роль микроорганизмов во вторичном

Производственный опыт
23
методы в комплексе ГИС при решении петрофизических, геофизических и
геологических задач на нефтегазовых месторождениях”. М.: ВНИИгеосистем,
2014. 352 с.
Доклад на конференции “Ядерная геофизика – 2014”.
rdj 622.276
k. g. `01+a-."a
t(+(a+ tacns bon scmrs
РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ ВО ВТОРИЧНОМ ИЗМЕНЕНИИ
РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕФТЕЙ
Рассмотрен механизм воздействия микроорганизмов на реологические свойства нефтей в пластовых условиях. Показано, что на деятельность бактерий
оказывают влияние минерализация пластовых вод, содержание асфальтенов
и парафинов.
Ключевые слова: скважина, микрофлора, метанизация, анаэробное и аэробное
окисление, асфальтены, парафины.
В литературе, посвященной геохимии нефти и газа, микробиологический фактор классифицируется как окислительный и связывается
с гипергенными условиями существования нефтяной залежи, что
в комплексе с физическими и химическими факторами (снижение
температуры и давления, подток слабоминерализованных кислородсодержащих вод и т. д.) вызывает вторичное изменение нефтей. Этот
фактор действует в зоне контакта нефти с водой, а микроорганизмы
выступают в качестве высокоспециализированных биологических
катализаторов в различных окислительно-восстановительных реакциях, которые в обычных (стерильных) условиях не идут совсем или
протекают в очень замедленном темпе.
Определяющее значение для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов в различных средах биосферы Земли имеют:
– наличие влаги, так как без предварительного растворения в воде
многие питательные вещества не могут проникнуть внутрь клетки;
24
Производственный опыт
– величина концентрации растворенных веществ. Высокие концентрации создают вокруг клетки физиологическую сухость, в этом
случае вода становится недоступной для микроорганизмов;
– температура – определяет интенсивность и саму возможность
развития бактерий. По отношению к оптимальной температуре
большинство повсеместно распространенных микроорганизмов
относится к мезофилам, наиболее интенсивное развитие которых
наблюдается при +20…+35 °С. Пределы развития: нижний –3 °С,
верхний +45…+50 °С;
– давление – бактерии очень устойчивы к нему. Давление до
10 000 атм не оказывает губительного воздействия на клетку;
– рН – одни формы успешнее развиваются в щелочных средах,
другие – в кислых;
– влияние кислорода. Потребность в условиях аэрации у различных
микроорганизмов разная: среди них есть облигатные аэробы и
облигатные анаэробы, существуют также промежуточные формы
по отношению к кислороду воздуха (факультативные). Степень
аэробности (анаэробности) количественно характеризуется величиной окислительно-восстановительного потенциала (ОВП).
Водный раствор, насыщенный кислородом, имеет значение рН,
равное 41, а рН = 0 характеризует среду с резко выраженными
восстановительными свойствами;
– влияние ОВП. Регулируя его, можно стимулировать или ограничивать развитие разных групп, изменять в довольно широких
пределах их физиологическую активность и характер вызываемых
превращений.
Многочисленные наблюдения микрофлоры пластовых вод и нефтей
различных месторождений показывают, что распространение активных жизнедеятельных бактерий определяется общей геохимической
обстановкой и в первую очередь зависит от раскрытости (закрытости)
структур. Например, микроорганизмы, как правило, отсутствуют или
минимально развиты в пластовых водах палеозойских отложений
Русской платформы с минерализацией 200–250 г/л. Высокая минерализация и метаморфизация вод хлоридно-натриевого и хлориднокальциевого типов терригенных нефтегазоносных комплексов девона
и карбона свидетельствуют о хорошей гидрогеологической закрытости
этой территории. Наличие брома, низкие значения рН, отсутствие
Производственный опыт
25
сульфатов и фосфора, указывающие на благоприятную обстановку
сохранности залежей, действуют угнетающе на развитие бактерий [1].
Условия закрытости и изолированности глубоких нефтеносных
горизонтов предотвращают воздействие микроорганизмов и способствуют сохранности нефтяных залежей в течение геологически
длительного времени. Только в случае попадания нефти в зону активного водообмена в результате вертикальной миграции флюидов
или перестройки структурного плана при тектонических движениях
поверхностные микроорганизмы принимают участие в общем физико-химическом процессе разрушения нефти и ее компонентов [2].
