Нефтеотдача при помощи микроорганизмов

ВЗАИМООТНОШЕНИЯ МИКРОБИОЛОГИИ И НЕФТЕГАЗОВОЙ СФЕРЫ
А.В. БУЛЛЕР
В первые годы существования микробиологии способность микроорганизмов разлагать
углеводороды воспринималась как биологический курьёз, но время шло и после многих лет стало ясно,
что это может быть полезным свойством, применимым в нефтегазовой сфере. Первым сообщением о
микробиологическом воздействии на углеводороды была статья Miyoshi о переработке парафина
плесенью (грибком) Botrytis cinerea в 1895 году (по сообщению Humpherey, 1967). Если не принимать
во внимание несколько бессистемных статей о разложении углеводородов микробами, то первые
исследования потенциальной возможности применения микробиологии в нефтяной сфере были
осуществлены российскими микробиологами (Могилевский, 1940; Бокова и др., 1947; Нечаева, 1949;
Карцев и др., 1959; и Кузнецов и др., 1963). В США было всего несколько сообщений, задевающих
нефтяную микробиологию (не патентов) и несколько университетских статей (Beerstecher, 1954;
Sharpley, 1961; и Davis, 1967).
Как мы знаем, некоторые области активности микроорганизмов наносят ущерб нефтяной
индустрии, и в то же время другие могут приносить пользу. Например, микроорганизмы могут
разрушать ценные продукты, содержащие углеводороды; они могут разрушать компоненты бурового
раствора; они могут вызывать закупоривание в нефтяной скважине; и, в конце концов, они могут
инициировать коррозию нефтепроводов и другого металлического оборудование. С другой стороны,
они могут быть применены для обнаружения залежей нефти, для разложения парафина в активных
скважинах, увеличения извлечения нефти (enhance oil recovery – EOR), и, может самое главное, для
ликвидации протечек нефти.
Возникает резонный вопрос: почему наблюдается лишь незначительный интерес к возможности
применения микроорганизмов в нефтегазовой сфере? Нужно отметить, что ситуация была кардинально
иной до 1940 годов, когда нефтяные компании США нанимали на полную ставку микробиологов, таким
образом, большинство исследований, связанных с нефтяной микробиологией проводилось в
университетских
лабораториях.
Следовательно,
потенциальная
возможность
применения
микроорганизмов в отрасли выяснялась при помощи лабораторных экспериментов, а не полевых
демонстраций, и, следовательно, вопсринималось с некоторой долей скептицизма. Также следует
помнить, что микробиология как наука существовала к тому времени меньше сотни лет и,
следовательно, специалисты других дисциплин: геологи, нефтяные инженеры, имель ограниченное
понятие о микробиологии, или не имели такового вовсе. Более того, в первые годы существования
нефтяной микробиологии, возможность применения микроорганизмов, в частности, в нефтяных
скважинах, была отвергнута вледствие большой температуры и концентрации соли, наблюдавшихся в
большинстве скважин.
С постоянно возрастающей потребностью в нефти и с такой же постоянно сокращающейся
добычей (Simmons, 2005), всё больше внимания уделяется путям поиска новых месторождений, а также
увеличения извлечения из уже разрабатываемых. К примеру, существует общемировой тренд поиска всё
большего количества морских месторождений на всё больших и больших глубинах. Из этого следует,
что 67% найденной к текущему моменту нефти в США [55.6x1010 m3 (3.5x1011 bbl)] экономически
нецелесообразно извлекать при помощи технологий сегодняшнего дня. Одним из методов, при помощи
которых часть из этой нефти может быть извлечена, является microbial enhanced oil recovery (MEOR).
В этой статье пойдёт речь по большей части только о двух аспектах применения
микроорганизмов в нефтяной сфере: поиск нефти при помощи микроорганизмов (geomicrobiological
prospecting) и повышение нефтеотдачи при помощи микроорганизмов (MEOR).
