В последние годы нефть является основным источником энергии и ключевым сырьем для транспортного сектора и химического производства.
В статистическом обзоре мировой энергетики указывается, что в 2021 году мировое потребление нефти выросло на 5,3 млн баррелей в день, а мировая добыча нефти в том же году увеличилась на 1,4 млн баррелей в день. Несмотря на растущий интерес к поиску альтернативных источников энергии, маловероятно, что традиционные источники, такие как нефть, будут полностью заменены из-за их значительных преимуществ, таких как высокая плотность энергии и простота использования.
В то же время нефть является невозобновляемым источником энергии. С ростом численности населения соответственно растет и потребление энергии. Поэтому необходимо прогнозировать динамику добычи и цен. В этой ситуации решающее значение приобретает использование методов повышения нефтеотдачи. Эти методы направлены на преодоление основных препятствий для эффективной добычи нефти, таких как высокая вязкость сырой нефти, низкая проницаемость некоторых коллекторов и высокое межфазное натяжение нефти и воды.
В зависимости от давления в нефтяном пласте и технологии добычи выделяют три стадии добычи нефти: первичную, вторичную и третичную. При первичной добыче нефть извлекается с использованием природной энергии. Например, замещение нефти грунтовыми водами и расширение растворенных в нефти газов. При первичной добыче коэффициент извлечения нефти оценивается в 5-15%. Когда естественная поддержка давления исчерпана, начинается использование вторичного этапа. В пласт поступает внешняя энергия в виде жидкости (путем заводнения поверхностными или морскими водами) и газа. Коэффициент извлечения нефти составляет 30-40%. Третичные стадии нефтеотдачи - это способы извлечения остаточных запасов нефти из затопленных зон при разработке трудноизвлекаемых месторождений. При таком восстановлении добычи нефти результат еще выше и составляет более 40%.
В качестве альтернативы третичному восстановлению называют методы повышения нефтеотдачи. Как правило, повышение нефтеотдачи включает в себя термические, химические, газонагнетательные и микробиологические методы, которые можно разделить на две группы: термические и нетермические методы. Среди них микробиологический метод повышения нефтеотдачи (MEOR) является перспективной стратегией увеличения добычи нефти на старых месторождениях или месторождениях, находящихся на поздних стадиях вторичной разработки. В MEOR используются микроорганизмы и побочные продукты их метаболизма, которые являются экологически чистыми и более экономически эффективными. В данном обзоре мы рассмотрели основные побочные продукты жизнедеятельности микроорганизмов, влияющие на экосистемы пласта, обсудили примеры полевых испытаний по всему миру и выделили возможности для повышения нефтеотдачи на нефтяных месторождениях.
Подземные нефтяные резервуары, ранее считавшиеся инертной средой, являются местом обитания разнообразных и динамичных микробных сообществ, которые процветают в экстремальных условиях, характеризующихся высокотоксичной, гидрофобной и малоактивной водой, а также высокими температурами и соленостью. Общая структура микробных сообществ в нефтяных месторождениях отличается и сильно зависит от таких факторов окружающей среды, как температура, давление, соленость, pH, проницаемость, пористость и вязкость сырой нефти. Несмотря на эти сложные условия, микробные сообщества на нефтяных месторождениях играют важную роль в различных процессах, включая деградацию нефти, биокоррозию и биоремедиацию. В различных нефтяных резервуарах наблюдаются разные микробные сообщества, что обусловлено различиями в геохимических свойствах и характере добычи. Например, резервуары с более высоким уровнем биодеградации, как правило, имеют более разнообразные микробные сообщества, включая метаногены и сульфатвосстанавливающие бактерии.
Вот некоторые ключевые типы микроорганизмов, обнаруженные в нефтяных резервуарах:
- Термофильные бактерии и археи: высокотемпературные нефтяные резервуары часто населены термофильными микроорганизмами. К распространенным термофильным бактериям относятся такие роды, как Thermoanaerobacter, Thermotoga и Thermincola. К термофильным археям относятся Thermococcus и Methanobacterium.
- Метаногены: метаногенные археи широко распространены в нефтяных резервуарах, особенно в тех, которые участвуют в производстве метана. К ним относятся виды из родов Methanobacterium, Methanococcus, Methanoculleus, Methanomethylovorans, Methanosaeta и Methanolobus.
