得成功。他列出了厌氧菌，主要是嗜温菌处理油藏的基本参数；渗透率大于300mDarcy；温度50～55℃，pH接近中性；驱替水中可溶性固体适量。目前，成功的微生物矿场试验都是采用能产生生物表面活性剂的菌种。1986年，NIPER公司在美国俄克拉荷马州Delaware-Childers油田进行了微生物强化水驱试验。试验进行一年后，在20英亩。试验区里，原油增产13％。l990年6月到l995年5月，在同一地层进行了更大规模的试验，380英亩。产油区一共处理l90口油井，原油产量增加19.6％。

有增产效果的一个实例是美国L.Jack Gross&Alatar公司在得克萨斯州的Burnett J矿区所做的现场试验。Burneet J矿区有3口井，过去一直有种等到严重程度的结蜡，需起出抽油杆，用蒸汽清蜡。处理前，该矿区原油日产量为0.05m³。处理后，原油日产量增至0.25m³。气和水的日产量保持不变，分别为36.8×104 m³和1.27m³。处理程序是先注入75.7L的煤油作为预冲洗液，随后注入RAM生物化学公司生产的Welprep 5微生物处理剂，然后注入7.57L的盐水(矿产水)。关井48～96h之后恢复生产。

美国Attamont-Bluebell油田于1988年3月进行了微生物清蜡和重油降黏的现场试验。用微生物处理后，原油密度由原来的0.8280降至0.8160；原油的黏度(38℃时)由25mPa·s降至15mPa·S；倾点由36.7℃降至27℃；初始沸点由91℃降至47.8℃；残渣(蜡)由60％降至48％；轻质油采收率则由40％提升到52％。

J.E.ZAJIC实验室在美国科罗拉多州Denver市郊l5口井的油田中，注入一种能产生表面活性剂和二氧化碳的微生物。微生物在油层中生长、发育，结果日产量由原来的2.4m³增至7.2m³。

表2是微生物矿场试验成功的例子

表2国外的微生物采油技术矿场试验

地衣杆菌JF-2是现在研究最多的产生生物表面活性剂的菌种。Oklahoma大学Marah等人模拟地层条件证明了微生物产生生物表面活性剂对提高采收率的重要性，选择了产生生物表面活性剂的乙酰丁醇梭状芽饱杆菌和JF-2。机理模拟实验表明：梭状芽孢杆菌的发酵液产生的气体，不足以开发残余油；变种的不能产生生物表面活性剂的JF-2菌种，不能提高残余油的采收率。这证明了生物表面活性剂的产生是微生物提高石油采收率的重要机理。试验的乙酰丁醇梭状芽孢杆菌和JF-2在模拟地层条件下提高采收率21％和23％。得克萨斯大学的Linse用地衣杆菌JF-2这种很有效的产生生物表面活性剂的菌种，系统地调查了环境参数(温度、pH、NaCl)对生物表面活性剂的产生、代谢产物和地衣杆菌生长的影响，部分提纯的生物表面活性剂有很高的界面活性，界面张力达到0.016mN／m。在5％NaCl，45℃，pH=7的条件下获得了最佳的代谢产物。

1981年美国因利用微生物技术多产原油2000万桶。价值达6亿美元。

大庆油田东6-J22井和东5-J18井采用假单胞菌、野油菜黄单胞菌、地衣芽孢杆菌等菌种配伍后，单井注入关井。关井后井口压力升高，表明注入微生物在油层中发生了代谢过程，产生了气体，.提高了油层的压力。开井生产后，产出液中除了有较多注入微生物、有机酸外，产出液油水界面张力降低，表明产生了生物表面活性剂。

由先导性试验油田带动，在新疆、大港、胜利、冀东、辽河、江汉等油田也开展了地下法MEOR采油技术的推广应用。矿场试验由单井向区块整体发展；由浅层向中深层发展；由高渗井向中渗深井发展；由低温井向高温井(102℃)发展；由低含水井向高含水井发展(最高含水80％)；由原油正构烷烃中长链向特长链(C₆₀)发展；由原油含较高挥发成分向含较低挥发成分(5％)发展。含蜡量最高51.4％，沥青质、胶质含量最高31.6％，试验井原油黏度多在9.33～9.87mPa·s，凝固点46～47℃以上，试验都得到了良好的结果。

我们已初步介绍了地下法和地面法这两种MEOR技术。在它们相互之间进行比较，上述这两种方法各具有优缺点。下面讨论这两种方法的利弊及应用时可能遇到的问题。

为了比较上述两种方法的利弊，必须较为详细地讨论两种技术在应用时遇到的问题。这两种方法都基于同一原理，即降低储油层中油一水界面张力。不同之处在于将生物表面活性剂引主储油层的方式。地下法是在储油岩层中就地生产所需要的生物表面活性剂，而地面法则将地面工厂已经生产出来的生物表面活性剂配成溶液注入地下。

从理论上看，地下法似乎相当简单，但在实际应用时会遇到一系列问题。该法需要将选好的菌种注入多孔岩层，使微生物在那里尽快生长，以产生足够多的生物表面活性剂提高石油采收率。从微生物学观点来看，油层可以认为是一个极端环境。油层的环境条件可能会对微生物的生物活性起限制作用。储油层中限制微生物活性的环境因素可归纳为①物理因素：温度、压力；②化学因素：pH值、盐浓度、重金属；③生物学因素：与内生群体生存竞争、基质来源和需求，厌氧条件。