Микрофлора нефтегазоносных горизонтов, несмотря на ряд особенностей, сходна с обитателями наземных сред, в ней особенно
широко распространены денитрифицирующие и сульфатвосстанавливающие бактерии, а также встречаются углеводородоокисляющие,
сбраживающие белки, клетчатку и др., микроорганизмы. Исследования
советских и зарубежных микробиологов по выявлению и изучению
микроорганизмов в залежах нефти и газа, подземных водах, месторождениях твердых горючих ископаемых позволили установить, что в
нефтеносных пластах обитают микроорганизмы, разлагающие нефть,
и органические вещества с выделением СО2, H2S, NH3, N2, а также
горючих газов – СН4, Н2 и высших углеводородов [3].
Явления биогенного окисления углеводородов и восстановления
сульфатов, связанные с внутриконтурным заводнением пласта Д1
Ромашкинского месторождения в результате жизнедеятельности
углеводородокисляющих и сульфатвосстанавливающих бактерий,
описаны в работах В. А. Кузнецовой (1964, 1965), И. Ф. Глумова,
Е. Ф. Станкевича и др.
Большое значение для микробиологической деятельности имеет
содержание питательных элементов, химический состав пластовых
нефтей и их удельный вес (Т. Л. Гинзбург-Карагичева, 1936; В. О. Таусон, В. А. Экзерцев (1951), С. И. Кузнецов): активная микрофлора
обнаруживается в более тяжелых нефтях, легкие же обсеменены
значительно слабее либо бактерии в них отсутствуют (С. Г. Рыбакова,
1967). Распространение бактерий зависит от температуры и солености насыщающих пласт вод, наличия микроэлементов и активной
реакции среды (рН) [4].
В чисто нефтяных месторождениях, как правило, бактерии отсутствуют. Это вызвано тем, что безводная нефть является средой,
26
Производственный опыт
неблагоприятной для микроорганизмов. Встречаемая микрофлора в
нефтяных пластах приурочена к водам, контактирующим с нефтью.
Случай, когда в нефтях обнаружены жизнедеятельные бактерии, относится к нефтям с рассеянной капельной водой. Расстояние между
отдельными скважинами, а также интенсивность отбора нефти из
них на распространение бактерий в залежи не влияют. Основным
фактором, определяющим их распространение, является проницаемость коллектора в различных направлениях.
Микробиологические исследования В. А. Экзерцева на ряде месторождений Волго-Уральской области позволили выявить активную
группу бактерий и экспериментально установить их способность
разрушать нефть в анаэробных условиях с образованием газообразных
продуктов. Газовая смесь содержала до 35–40% метана.
Из конечных продуктов анаэробного бактериального разложения,
по мнению многих исследователей, образуется скопление газа. Так,
Т. Л. Симакова с соавторами пришла к выводу, что “источником
горючих газов в нефтяных месторождениях является разложение
углеводородной части нефти в анаэробных условиях под влиянием
жизнедеятельности бактерий”. Под воздействием микроорганизмов,
разрушающих углеводороды, легкие фракции нефтей превращаются
в газ, тяжелые – в легкие, вследствие чего уменьшается удельный
вес и вязкость нефти. Так как имеются микроорганизмы, способные
разрушать смолы и твердые парафины, конечной стадией может
являться полное разрушение залежей с переработкой нефти в газы
и остаточные продукты типа асфальта и др. Таким образом, факт
наличия распада нефтей в месторождениях с образованием газообразных продуктов можно считать установленным, и он имеет
первостепенное значение в увеличении подвижности нефти в пластах
при микробиологическом воздействии [5].
Многолетние исследования сотрудников лаборатории нефтяной
микробиологии ВНИГРИ позволили установить, что в биоценозе
микроорганизмов нефтяных месторождений часто встречаются представители трех родов: Pseudomonas, Mycobacterium, Vibrio. Авторы
исследований отмечают, что биоценозы, выделенные на различных
месторождениях, отличаются по видовому составу, количественным
соотношениям различных физиологических групп и неодинаковой
степенью активности бактерий. Другая особенность состоит в их
Производственный опыт
27
относительной специфичности, выражающейся в избирательном
усвоении определенных углеводородов [6].