- Сульфат-редуцирующие бактерии (СРБ): СРБ широко распространены в нефтяных резервуарах, где они способствуют биокоррозии и закисанию. К распространенным родам СРБ относятся Desulfotignum, Desulfovibrio, Desulfarculus, Desulfosarcina, Desulfomonile, Desulfscinum, Thermodesulforhabdus и другие.
- Галофильные бактерии: в нефтяных резервуарах с высокой соленостью часто встречаются галофильные бактерии, такие как Halomonas и Acinetobacter. Эти бактерии приспособлены к выживанию и процветанию в соленых условиях.
- Бактерии, разлагающие углеводороды: в нефтяных резервуарах обитают бактерии, способные разлагать углеводороды, такие как Pseudomonas, Marinobacter, Alcanivorax и Deltaproteobacteria. Эти бактерии играют ключевую роль в биодеградации нефтяных углеводородов.
- Биопленкообразующие микроорганизмы: микробные сообщества в нефтяных резервуарах часто образуют биопленки, которые могут влиять на нефтеотдачу и биокоррозию. Известно, что такие роды, как Thermoanaerobacterium и Thermococcales, образуют биопленки в этих средах.
- Нитратвосстанавливающие бактерии (НВБ): НВБ играют важную роль в управлении микробным повышением нефтеотдачи (MEOR) и контроле закисания в нефтяных пластах. НВБ, такие как Sulfurospirillum spp., конкурируют с СРБ за органические доноры электронов, эффективно снижая производство сероводорода (H₂S) и предотвращая закисание. Полевые исследования на нефтяных месторождениях западной Канады продемонстрировали распространенность планктонных НВБ и их значительное влияние на смягчение негативного воздействия СРБ. Кроме того, было показано, что закачка нитратов в пласт стимулирует активность НВБ, повышая нефтеотдачу за счет увеличения пластового давления и снижения уровня H₂S.
- Синтрофные бактерии: эти бактерии работают в ассоциации с метаногенами для разложения сложных углеводородов. Такие роды, как Syntrophus и Syntrophomonas, участвуют в синтрофных ассоциациях в нефтяных резервуарах.
Различные факторы, такие как физико-химические и геохимические свойства, а также географические различия между нефтяными резервуарами, в сочетании с привнесением микроорганизмов и питательных веществ в ходе операций по MEOR, могут влиять на состав местных микробных сообществ.
MEOR и его механизм
Микробное повышение нефтеотдачи может осуществляться с помощью микроорганизмов (in situ) или путем закачки побочных продуктов метаболизма в пласт (ex situ). Микроорганизмы в пластах разнообразны и богаты. Они могут производить широкий спектр продуктов метаболизма. Эти микроорганизмы могут влиять на химические и физические свойства пород-коллекторов и сырой нефти. Однако рост микроорганизмов зависит от нескольких факторов, таких как пористость, проницаемость, среда пласта (температура, pH, соленость, давление и питательные вещества), а также от определенного типа микроорганизмов. Метаболиты микроорганизмов обладают рядом преимуществ: биоразлагаемость и активность в среде пласта.
Для осуществления процесса MEOR необходимы два основных компонента: микроорганизмы, которые могут быть как экзогенными, так и местными и могут повышать нефтеотдачу за счет различных механизмов, и питательная среда, содержащая азот и фосфор, которая служит источником питания для этих микроорганизмов. Микроорганизмы нефтяных резервуаров многочисленны и обладают значительным потенциалом, благодаря которому они могут процветать в сложных условиях, характерных для нефтяных резервуаров. Тем не менее, именно местные виды, такие как углеводородоразлагающие бактерии, денитрифицирующие бактерии, метанообразующие бактерии и ферментативные бактерии, являются полезными для процесса MEOR, поскольку они производят метаболиты, способствующие повышению нефтеотдачи.
В процессе экзогенного MEOR микроорганизмы вводятся в смесь воды и питательных веществ и затем закачиваются в нагнетательную скважину в нефтяном пласте. Затем микроорганизмы взаимодействуют с нефтью, находящейся в пласте, производя различные биопродукты. Эти метаболиты способствуют снижению вязкости нефти, увеличению проницаемости и изменению межфазных свойств нефть-порода и нефть-вода, тем самым обеспечивая улучшенный поток нефти в пористой среде. Кроме того, эти микроорганизмы могут улучшать качество нефти, удаляя серу, парафины и тяжелые металлы из тяжелой нефти.
