在提高石油采收率的三次采油技術中，除了上節所述的幾種方法以外，還有一種研究、采用較晚，但前景頗為看好的技術，就是微生物提高石油采收率技術。微生物在石油開采中，要使用通過代謝生成的生物表面活性劑，從而提高石油采收率。因此，可以在某.種程度上認為是生物表面活性劑提高了石油采收率。生物表面活性劑在其中的作用非常重要，通過篩選合適的采油微生物和改變生長條件，可以產生各種生物表面活性劑，以滿足不同原油和不同地質條件的要求。生物表面活性劑在石油開采中的應用已擴展到成片油田。對地面法和地下法都進行了多年的研究，并取得了很好的成果。

(1)生物表面活性劑應用歷史及發展現狀在提高石油采收率研究過程中，利用微生物及其代謝產物并不是什么新設想。早在1895年，Miyoshi最早記載了微生物作用于烴類的現象，1926年Bastin等人證實了在油層水中存在硫酸鹽還原菌等生理菌群的現象。同年Bakcmann報道了關于細菌對石油的作用，他提出在石油開采中可利用細菌中的酶，首次提出細菌采油的設想。他認為世界石油供應有限，但公認油井停止自噴后地下仍留下很大百分率的油?；蛟S是由于黏性油對沙子的摩阻太大而阻止繼續流動，那么有否可能，用接種產酶的培養介質去接觸剩油，所產酶能否改變原油.黏度和相對密度而引起重新流動?自1926年以來，掌握了關于殘余油以及有關微生物方面的許多資料，但Backmann的基本想法仍然可行。他還建議處理瀝青和煤時，利用微生物活動破除油／水乳化。只是由于種種原因，未能進行實質上的研究。

關于微生物在石油開采中應用的第一個重大的研究工作，是美國Zobell在20世紀40年代進行的。這個工作與美國石油研究所的研究項目《關于細菌在石油成因中的作用》有關。l943年，Zobell第一個發現厭氧的、利用烴的硫酸鹽還原菌能從砂礫中釋放出石油，并首先申請了把細菌直接注入地下提高石油采收率的專利。1946年他提出一項專利，是關于含油層利用硫酸鹽還原菌處理，引起油層中化學變化和物理變化，從而提高原油產量的。在研究硫酸鹽還原菌從砂礫中釋放原油機理時，他就提出微生物產生的生物表面活性劑是細菌驅油的主要機理之一。

1946年，Zobell提出了一套用厭氧硫酸鹽還原菌進行二次采油的現場實施方案，次年，Back進行了首次工業試驗，又利用其他類型細菌進行了提高原油采收率的研究。1953年，Zobell提出了第二個專利，擴大了適用石油釋放的細菌范圍。Zobell(1947a,b,c)研究通過細菌作用從砂中釋放原油的微生物，得出的結論是：有關細菌從含油層中提高采油量的實際應用，可以說都是有希望進一步研究的領域。此后他又進行了多方面研究，奠定了細菌采油的基礎。

Zobell的先導型工作對以后微生物用于石油開采的發展產生了巨大的影響。阿普得格拉夫(Updegraff)、希茨曼(Hitaman)和前蘇聯的庫茲涅佐夫(Kuznetsov)等人，對硫酸還原菌、產芽孢細菌以及油層內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)和維恩(Wern)在1953年提出一項專利，將糖蜜加入油層中用作硫酸鹽還原菌生長底物。其他一些研究者積極地繼續進行硫酸鹽還原菌用于提高原油采收率的研究。1954年美國在阿肯色州的聯合(Union)縣、莫比爾(Mobil)油田，成功地進行了一次利用細菌大規模地下發酵提高石油采收率的實驗。這是一次有文字記載以來當時最好的試驗之一。所用的微生物是丙酮丁醇梭狀芽孢桿菌，是在油層內用2％的甜菜糖蜜溶液培養的。處理后，石油產量增加了250％。l957年，捷克斯洛伐克的多斯塔列克(Dostalek)和斯普末(Spumy)把脫硫弧菌(Desulf0-vibrio)和假單胞菌連同糖蜜一起注入油層，原油產量得以提高。他們認為，可能是細菌產生的表面活性物質，改變了巖石一油一水三相系統的界面張力所致。

20世紀50年代，前蘇聯、波蘭、羅馬尼亞、捷克斯洛伐克、匈牙利等國家進行了大量的現場應用試驗，而美國等主要集中進行室內研究。正是由美國的C.E.Zobell和D.Voplegraff，前蘇聯的S.I.Kuznetsov和L.D.Shturn，捷克斯洛伐克的M.Dostalek和M.Spuruy，波蘭的J.Karaskiewicz，匈牙利的I.Jarnyi和M.Dienes，羅馬尼亞的l.Lazar等學者早期開展的國際范圍的室內研究和礦場試驗開拓性工作，奠定了細菌采油的基礎。

自20世紀40年代開展研究以來，已有許多關于微生物提高原油采收率的專利和論文。但是，引起人們注意的是在20世紀60年代中的報道。當時，原油充裕，油價太低，以致不能說明任何一種三次采油方法使用是合算的。大多數石油微生物學家研究其他一些項目。但是，到了20世紀的70年代，情況起了變化，阿拉伯國家對西方實行了石油禁運，導致油價上漲。能源短缺再次證實了人類面臨的能源危機。地下剩余原油量有限，在已知油田中，留在地下的油比新發現的多。隨著油價的上漲，三次采油方法就較現實了，而發展這些方法的活動也增加了，這重新引起人們對微生物用于油層內提高采收率潛力的興趣，美國首先進行了一系列的研究工作。設在俄克拉荷馬州Bartlesville的美國能源部能源研究中心，以支持大學的研究項目方式，開始從事分離和篩選能提高原油采收率的細菌、生物表面活性劑在提高原油采收率方法中的應用，利用生物表面活性劑降低原油黏度的方法，細菌在多孔介質中的運移規律等課題的研究，大大強化了微生物采油的前進步伐。l975年，在美國首先召開了“微生物在石油開采中的作用研討會”。l982年，在俄克拉荷馬州的埃弗頓召開了有34個國家的科學家和工程技術人員參加的“世界微生物采油會議”，系統地交流了多年來的研究成果，并決定以后每兩年召開一次國際會議。同時決定，l986年創辦《世界微生物采油雜志》。此后，又相繼出版了專著和發表了大量論文，有力地促進了該項技術的發展。l986年4月，在得克薩斯州召開了第三次國際微生物采油會議，詳細討論了將細菌注入地下的條件，評價了微生物采油的應用效果和前景，推動了礦場應用的研究。前蘇聯科學家庫茲涅佐夫(Kuznetsov)、伊萬諾夫(Ivanov)、別盧阿耶夫(Belyaev)等，在微生物提高原油采收率領域中也作出了重要貢獻。

20世紀70年代后，石油工業開始發展，微生物對石油的乳化機制引起關注。對提取的生物表面活性劑集中于結構、性能、生物合成及調控的研究。1978年，Zajie和Panbehal綜述了微生物乳化劑的來源及特性，預測了它們的應用潛力。1980年，Cooper和Zajie評述了生物表面活性劑的化學特性。l984年Zajie和Seffens闡述了生物表面活性劑的理化性能。最近幾年，國內外研究微生物采油的大學越來越多，許多石油公司的實驗室也在進行微生物采油技術的研究和開發，取得了許多可喜的研究成果。l977～1982年，美國Pertrogen石油公司用微生物處理了24口井。其中18口井壓力增加了0.7～1.4MPa，有4口井雙倍增產長達半年；12口井增產50％達3個月；有5口井生產水平在短期內增加了6倍；所有的試驗井增產42％以上。l987年，美國某生物工程公司在俄克拉荷馬州的Detaware Childers油田4口注水井口，注入微生物進行區塊試驗，結果表明，整個地區的原油增產幅度為l3％。A·A·Matz等人報道，他們在不同地區油田的七個試驗區進行了MEOR試驗，結果增產原油7萬噸。

盡管大多數科學家當時認為，微生物提高原油采收率方面的應用處于早期開發階段，但已做過許多油田試驗。Hitzman的文獻中，對所有油田試驗的結果進行了綜述(表1)。已報道的油田試驗超過200個，大多數是在美國進行的。而事實上，這些均是用“吞吐法”處理的枯竭井。

表1各國用微生物處理的油井數(Hitzman.1983)