地下法MEOR和地面法MEOR对生物表面活性剂生产速率的要求不同。地下法MEOR要求生物表面活性剂的生产速率较高，否则，扫过油层的水将带走生产菌。如果生物表面活性剂的生产速率太低，在界面张力显著降低之前，生物表面活性剂就会由于扩散作用或地下水驱动或生物降解而流失。经济性是考察任何一种方法可行性的重要指标。与其他方法相比，地下法MEOR的一大优点是成本低，它不需要复杂的设备和昂贵的原材料。基本设备是总容量为5000L的几个橡皮袋、浸液加热器和注入泵。这些设备在其他注入场地也可以使用。因此，进行地下法MEOR的惟一重要的运行成本是基质(糖蜜、糖)，电力、劳力和后勤费用。这项预算不包括可能需要重新铺设管线和钻注入井的费用。

地面法MEOR较复杂，因而费用也更高。需要在地面工厂中用各种基质如酵母、糖类或烃类等，以好气菌连续或间歇生产生物表面活性剂。然后通过加热，调节pH值，用有机溶剂将生物表面活性剂从微生物细胞中分离出来。蒸发除去溶剂后，再将生物表面活性剂溶于水中，注入油层。这种生产方法需要大量投资和耗用大量能源，运行成本也高。

与地面设备的情况相比，储油层的条件更为苛刻，更难于控制，因而采用地下法还会遇到许多地面法中没有的问题。由于油层水中缺少游离氧，所以引入地下的微生物应该是厌氧菌。因为很难把握注入井内的条件，也很难保证操作过程绝对缺氧，所以，用兼性厌氧菌可能比专性厌氧菌更为合适。在大多数情况下，还需要向油层中注入较易得到的碳源，还需要加入氮源和磷源。注入的基质必须不含颗粒物，以防堵塞注入部位。还要求其易溶于油层水，经济合理。同时，在注入部位必须有较长的适用期，以防备注入过程中由于意外的技术问题造成时间上的拖延。从后勤角度考虑，基质应该是高浓缩形式，最好是固体形式，便于输送。另外，基质还应与油层水相容并对孔壁吸附很少。用于地下法或地面法的注入流体的物理性质完全不同。地面法只注人流体，而地下法需要注入固体(即细菌细胞)悬浮液，这可能会使注入井堵塞。

总的来说，地下法MEOR和地面法MEOR各有所长，但现在的发展趋势是研究和使用地下法。

(3)作用机理微生物在地下油层中产生的代谢产物范围是相当宽的。这取决于环境条件(压力、温度、盐度、pH值和氧的存在)、维持细胞代谢的营养物(氮、磷等)与石油相互作用的特种细菌。总的来说，代谢产物可以是气体(甲烷、氢、二氧化碳、硫化氢、氮气)、羧酸(甲酸、乙酸、戊酸)、溶剂(醇类、醛类、酮类)、聚合物(蛋白质类、多糖类)、生物表面活性剂以及其他许多从单体到十分复杂的大分子的化合物。就石油来说，进行微生物及其产物的研究是为了①开发能提高二次采油和三次石油采收率的产物；②通过降低黏度和界面张力使重油流动；③把细胞能注入石油储集层，在层内就地产生生物产物提高原油采收率；④研究油藏微生物生态学。

微生物产生的生物表面活性剂，是集亲水基团和憎水基团于一身的两亲化合物。憎水基团一般为脂肪酰基链；而亲水基团则有多种形式，如糖脂中的糖基、磷脂中含磷酸的部分以及氨基酸的羧酸部分。所以微生物产生的生物表面活性剂以糖脂、磷脂、脂肽居多。

    微生物用于提高石油采收率的机理，经多年研究得出的结果是将分离培养的微生物注入油层，使其在油层中生长、繁殖、代谢，微生物本身及其代谢产物与原油作用，改变油、水、岩石的界面性质，增加原油流动性。从而提高采收率，具体机理是：

①微生物在发酵过程中能产生多种气体，如甲烷、二氧化碳、氮气、氢气等，这些气体可增加油层压力，降低原油黏度。

②微生物在地下发酵过程中能产生有机酸类、醇类、酮类等有机溶剂，其中有机酸类能使碳酸盐地层溶蚀而增加基渗透性。醇类、酮类可降低表面张力和油水界面张力，促进原油乳化。

③微生物在地下发酵过程中能产生生物聚合物，这些生物聚合物能调整注水油层的吸水剖面，控制流速比，改善地层渗透率。

④微生物在地下发酵过程中能产生分解酶，它能裂解重质烃类和石蜡组分。重质烃类裂解后，可以降低原油黏度，从而改善原油在地层中的流动性能。石蜡组分裂解后，可减少石蜡在井口附近的沉积，降低地层原油的流动阻力。

⑤微生物在地下发酵过程中产生生物表面活性剂，它能降低油水界面张力并乳化原油，从而提高石油采收率。微生物可产生多种生物表面活性剂，生物表面活性剂除了能降低油水界面张力和乳化原油以外，还能通过改变油层岩石的湿润性来改变岩石对原油的相对渗透性。有些生物表面活性剂还能降低重油的黏度，所有这些作用都有利于提高石油采收率。

微生物代谢产物对油层作用如表3所示。

表3微生物代谢产物对油层的作用

我们主要讨论生物表面活性剂对提高石油开采率作用的机理。①降低油水界面的界面张力  当生物表面活性剂注入驱替残余油相时，两相界面就要向其他孔道延伸。生物表面活性剂溶液与残余油的渗流过程可分为毛管胶束、增溶、乳化和互溶几个阶段。这几个阶段不是孤立存在，而是相互依赖相互依存的。随着液流的推进，两相界面自由能越来越小，界面张力不断下降，驱替效率必然也越来越高。