Нефтеотдача при помощи микроорганизмов
Между прочим, наиболее активной сферой нефтяной микробиологии является нефтеотдача при
помощи микроорганизмов (microbial enhanced oil recovery – MEOR). К примеру, Jack и Thompson
(1983) обнаружили 133 патента США, 14 патентов Канады, 4 патента СССР, по 3 патента из
Соединённого королевства и Нидерландов, и по одному патенту из Дании, Франции, Германии и
Румынии. Начиная с 1990 в США было выдано более 9 патентов касательно этой темы. MEOR обычно
применяется для увеличения дебита нефти при помощи микроорганизмов по двум методикам: вопервых, путём производства компонентов, которые повышают уровень извлечения нефти из
геологических формаций; во-вторых, путём изменения проницаемости нефтеносных формаций с целью
повышения извлечения нефти. Однако существуют другие микробиологические технологии, которые
повышают извлечение нефти, такие как: извлечение парафина из продуцирующих скважин или
модификация тяжёлых нефтей, но они не будут затронуты в этой статье.
Ранние методы MEOR
Впервые использовать микроорганизмы для повышения нефтеотдачи предложил Beckman
(1926), но первые исследования в этой сфере провёл ZoBell и его сотрудники (ZoBell, 1946a и b, 1947a и
b, и 1953). К примеру, микроорганизмы производят несколько веществ, которые могут способствовать
извлечению нефти из нефтяных залежей. Генерирование кислот в известняковых формациях будет
способствовать растворению известняка, как следствие, открытию новых полостей, заполненный
нефтью, которая становится доступной. Газы, производимые микроорганизмами, могут растворяться в
нефти и, следовательно, снижать вязкость, что способствует извлечению нефти из формации.
Биополимеры могут способствовать извлечению при помощи увеличения вязкости воды при
заводнении. Также, как подмечено Updegraff (1990), микроорганизмы могут селективно ограничивать
течение воды по большим каналам, что способствует её течению по маленьким, увеличивая
эффективность метода заводнения пластов.
Первый патент, полученный Zobell (1946a) подразумевает инжектирование вида Desulfovibrio в
нефтеносную залежь для генерирования веществ, способствующих нефтеотдаче. Однако существовал
вопрос о способности Desulfovibrio метаболизировать углеводороды в приемлемые сроки и, исходя из
этого, патент Updegraff и Wren (1953) рекомендует инжектирование вместе с Desulfovibrio
симбиотических бактерий и карбогидратов (молассу).
Большинство первоначальных исследований базировалось на методах ZoBell или на его
оригинальных культурах, но, несмотря на это, некоторое количество исследователей были неспособны
продемонстрировать то, что культура Desulfovibrio может быть применена на углеводородах. Более
того, эта сульфато-редуцирующая бактерия (SRB) способна производить определённые количества
окиси сульфида, которое очень агрессивно и снижает количество добываемой нефти. Эти факты
предполагают использование других микроорганизмов, таких как виды из рода Aerobacter (sic), Bacillus,
Clostridium, и также Escherichia, которые производят большие количества СО2 и водорода, которые, в
свою очередь, помогают извлекать больше нефти (Updegraff, 1957). Lazar и др. (1991) представил
смешение культур, используемых как ингибиторы, включая сульфато редуцирующие бактерии,
смешенные с углеводопоглощающими Pseudomonas sp., смешенными культурами, живущими в среде
нечистот, анаэробными термофильными смешенными культурами, смешенными аэробными и
анаэробными бактериями рода Arthorobacter, Clostridium, Mycobacterium, Pseudomonas и Peptococcus.
В дополнение в различным культурам, используемым в качестве ингибиторов MEOR, были
использованы различные питательные вещества, включающие минеральные соли, сахарозу, кукурузный
сироп, и также биостимуляторы, содержащиеся в сточных водах (Lazar, 1991).
