两种封堵方式

微生物封堵通过注入微生物或激活地层内源微生物，利用微生物菌体自身生长繁殖及代谢过程中产生的气体、生物聚合物和矿物沉淀形成生物膜的作用，调整吸水、注气剖面，达到堵调目的。近年来，科研人员对微生物堵调进行了大量的研究和实验，证明其存在封堵能力。

研究表明，营养物质会优先流向高渗区域，刺激微生物产生封堵作用，从而将流（气）体转移到低渗透区域，因此提高石油采收率。微生物封堵目前有两种方式。

一种是原位微生物封堵。地层中原本就生存着多种有代谢活性的微生物群落，而对于高温高盐油藏来说，外源菌可能不适合地层极端条件，因此最好直接注入营养物质，刺激“本土”微生物生长和代谢来进行微生物原位封堵。由于油藏中有多种代谢活跃的微生物菌群，所以必须考虑营养剂会不会刺激有害菌体活动，而且要避免微生物的酸化和腐蚀作用。

另一种是注入外源菌封堵。如果要利用特定微生物代谢产生的化学品，如生物表面活性剂、多糖等来进行封堵，而储层中并不存在这种活性的功能菌，就需要注入外源菌。这种方式需要注意油藏原有微生物的稳态机制和新注入菌种生长之间的相互影响，同时还要考虑环境条件对新引入生物体的影响。

三种菌体形态

微生物究竟怎么实现封堵？在神秘的微观世界到底发生了什么？在显微镜下，可以看到微生物菌体的三种形态。

一是利用微生物菌体富集达到封堵目的。微生物菌体可看成颗粒，当悬浮在液体中时，就容易进入高渗透带，特别是孢子和超微细菌，在多孔介质中，通过添加营养物质刺激其萌发或复苏，导致原位不断生长从而封堵住孔喉。有一种恶臭假单胞菌，它在饥饿时，细菌细胞体积会减小，这时就可以进入高渗透区了，在适当的位置再给它提供营养，就可以实现选择性堵调。

二是利用微生物诱导矿物沉淀达到封堵目的。微生物诱导矿物沉淀是通过功能菌自身代谢产生的高分子物质及高pH值环境与无机离子相互作用产生矿物晶核，进而外延聚集成高强度矿物沉淀的过程，其中细菌诱导碳酸钙沉淀是最常见的方式。实验表明，利用微生物诱导，孔壁上分散遍布着许多球霰石和方解石晶体，有效地堵塞了孔隙空间。这种微生物介导的碳酸钙具有较高的黏结性和机械强度。此外，一种巴氏杆菌在高碱性或酸性条件下也具有较强的生物活性，并能耐受高盐度，也能实现选择性封堵高渗透储层。

三是利用微生物产聚合物达到封堵目的。菌体在地下通过代谢产生生物聚合物，细胞通过这种胞外聚合物而黏结、聚集成大的生物体，从而堵塞孔隙和喉道。

现场实验有效

目前国外生物封堵研究，主要是将不断发展的生物技术嵌入油田技术研究，对微生物封堵的机理及方式进行深入梳理，以明确其适宜的油藏条件及激活体系，筛选适用于不同条件油藏的功能菌。另外，对拓宽原位微生物封堵应用范围也有研究，尤其是适应高温高盐油藏条件，寻求经济有效的激活剂，达到高效、经济、绿色环保的封堵目的，逐步增强现场应用效果。国外部分油田应用不同的微生物封堵调剖，封堵率最高达80%。

我国在20世纪90年代开始微生物采油技术研究，其中包括微生物堵调技术。大庆、胜利和吉林等油区都已开展了相关的研究和现场实验。目前，业界认为可通过控制实现微生物选择性封堵，而且该项技术具有独特的优势，有望在高含水开发期及防二氧化碳气窜中发挥重要作用。

例如，在单家寺油田单12块进行的内源微生物驱油实验证明，菌体能有效封堵储层孔隙和喉道，封堵率达到80%。在后续水驱中，渗透率基本保持稳定。胜利油田针对水驱油藏微生物诱导矿物沉淀也进行了大量研究，已充分认识其机理并分离出两株适宜中温油藏的功能菌，分别是黄单胞杆菌和产碱功能菌，前者可以产生大分子的胞外多糖，为生物矿物沉淀提供结晶位点，后者具有将蛋白质分解成氨基酸转化为胺类的能力，导致环境呈碱性，二者的适宜温度为50摄氏度。

攻关任重道远

虽然微生物封堵技术具有高效、经济、绿色环保等优点，目前国内已有部分成功的室内实验，但现场实验总体尚处于起步阶段，要将其作为一项成熟技术在现场进行规模化应用，还有许多问题需要解决。