生物表面活性剂分子中有亲水基团和亲油基团，当其达到临界胶束浓度cmc时，其活性分子便会自发地形成胶束。胶束与增溶是不可分的，生物表面活性剂溶液与相对静止的残余油相接触，其活性分子会自动地迁移到相界面，使界面自由能△G^o_m值变小甚至为负值。其热力学表达式为：

△G^o_m=△H^o_m一TAS^o_m

活性分子自发地聚结于界面，其亲油基团插入油相，亲水基团留在水相，形成圆柱形胶束。胶束的内核提供了一个增溶油的环境，油增溶在圆柱形胶束的轴心，从球形胶束到圆柱形胶束的转变，取决于生物表面活性剂的结构、浓度和物理化学条件等。两相界面的延伸越来越长，圆柱形胶束的增长是由于毛细管力和驱动力使活性分子不断向两相界面补给能量，此能量与界面自由能△G^o_m相结合，并且一直遵守能量最低原则，使圆柱形胶束生长延伸。

生物表面活性剂溶液与残余油，在孔隙介质渗流过程中的胶束增溶特点，主要表现在两相界面的变化。而界面变化一方面是由于活性分子受界面自由能的约束；另一方面界面又受液体在毛细管孔道中流速的约束。这两种约束的总和形成了各种形式的微观界面结构。我们把水驱后的残余油相作为相对不动相。所以胶束液流动相在油相中的渗流，可以作为单相液流来研究。根据毛细管渗流定律，单相流体在毛细管中的流速口可以用以下方程表示：

式中，△p为外力差；L为毛细管长；r为毛细管半径；µ为流动黏度。

由此可见流速主要决定于毛细管半径r和流动黏度µ。假定流动相的黏度肛是常量，这样，在同一毛细管中可以认为流速v与孔隙半径r²成正比关系。

活性分子向界面自由能低的方向聚结，而界面又向流动相流速可大的方向延伸。根据残余油相在毛细管孔道中的位置不同，而形成上述几种微观界面结构。生物表面活性剂进入毛细管孔道后，在遇到多路液流汇集处或张力集中的弯道处，会产生乳化。增溶原油乳状的胶束继续向前推进，遇到不动的残油油相后，形成互溶状态，产生两相界面消失的现象。这是因为其两相界面的自由能最低，其界面张力也就很低，使两相逐渐产生互溶。

如果残余油要想穿过极微孔的隧道，那么根据毛细管力方程：

就必须使界面张力d更低。

我们可以看到，随着界面自由能的下降，界面张力的降低，其驱替残余油的能力逐步升高。

在水润湿油层中，大量的剩余油是以独立液滴和油块形式存在的。如一个孔隙长0.4mm，两端曲率分别为R_l=9×10^-3mm和R₂^-4×10^-2 mm的孔隙中残留的一滴油，水油界面张力δ约为30mN／m，用Laplace方程可求出压差△p

移动这个油滴，使其通过这个孔隙所需压差大约是l～3MPa。在实际矿场试验中，能达到的界限通常为20～30×10^-3MPa。为了得到采收率的大幅度提高，使微生物提高石油采收率的结果有实用意义，生物表面活性剂应具有特殊的性能，能溶于地层水和注入水中，在油水界面具有很高的界面活性，使引入的生物表面活性剂达到低于10^-2mN／m的超低界面能力。在近年来使用的微生物中，产生的生物表面活性剂都可以达到这个目标。低界面张力的生物表面活性剂，在达到临界胶束浓度时，与地层中的残余油会产生增溶，乳化及互溶。这样，就可以较为理想地把油驱出来。

②生物表面活性剂能乳化原油，降低黏度  能同化石油等液态烃的微生物的一个重要性能就是其产生的生物表面活性剂可以使油水乳化。现在普遍认为，烃类进入细胞内的先决条件是，产生细胞表面结合的或胞外生物表面活性剂。这些生物表面活性剂有助于油在水相中乳化，产生的乳状液可供细胞与基质相接触的表面积增大。

生物表面活性剂是一类水溶性很好的表面活性剂，有较强的乳化能力，当加入到井底稠油中时，分子中具有亲油基团和亲水基团的生物表面活性剂，因其具有很强的表面活性，在油水界面形成定向吸附层，此吸附层可以改变油水分子间相互作用和界面传质过程。生物表面活性剂在井底稠油中，借助于井底的温度和压力的变化，而产生搅拌作用，可使原油一团一团地分散到水中，形成了低黏度的o／w型乳状液，与原油相比黏度有大幅下降。据报道，当发酵产物与黏度为2500mPa·s的原油以l：1的比率相混合时，混合物的黏度仅在12～46mPa·S之间，黏度的下降必将降低阻力，有利于原油流动，使原油顺利开采。由于乳化，孔隙界质渗流速度小，在生物表面活性剂和残油液流汇集处或弯蓝处的张力和汇集力都很小。所以乳状液珠(一般为0.1～1.0µm)并不稳定，会产生聚并成为小油珠。这些小油珠又会被后面的生物表面活性剂再次增溶。因此，形成增溶一乳化一聚并一再增溶的过程。

当原油通过油藏流向井筒时，高分子量馏分(例如石蜡和沥青质)从原油中析出，形成在基岩上的沉积物和孔隙通道中的夹杂物。如果采油温度接近或低于始凝点，这种沉积会变得特别严重。有机沉积物的形成能降低渗透率，改变相对渗透率并且限制流体流动或堵塞孔隙通道。把特殊的微生物注入受损害的地层，微生物在地下产生微生物代谢产物。所产生的溶剂能直接溶解烃沉积物。除了使流体通道中的垢颗粒和其他夹杂物流动外，生物表面活性