Выяснилось, что все классы углеводородов, содержащихся в нефтях
различных типов, могут усваиваться микроорганизмами для своей
жизнедеятельности. При анаэробном характере окисления нефтей
метанового и метаново-нафтенового типа микроорганизмами потреблялись метановые углеводороды более высокого молекулярного
веса, в аэробных – более низкого, в обоих случаях окислялись твердые парафины. Аэробное окисление сопровождается образованием
водорастворимых промежуточных продуктов окисления, состоящих
из белково-углеводной массы, амино- и оксикислот. Преимущественно
в аэробных условиях наблюдается качественное и количественное
преобразование асфальтово-смолистых компонентов: в присутствии
кислорода наблюдается значительное биогенное осмоление нефтей
как за счет остаточного накопления, так и новообразования асфальтово-смолистых веществ. Последнее авторы связывают с окислением
и окислительной конденсацией нафтеновых, би- и полициклических
ароматических углеводородов. В анаэробных условиях, где содержание асфальтенов и смол не менялось, была констатирована слабая
тенденция к повышению содержания кислорода и уменьшения углерода в элементарном составе [7].
По мнению автора, наибольший интерес с точки зрения использования для повышения нефтеотдачи пласта представляет анаэробный
процесс, под воздействием которого направление изменения нефтей
отнюдь не отождествляется с химическим окислением, а скорее совпадает с направлением самопроизвольного процесса дозревания нефтей
в восстановительных условиях и усиливает процесс метанизации.
В этом случае воздействие микроорганизмов на нефть в пластовых
условиях должно быть наиболее эффективным для месторождений
с более тяжелой и более вязкой нефтью, богатой смолистыми компонентами и углеводородами с большим числом углеродных атомов
в молекуле [8].
Кроме усиления метанизации нефти, большое значение в увеличении нефтеотдачи имеют такие явления бактериальной деятельности
в анаэробных и аэробных условиях, как выработка поверхностноактивных веществ и кислот, растворение известковистых включений
коллектора, дополнительное газообразование, с которыми также
связаны перспективы микробиологического воздействия на пласт [9].
Производственный опыт
28
Выводы
1. Определяющими факторами, способствующими развитию микрофлоры в нефтяных пластах, являются: геохимическая обстановка
в пластах; химический состав нефти (содержание асфальтовосмолистых веществ, удельный вес); минерализация и ионный
состав воды; раскрытость структуры и водообмен – естественный
или искусственный; применяемая система и стадия разработки
месторождения.
2. Лучшие результаты можно ожидать при высоких коллекторских
свойствах пласта и хорошей отсортированности слагающих горную породу зерен, с поверхностью которых связаны основные
процессы десорбции нефти.
3. Большинство месторождений нефти нижнекаменноугольного
возраста Волго-Уральской провинции, находящиеся на глубинах
1100–1300 м, отвечают вышеперечисленным требованиям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гинзбург-Карагичева Т. Л. Микробиология нефти // Природа. 1958. № 3.
С. 20–23.
2. Кузнецов С. И. Роль микроорганизмов в преобразовании и разрушении месторождений нефти // Геология. 1967. № 6. С. 11–14.
3. Кузнецов С. И. Основные итоги по исследованию микрофлоры нефтяных
месторождений // Микробиология. 1957. Т. 26. С. 13–18.
4. Мехтиева В. Л., Мессинева М. А. Биохимическая деятельность микроорганизмов в нефтях, пластовых водах и породах: Отчет по теме № 439. М.: ВНИГНИ,
1960. 128 с.
5. Симанова Т. Л., Стригалева И. В. Роль бактерий в преобразовании углеводородной части и асфальтово-смолистых компонентов парафиновой нефти в
анаэробных условиях // Труды ВНИГРИ. 1961. Вып. 174. С. 21–25.
6. Воробьева Е. К. К изучению роли бактерий из рода Pseudomonas в нефтяной
микробиологии. М.: Доклады АНСССР, 1957.
7. Колесник З. А. Основные результаты работы по изучению действия на нефть
анаэробной микрофлоры // Труды ВНИГРИ. 1959. Вып. 132. С. 42–46.
8. Осницкая Л. К. Разрушение углеводородов бактериями // Микробиология.
1946. Т. 15. Вып. 3. С. 29–32.
9. Экзерцев В. А. Образование метана микроорганизмами в нефтяных месторождениях // Геохимия. 1960. № 4. С. 22–25.
Рецензент доктор техн. наук А. Ю. Гуторов