20世紀80年代末90年代初。隨著生物工程和信息技術等高科技在世界范圍內的迅速發展，加之人們對MEOR技術認識的深化，美國、加拿大、英國、澳大利亞、俄羅斯、波蘭、羅馬尼亞等國，在MEOR室內研究及礦場試驗方面取得了令人矚目的成果。其中，以美國國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，美國正式把微生物采油列為傳統的熱驅、化學驅、氣驅之后的第四類提高石油采收率的方法。這表明繼前三’類傳統提高采收率方法之后，微生物驅已成為油田現場工業性應用的新方法。微生物采油技術在美國、前蘇聯的大規模礦場應用，標志著工業性應用階段的到來。據第十三屆世界石油大會報道，1990年前蘇聯的微生物采油產量為3.18m³／d，而美國l992年的微生物采油產量3.18m³／d。據美國Micr0-BAC國際有限公司報道，全世界估計有2500～3000口油井用采油微生物產品處理過，大約50％的油井增加了采油量。

近數十年來，微生物采油取得了令人矚目的進展，研究內容不斷加深。研究領域不斷拓寬。目前，已從室內研究走向礦場試驗井并進行了現場應用，取得了良好的效果。微生物采油應用技術在日臻完善之中，但微生物驅油機理方面的研究仍有待進一步加強和深入。

我國地下微生物及生物表面活性劑采油技術的研究和開發應用較晚。國內于l955年才開始微生物勘探石油的研究。20世紀60年代中期，研究細菌代謝多聚糖類增稠劑，典型菌株為元-A-144的假單胞桿菌，20世紀70年代，主要開展生物表面活性劑方面的研究，篩選到了兩株菌48105g和4-13。“七五”期間，微生物三次采油被列為國家科技攻關項目，主要內容有：

①微生物地下發酵提高石油采收率研究；

②生物表面活性劑的研究；

③生物聚合物提高采收率的研究；

④注水油層微生物活動規律及其控制的研究。

其間，在大慶油田東6J-22井進行了吞吐試驗，研制出了槐糖脂、鼠李糖脂、海藻糖脂、多糖脂等4種糖脂型生物表面活性劑體系。分離篩選出黃原膠生產菌種，其增黏性、耐溫性、抗鹽性和驅油效率等性能良好；研究了注水油層微生物在油層特定條件下生長發育的規律。

    20世紀80年代后期，中科院北京微生物研究所與大慶油田合作，開展了微生物吞吐試驗并取得了明顯效果。20世紀90年代初，吉林油田和中科院北京微生物研究所合作，進行了35口井吞吐試驗，增油360t。1994年，南開大學進行采油微生物的研究，從菌種中篩選與評價，建立起采油微生物篩選模型，并著手建立采油微生物菌種庫。其研制的采油微生物產品，在大港油田驅油試驗中取得顯著增油效果。大慶油田篩選的野油菜黃單胞菌、地衣芽孢桿菌、銅綠色假單胞菌等，在低產油區進行微生物驅油現場試驗，兩年每口油井增油480t。并系統研究了單一生物表面活性劑、混合生物表面活性劑以及生物表面活性劑與化學合成表面活性劑復配體系。實驗表明，單一生物表面活性劑可使原油界面張力降為0.4～0.6mN／m,海藻糖脂一堿二元體系可使原油界面張力降為0.3mN／m；海藻糖脂與石油磺酸鹽的復配體系呈明顯韻協同作用，低酸值的大慶原油界面張力達到0.006mN／m。用該體系驅油可提高殘余油采油率l5％，顯示了良好的應用前景。

在MEOR技術方面，美國BCA公司、NPC公司于1993～1994年，在我國華北、新疆、大港、遼河、勝利等油田推廣使用微生物采油技術，先后對50余口井進行試驗，取得良好的效果。其中，在勝利油田進行了17口井的試驗，共增產石油1700t。

近年來，我國MEOR技術研究方面取得令人矚目的成果。中科院微生物所，山東大學對采油微生物開展了大量研究，并進行了現場應用試驗，中科院有機所對生物表面活性劑驅油進行了攻關。上海有機所的科技人員進行了關于生物表面活性劑應用于提高石油采收率的研究。他們是通過菌種選育，篩選出兩株高效產生BS的菌株。在實驗室空氣提升式發酵缸及小型公式發酵缸中，對生物表面活性劑槐糖脂和鼠李糖脂的發酵生產工藝進行了試驗。最終使槐糖脂的產率達到809g／L，鼠李糖脂達到20g／L。并分別測定了這兩種BS及鼠李糖脂發酵液的成分。在實驗室研究成功的基礎上，上海有機化學研究所的科研人員將以上技術提供給大慶油田，以進行篩選，配方和現場試驗。經大慶油田的研究部門進行復配和驅油試驗，這兩種糖類BS實驗室巖心驅油效果較好，可提高石油采收率15％。顯示了鼠李糖脂等生物表面活性劑在三次采油中的應用和良好的工業應用前景。在此期間，國內油田MEOR應用技術也已進入到工業化應用階段。大慶、勝利、大港、中原等油田，大慶石油學院的科研機構都已制定了攻關項目，并正在密切合作付諸實施。大港油田建立了微生物菌液廠，并率先進行了區塊的微生物驅礦場先導試驗。目前，遼河油田、勝利油田、新疆油田也在開展MEOR的室內研究和應用研究。

(2)生物表面活性劑提高石油采收率的方法將生物表面活性劑應用于MEOR有兩種能被采用的方法，一種是利用微生物生產的生物制品(如生物聚合物和生物表面活性劑)作為油田化學品進行驅油，即地面法MEOR，目前這類技術在國外已趨于成熟；另一種是利用微生物及其代謝產物(主要是利用微生物地下發酵和利用油層固有微生物的活動)提高石油采收率。

①地面法MEOR(Extra Situm MEOR)  在地面上建立發酵反應釜，為微生物提供必須營養物，通過微生物的代謝作用，生物表面活性劑用生化法在地面培養產生，即進行地面發酵。向地下注入微生物代謝產物生物表面活性劑等生物產品，生產場所與注入井位置無關，視需要與可能而定。生物表面活性劑經生產、分離和純化以后，以和水驅一樣的常規手段將其注入油層，這就是地面法MEOR。這種方法的優點是發酵在地面進行，微生物生長和代謝活動可不受地層條件的影響，只要選擇產生生物表面活性劑能力強的菌種和合適的生產條件，就可以得到驅油用的生物表面活性劑，完全不用考慮地層條件對微生物生長、生物表面活性劑積累的影響，成功的可能性相當大，國內外不乏成功的例子。

德國的F.Wagner實驗室將生產的生物表面活性劑海藻糖脂以50mg／L的濃度在北海油田進行驅油試驗，石油采收率提高了30％，比一般的化學合成的表面活性劑驅油效果提高了5倍，該實驗室還申請了多項專利。美國俄克拉荷馬大學將地面法MEOR注入生物表面活性劑，與注入微生物細菌Lieheniformis JF-2(美國專利號4522261)進行了提高原油采收率的對比，發現兩種方法都能得到良好的效果。

我國大慶油田的研究人員也進行了這方面的工作，取得了很好的效果。用海藻糖脂生物表面活性劑與其他化學合成表面活性劑(如烷基苯磺酸鹽類)復配進行了驅油試驗，可大大降低三元復合驅中表面活性劑的用量，經篩選的配方可使油水界面張力達到10-3mN／m數量級，礦場試驗采收率比水驅提高20％。在這種方法中，如果要想得到較純凈的生物表面活性劑，不往地層中注入微生物的培養基及其他代謝產物，則生物表面活性劑的生產成本就會比化學合成的表面活性劑高得多。經過篩選的微生物在烴或糖類基質中生長，生產生物表面活性劑，這需要高技術體系，需要輸入相當大的能量和動力進行攪拌和通氣。當然更多的費用用于生物表面活性劑產品的分離和濃縮。

②地下法MEOR(In Situ MEOR)  把油層作為巨大的生物反應器，利用分子生物學技術，將經篩選的配伍性較好的、濃度相對較低的、能產生生物表面活性劑的采油微生物菌株注入到地下油層中，同時注入能維持微生物生長、繁殖和代謝的合適的基質及培養基營養液和生物催化劑，促使其在地下油層中流動，利用微生物及其在層內細胞一油界面上的代謝產物生物表面活性劑(主要利用微生物地下發酵和油層里固有微生物的活動)，采收油層中滯留的原油，提高石油采收率。這種使有代謝活力的細胞滲入油層，產生生物表面活性劑用于采油的方法，稱為地下法MEOR。目前，地下法MEOR有兩種工藝：一種是將微生物及相關營養物質由注水系統注入地層；另一種是通過分析地層中的微生物群落結構，向地層中注入一定組成的營養物質，激活地下某些微生物，使其生長繁殖，發揮驅油作用，即內源(本源)微生物驅油技術。