剂能溶解这类沉积物。当再次开井时，近井地带被溶解的沉积物与井内流体一起流动，并且随着液流被清除出井筒。与传统技术相比，这种方法最大优点是，恢复生产后微生物继续新陈代谢，并且产生微生物代谢产物，这就会使原油性质发生变化。菌种的代谢作用把长链石蜡的链缩短，使烃分布发生变化。微生物对原油的直接代谢作用，能够降低黏度使润湿性发生变化，提高相对渗透率。

③改变油层一岩石界面的润湿性和岩石对原油的相对渗透性生物表面活性剂具有特殊的性能，在油水界面具有较高界面活性，能很好地润湿含油岩石的表面，洗掉岩石表面的油膜，使原油得以分散。油层岩石的渗透率是和任何一种采油方法有关的最重要的参数之一。生物活动会影响油层的渗透率。首先是生物量累积，即由于生物的活动，包括生物表面活性剂在内的有机物薄膜可以累积在孔隙的空间内。这些生物体还包括活的菌体，细胞碎屑和胞外代谢产物。细菌活动造成渗透率的变化，可以影响油层流体的流速和流动方向。生物活动会通过生物表面活性剂及二氧化碳、有机酸的产生，增加碳酸岩储层岩石的渗透率，以上有机物的共同作用可以参与溶解储层岩石。

(4)菌种的选择和营养液的配制  为了能将生物表面活性剂用于提高石油采收率，微生物的选择是至关重要的。可利用的微生物来源有以下几种：①从自然界筛选；②基因突变；③通过遗传因素进行改良；④油层中的微生物直接利用。科学工作者对数千种微生物作了分类和检验，确定它们所需的营养酶、它们的代谢产物以及它们能忍受的环境条件的范围。以环境忍受范围来区分，细菌可分为4大类，①好氧菌，只有在氧存在条件下生命才能继续；②厌氧菌，在无氧条件下存在，其能量从氧化的分子的降解中获得；③兼性菌，能存在于有氧或无氧环境中；④上述三类中的嗜温的(能在45℃温度以下生存的)或嗜热菌(能在45℃以上的持久温度环境下生存的)种类。在这几大类中，有些微生物是代谢产生气体的(甲烷、氢、氮、二氧化碳)、聚合物的(多糖、蛋白质)及生物表面活性剂。

人们逐渐注意到某些种类的微生物在地面条件下能很快繁殖，并产生明显有利于提高原油采收率的代谢产物，但它们在深的地下环境中可能不能存活。即使它们在地下条件下生长了，却不会产生相同的代谢产物，这是由于受到了地下水的高含盐量和高温的有害影响。此外，已知有些微生物在高压下形状发生改变，可能引起代谢变化。   

注入的采油微生物必须具备如下的基本特征：

①厌氧或兼性厌氧。在地层无氧条件下能生长繁殖并进行厌氧发酵，在地上有氧条件下也能生长繁殖。

②能降低原油的重质组分，使原油的密度、黏度、含蜡量、含胶量降低。

③在油层高温、高压、高盐等极端环境下，能生长繁殖并代谢。

④采油微生物能以烃类作碳源，能以油层内的无机盐作氮源或作营养元素。

⑤采油微生物必须与其注入油层的环境条件相适应，能在油层内运移，生长繁殖，产生有机酸、气体、表面活性物质、有机溶剂等多种代谢产物。

⑥其发酵液能使油水发生乳化，分散原油和蜡。

能在50℃以上的温度及缺氧条件下生长的中度嗜盐细菌，是用于微生物采油的最有力的竞争者。

对深层油藏进行地下法MEOR试验时，要求微生物能在这些油田的极端环境条件下生长，还要使原油具有流动性并且储油层无堵塞现象。近年来，对处于极端环境下的微生物的研究工作进展很快，已经发现了一些新菌种，它们能够在原先认为微生物不能存活的条件下存活。这些新菌种常常具有特殊的代谢途径，或者以某种方式生存。在实验室中，确实培养出了能在80～110℃下生长的极端耐热厌氧微生物。这些微生物均属古细菌(archaebacteria)，它们利用硫、氢、二氧化碳进行甲醇合成(methanogenesis)而自养生长，或在有些情况下通过厌氧发酵生长。

在实验室筛选试验中，选择热的“油质”环境，可以选育出一些厌氧嗜热菌。要求这些菌能用葡萄糖发酵，能使原油具有流动性。微生物要能耐压、耐中等含盐量。与温度相比，压力对菌种的生长条件影响较小。实验观察到压力大于20MPa会抑制微生物生长，但选育出的某些菌种，在压力为40MPa时仍具有代谢能力。

    在地下法MEOR中，压力对细菌形态的影响更为严重。常压下形状为短杆状的菌株，在压力的影响下可能变成椭球状或长丝状。用于地下法MEOR现场试验最有效的微生物，通常是从高浓度有机废水和厌氧油质环境中得到的混合菌种。高浓度有机废水包括家庭或工业下水道淤泥，厌氧消解装置的淤泥、食品废水以及湖底淤泥。所谓微生物的油质环境，包括污染的地层水，从井底采得的钻井泥浆，生产净化水工厂的淤泥，来自油砂分离器的淤泥，管道和储罐淤泥等。从糖厂发酵浮渣，或从准备使用MEOR的油田收集到的地层水中，能得到有效的微生物。在模拟油层条件的实验室试验中，适于好氧生长的混合菌体，比单离的菌株或单离菌株混合体能更有效地驱油。