Большинство ранних методов MEOR включало в себя инжектирование микроорганизмов в
залежь. Неудивительно, что большинство бактерий (один нанометр или больше) были не в состоянии
проникнуть слишком глубоко в формацию. Например, Beck (1947) и ZoBell (1947a) обнаружили, что в
песчаных образцах в лаборатории, бактерии были способны передвигаться только на 2.54 сантиметра в
день или меньше. В попытке решить эту проблему Bond (1961) предложил использовать разрушение
породы совместно с внедрением микроорганизмов, в то время как Hitzman (1962) предложил
использовать споры, так как они меньше в размерах. Однако, даже споры могут передвигаться только по
сравнительно большим каналам. Это сподвигло Lappin-Scott и др. (1988) предложить использовать
ультрамикробактерии (UMB), которые имеют диаметр меньше чем 0,3 нанометра. Jack и др. (1991)
сообщил, что даже в формациях с высокой проницаемостью и нецементированными песками,
микроорганизмы которые могут быть инжектированы сравнительно малы и сферичны (менее 20 % от
размера поры в формации). Следовательно, эти клетки неспособны активно производить полимеры,
пузырьки газа и пр.
Микроорганизмы в нефтяных скважинах
В некоторых ранних отчётах поднимается вопрос о том, что углеводороды могут деградировать
анаэробным способом или о том, что микроорганизмы одним из компонентов нефти. Сегодня, однако,
возможность анаэробного разложения нефти установлена точно (Kropp, и др., 2000; Aitken и др., 2004).
В нормальных условиях, нефтяные залежи содержат малые концентрации азота и фосфора (Lee и др.,
1990; Brown, 1984) и, следовательно, развитие микроорганизмов в них маловероятно. К сведению, в
условиях дефицита азота и фосфора многие микроорганизмы переходят в состояние ультра микро
(UMB) (Azadpour, 1992). Это поднимает такой интересный вопрос как существование собственной
микрофлоры в формации. Если они находятся в состоянии ультра микро (UMB), то они должны быть
переведены в обычное состояние (MacDonnel и Hood, 1982) перед тем, как они могут функционировать
как обычные микроорганизмы, и это требует определённых условий.
Альтернативой привнесения микроорганизмов в залежь является создание благоприятных
условий для собственной микрофлоры нефтеносной залежи (Brown, 1984). Длительное время стоял
вопрос: были ли микроорганизмы в залежи первоначально или же они были привнесены во время
буровых работ или выполнения добычи. Существует много статей, указывающих на большое
количество микроорганизмов, обнаруженных в извлечённых из вод нефтяных залежей, но это
дискуссионный вопрос: были ли они там первоначально. Проводилось всего лишь несколько
исследований, сообщающих о микрофлоре, извлечённой из керна, полученного из только что
пробуренных скважин, в которых не проводились работы по извлечению нефти вторичным способом
(Magot, 2005). Однако, два предыдущих исследования однозначно предполагают, что микроорганизмы
присутствуют в некоторых нефтеносных формациях.
В первом исследовании, 97 культур были изолированы из керна, полученного из 7 различных
скважин, имеющих разброс по глубине от 245 метров (805 футов) до 4559 метров (14596 футов)
(Azadpour и др., 1996). Скважины, из которых был извлечён керн, были пробурены в областях, в
которых раньше не применялись какие-либо методики повышения нефтеотдачи. Как только керн был
извлечён из керноприёмников, он был немедленно разрезан на секции, длиной 30,48 сантиметров (1
фут), залит 70% раствором этанола, помещён в контейнеры системы BBL© Gaspak© в анаэробные
условия и, наконец, перемещён в лабораторию. В асептической обстановке, керн был разрезан на куски
длиной 10,16 сантиметров (4 дюйма) в азоте и кусок длиной 2,54 сантиметра (1 дюйм) был взят со всех
образцов. Средняя часть керна была разрушена в азотной атмосфере при использовании
гидравлического пресса и давления 20 000 фунтов на квадратный дюйм (psi), далее были использованы
фрагменты менее 0,4 миллиметра. Анализ разрушенного керна на наличия бария (применяемого в
буровом растворе) был негативным, что показало то, что буровой раствор не достиг тех частей керна,
которые использовались для выявления в них микроорганизмов. Было обнаружено 97 культур
микроорганизмов, 37 из них было определено и все, кроме двух, были способны перерабатывать нефть в
подземных условиях (Azadpour, 1992; Brown и др., 1992). Также интересно отметить, что ультра микро
(UMB) были получены из двух образцов керна (Azadpour, 1992). Также автор сообщает, что количество
различий в видовом составе было незначительно между залежами, каждая залежь имеет свой состав
микрофлоры.