以胜利油田为例，我国大部分油田存在以下问题：一是水驱油藏微生物封堵机制和适应范围还不明确，不同水驱油藏孔喉差异大，不同菌体与孔喉匹配关系及菌体运移和封堵位置不明确，导致水驱油藏微生物封堵技术缺少调控依据；二是水驱油藏微生物诱导矿物沉淀缺少调控方式，研究发现水驱油藏某些微生物具有诱导矿物沉淀封堵高渗带的作用，但如何诱导该类菌体在油藏中进行封堵的调控机制和方式不明确；三是胜利油田二氧化碳驱油藏微生物激活封堵能力不明确，国外成功案例并不适合胜利油田高温二氧化碳驱油藏，其内源微生物种类及激活封堵能力还需要进行探索研究。

油藏原位微生物封堵作用的研究尤为重要。内源微生物是地层中本身存在的“土著”微生物，能很好地适应地层环境，并能在激活剂作用下大量繁殖。利用其在油藏原位生长代谢，可产生矿物沉淀或形成菌体富集封堵，在油藏深部形成堵调，提高驱替效率，其工艺简单成本低，绿色环保，应用前景良好。

胜利油田适合水驱微生物封堵的储量约为5.6亿吨，适合二氧化碳驱微生物封堵的储量约为1.2亿吨，以微生物封堵有效率80%来估算，能够提高采收率5个百分点以上，经济效益可观。目前，胜利油田石油工程技术研究院已立项“油藏微生物原位封堵提高驱替效率研究”展开攻关。

微生物采油漫谈

微生物是一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称，存于世至少30亿年。地球上的化石碳源（石油、天然气、煤）基本上是在微生物作用下，经过碳循环而累积起来的有机物质。石油微生物是指通过连续加富培养技术可分离得到的能利用较为复杂石油组分的微生物。

微生物采油是指利用微生物（主要是细菌）在油藏中的生长代谢活动或其代谢产物提高原油产量和采收率的技术，包括微生物在油层中的生长、繁殖和代谢等生物化学过程，微生物菌体、微生物营养液、微生物代谢产物在油层中的运移，以及相互作用引起的岩石、油、气、水物性的改变。微生物采油施工简单、成本低，已逐渐成为油田开发后期稳油控水、提高采收率的主要技术之一。

该技术具有绿色环保的天然优势。目前，我国主要油田都进入高含水开发后期，为了保持油田的可持续发展，热力驱、化学驱、聚合物驱的作用从某种意义上说已发展到“极致”，接下来就需要微生物来“收场”了。

深埋地下2000多米的油藏中就有大量微生物，它们生命力顽强，可以在地下岩石表面油膜下生长繁殖，占据孔隙空间，迫使原油从岩石表面脱离，从而驱出原油；有的微生物可以吃掉原油，但它们比较挑食，只吃原油中的长链饱和烃，这样原油黏度降低、流动性增强，更容易被开采；微生物的代谢产物对油藏也有间接作用，作用范围广，这主要取决于环境条件（温度、压力、盐度、pH值、氧含量）、维持细胞代谢的营养物，以及与石油相互作用的菌种等因素，这些微生物的代谢产物也丰富多样，包括二氧化碳、甲烷、氢气等气体，表面活性剂，多糖，以及各种非烃化合物。

微生物在代谢过程中产生的气体溶解在原油中，可以降低原油黏度，增加油藏压力，提升原油流动能力。当这些气体以小气泡形式存在时，还可以增加注入水的水流阻力，扩大注入水波及的范围，从而可以驱出更多原油。此外，产甲烷微生物还可以将油藏内部难以开采的残余油转化为易于开采的甲烷气，将甲烷气作为资源进行开采进一步提高采收率，该技术具有开发成本低、绿色环保等特点，已成为油田开发后期一项非常有潜力的提高采收率技术。

就像食用油会粘在盘子上，原油也会吸附在岩石上，在地层中加入“洗洁精”就可以把吸附在岩石上的原油尽可能多地洗下来。微生物就可以产生这种采油用“洗洁精”——生物表面活性剂。微生物产的生物表面活性剂可以降低油水界面张力，同时改变岩石的性质，让岩石变得排斥原油，致使吸附在岩石表面的油膜脱落，从而提高采收率。

早在1926年，美国工程师就提出了生物驱油技术，20世纪40年代，在美国首次进行了现场试验，之后捷克、波兰、匈牙利、罗马尼亚、荷兰、苏联先后开展了研究和实验。公开报道的现场实验呈现3次高峰。第一次主要集中在20世纪五六十年代的东欧和苏联，应用的工艺多为单井吞吐，少数为井组驱油，大部分实验有增油效果；第二次是在20世纪八九十年代的美国，系统研究也是此时开始，主要涉及油藏适应范围、耐高温菌的分离、微生物采油功能评价，以及不同微生物的生长、运动和运移规律等研究，同时开展了微生物防蜡、单井吞吐和微生物驱油现场实验；第三次就是在20世纪90年代以后的中国。

经过几十年的攻关研究，我国微生物采油技术有了长足发展，已拓展应用到勘探、环保、防腐、水处理等更多领域，多项技术达到世界一流水平。

目前，我国石油微生物技术发展迅猛，已形成包括微生物单井处理、微生物驱油、空气辅助微生物驱油、内源微生物驱油、油田采出水生化处理、采出水资源化利用等一系列成熟的技术体系。相关技术在胜利油田15个区块实施，年增油15万吨以上，“十四五”末将实现年增油30万吨。