当地下法MEOR用于深层高温油井时，从自然界中分离出来的微生物很少能完全满足这些要求。这就促使人们考虑通过遗传学的实验技术生产特定的微生物。而随着对MEOR机制了解的不断深化，对改进用于地下MEOR的微生物的要求也越来越清楚。在MEOR过程中，当环境条件改变造成油藏生态环境改变时，混合微生物可能更为有效也更容易恢复活性。

地下发酵法中常用的菌种如表4所示。不同的微生物适应地层中各种条件的能力及生产的代谢产物不相同。另外，不同的生物工程目的所需的微生物代谢产物也有所不同。因此，根据地层条件和生物工程目的合理选择菌种，是工程获得成功的关键。在地层条件中首要考虑的是地层温度，不同微生物耐温能力不同。表4列出微生物生长的温度范围。

表4常用于MEOR的微生物及其代谢产物

①是在MEOR技术中用的最为广泛的微生物。

②为准备用于MEOR技术中的微生物。

表5微生物生长的温度范围

从表4可以看出，用于MEOR的微生物可以是好氧菌、厌氧菌，也可以是兼性厌氧菌。在MEOR的过程中，可以单独使用某一菌种，但为了发挥微生物的协同作用，更多的是使用配伍性较好的混合菌种。在选择的过程中应遵循的原则就是微生物必须适应油藏的环境条件。表4中列举了几种常用的微生物菌种，而实际上，世界各国在MEOR应用过程中使用的菌种不止这些。菌种生长在水不溶的物质中，如石油烃、聚苯乙烯、橄榄油、煤油、甲苯、凡士林、二甲苯，并以它们为食物源。提高采收率的生物表面活性剂，多数是从被原油污染的土壤、海水、地表废水中分离出来的。这些微生物能有效地降解脂肪烃和芳香族的烃类化合物，它们利用这些化合物，在微生物细胞和烃接触的界面上产生生物表面活性剂。

其他需要考虑的地层条件有矿化度、渗透率、pH值和地层水化学组分等。只要做一项有关地层流体和所用的微生物的之间的配伍性试验，就可以检验出微生物是否能适应上述地层条件，从而可以大体上预测出应用这种微生物能否得到增产效果。这种配伍性试验可在室内进行。方法是将几种微生物配方分别在模拟地层流体中进行培养，对微生物的生长情况和代谢产物的生成情况进行测试，以便确定最佳条件。用这种方法确定的标准，可用来为具体的油藏条件选择出专用的微生物配方。一般的微生物活动的环境条件范围列于表6。

表6微生物活动的环境条件范围

    图2是筛选MEOR所用微生物菌种的步骤。

第一步是现场取样。油藏原油、水中分离菌种。从一个油藏分离的微生物再用于该油藏。

第二步是厌氧富集。从现场采油、水样品装入加压厌氧的菌管、富集装置中，进行厌氧培养。

第三步是微生物筛选。将厌氧培养物置于要进行微生物处理的油藏条件(如温度、压力、矿化度)下，通过产生代谢产物，对油进行分散实验和降黏试验。从中筛选适于油藏的微生物菌种。

图2  用于MEoR微生物的筛选步骤

第四步是驱油模拟实验。用微型填砂柱做岩芯模型，饱和原油，模拟油藏高温、高压、高矿化度条件，用筛选的微生物菌种作室内驱油实验。在此基础上，进一步做放大岩芯模拟实验，根据驱油效果确定微生物菌种。

在做驱油模拟实验时，对筛选的菌种做驱油机理的研究。将筛选的菌种做原油降黏实验。细菌作用原油后，一是黏度降低，二是表面张力降低。经离心分离和过滤，对细菌培养液用氯仿甲醇(2：1)萃取，对得到的生物表面活性剂进行定量、定性分析。做菌种产酸、产气定性定量分析。经性能评价，进一步确定MEOR现场应用的微生物菌种。据研究者发现，在模拟浅层低温条件的室内实验中，好氧生长的混合菌种驱油效果更好。驱油效果好的天然混合菌种主要包括如下菌属：假单胞菌属(Pseudomonas)、埃希氏杆菌属(Escherichia)、节杆菌属(Arthrobactor)、分枝杆菌属(Mycobaterium)、微球菌属(Micrococcus)、产朊球菌(Pept0—COCCUS)、芽孢杆菌属(Bacillus)和梭状芽孢杆菌属(Clostridium)等。当地下法MEOR用于深层高温油井时，从自然界分离的微生物很少能满足全部需要。促使人们构建特殊的微生物菌种。

微生物提高采油收率(MEOR)是石油微生物科学中发展最快、.最活跃的一个分支。微生物采油技术以显著的经济效益和社会效益为石油开采界所关注。在采油微生物研究初期，主要侧重于菌种的筛选、性能评价、室内模拟实验、矿场应用试验与提高原油采收率机理的研究。近年来，微生物采油技术在广泛应用的基础上，其深入研究主要表现在两个方面，一是微生物采油技术与矿场工程学的综合深入研究，二是石油微生物菌种的生物学特性的研究。为给微生物采油技术提供优良的菌种，采油微生物菌种的基础研究非常活跃，主要有以下方面：

①采油微生物生理学研究  主要研究采油微生物以烃为碳源，模拟储油层极端环境和条件，在培养过程中生长、产有机酸、产气、产生物表面活性剂、产有机溶剂、产生物聚合的情况。经代谢产物分析，确定代谢产物与提高原油采收率的相关性，从而阐明微生物采油机理。