將上述微生物、基質、培養液從單口井高壓泵入油層，關井數日或數周，以完成微生物在油層的培養，注入微生物遷移到井周圍約lOm的儲油層生長繁殖，并產生包括生物表面活性劑在內的各種代謝產物。生物表面活性劑溶解原油中的蠟質，清除孔隙堵塞、增加原油流動性，提高產量。近30年來開展的現場應用有以下幾類：

a.單井吞吐法采油  為提高低產油井產量，在油井高壓注入采油微生物、關井，使微生物運移到油井周圍的儲油巖層，經微生物的生命活動，疏通被堵塞的油層孔隙通道，增加原油的流動性，提高原油采收率。開井后，采油微生物可被反排出來，故稱“吞吐”法。為保持高產，需要不問斷地周期注入采油微生物。

b.微生物驅油  采油微生物從注水井注入油層，運移到儲油層深部，隨注水向油井移動，微生物生長繁殖，并產生生物表面活性劑及多種代謝產物。生物表面活性劑和代謝產物綜合作用于原油，降低黏度，增加原油流動性，提高原油采收率。

c.激活油藏微生物群落驅油  油藏中存在著天然微生物，由于營養物質貧乏使之數量很少。從注水井將營養液注入油層，激活天然微生物，讓其生長繁殖，產生生物表面活性劑及多種代謝產物用于驅油。

d.微生物選擇性封堵  將形體較大的微生物菌種從注水井注入，運移到大孔道儲油巖層部位，用生長繁殖的細胞和表面黏稠物質形成的生物膜封堵大孔道，防止注入水“指狀”流動，提高原油采收率。

e.微生物壓裂液壓裂  將在厭氧條件下產生有機酸的微生物及營養物，注入孔隙度甚小、滲透率較低的儲油層，在高壓下用有機酸溶解巖層形成縫隙，使原油流動，提高原油采收率。

f.微生物油井清蠟原油中含蠟量較高，會析出蠟晶固著在井壁，堵塞孔隙通道，降低原油流動性，降低原油產量。注入產生生物表面活性劑的采油微生物，用生物表面活性劑、生物乳化劑清洗井壁，溶解固形石蠟，提高原油采收率。

利用微生物地下發酵提高石油采收率，是微生物和三次采油中投資成本最低、效果最好、工藝最簡單、適用范圍較廣的方法之一，甚至可以用于高鹽度、高溫、高壓的石油儲層。這是微生物采油發展的方向，見圖1。

圖1在油層中就地生長的細菌的代謝物驅替原油示意圖

用微生物在地下油一水界面上連續產生表面活性劑，有利于提高石油采收率。微生物在地下生產生物表面活性劑的速度很快，生產量足以彌補由于吸附造成的損失，吸附損耗將不成為問題。由于在地下法MEOR中，生物表面活性劑是在其最大效力的地方產生，因而其用量會比化學法的需有量要少。如果能探索出合適的條件，則微生物在被注入地下一段時間后，在離注入井很遠地方也能產生生物表面活性劑。因此，地下法MEOR是將選定的微生物注入油層，促使其生長。由于微生物的存在和活性，將使原油產量增加。

原則上說，油田都有不同的規模、深度、油藏地質條件和原油類型。從技術角度出發，油田主要分為兩類：一類是海上油田，它們一般是規模大、井深、高溫的高產油田；另一類是陸地油田，它們常常是規模小、井淺、低溫的低產油井。淺層陸地油田的產油歷史已有一個世紀了，而象北海及阿拉斯加這樣的深層高溫油田，開采歷史較短，但現在就得考慮應用三次采油技術。到目前為止，地下法MEOR都只在小而淺的陸地油井中進行試驗。之所以如此，顯然并不是因為此類油田具有化學穩定條件和微生物代謝的條件。主要是萬一試驗不成功，所承擔的風險較小。從一個幾近水淹的油田中，如果真能采收更多的油，這意味著油田采收率大幅度增加。.即使試驗失敗，采收率不是增加而是降低，也不會使這種油田的預期產油期縮短很多，因為它已接近枯竭。

一些作者綜述了地下法MEOR現場采油的實驗。這樣的試驗已在美國、捷克斯洛伐克、羅馬尼亞、前蘇聯、匈牙利和波蘭等國進行。Hitaman編纂了1954年以來，美國、前蘇聯和東歐由地下法MEOR處理的200多座油井的數據。這些油井原來一般產量為每日l59～318dm3(1～2桶)原油。在其綜述中，除列出了大量數據外，還記錄了總的變化情況。Lazar綜述了1971年以來羅馬尼亞進行的地下法MEoR試驗。他認為只有當地層的物理、化學條件和注入菌種及營養培養基的生物性質使得油層象一個大發酵罐一樣，現場試驗才能認為獲得成功。他列出了厭氧菌，主要是嗜溫菌處理油藏的基本參數；滲透率大于300mDarcy；溫度50～55℃，pH接近中性；驅替水中可溶性固體適量。目前，成功的微生物礦場試驗都是采用能產生生物表面活性劑的菌種。1986年，NIPER公司在美國俄克拉荷馬州Delaware-Childers油田進行了微生物強化水驅試驗。試驗進行一年后，在20英畝。試驗區里，原油增產13％。l990年6月到l995年5月，在同一地層進行了更大規模的試驗，380英畝。產油區一共處理l90口油井，原油產量增加19.6％。

有增產效果的一個實例是美國L.Jack Gross&Alatar公司在得克薩斯州的Burnett J礦區所做的現場試驗。Burneet J礦區有3口井，過去一直有種等到嚴重程度的結蠟，需起出抽油桿，用蒸汽清蠟。處理前，該礦區原油日產量為0.05m³。處理后，原油日產量增至0.25m³。氣和水的日產量保持不變，分別為36.8×104 m³和1.27m³。處理程序是先注入75.7L的煤油作為預沖洗液，隨后注入RAM生物化學公司生產的Welprep 5微生物處理劑，然后注入7.57L的鹽水(礦產水)。關井48～96h之后恢復生產。

美國Attamont-Bluebell油田于1988年3月進行了微生物清蠟和重油降黏的現場試驗。用微生物處理后，原油密度由原來的0.8280降至0.8160；原油的黏度(38℃時)由25mPa·s降至15mPa·S；傾點由36.7℃降至27℃；初始沸點由91℃降至47.8℃；殘渣(蠟)由60％降至48％；輕質油采收率則由40％提升到52％。

J.E.ZAJIC實驗室在美國科羅拉多州Denver市郊l5口井的油田中，注入一種能產生表面活性劑和二氧化碳的微生物。微生物在油層中生長、發育，結果日產量由原來的2.4m³增至7.2m³。

表2是微生物礦場試驗成功的例子

表2國外的微生物采油技術礦場試驗

地衣桿菌JF-2是現在研究最多的產生生物表面活性劑的菌種。Oklahoma大學Marah等人模擬地層條件證明了微生物產生生物表面活性劑對提高采收率的重要性，選擇了產生生物表面活性劑的乙酰丁醇梭狀芽飽桿菌和JF-2。機理模擬實驗表明：梭狀芽孢桿菌的發酵液產生的氣體，不足以開發殘余油；變種的不能產生生物表面活性劑的JF-2菌種，不能提高殘余油的采收率。這證明了生物表面活性劑的產生是微生物提高石油采收率的重要機理。試驗的乙酰丁醇梭狀芽孢桿菌和JF-2在模擬地層條件下提高采收率21％和23％。得克薩斯大學的Linse用地衣桿菌JF-2這種很有效的產生生物表面活性劑的菌種，系統地調查了環境參數(溫度、pH、NaCl)對生物表面活性劑的產生、代謝產物和地衣桿菌生長的影響，部分提純的生物表面活性劑有很高的界面活性，界面張力達到0.016mN／m。在5％NaCl，45℃，pH=7的條件下獲得了最佳的代謝產物。

1981年美國因利用微生物技術多產原油2000萬桶。價值達6億美元。

大慶油田東6-J22井和東5-J18井采用假單胞菌、野油菜黃單胞菌、地衣芽孢桿菌等菌種配伍后，單井注入關井。關井后井口壓力升高，表明注入微生物在油層中發生了代謝過程，產生了氣體，.提高了油層的壓力。開井生產后，產出液中除了有較多注入微生物、有機酸外，產出液油水界面張力降低，表明產生了生物表面活性劑。