“973”梦想

在胜利油田石油工程技术研究院微生物所的办公楼前，经常停放着一辆牌号尾数是“973”的车。“973”曾经代表国家最高级别科研项目“国家重点基础研究发展计划”，这三个数字可以娓娓道出一个科研工作者的梦想。

车的主人是胜利油田首席专家汪卫东，他是石油微生物技术领域专家和胜利油田石油微生物技术研究的领军人物。自购置新车挂上“973”的牌照后，他干事创业的激情更加强烈了。

1993年，非石油专业硕士毕业的汪卫东加入只有3人的微生物课题组，他从石油基本教材学起，一直到大学教材，记下十几本几十万字的学习笔记，翻译70万字的外文资料，终于从一个“石油门外汉”入门。

1995年，胜利油田立项开始微生物采油的早期研究。

1996年，汪卫东拿出第一批菌种，随后建成实验室并开始生产自己的菌种，到1997年，单井吞吐实验实现年处理200口井，微生物采油的单井吞吐技术日趋成熟。

2001年，微生物水处理技术在孤岛采油厂工业化应用，总体技术达到国际先进水平，填补了国内空白。

2016年，胜利油田成立石油微生物创新工作室，建立了目前国内石油石化系统最大的菌种库，已形成微生物驱油、微生物吞吐、生化水处理等系列主导技术，在胜利油田15个区块展开规模化应用，年增油突破20万吨。

2021年底，石油微生物技术团队又获重大成果：首次发现可以改写教材的独立产甲烷古菌。新发现揭示了一条古菌产生甲烷的全新途径，绕过了所有传统代谢步骤，从烃降解到产生甲烷，甲烷生产时间从200多天缩短到60天。该研究成果刊发于《Nature》杂志，为微生物气化技术工业化应用奠定了科学基础，有望让“点油成气”成真，拯救许多面临枯竭的老油田。

我国适用微生物技术的地质储量约110亿吨。2022年，国家重点研发计划“油田采油生物制剂研发及应用”项目正式获批立项，这是国家绿色生物制造领域首次在国内油田的应用。国家重点研发计划正是由原来的国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家高技术研究发展计划（863计划）等整合而成，汪卫东和团队成员的“973”梦想终于实现了！

链接

油田开发相关微生物技术

▶微生物清防蜡技术：

定期将经筛选的微生物加入油井，可阻止蜡的沉淀和析出，起到清防蜡作用，同时也抑制其他有害菌而起到防腐作用，延长油井有效生产时间。

▶微生物单井吞吐技术：

将经筛选的微生物菌液挤入油井的近井油层地带，通过微生物的代谢作用和代谢产物的作用，产生表面活性剂，清除近井地带的有机阻塞，改善原油流动性，减轻蜡堵并提高泵效，延长油井免修期，同时，微生物产生的有机酸可清除近井油层的结垢，提高油层渗透性，从而提高油井产量。

▶微生物驱油技术：

筛选适合油藏环境的微生物菌种，可产生表面活性物质和生物气等有利于提高采收率的代谢产物，注入油藏后微生物在油藏内部生长、代谢和繁殖，对残余油发生作用，提高水驱洗油效率，从而提高采收率。

▶空气辅助微生物驱油技术：

在注入菌液和营养液的同时注入少量空气，在近井地带形成好氧环境，快速激活好氧微生物，建立生物场，而当氧气耗尽时，好氧微生物的代谢产物又可作为厌氧微生物的代谢底物，从而整体提高微生物对营养的利用水平、生长速度及增强驱油效果。

▶微生物堵调技术：

利用产生胞外多糖生物聚合物的微生物，在油藏高渗带生长繁殖形成生物团，可实现选择性、深部堵调作用，扩大水驱波及体积，进而提高采收率。

▶微生物勘探技术：

任何油气藏都存在不同程度的渗漏。当油气藏中的轻烃挥发到地表土壤，会引起土壤中的某些特殊微生物数量发生变化，如烃类利用菌数量会增加。因此，通过检测土壤中这些特殊微生物的数量，可预测地下油气藏的分布。

▶微生物防腐技术：

利用特殊微生物形成生存竞争，抑制引起腐蚀的有害菌生长繁殖，其优势在于不使用杀菌剂，减少对环境的危害，同时处理效果好。

▶微生物水处理技术：

利用微生物的生物化学作用，将水中可溶性复杂有机物及氨化合物等分解为简单物质，再经过澄清，去除悬浮物，达到将有毒物质转化为无毒物质的目的，使采出水得到净化。从过程形式上可分为：污泥法、生物过滤法和氧化塘法。

▶微生物控制硫酸盐还原菌技术：

硫酸盐还原菌（简称SRB）是工业生产过程中常见的有害菌，主要危害是引起生物腐蚀。新研究指出，通过生物竞争作用可抑制硫酸盐还原菌活性及控制硫酸盐还原菌代谢产物。