②石油微生物遗传学研究  烃降解微生物遗传学是研究的重点。由于烃降解基因常常在质粒上，且成簇聚集，所以，烃降解质粒的分子生物学研究仍是目前研究的重点。烃降解基因工程菌株构建仍是研究者们的努力方向，构建的基因工程菌株主要是用于微生物采油。

③嗜热菌、耐温菌的研究  深部储油层80℃以上的高温，使采油微生物菌种转向嗜热菌和耐高温菌。其应用研究，主要研究这两种菌的筛选方法、培养方法和保存方法。

④石油微生物酶的研究  石油微生物之所以能利用烃类为碳源，是因为石油微生物有两个生物学特性。一是能产生表面活性物质，使菌体细胞与烃类分子充分接触；二是产生烃降解酶，将复杂的难以进入细胞的烃类分子，降解为简单的能进入细胞的烃类分子。

⑤石油微生物的分类鉴定  采油微生物多是极端环境微生物，大部分是真菌，而嗜热菌却为古细菌。古细菌的细胞膜脂类、细胞壁成分以及生态环境皆不同于真细菌。古细菌的研究方法与真细菌不同。

采油微生物研究在生理学、遗传学、高黏采油机理等方面取得了进展，下面分别加以介绍。

①采油微生物生理学研究的进展  生理学研究进展集中在两个方面，一是代谢产物的分析，二是模拟储油层条件如温度、pH、矿化度、重金属、压力等对菌体生长及代谢产物的影响。采油微生物代谢产物的分析研究，主要是指在模拟储油条件下产酸、产气、产生物表面活性剂的研究。这些研究与微生物采油机理密切相关。

石油生物产生生物表面活性剂是其共有的生物学特性，所以，石油微生物是生物表面活性剂天然的基因库。表面活性剂可形成油一水乳化，所以普遍认为采油微生物产生的生物表面活性剂，是降低原油黏度、提高原油流动性、提高原油采收率的主要因素。因此，生物表面活性剂是采油微生物代谢产物中主要的研究对象。石油微生物产生的生物表面活性剂，是集亲水基团和憎水基团于一身的两亲化合物。憎水基团为脂肪酰基链，而极性亲水基团则有多种形式，如糖脂中的糖基、磷脂中的含磷酸部分或氨基酸的羧基部分。所以，石油微生物产生的生物表面活性物质以糖脂、磷脂、脂肽居多。

石油微生物以各种基质特别是以烃为基质时，大量产生生物表面活性剂。烃诱导石油微生物产生物表面活性剂有两方面的原因，一是当生物表面活性剂为胞外产物时，利于烃类物质乳化；二是当表面活性物质为胞壁结合型时，利于烃类透过细胞膜外的空间。不同的微生物虽然产生不同的生物表面活性剂，但其生物合成有相同的调控规律。烃类物质诱导生物表面活性剂合成，而糖有时则抑制其合成。例如铜绿色假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)以正构烷烃为碳源时，合成鼠李糖脂，以葡萄糖或乙醇为碳源时则不合成鼠李糖脂。假丝酵母(Candida)只能以正构烷烃或甘油三酯为碳源产生甘露糖赤藓糖醇酯，而碳水化合物则抑制其合成。在生物表面活性剂合成中，葡萄糖和其初级代谢产物可抑制其合成。

生物表面活性物质有多种提取方法，采用什么提取方法，要视生物表面活性剂的性质是水溶性还是非水溶性、是阴离子型还是非离子型、是胞壁结合型还是胞外型而定。不同类型产物有相应的分离提取方法。除经典的提取方法外，最近还有随程提取方法，这是一种连续的方法。生物表面活性剂的结构分析方法已日趋成熟。为了鉴定糖脂的结构，在酯键和0-配糖键的鉴定中，可用TLC以及糖、脂特异性鉴定试剂对其鉴定。然后控制条件下进行水解，分别鉴定糖基和脂肪酸结构。生物表面活性剂的评价方法已有很多，但常用的方法仍旧是表面能力的测定。cmc值是通用的表面性效能尺度。cmc值越大，则表面活性越高。

总之，采油微生物生理学方面的研究，以产酸、产气、产表面活性物质为主要研究内容，并以此为依据阐述微生物采油机理。

②石油微生物遗传学研究的进展  石油微生物遗传学研究进展主要是建立了细菌以烷烃、萘和水杨酸、甲苯和二甲苯三类典型烃类物质生长的遗传学模型。研究证明，位于质粒上的解烃基因常聚集成簇，形成操纵子型控制单位，多数受正作用因子调节，已经证明这些基因簇多数具有广泛的同源性。对烃降解途径的遗传组织和调节机理的了解，加速了对解烃菌遗传工程的研究和应用。有关萘代谢的生物化学和酶学知识非常丰富，在此基础上，以萘为代表的双环芳烃降解的遗传学研究取得了重大进展。烃降解遗传系统中，烃降解质粒分子生物学研究仍是热点。对烃降解途径的遗传结构和调节机理的了解，加速了对解烃菌遗传工程的研究和应用。