由先導性試驗油田帶動，在新疆、大港、勝利、冀東、遼河、江漢等油田也開展了地下法MEOR采油技術的推廣應用。礦場試驗由單井向區塊整體發展；由淺層向中深層發展；由高滲井向中滲深井發展；由低溫井向高溫井(102℃)發展；由低含水井向高含水井發展(最高含水80％)；由原油正構烷烴中長鏈向特長鏈(C₆₀)發展；由原油含較高揮發成分向含較低揮發成分(5％)發展。含蠟量最高51.4％，瀝青質、膠質含量最高31.6％，試驗井原油黏度多在9.33～9.87mPa·s，凝固點46～47℃以上，試驗都得到了良好的結果。

我們已初步介紹了地下法和地面法這兩種MEOR技術。在它們相互之間進行比較，上述這兩種方法各具有優缺點。下面討論這兩種方法的利弊及應用時可能遇到的問題。

為了比較上述兩種方法的利弊，必須較為詳細地討論兩種技術在應用時遇到的問題。這兩種方法都基于同一原理，即降低儲油層中油一水界面張力。不同之處在于將生物表面活性劑引主儲油層的方式。地下法是在儲油巖層中就地生產所需要的生物表面活性劑，而地面法則將地面工廠已經生產出來的生物表面活性劑配成溶液注入地下。

從理論上看，地下法似乎相當簡單，但在實際應用時會遇到一系列問題。該法需要將選好的菌種注入多孔巖層，使微生物在那里盡快生長，以產生足夠多的生物表面活性劑提高石油采收率。從微生物學觀點來看，油層可以認為是一個極端環境。油層的環境條件可能會對微生物的生物活性起限制作用。儲油層中限制微生物活性的環境因素可歸納為①物理因素：溫度、壓力；②化學因素：pH值、鹽濃度、重金屬；③生物學因素：與內生群體生存競爭、基質來源和需求，厭氧條件。

地下法MEOR和地面法MEOR對生物表面活性劑生產速率的要求不同。地下法MEOR要求生物表面活性劑的生產速率較高，否則，掃過油層的水將帶走生產菌。如果生物表面活性劑的生產速率太低，在界面張力顯著降低之前，生物表面活性劑就會由于擴散作用或地下水驅動或生物降解而流失。經濟性是考察任何一種方法可行性的重要指標。與其他方法相比，地下法MEOR的一大優點是成本低，它不需要復雜的設備和昂貴的原材料?；驹O備是總容量為5000L的幾個橡皮袋、浸液加熱器和注入泵。這些設備在其他注入場地也可以使用。因此，進行地下法MEOR的惟一重要的運行成本是基質(糖蜜、糖)，電力、勞力和后勤費用。這項預算不包括可能需要重新鋪設管線和鉆注入井的費用。

地面法MEOR較復雜，因而費用也更高。需要在地面工廠中用各種基質如酵母、糖類或烴類等，以好氣菌連續或間歇生產生物表面活性劑。然后通過加熱，調節pH值，用有機溶劑將生物表面活性劑從微生物細胞中分離出來。蒸發除去溶劑后，再將生物表面活性劑溶于水中，注入油層。這種生產方法需要大量投資和耗用大量能源，運行成本也高。

與地面設備的情況相比，儲油層的條件更為苛刻，更難于控制，因而采用地下法還會遇到許多地面法中沒有的問題。由于油層水中缺少游離氧，所以引入地下的微生物應該是厭氧菌。因為很難把握注入井內的條件，也很難保證操作過程絕對缺氧，所以，用兼性厭氧菌可能比專性厭氧菌更為合適。在大多數情況下，還需要向油層中注入較易得到的碳源，還需要加入氮源和磷源。注入的基質必須不含顆粒物，以防堵塞注入部位。還要求其易溶于油層水，經濟合理。同時，在注入部位必須有較長的適用期，以防備注入過程中由于意外的技術問題造成時間上的拖延。從后勤角度考慮，基質應該是高濃縮形式，最好是固體形式，便于輸送。另外，基質還應與油層水相容并對孔壁吸附很少。用于地下法或地面法的注入流體的物理性質完全不同。地面法只注人流體，而地下法需要注入固體(即細菌細胞)懸浮液，這可能會使注入井堵塞。

總的來說，地下法MEOR和地面法MEOR各有所長，但現在的發展趨勢是研究和使用地下法。

(3)作用機理微生物在地下油層中產生的代謝產物范圍是相當寬的。這取決于環境條件(壓力、溫度、鹽度、pH值和氧的存在)、維持細胞代謝的營養物(氮、磷等)與石油相互作用的特種細菌?？偟膩碚f，代謝產物可以是氣體(甲烷、氫、二氧化碳、硫化氫、氮氣)、羧酸(甲酸、乙酸、戊酸)、溶劑(醇類、醛類、酮類)、聚合物(蛋白質類、多糖類)、生物表面活性劑以及其他許多從單體到十分復雜的大分子的化合物。就石油來說，進行微生物及其產物的研究是為了①開發能提高二次采油和三次石油采收率的產物；②通過降低黏度和界面張力使重油流動；③把細胞能注入石油儲集層，在層內就地產生生物產物提高原油采收率；④研究油藏微生物生態學。

微生物產生的生物表面活性劑，是集親水基團和憎水基團于一身的兩親化合物。憎水基團一般為脂肪?；?；而親水基團則有多種形式，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。所以微生物產生的生物表面活性劑以糖脂、磷脂、脂肽居多。

    微生物用于提高石油采收率的機理，經多年研究得出的結果是將分離培養的微生物注入油層，使其在油層中生長、繁殖、代謝，微生物本身及其代謝產物與原油作用，改變油、水、巖石的界面性質，增加原油流動性。從而提高采收率，具體機理是：

①微生物在發酵過程中能產生多種氣體，如甲烷、二氧化碳、氮氣、氫氣等，這些氣體可增加油層壓力，降低原油黏度。

②微生物在地下發酵過程中能產生有機酸類、醇類、酮類等有機溶劑，其中有機酸類能使碳酸鹽地層溶蝕而增加基滲透性。醇類、酮類可降低表面張力和油水界面張力，促進原油乳化。

③微生物在地下發酵過程中能產生生物聚合物，這些生物聚合物能調整注水油層的吸水剖面，控制流速比，改善地層滲透率。

④微生物在地下發酵過程中能產生分解酶，它能裂解重質烴類和石蠟組分。重質烴類裂解后，可以降低原油黏度，從而改善原油在地層中的流動性能。石蠟組分裂解后，可減少石蠟在井口附近的沉積，降低地層原油的流動阻力。

⑤微生物在地下發酵過程中產生生物表面活性劑，它能降低油水界面張力并乳化原油，從而提高石油采收率。微生物可產生多種生物表面活性劑，生物表面活性劑除了能降低油水界面張力和乳化原油以外，還能通過改變油層巖石的濕潤性來改變巖石對原油的相對滲透性。有些生物表面活性劑還能降低重油的黏度，所有這些作用都有利于提高石油采收率。

微生物代謝產物對油層作用如表3所示。

表3微生物代謝產物對油層的作用

我們主要討論生物表面活性劑對提高石油開采率作用的機理。①降低油水界面的界面張力  當生物表面活性劑注入驅替殘余油相時，兩相界面就要向其他孔道延伸。生物表面活性劑溶液與殘余油的滲流過程可分為毛管膠束、增溶、乳化和互溶幾個階段。這幾個階段不是孤立存在，而是相互依賴相互依存的。隨著液流的推進，兩相界面自由能越來越小，界面張力不斷下降，驅替效率必然也越來越高。

生物表面活性劑分子中有親水基團和親油基團，當其達到臨界膠束濃度cmc時，其活性分子便會自發地形成膠束。膠束與增溶是不可分的，生物表面活性劑溶液與相對靜止的殘余油相接觸，其活性分子會自動地遷移到相界面，使界面自由能△G^o_m值變小甚至為負值。其熱力學表達式為：

△G^o_m=△H^o_m一TAS^o_m

活性分子自發地聚結于界面，其親油基團插入油相，親水基團留在水相，形成圓柱形膠束。膠束的內核提供了一個增溶油的環境，油增溶在圓柱形膠束的軸心，從球形膠束到圓柱形膠束的轉變，取決于生物表面活性劑的結構、濃度和物理化學條件等。兩相界面的延伸越來越長，圓柱形膠束的增長是由于毛細管力和驅動力使活性分子不斷向兩相界面補給能量，此能量與界面自由能△G^o_m相結合，并且一直遵守能量最低原則，使圓柱形膠束生長延伸。

