Полная версия

Главная arrow География arrow Биотехнология нефтедобычи: принципы и применение

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Микробиологические процессы в нефтяных пластах

Условия изолированности глубоких нефтеносных горизонтов предотвращают попадание в них извне поверхностных микроорганизмов и способствуют сохранению нефтяных залежей в течение геологически длительного времени. При вскрытии залежи вместе с буровым раствором, при закачке поверхностных вод, ремонтных работах в пласт попа-

дают извне микроорганизмы. Попадая в зону активного водообмена, поверхностные микроорганизмы выживают и начинают принимать непосредственное участие в процессах изменения, превращения органических соединений - эндогенного (нефти и ее компонентов) и экзогенного происхождения, попадающих в пласт в составе закачиваемых агентов (табл. 6).

Таблица 6

Содержание органических соединений в водах зон микробиологической активности нефтяных месторождений Апшеронского п-ва

Тип воды

Число

скважин

Углеводы

(глюкоза,

мг/л)

Кислоты, мг/л

Формиат

Ацетат

Пропио

нат

Место

рождение Локбатан

Нагнетаемая

і

8

5

32

0

Смеси из пластов

3

7-13

0-20

28-46

0-15

Пластовая

1

0

0

4

0

Место

рождение Бинагади

Нагнетаемая

1

20

3

31

0

Смеси из пластов

6

14-42

0-7

65-199

0

Эксплуатирующиеся нефтяные пласты можно рассматривать как искусственную экологическую нишу, созданную производственной деятельностью человека. В них микробиологические процессы развиваются в двух основных направлениях. Первое направление связано с преимущественным распространением анаэробного восстановления сульфатов, второе - с преобладанием аэробного окисления компонентов нефти. Развитие того или иного процесса зависит от скорости водообмена, которая обусловливается проницаемостью пластов, объемами закачиваемой воды, интенсивностью эксплуатации.

Заводняемый нефтяной пласт является экосистемой, благоприятной для развития аэробно-анаэробных сообществ микроорганизмов, формирующих так называемый бактериальный фильтр (биофильтр). Основу его составляют как микроорганизмы, находящиеся в пластовых флюидах во взвешенном состоянии, так и микроорганизмы, адсорбированные на твердой поверхности пород. Призабойный биофильтр в естественных условиях коллектора формируется при длительном заводнении пласта поверхностными водами, содержащими микроорганизмы (рис. 6).

С увеличением длительности заводнения биофильтр формируется и развивается в коллекторах с различными экологическими условиями:

  • • в заводняемых внутри и за контуром нефтеносности;
  • • при умеренной и высокой (не выше 609С) температурах;
  • • в карбонатной породе и песчаниках;
  • • при низкой и средней минерализации пластовых вод.

Нагнетание

Строение бактериального фильтра (биофильтра) нефтяного пласта

Рис. 6. Строение бактериального фильтра (биофильтра) нефтяного пласта

Зоны микробиологической активности, формирующие биофильтр, первоначально локализованы вокруг нагнетательных скважин на участках поступления закачиваемых вод, содержащих растворенный кислород. Структура, размер биофильтра, его качественный и количественный состав меняются в зависимости от длительности и интенсивности заводнения. Развитию анаэробных процессов предшествует интенсификация аэробных процессов превращения органических веществ и соответственно микроорганизмов, ответственных за эти процессы.

Существенная особенность биофильтра в пласте состоит в его микрозональности. Участок зоны микробиологической активности, характеризующийся преобладанием численности углеводородокисляющих микроорганизмов, является зоной биофильтра, потребляющего растворенный кислород, поступающий в составе нагнетаемых вод. В первый период формирования фильтр однороден по микроструктуре, несмотря на наличие аэробных и анаэробных микрозон. На следующей стадии формирования с увеличением длительности нагнетания воды микрооднородность зоны биофильтра изменяется, постепенно формируются и развиваются микроаэрофильные и анаэробные зоны, в которых преимущественно развиваются факультативно - и облигатно анаэробные микроорганизмы. Микроаэрофильные зоны, характеризующиеся постоянным подтоком кислорода и колебаниями окислительно-восстановительного потенциала, могут быть достаточно протяженными. Эта зона может быть заселена специфической микрофлорой, приспособленной к меняющимся условиям внешней среды. Анаэробная зона биофильтра также постепенно расширяется и углубляется вдоль пласта и может охватывать зоны вплоть до забоя добывающих скважин, если идет подпитка питательными субстратами. С током пластовых флюидов в эту зону биофильтра заносятся аэробные микроорганизмы, сохраняющие жизнеспособность, но не функционирующие. В целом на определенном этапе системного длительного заводнения в нефтяном пласте в составе биофильтра формируется зрелое сообщество, состоящее из равновесных популяций различных физиологических групп микроорганизмов, находящихся между собой в состоянии динамического равновесия.