③高黏油采油机理的研究现状  目前多数MER0现场试验，皆是在含蜡量高的轻质油中进行，而胶质、沥青质含量最高的高黏油微生物采油，尚缺乏足够的资料。显然，原油黏度越高，通过微生物生命活动降黏增加其流动性也越困难。近年来，高黏油MEOR现场试验虽有成功的报道，但数量很少。微生物对高黏原油降黏作用的机理认为如下：一是微生物把高黏油中的沥青烯和树脂酸高分子降解为低分子化合物，降低了高黏油的分子量；二是以.黏油为碳源的微生物产生生物表面活性剂，将高黏油乳化成水包油型乳状液，降低高黏油的黏度，一般生物表面活性剂可使高黏油降低黏度40％；三是微生物产生的CO₂等气体，使高黏油黏度降低，产油量增加。目前，高黏油微生物采油技术报道极少，高胶质、沥青质含量也给高黏油的微生物开采带来不少困难。因此，筛选高黏油优良菌种，进行高黏油MEOR矿场试验，探讨高黏油微生物采油机理，是目前急需解决的一项处理技术难题。

在微生物提高采油效率中，需要对注入地层的微生物提供营养物质，通常叫培养基。营养液的配制主要根据选用的菌种、地层条件和工程的目的来确定。菌种不同，所需要的营养物质也不一样。微生物一般都需要含磷化合物(各种有机和无机磷酸盐)，含氮化合物(如氯化铵、硝酸钾等以及氨基酸、肽等有机氮)、含碳化合物(如脂肪、蛋白质、简单和复杂的碳水化合物)、硫、各种微量金属元素(如镁、铁、钙等)、氢等。地层中可能缺乏这些营养物质中的一种或几种，营养液的组分主要包括地层中缺乏的营养物质。通过原子吸收光谱法、离子层析法、电感耦合等离子体等技术，对从地层中取得的岩心试样进行分析，就可以确定地层中缺乏的营养物质，从而确定营养液的组分。所选用的营养物质应当是在地层条件下具有热稳定性和化学稳定性的，不会与地层中的无机盐发生反应而形成沉淀，以免堵塞地层。另外，在含黏土的地层中，营养液应不会引起地层黏土膨胀和微粒运动。为避免发生这些问题，确保工程成功，应利用地层水样和岩样先进行有关这方面的室内实验。

    发酵液中有效成分的高低则依赖于生长条件，如碳源、氮源、pH值、温度以及氧与金属离子的混合物，而且在培养基中，水不溶物质、氮源和离子浓度限制产生生物表面活性剂。M.E.Singer用H-13细菌，以正构烷烃、芳香烃和原油为碳源生长，产生一种乙二醇酯生物表面活性剂，它存在于细胞外和细胞质中，降低原油的黏度达95％，可从原来的6.51Pa·s减到l.45Pa·S，并形成稳定的水包油乳状液，并发现在正烷烃中生长的效果最好。

世界各国用于驱油的微生物菌种及注入营养物见表7。

表7MEOR现场实验采用的微生物菌种及注入的营养物

    (5)生物表面活性剂的应用优势、不足和今后展望  和其他提高石油采收率方法比较，微生物产生生物表面活性剂的采油技术有如下优点：

①施工成本低。该项技术所需要的设备少，利用传统的注水地面设备即可达到施工要求，一般不需要增添井场设备，尤其有些微生物可以将石油作为主要营养源，这更有利于降低生产成本；

②施工工艺简单，操作方便，可针对油藏的具体条件灵活调整配方；

③对低产油藏、枯竭油藏而言，这种采油技术在经济上具有吸引力，而且增产效果持续时间长；   

④微生物采油技术适用于开采各种类型的原油(重质、轻质、中等密度的原油以及含蜡多的原油)；

⑤可直接利用生物能量，可以节约能源，微生物营养物注入液成本低廉，且不受原油价格的影响；

⑥生物表面活性剂有较好的生物降解性，对人、环境、油井均无害，不污染环境，该技术属环境技术，不损害地层，可在同一口井中反复使用。

研究表明，生物表面活性剂的驱油效率，比人工合成表面活性剂的驱油效率要高3.5～8倍。而价格仅为人工合成表面活性剂的30％。利用微生物表面活性剂驱油，能大幅度提高驱油效率，降低残余油饱和度。室内试验采收率甚至可以达90％，是一次彻底的真正的“三次采油技术”。所以，不管从效果上还是从经济上，应用生物表面活性剂比采用人工合成表面活性剂更合算，更能发挥作用。

    然而，微生物生成生物表面活性剂提高石油采收率技术也有其不足之处，尤其是地下法MEOR可能会产生以下不利影响：①油层会被生物体堵塞，或因其他不利影响，使原油采收效率甚至比不用地下法MEOR法时更低；②采得的原油品质下降。地下法MEOR的另一个缺点是由于不能使用氯或有机杀菌剂处理，在长期采用地下法MEOR时，大量的水会带人霉菌、酵母菌、藻类、放线菌、硫酸盐还原菌、铁细菌等微生物。这些微生物迅速增殖并产生黏液和沉淀，造成地层的堵塞。微生物进入地层后还将发生以下变化：

第一，大多数微生物因不能适应地层中的高温、高压、厌氧环境，这类微生物很快丧失生命活性变成死细胞物质，死的微生物细胞只相当于微粒在多孔介质中运移。微生物细胞在多孔介质中是否造成堵塞，与多孔介质喉径的大小和微粒直径有关。微生物堵塞程度还与细胞密度、细胞形状、注入速度等因素有关。细菌细胞与其他颗粒的区别是它可以变形，通过更小的喉道。

第二，微生物进入地层后很快发生生理变化，由细胞体形成芽孢，多数耐热芽孢杆菌都具备这个特性。芽孢具有抵抗诸如高温等恶劣环境的性能，代谢活性极低，不生长，不繁殖。微生物进入地层后也不可避免地会发生稀释、吸附和变性，从而产生一系列问题。