生物表面活性劑溶液與殘余油，在孔隙介質滲流過程中的膠束增溶特點，主要表現在兩相界面的變化。而界面變化一方面是由于活性分子受界面自由能的約束；另一方面界面又受液體在毛細管孔道中流速的約束。這兩種約束的總和形成了各種形式的微觀界面結構。我們把水驅后的殘余油相作為相對不動相。所以膠束液流動相在油相中的滲流，可以作為單相液流來研究。根據毛細管滲流定律，單相流體在毛細管中的流速口可以用以下方程表示：

                      

式中，△p為外力差；L為毛細管長；r為毛細管半徑；µ為流動黏度。

由此可見流速主要決定于毛細管半徑r和流動黏度µ。假定流動相的黏度肛是常量，這樣，在同一毛細管中可以認為流速v與孔隙半徑r²成正比關系。

活性分子向界面自由能低的方向聚結，而界面又向流動相流速可大的方向延伸。根據殘余油相在毛細管孔道中的位置不同，而形成上述幾種微觀界面結構。生物表面活性劑進入毛細管孔道后，在遇到多路液流匯集處或張力集中的彎道處，會產生乳化。增溶原油乳狀的膠束繼續向前推進，遇到不動的殘油油相后，形成互溶狀態，產生兩相界面消失的現象。這是因為其兩相界面的自由能最低，其界面張力也就很低，使兩相逐漸產生互溶。

如果殘余油要想穿過極微孔的隧道，那么根據毛細管力方程：

就必須使界面張力d更低。

我們可以看到，隨著界面自由能的下降，界面張力的降低，其驅替殘余油的能力逐步升高。

在水潤濕油層中，大量的剩余油是以獨立液滴和油塊形式存在的。如一個孔隙長0.4mm，兩端曲率分別為R_l=9×10^-3mm和R₂^-4×10^-2 mm的孔隙中殘留的一滴油，水油界面張力δ約為30mN／m，用Laplace方程可求出壓差△p

移動這個油滴，使其通過這個孔隙所需壓差大約是l～3MPa。在實際礦場試驗中，能達到的界限通常為20～30×10^-3MPa。為了得到采收率的大幅度提高，使微生物提高石油采收率的結果有實用意義，生物表面活性劑應具有特殊的性能，能溶于地層水和注入水中，在油水界面具有很高的界面活性，使引入的生物表面活性劑達到低于10^-2mN／m的超低界面能力。在近年來使用的微生物中，產生的生物表面活性劑都可以達到這個目標。低界面張力的生物表面活性劑，在達到臨界膠束濃度時，與地層中的殘余油會產生增溶，乳化及互溶。這樣，就可以較為理想地把油驅出來。

②生物表面活性劑能乳化原油，降低黏度  能同化石油等液態烴的微生物的一個重要性能就是其產生的生物表面活性劑可以使油水乳化?，F在普遍認為，烴類進入細胞內的先決條件是，產生細胞表面結合的或胞外生物表面活性劑。這些生物表面活性劑有助于油在水相中乳化，產生的乳狀液可供細胞與基質相接觸的表面積增大。

生物表面活性劑是一類水溶性很好的表面活性劑，有較強的乳化能力，當加入到井底稠油中時，分子中具有親油基團和親水基團的生物表面活性劑，因其具有很強的表面活性，在油水界面形成定向吸附層，此吸附層可以改變油水分子間相互作用和界面傳質過程。生物表面活性劑在井底稠油中，借助于井底的溫度和壓力的變化，而產生攪拌作用，可使原油一團一團地分散到水中，形成了低黏度的o／w型乳狀液，與原油相比黏度有大幅下降。據報道，當發酵產物與黏度為2500mPa·s的原油以l：1的比率相混合時，混合物的黏度僅在12～46mPa·S之間，黏度的下降必將降低阻力，有利于原油流動，使原油順利開采。由于乳化，孔隙界質滲流速度小，在生物表面活性劑和殘油液流匯集處或彎藍處的張力和匯集力都很小。所以乳狀液珠(一般為0.1～1.0µm)并不穩定，會產生聚并成為小油珠。這些小油珠又會被后面的生物表面活性劑再次增溶。因此，形成增溶一乳化一聚并一再增溶的過程。

當原油通過油藏流向井筒時，高分子量餾分(例如石蠟和瀝青質)從原油中析出，形成在基巖上的沉積物和孔隙通道中的夾雜物。如果采油溫度接近或低于始凝點，這種沉積會變得特別嚴重。有機沉積物的形成能降低滲透率，改變相對滲透率并且限制流體流動或堵塞孔隙通道。把特殊的微生物注入受損害的地層，微生物在地下產生微生物代謝產物。所產生的溶劑能直接溶解烴沉積物。除了使流體通道中的垢顆粒和其他夾雜物流動外，生物表面活性

劑能溶解這類沉積物。當再次開井時，近井地帶被溶解的沉積物與井內流體一起流動，并且隨著液流被清除出井筒。與傳統技術相比，這種方法最大優點是，恢復生產后微生物繼續新陳代謝，并且產生微生物代謝產物，這就會使原油性質發生變化。菌種的代謝作用把長鏈石蠟的鏈縮短，使烴分布發生變化。微生物對原油的直接代謝作用，能夠降低黏度使潤濕性發生變化，提高相對滲透率。

③改變油層一巖石界面的潤濕性和巖石對原油的相對滲透性生物表面活性劑具有特殊的性能，在油水界面具有較高界面活性，能很好地潤濕含油巖石的表面，洗掉巖石表面的油膜，使原油得以分散。油層巖石的滲透率是和任何一種采油方法有關的最重要的參數之一。生物活動會影響油層的滲透率。首先是生物量累積，即由于生物的活動，包括生物表面活性劑在內的有機物薄膜可以累積在孔隙的空間內。這些生物體還包括活的菌體，細胞碎屑和胞外代謝產物。細菌活動造成滲透率的變化，可以影響油層流體的流速和流動方向。生物活動會通過生物表面活性劑及二氧化碳、有機酸的產生，增加碳酸巖儲層巖石的滲透率，以上有機物的共同作用可以參與溶解儲層巖石。

(4)菌種的選擇和營養液的配制  為了能將生物表面活性劑用于提高石油采收率，微生物的選擇是至關重要的?？衫玫奈⑸飦碓从幸韵聨追N：①從自然界篩選；②基因突變；③通過遺傳因素進行改良；④油層中的微生物直接利用?？茖W工作者對數千種微生物作了分類和檢驗，確定它們所需的營養酶、它們的代謝產物以及它們能忍受的環境條件的范圍。以環境忍受范圍來區分，細菌可分為4大類，①好氧菌，只有在氧存在條件下生命才能繼續；②厭氧菌，在無氧條件下存在，其能量從氧化的分子的降解中獲得；③兼性菌，能存在于有氧或無氧環境中；④上述三類中的嗜溫的(能在45℃溫度以下生存的)或嗜熱菌(能在45℃以上的持久溫度環境下生存的)種類。在這幾大類中，有些微生物是代謝產生氣體的(甲烷、氫、氮、二氧化碳)、聚合物的(多糖、蛋白質)及生物表面活性劑。

人們逐漸注意到某些種類的微生物在地面條件下能很快繁殖，并產生明顯有利于提高原油采收率的代謝產物，但它們在深的地下環境中可能不能存活。即使它們在地下條件下生長了，卻不會產生相同的代謝產物，這是由于受到了地下水的高含鹽量和高溫的有害影響。此外，已知有些微生物在高壓下形狀發生改變，可能引起代謝變化。   

注入的采油微生物必須具備如下的基本特征：

①厭氧或兼性厭氧。在地層無氧條件下能生長繁殖并進行厭氧發酵，在地上有氧條件下也能生長繁殖。

②能降低原油的重質組分，使原油的密度、黏度、含蠟量、含膠量降低。

③在油層高溫、高壓、高鹽等極端環境下，能生長繁殖并代謝。

④采油微生物能以烴類作碳源，能以油層內的無機鹽作氮源或作營養元素。

⑤采油微生物必須與其注入油層的環境條件相適應，能在油層內運移，生長繁殖，產生有機酸、氣體、表面活性物質、有機溶劑等多種代謝產物。

⑥其發酵液能使油水發生乳化，分散原油和蠟。

能在50℃以上的溫度及缺氧條件下生長的中度嗜鹽細菌，是用于微生物采油的最有力的競爭者。

對深層油藏進行地下法MEOR試驗時，要求微生物能在這些油田的極端環境條件下生長，還要使原油具有流動性并且儲油層無堵塞現象。近年來，對處于極端環境下的微生物的研究工作進展很快，已經發現了一些新菌種，它們能夠在原先認為微生物不能存活的條件下存活。這些新菌種常常具有特殊的代謝途徑，或者以某種方式生存。在實驗室中，確實培養出了能在80～110℃下生長的極端耐熱厭氧微生物。這些微生物均屬古細菌(archaebacteria)，它們利用硫、氫、二氧化碳進行甲醇合成(methanogenesis)而自養生長，或在有些情況下通過厭氧發酵生長。