В другом исследовании, Spark и др. (2000) получил керны из 9-ти различных месторождений,
расположенных в Северном море и Исландском бассейне, различающихся по глубине залегания и
внутрипластовой температуре на 150oC. Они протестировали образцы из самого центра керна при
температурах в 30,60, и 90оС и это продемонстрировало по 16 секвентированным генам SrРНК, что
популяция микроорганизмов не содержит те виды, которые могут быть обнаружены в буровом растворе.
Другим фактором, критичным в успеху нефтеотдачи при помощи микроорганизмов является
вопрос, о том, были ли обнаруженные микроорганизмы привнесены позднее или быль там с самого
начала. В смешанных популяциях микроорганизмов взаимодействия между членами могут быть
симбиотическими, нейтральными или антагонистичными, и эти взаимодействия могут быть полезными
или губительными для процесса нефтеизвлечения. Проблемы, связанные с процессами повышения
нефтеотдачи при помощи микроорганизмов, являются трудноисследуемыми, включающими в себя
много факторов, специфичными. Как было замечено McInerney и др. (2005) собственные популяции
микроорганизмов обычно не допускают проникновения других видов до тех пор, пока условия в залежи
не станут благоприятными для последних, или, как отмечено Lee и др., (1990), привнесённые
микроорганизмы могут вступать в симбиотические отношения с коренными популяциями. Тем не
менее, пока некоторые микроорганизмы производят агенты, способствующие извлечению нефти (к
примеру, эмульгаторы или газы), другие микроорганизмы могут поглощать эти продукты или вызывать
нежелательное закупоривание внутри залежи (Cusack и др., 1987).
Влияние температуры и солесодержание на нефтеотдачу при помощи микроорганизмов
Вне зависимости от того, применяются ли «коренные» микроорганизмы или привнесённые,
условия должны быть позволяющими им размножаться. Важнейшими факторами являются температура
и концентрация соли. В течение многих лет считалось, что микроорганизмы не могут размножаться при
температурах выше 100 оС, но теперь мы знаем, что могут, однако вода должна быть под большим
давлением, но в жидкой форме, как это наблюдается в глубоких скважинах. Kashefi и Lovley (2003)
описали гипертермофильные микроорганизмы, которые могут расти при температуре 121 оС.
Следовательно, исходя из температуры, микроорганизмы могут расти в залежах, даже находящихся на
глубине 4000 метров (13123 фута).
Другим важным фактором, который может ограничить рост микроорганизмов является
концентрация солей. Однако, Bhupathiraju и др. (1991) сообщает, что некоторые галофилы могут
размножаться при концентрации NaCl до 20% и Wagner (1991) сообщает, что Clostridium butyricum
могут размножаться при концентрации NaCl 210 грамм/литр и некоторые другие виды Clostridium могут
размножаться при даже больших концентрациях. В добавок, ZoBell (1947a) сообщает, что некоторые
могут расти при концентрациях NaCl более 300 грамм на литр. Следовательно, потенциально на гораздо
большем количестве разрабатываемых месторождений нефти могут использоваться методики MEOR.
Взаимодействия микроорганизмов
Когда применяются привносимые микроорганизмы, конкретные продукты микрофлоры
известны, и встаёт вопрос о том, как повлияют привнесённые питательные вещества на коренную
микрофлору и какой эффект окажет коренная микрофлора на полученный продукт. С оглядкой на
коренную микрофлору Azadpour (1992) продемонстрировал, что некоторые 37