第三，微生物进入地层后，不久就适应了地层环境，并利用地层环境中一切可能利用的条件进行生长代谢甚至繁殖。但由于微生物生长所需要的营养物质在地层中含量极少，要依靠注入水不断从地面带入营养维持生存，这也是注水井近井地带易堵塞的原因。在地层中形成堵塞的微生物，主要是生长、吸附在岩石表面的细菌，这种细菌产生多糖胞外黏液，黏液将许多主要细菌吸附在一起形成生物膜。

目前，大部分矿场实验只限于温度不超过71℃，矿化度不超过10％的油层；某些重金属离子污染营养物后，会对微生物产生毒害作用；微生物在高温、高矿化度和高重金属离子的条件下容易受到破坏，微生物生成的生物表面活性剂会有发生沉淀的危险性。.由于地层条件对微生物生长不利，同一种微生物不能适用于所有的油藏，也不是所有油藏都适合于用微生物采油(如温度太高、矿化度太高的油藏)。目前需要进行充分的室内配伍性实验及适当的工艺设计，MEOR的机理尚未完全探明；对待定油层的最佳微生物应用工艺尚在建立之中；矿场应用的筛选标准(临界条件)还有待于改进；可有效预测矿场动态的油藏模拟软件尚未开发。

在目前常用的三次采油技术中，热力驱、气驱和化学驱等技术都存在各自的不足。在改善现有技术的同时，要研究新的三次采油技术。随着石油工业发展的需要和微生物学的迅速发展，微生物生成生物表面活性剂提高石油采收效率必将日益受到重视，并成为和热力驱、气驱和化学驱相并列的三次采油技术。我们认为，微生物提高石油采收率技术在研究和发展过程中应当出现以下趋势。

①由于微生物提高石油采收率技术的综合性、复杂性和多学科交叉性，其研究将会出现微生物学家、石油地质学家、石油工程专家和有机地球化学家的联合攻关。甚至还要联合经济学家。首先的工作是，进一步强化微生物作用下水一原油一岩石相互作用及其规律的研究，以弄清微生物及其代谢生成的生物表面活性剂在地下的规律。其次，要加大研究重油的微生物采油技术、微生物提高石油采收率的经济性研究等。总之，要使微生物提高石油采收率技术的新菌种、新方法、新工艺、新理论不断涌现。

②筛选产生生物表面活性剂的菌种进行地面发酵  以前研究生物表面活性剂多是利用微生物的地下发酵，注入微生物后还要注入营养成分和氧气，促使菌种在地下生长以便产生代谢产物，这对菌种的要求很高。首先要适应油层的环境，还要产生生物表面活性剂。由于油层条件的限制，如果保证不了菌种在油层环境下生长，产生的表面活性剂的量就会减少，甚至不能产生。如果改为地面发酵，只要筛选到能够产生提高石油采收率的生物表面活性剂的菌种，找到合适的生产条件，就可以获得生物表面活性剂用于石油开采。

③生成的生物表面活性剂的微生物驱和化学驱结合是一项带有方向性的技术。这些技术基于某些微生物可以利用原油产生羧酸，中和油水界面的碱，这样可以在油一水一岩石界面形成活性物质，导致油水相界面张力的降低。原油中酸含量的增加将加大碱驱的中和能力，从而可以提高化学驱的结果。反之，有些微生物产生生物表面活性剂，则可以进一步降低界面张力和化学剂的用量。已有这方面研究的报道。D.B.Evanas和A.K.StepP等人初步做了这方面的工作，证明了其可行性。他们测定了几组微生物处理过和未处理的原油和碱一表面活性剂的混合物的界面张力。发现微生物作用后，原油的酸值比对照样品有略微的增加，和碱一表面活性剂的二元体系的界面张力却比对照样品降低1至2个数量级。同时为了评价微生物氧化烃类增强碱驱效果，进行了岩心驱油试验，共做了三组试验，一组单独的化学剂驱，一组是微生物驱，一组是微生物一化学驱，结果微生物一化学驱比其他两组提高的采收率值都高。筛选产酸和产表面活性剂的菌种，利用微生物一化学驱结合的方法可以明显见效，可促进生物表面活性剂在三次采油中的应用，减少矿场试验的投资。

在我国也进行了微生物驱和化学驱(主要是碱驱和表面活性剂驱)的结合应用研究实验。在大庆油田的油层(原油、水质和温度)条件下，进行了假单胞杆菌(Pseudomonas sp.)在含正构烷烃培养基中生成鼠李糖脂(RH)生物表面活性剂提高石油采收率的研究。发现单独的鼠李糖脂使大庆原油的界面张力不能达到10^-3mN／m数量级超低值，在NaOH存在的条件下，油水界面张力只能达到10^-1mN／m；而鼠李糖脂发酵液与含石油磺酸盐PSD-2与B-100及NaOH—NaC0₃碱水复配，有明显的协同作用，与原油的界面张力可达到l0^-3mN／m或10^-4mN／m数量级的超低值。同时在含石油磺酸盐一碱水的体系中，加入鼠李糖脂生物表面活性剂的发酵液之后，可使石油磺酸盐的最大吸附量降低30％，大幅度降低价格昂贵的石油磺酸盐的用量。所选鼠李糖脂一石油磺酸盐一碱的驱油配方也有较高的驱油效果，可提高石油采收率18％以上。另有鼠李糖脂发酵液和0P类非离子表面活性剂复配驱油体系的报道，其配方为0.6％(质量)发酵液+0.4％(体积)OP5+1.0％(质量)NaOH。该体系45℃下与大庆脱气原油的界面张力小于5×10^-2mN／m，驱油实验表明，在水驱原油效率58.65％基础上，可再提高驱油效率l6％。