在實驗室篩選試驗中，選擇熱的“油質”環境，可以選育出一些厭氧嗜熱菌。要求這些菌能用葡萄糖發酵，能使原油具有流動性。微生物要能耐壓、耐中等含鹽量。與溫度相比，壓力對菌種的生長條件影響較小。實驗觀察到壓力大于20MPa會抑制微生物生長，但選育出的某些菌種，在壓力為40MPa時仍具有代謝能力。

    在地下法MEOR中，壓力對細菌形態的影響更為嚴重。常壓下形狀為短桿狀的菌株，在壓力的影響下可能變成橢球狀或長絲狀。用于地下法MEOR現場試驗最有效的微生物，通常是從高濃度有機廢水和厭氧油質環境中得到的混合菌種。高濃度有機廢水包括家庭或工業下水道淤泥，厭氧消解裝置的淤泥、食品廢水以及湖底淤泥。所謂微生物的油質環境，包括污染的地層水，從井底采得的鉆井泥漿，生產凈化水工廠的淤泥，來自油砂分離器的淤泥，管道和儲罐淤泥等。從糖廠發酵浮渣，或從準備使用MEOR的油田收集到的地層水中，能得到有效的微生物。在模擬油層條件的實驗室試驗中，適于好氧生長的混合菌體，比單離的菌株或單離菌株混合體能更有效地驅油。

當地下法MEOR用于深層高溫油井時，從自然界中分離出來的微生物很少能完全滿足這些要求。這就促使人們考慮通過遺傳學的實驗技術生產特定的微生物。而隨著對MEOR機制了解的不斷深化，對改進用于地下MEOR的微生物的要求也越來越清楚。在MEOR過程中，當環境條件改變造成油藏生態環境改變時，混合微生物可能更為有效也更容易恢復活性。

地下發酵法中常用的菌種如表4所示。不同的微生物適應地層中各種條件的能力及生產的代謝產物不相同。另外，不同的生物工程目的所需的微生物代謝產物也有所不同。因此，根據地層條件和生物工程目的合理選擇菌種，是工程獲得成功的關鍵。在地層條件中首要考慮的是地層溫度，不同微生物耐溫能力不同。表4列出微生物生長的溫度范圍。

表4常用于MEOR的微生物及其代謝產物

菌種名稱	好氧-厭氧	代謝產物
梭狀芽孢桿菌(Clostridium sp.)o 芽孢桿菌(Bacillus sp.) 假單胞菌(Pseudomonas sp.) 黃單胞桿菌(Xunlhomonas sp.) 明串珠菌(Leuconostoc sp.) 脫硫弧菌(Desulfovibrio sp.) 節細菌(Arthrobacter sp.) 棒狀桿菌(Corynebacterium sp.) 腸桿菌(Enterobacteri sp.) 諾卡氏菌(Nocardia sp.) 不動桿菌(Acinetobacter s p.)o 分枝桿菌(Mycobacteria sp.)o	厭氧，兼性 兼性 好氧 好氧 兼性 厭氧 兼性 好氧 兼性 厭氧，兼性 厭氧，兼性 好氧	氣體、酸類、醇類和生物表面活性劑 酸類和生物表面活性劑 生物表面活性劑和聚合物 聚合物 聚合物 氣體、酸類和還原硫酸鹽 生物表面活性劑和醇類 生物表面活性劑 氣體和有機酸類 生物表面活性荊 生物表面活性荊 生物表面活性劑

①是在MEOR技術中用的最為廣泛的微生物。

②為準備用于MEOR技術中的微生物。

表5微生物生長的溫度范圍

從表4可以看出，用于MEOR的微生物可以是好氧菌、厭氧菌，也可以是兼性厭氧菌。在MEOR的過程中，可以單獨使用某一菌種，但為了發揮微生物的協同作用，更多的是使用配伍性較好的混合菌種。在選擇的過程中應遵循的原則就是微生物必須適應油藏的環境條件。表4中列舉了幾種常用的微生物菌種，而實際上，世界各國在MEOR應用過程中使用的菌種不止這些。菌種生長在水不溶的物質中，如石油烴、聚苯乙烯、橄欖油、煤油、甲苯、凡士林、二甲苯，并以它們為食物源。提高采收率的生物表面活性劑，多數是從被原油污染的土壤、海水、地表廢水中分離出來的。這些微生物能有效地降解脂肪烴和芳香族的烴類化合物，它們利用這些化合物，在微生物細胞和烴接觸的界面上產生生物表面活性劑。

其他需要考慮的地層條件有礦化度、滲透率、pH值和地層水化學組分等。只要做一項有關地層流體和所用的微生物的之間的配伍性試驗，就可以檢驗出微生物是否能適應上述地層條件，從而可以大體上預測出應用這種微生物能否得到增產效果。這種配伍性試驗可在室內進行。方法是將幾種微生物配方分別在模擬地層流體中進行培養，對微生物的生長情況和代謝產物的生成情況進行測試，以便確定最佳條件。用這種方法確定的標準，可用來為具體的油藏條件選擇出專用的微生物配方。一般的微生物活動的環境條件范圍列于表6。

表6微生物活動的環境條件范圍

    圖2是篩選MEOR所用微生物菌種的步驟。

第一步是現場取樣。油藏原油、水中分離菌種。從一個油藏分離的微生物再用于該油藏。

第二步是厭氧富集。從現場采油、水樣品裝入加壓厭氧的菌管、富集裝置中，進行厭氧培養。

第三步是微生物篩選。將厭氧培養物置于要進行微生物處理的油藏條件(如溫度、壓力、礦化度)下，通過產生代謝產物，對油進行分散實驗和降黏試驗。從中篩選適于油藏的微生物菌種。

圖2  用于MEoR微生物的篩選步驟

第四步是驅油模擬實驗。用微型填砂柱做巖芯模型，飽和原油，模擬油藏高溫、高壓、高礦化度條件，用篩選的微生物菌種作室內驅油實驗。在此基礎上，進一步做放大巖芯模擬實驗，根據驅油效果確定微生物菌種。

在做驅油模擬實驗時，對篩選的菌種做驅油機理的研究。將篩選的菌種做原油降黏實驗。細菌作用原油后，一是黏度降低，二是表面張力降低。經離心分離和過濾，對細菌培養液用氯仿甲醇(2：1)萃取，對得到的生物表面活性劑進行定量、定性分析。做菌種產酸、產氣定性定量分析。經性能評價，進一步確定MEOR現場應用的微生物菌種。據研究者發現，在模擬淺層低溫條件的室內實驗中，好氧生長的混合菌種驅油效果更好。驅油效果好的天然混合菌種主要包括如下菌屬：假單胞菌屬(Pseudomonas)、埃希氏桿菌屬(Escherichia)、節桿菌屬(Arthrobactor)、分枝桿菌屬(Mycobaterium)、微球菌屬(Micrococcus)、產朊球菌(Pept0—COCCUS)、芽孢桿菌屬(Bacillus)和梭狀芽孢桿菌屬(Clostridium)等。當地下法MEOR用于深層高溫油井時，從自然界分離的微生物很少能滿足全部需要。促使人們構建特殊的微生物菌種。

微生物提高采油收率(MEOR)是石油微生物科學中發展最快、.最活躍的一個分支。微生物采油技術以顯著的經濟效益和社會效益為石油開采界所關注。在采油微生物研究初期，主要側重于菌種的篩選、性能評價、室內模擬實驗、礦場應用試驗與提高原油采收率機理的研究。近年來，微生物采油技術在廣泛應用的基礎上，其深入研究主要表現在兩個方面，一是微生物采油技術與礦場工程學的綜合深入研究，二是石油微生物菌種的生物學特性的研究。為給微生物采油技術提供優良的菌種，采油微生物菌種的基礎研究非常活躍，主要有以下方面：