В настоящее время растет интерес к новым разработанным и исследованным методам добычи нефти и газа. В этой области были изучены и исследованы различные подходы, в том числе:
- Генно-инженерное микробное повышение нефтеотдачи (GEMEOR) представляет собой новый подход в нефтяной биотехнологии. С помощью методов генной инженерии, таких как рекомбинантная технология, слияние протопластов и мутагенез, создаются генетически модифицированные микроорганизмы, сочетающие полезные признаки различных организмов для получения более эффективных штаммов. Такой подход расширяет возможности MEOR, обеспечивая экономически выгодное и высокоэффективное применение в промышленности.
Прогресс в области генной инженерии открывает новые возможности для создания микроорганизмов, способных выживать в экстремальных условиях, производить значительное количество метаболитов и использовать легкодоступные субстраты. Генетические методы также позволяют создавать микроорганизмы с улучшенными метаболическими свойствами, преодолевая ограничения, с которыми сталкиваются местные микробы в процессе MEOR. Важно отметить, что хотя во многих странах использование рекомбинантных микроорганизмов в полевых условиях ограничено из-за экологических проблем, основное внимание здесь уделяется лабораторным экспериментам. Эти контролируемые условия позволяют исследовать и развивать генетически модифицированные штаммы без риска их попадания в окружающую среду.
С начала 1970-х годов в России разрабатываются микробиологические технологии для повышения эффективности добычи нефти. За период с 1983 по 2002 год на различных нефтяных месторождениях были внедрены многочисленные модификации биотехнологий, в результате чего дополнительно добыто 597 594 тонны нефти в регионах Башкортостана (Сергиевское месторождение), Западной Сибири (Быстринское, Солкинское месторождения) и Татарстана (Бондюжское, Ромашкинское, Первомайское, Ново-Елховское месторождения). За этот период было использовано несколько методов увеличения нефтеотдачи, в том числе базовая активация микрофлоры в призабойной зоне нагнетательной скважины, активация микрофлоры с помощью гидродинамики, активация микрофлоры с помощью углеводородного питания (сырая нефть) и активация микрофлоры с помощью биологических препаратов.
Эти методы были направлены на повышение нефтеотдачи путем манипулирования микробной экосистемой в нефтяных пластах. Активация стимулировалась добавлением питательных веществ, способствующих размножению микроорганизмов в придонных зонах, закачкой воздуха или добавлением H2O2 для стимулирования выработки молекулярного кислорода, который выступает в качестве кофактора для оксигеназ.
Первые пилотные проекты по микробной стимуляции были начаты в 1986 году на месторождении Магомедли-Фатмай, принадлежащем нефтегазодобывающему управлению «Бинагадынефть» в Азербайджане. В настоящее время метод MEOR успешно применяется на 19 объектах 15 месторождений Апшеронского полуострова. С помощью этого метода было добыто дополнительно около 170 000 тонн нефти. Эффективность этих методов MEOR можно объяснить их направленностью на культивирование микроорганизмов в водоеме с использованием питательных субстратов, таких как меласса, молочная сыворотка и активный ил.
Сулейманов и др. (2020) представили инновационный подход к MEOR, специально разработанный для нефтяных пластов с высокоминерализованной водой. Этот метод предусматривает закачку промывочной жидкости с низким содержанием солей, а затем биореагента, состоящего из молочной сыворотки, что привело к значительному увеличению нефтеотдачи на 74%. Этот подход открывает перспективы для разработки экологически чистых технологий и повышения экологической устойчивости управления нефтяными пластами.
В связи с ростом численности населения планеты необходимо тщательно управлять источниками энергии, чтобы стимулировать развитие мировой экономики. В то же время необходимо обращать внимание не только на потребности мира в энергии, но и на экологические последствия этого процесса. Способность сырой нефти удовлетворять мировые энергетические потребности неоспорима, учитывая огромные запасы неиспользованных ресурсов по всему миру. Однако для ее применения на местных месторождениях необходимы тщательные исследования с учетом геологических особенностей нефтяных пластов и микробного разнообразия. Применение MEOR с использованием местных микроорганизмов может привести к значительным преимуществам, таким как экономическая эффективность и экологическая привлекательность.