①采油微生物生理學研究  主要研究采油微生物以烴為碳源，模擬儲油層極端環境和條件，在培養過程中生長、產有機酸、產氣、產生物表面活性劑、產有機溶劑、產生物聚合的情況。經代謝產物分析，確定代謝產物與提高原油采收率的相關性，從而闡明微生物采油機理。

②石油微生物遺傳學研究  烴降解微生物遺傳學是研究的重點。由于烴降解基因常常在質粒上，且成簇聚集，所以，烴降解質粒的分子生物學研究仍是目前研究的重點。烴降解基因工程菌株構建仍是研究者們的努力方向，構建的基因工程菌株主要是用于微生物采油。

③嗜熱菌、耐溫菌的研究  深部儲油層80℃以上的高溫，使采油微生物菌種轉向嗜熱菌和耐高溫菌。其應用研究，主要研究這兩種菌的篩選方法、培養方法和保存方法。

④石油微生物酶的研究  石油微生物之所以能利用烴類為碳源，是因為石油微生物有兩個生物學特性。一是能產生表面活性物質，使菌體細胞與烴類分子充分接觸；二是產生烴降解酶，將復雜的難以進入細胞的烴類分子，降解為簡單的能進入細胞的烴類分子。

⑤石油微生物的分類鑒定  采油微生物多是極端環境微生物，大部分是真菌，而嗜熱菌卻為古細菌。古細菌的細胞膜脂類、細胞壁成分以及生態環境皆不同于真細菌。古細菌的研究方法與真細菌不同。

采油微生物研究在生理學、遺傳學、高黏采油機理等方面取得了進展，下面分別加以介紹。

①采油微生物生理學研究的進展  生理學研究進展集中在兩個方面，一是代謝產物的分析，二是模擬儲油層條件如溫度、pH、礦化度、重金屬、壓力等對菌體生長及代謝產物的影響。采油微生物代謝產物的分析研究，主要是指在模擬儲油條件下產酸、產氣、產生物表面活性劑的研究。這些研究與微生物采油機理密切相關。

石油生物產生生物表面活性劑是其共有的生物學特性，所以，石油微生物是生物表面活性劑天然的基因庫。表面活性劑可形成油一水乳化，所以普遍認為采油微生物產生的生物表面活性劑，是降低原油黏度、提高原油流動性、提高原油采收率的主要因素。因此，生物表面活性劑是采油微生物代謝產物中主要的研究對象。石油微生物產生的生物表面活性劑，是集親水基團和憎水基團于一身的兩親化合物。憎水基團為脂肪?；湥鴺O性親水基團則有多種形式，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，石油微生物產生的生物表面活性物質以糖脂、磷脂、脂肽居多。

石油微生物以各種基質特別是以烴為基質時，大量產生生物表面活性劑。烴誘導石油微生物產生物表面活性劑有兩方面的原因，一是當生物表面活性劑為胞外產物時，利于烴類物質乳化；二是當表面活性物質為胞壁結合型時，利于烴類透過細胞膜外的空間。不同的微生物雖然產生不同的生物表面活性劑，但其生物合成有相同的調控規律。烴類物質誘導生物表面活性劑合成，而糖有時則抑制其合成。例如銅綠色假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)以正構烷烴為碳源時，合成鼠李糖脂，以葡萄糖或乙醇為碳源時則不合成鼠李糖脂。假絲酵母(Candida)只能以正構烷烴或甘油三酯為碳源產生甘露糖赤蘚糖醇酯，而碳水化合物則抑制其合成。在生物表面活性劑合成中，葡萄糖和其初級代謝產物可抑制其合成。

生物表面活性物質有多種提取方法，采用什么提取方法，要視生物表面活性劑的性質是水溶性還是非水溶性、是陰離子型還是非離子型、是胞壁結合型還是胞外型而定。不同類型產物有相應的分離提取方法。除經典的提取方法外，最近還有隨程提取方法，這是一種連續的方法。生物表面活性劑的結構分析方法已日趨成熟。為了鑒定糖脂的結構，在酯鍵和0-配糖鍵的鑒定中，可用TLC以及糖、脂特異性鑒定試劑對其鑒定。然后控制條件下進行水解，分別鑒定糖基和脂肪酸結構。生物表面活性劑的評價方法已有很多，但常用的方法仍舊是表面能力的測定。cmc值是通用的表面性效能尺度。cmc值越大，則表面活性越高。

總之，采油微生物生理學方面的研究，以產酸、產氣、產表面活性物質為主要研究內容，并以此為依據闡述微生物采油機理。

②石油微生物遺傳學研究的進展  石油微生物遺傳學研究進展主要是建立了細菌以烷烴、萘和水楊酸、甲苯和二甲苯三類典型烴類物質生長的遺傳學模型。研究證明，位于質粒上的解烴基因常聚集成簇，形成操縱子型控制單位，多數受正作用因子調節，已經證明這些基因簇多數具有廣泛的同源性。對烴降解途徑的遺傳組織和調節機理的了解，加速了對解烴菌遺傳工程的研究和應用。有關萘代謝的生物化學和酶學知識非常豐富，在此基礎上，以萘為代表的雙環芳烴降解的遺傳學研究取得了重大進展。烴降解遺傳系統中，烴降解質粒分子生物學研究仍是熱點。對烴降解途徑的遺傳結構和調節機理的了解，加速了對解烴菌遺傳工程的研究和應用。

③高黏油采油機理的研究現狀  目前多數MER0現場試驗，皆是在含蠟量高的輕質油中進行，而膠質、瀝青質含量最高的高黏油微生物采油，尚缺乏足夠的資料。顯然，原油黏度越高，通過微生物生命活動降黏增加其流動性也越困難。近年來，高黏油MEOR現場試驗雖有成功的報道，但數量很少。微生物對高黏原油降黏作用的機理認為如下：一是微生物把高黏油中的瀝青烯和樹脂酸高分子降解為低分子化合物，降低了高黏油的分子量；二是以.黏油為碳源的微生物產生生物表面活性劑，將高黏油乳化成水包油型乳狀液，降低高黏油的黏度，一般生物表面活性劑可使高黏油降低黏度40％；三是微生物產生的CO₂等氣體，使高黏油黏度降低，產油量增加。目前，高黏油微生物采油技術報道極少，高膠質、瀝青質含量也給高黏油的微生物開采帶來不少困難。因此，篩選高黏油優良菌種，進行高黏油MEOR礦場試驗，探討高黏油微生物采油機理，是目前急需解決的一項處理技術難題。

在微生物提高采油效率中，需要對注入地層的微生物提供營養物質，通常叫培養基。營養液的配制主要根據選用的菌種、地層條件和工程的目的來確定。菌種不同，所需要的營養物質也不一樣。微生物一般都需要含磷化合物(各種有機和無機磷酸鹽)，含氮化合物(如氯化銨、硝酸鉀等以及氨基酸、肽等有機氮)、含碳化合物(如脂肪、蛋白質、簡單和復雜的碳水化合物)、硫、各種微量金屬元素(如鎂、鐵、鈣等)、氫等。地層中可能缺乏這些營養物質中的一種或幾種，營養液的組分主要包括地層中缺乏的營養物質。通過原子吸收光譜法、離子層析法、電感耦合等離子體等技術，對從地層中取得的巖心試樣進行分析，就可以確定地層中缺乏的營養物質，從而確定營養液的組分。所選用的營養物質應當是在地層條件下具有熱穩定性和化學穩定性的，不會與地層中的無機鹽發生反應而形成沉淀，以免堵塞地層。另外，在含黏土的地層中，營養液應不會引起地層黏土膨脹和微粒運動。為避免發生這些問題，確保工程成功，應利用地層水樣和巖樣先進行有關這方面的室內實驗。

    發酵液中有效成分的高低則依賴于生長條件，如碳源、氮源、pH值、溫度以及氧與金屬離子的混合物，而且在培養基中，水不溶物質、氮源和離子濃度限制產生生物表面活性劑。M.E.Singer用H-13細菌，以正構烷烴、芳香烴和原油為碳源生長，產生一種乙二醇酯生物表面活性劑，它存在于細胞外和細胞質中，降低原油的黏度達95％，可從原來的6.51Pa·s減到l.45Pa·S，并形成穩定的水包油乳狀液，并發現在正烷烴中生長的效果最好。

世界各國用于驅油的微生物菌種及注入營養物見表7。

表7MEOR現場實驗采用的微生物菌種及注入的營養物

    (5)生物表面活性劑的應用優勢、不足和今后展望  和其他提高石油采收率方法比較，微生物產生生物表面活性劑的采油技術有如下優點：

①施工成本低。該項技術所需要的設備少，利用傳統的注水地面設備即可達到施工要求，一般不需要增添井場設備，尤其有些微生物可以將石油作為主要營養源，這更有利于降低生產成本；

②施工工藝簡單，操作方便，可針對油藏的具體條件靈活調整配方；

③對低產油藏、枯竭油藏而言，這種采油技術在經濟上具有吸引力，而且增產效果持續時間長；   

④微生物采油技術適用于開采各種類型的原油(重質、輕質、中等密度的原油以及含蠟多的原油)；

⑤可直接利用生物能量，可以節約能源，微生物營養物注入液成本低廉，且不受原油價格的影響；

⑥生物表面活性劑有較好的生物降解性，對人、環境、油井均無害，不污染環境，該技術屬環境技術，不損害地層，可在同一口井中反復使用。

研究表明，生物表面活性劑的驅油效率，比人工合成表面活性劑的驅油效率要高3.5～8倍。而價格僅為人工合成表面活性劑的30％。利用微生物表面活性劑驅油，能大幅度提高驅油效率，降低殘余油飽和度。室內試驗采收率甚至可以達90％，是一次徹底的真正的“三次采油技術”。所以，不管從效果上還是從經濟上，應用生物表面活性劑比采用人工合成表面活性劑更合算，更能發揮作用。

    然而，微生物生成生物表面活性劑提高石油采收率技術也有其不足之處，尤其是地下法MEOR可能會產生以下不利影響：①油層會被生物體堵塞，或因其他不利影響，使原油采收效率甚至比不用地下法MEOR法時更低；②采得的原油品質下降。地下法MEOR的另一個缺點是由于不能使用氯或有機殺菌劑處理，在長期采用地下法MEOR時，大量的水會帶人霉菌、酵母菌、藻類、放線菌、硫酸鹽還原菌、鐵細菌等微生物。這些微生物迅速增殖并產生黏液和沉淀，造成地層的堵塞。微生物進入地層后還將發生以下變化：

第一，大多數微生物因不能適應地層中的高溫、高壓、厭氧環境，這類微生物很快喪失生命活性變成死細胞物質，死的微生物細胞只相當于微粒在多孔介質中運移。微生物細胞在多孔介質中是否造成堵塞，與多孔介質喉徑的大小和微粒直徑有關。微生物堵塞程度還與細胞密度、細胞形狀、注入速度等因素有關。細菌細胞與其他顆粒的區別是它可以變形，通過更小的喉道。

第二，微生物進入地層后很快發生生理變化，由細胞體形成芽孢，多數耐熱芽孢桿菌都具備這個特性。芽孢具有抵抗諸如高溫等惡劣環境的性能，代謝活性極低，不生長，不繁殖。微生物進入地層后也不可避免地會發生稀釋、吸附和變性，從而產生一系列問題。

第三，微生物進入地層后，不久就適應了地層環境，并利用地層環境中一切可能利用的條件進行生長代謝甚至繁殖。但由于微生物生長所需要的營養物質在地層中含量極少，要依靠注入水不斷從地面帶入營養維持生存，這也是注水井近井地帶易堵塞的原因。在地層中形成堵塞的微生物，主要是生長、吸附在巖石表面的細菌，這種細菌產生多糖胞外黏液，黏液將許多主要細菌吸附在一起形成生物膜。

目前，大部分礦場實驗只限于溫度不超過71℃，礦化度不超過10％的油層；某些重金屬離子污染營養物后，會對微生物產生毒害作用；微生物在高溫、高礦化度和高重金屬離子的條件下容易受到破壞，微生物生成的生物表面活性劑會有發生沉淀的危險性。.由于地層條件對微生物生長不利，同一種微生物不能適用于所有的油藏，也不是所有油藏都適合于用微生物采油(如溫度太高、礦化度太高的油藏)。目前需要進行充分的室內配伍性實驗及適當的工藝設計，MEOR的機理尚未完全探明；對待定油層的最佳微生物應用工藝尚在建立之中；礦場應用的篩選標準(臨界條件)還有待于改進；可有效預測礦場動態的油藏模擬軟件尚未開發。

在目前常用的三次采油技術中，熱力驅、氣驅和化學驅等技術都存在各自的不足。在改善現有技術的同時，要研究新的三次采油技術。隨著石油工業發展的需要和微生物學的迅速發展，微生物生成生物表面活性劑提高石油采收效率必將日益受到重視，并成為和熱力驅、氣驅和化學驅相并列的三次采油技術。我們認為，微生物提高石油采收率技術在研究和發展過程中應當出現以下趨勢。

①由于微生物提高石油采收率技術的綜合性、復雜性和多學科交叉性，其研究將會出現微生物學家、石油地質學家、石油工程專家和有機地球化學家的聯合攻關。甚至還要聯合經濟學家。首先的工作是，進一步強化微生物作用下水一原油一巖石相互作用及其規律的研究，以弄清微生物及其代謝生成的生物表面活性劑在地下的規律。其次，要加大研究重油的微生物采油技術、微生物提高石油采收率的經濟性研究等?？傊?，要使微生物提高石油采收率技術的新菌種、新方法、新工藝、新理論不斷涌現。

②篩選產生生物表面活性劑的菌種進行地面發酵  以前研究生物表面活性劑多是利用微生物的地下發酵，注入微生物后還要注入營養成分和氧氣，促使菌種在地下生長以便產生代謝產物，這對菌種的要求很高。首先要適應油層的環境，還要產生生物表面活性劑。由于油層條件的限制，如果保證不了菌種在油層環境下生長，產生的表面活性劑的量就會減少，甚至不能產生。如果改為地面發酵，只要篩選到能夠產生提高石油采收率的生物表面活性劑的菌種，找到合適的生產條件，就可以獲得生物表面活性劑用于石油開采。

③生成的生物表面活性劑的微生物驅和化學驅結合是一項帶有方向性的技術。這些技術基于某些微生物可以利用原油產生羧酸，中和油水界面的堿，這樣可以在油一水一巖石界面形成活性物質，導致油水相界面張力的降低。原油中酸含量的增加將加大堿驅的中和能力，從而可以提高化學驅的結果。反之，有些微生物產生生物表面活性劑，則可以進一步降低界面張力和化學劑的用量。已有這方面研究的報道。D.B.Evanas和A.K.StepP等人初步做了這方面的工作，證明了其可行性。他們測定了幾組微生物處理過和未處理的原油和堿一表面活性劑的混合物的界面張力。發現微生物作用后，原油的酸值比對照樣品有略微的增加，和堿一表面活性劑的二元體系的界面張力卻比對照樣品降低1至2個數量級。同時為了評價微生物氧化烴類增強堿驅效果，進行了巖心驅油試驗，共做了三組試驗，一組單獨的化學劑驅，一組是微生物驅，一組是微生物一化學驅，結果微生物一化學驅比其他兩組提高的采收率值都高。篩選產酸和產表面活性劑的菌種，利用微生物一化學驅結合的方法可以明顯見效，可促進生物表面活性劑在三次采油中的應用，減少礦場試驗的投資。

在我國也進行了微生物驅和化學驅(主要是堿驅和表面活性劑驅)的結合應用研究實驗。在大慶油田的油層(原油、水質和溫度)條件下，進行了假單胞桿菌(Pseudomonas sp.)在含正構烷烴培養基中生成鼠李糖脂(RH)生物表面活性劑提高石油采收率的研究。發現單獨的鼠李糖脂使大慶原油的界面張力不能達到10^-3mN／m數量級超低值，在NaOH存在的條件下，油水界面張力只能達到10^-1mN／m；而鼠李糖脂發酵液與含石油磺酸鹽PSD-2與B-100及NaOH—NaC0₃堿水復配，有明顯的協同作用，與原油的界面張力可達到l0^-3mN／m或10^-4mN／m數量級的超低值。同時在含石油磺酸鹽一堿水的體系中，加入鼠李糖脂生物表面活性劑的發酵液之后，可使石油磺酸鹽的最大吸附量降低30％，大幅度降低價格昂貴的石油磺酸鹽的用量。所選鼠李糖脂一石油磺酸鹽一堿的驅油配方也有較高的驅油效果，可提高石油采收率18％以上。另有鼠李糖脂發酵液和0P類非離子表面活性劑復配驅油體系的報道，其配方為0.6％(質量)發酵液+0.4％(體積)OP5+1.0％(質量)NaOH。該體系45℃下與大慶脫氣原油的界面張力小于5×10^-2mN／m，驅油實驗表明，在水驅原油效率58.65％基礎上，可再提高驅油效率l6％。