При стационарном режиме численность микроорганизмов разных физиологических групп в биофильтре находится на определенном постоянном уровне. Это значение численности микроорганизмов можно рассматривать как важную биологическую характеристику биофильтра, а именно пул микроорганизмов, который пласт может обеспечить имеющимся источником питания. При благоприятных условиях среды может происходить увеличение численности микробных клеток и их биомассы. Соответственно будет повышаться также мощность биофильтра и его продуктивность. Скорость роста и отмирания клеток микроорганизмов, определяющие структуру биофильтра, регулируются наличием субстратов питания и популяционной плотностью. Микроорганизмы биофильтра приспособлены к условиям острой конкуренции с другими организмами за элементы питания за счет функциональной предельной дифференциации зон.

Призабойный биофильтр - это система с закреплением ценозов в определенных микрозонах порового пространства. На каждом уровне этой системы создаются свои ценозы микроорганизмов, которые могут отличаться не только по качественному, но и количественному составу организмов. Развитие микробных популяций в этой системе характеризуется сменой большого числа поколений. В микробных популяциях при активном росте в условиях открытых систем 100 поколений могут смениться всего за несколько суток. При последовательном прохождении питательных растворов по системе пластового биофильтра за счет жизнедеятельности предыдущего ценоза изменяются свойства субстратов, поступающих к следующему уровню. Вначале идет разложение, окисление более легко усваиваемых органических соединений, затем сравнительно трудно утилизируемых, а к концу происходит усвоение продуктов жизнедеятельности предыдущих уровней, оторвавшихся с предыдущих мест при отмирании. Регуляторами роста и развития микроорганизмов в биофильтре являются питательные вещества и их концентрация, продукты метаболизма, жидкие и газообразные, обладающие не только эффективностью и универсальностью по действию на микробные клетки, но и характеризующиеся высокой степенью миграции в среде, а также физико-химические условия среды.

Для развития микробного биофильтра в нефтяном пласте решающее значение имеет наличие питательных субстратов и их концентрация: нефтяных углеводородов или вносимых в пласт извне. Рост микроорганизмов практически всегда лимитирован по питательному субстрату, а физические и химические параметры окончательно определяют характеристику микробной популяции.

Одним из основных факторов стабильности микробных сообществ в формирующемся биофильтре являются межпопуляционные взаимоотношения, осуществляемые через продукты метаболизма. Микрозональности сред обитания микроорганизмов соответствует также микрозональность газовой и жидкой фазы пласта. Ведущая роль в ее формировании принадлежит микроорганизмам, при этом газовая фаза наиболее подвижна по сравнению с твердой (микроорганизмами) и жидкой фазами. Низкомолекулярные соединения и газы, выделяемые микроорганизмами, могут оказывать стимулирующее или ингибирующее воздействие на рост и развитие пластовых микроорганизмов. Практически все метаболиты активны и каждый из них может быть стимулятором или ингибитором. Летучие соединения, продуцируемые микроорганизмами, например, углекислота, могут действовать как внутри- или межвидовые регуляторы микробных сообществ. Например, повышенное содержание в газовой фазе пласта СО2, выделяемого бродильными группами микроорганизмов, может подавлять активность углеводородокисляющих, так как снижается pH среды.

Максимальная плотность биомассы микроорганизмов, которая может быть достигнута в биофильтре пласта и которая в конечном итоге определяет продуктивность системы как производителя нефтевытесняющих агентов, зависит от:

  • • количества в среде субстратов, ограничивающий рост;
  • • накопления продуктов, ингибирующих рост;
  • • плотности упаковки биомассы;
  • • отмирания микробных клеток.

При системном заводнении, в том числе питательном, в связи с непрерывностью поступления в пласт питательных субстратов и за счет массо- и теплообмена при продвижении продуктов разложения по длине пласта ни один из вышеуказанных факторов может не иметь место. Объем порового пространства пласта велик, и растущие клетки микроорганизмов могут найти себе определенную экологическую нишу. Теоретически максимально возможная плотность упаковки микроорганизмов в пласте может достигать 2,0-2,9 ТО10 клеток/см3.

В отличие от системного питательного заводнения при разовом или периодическом питательном заводнении через определенный период времени происходит исчерпание субстратов питания в среде, наступает застойный режим и происходит естественное отмирание микробных клеток. В результате изменяется свойство биофильтра в сторону снижения его эффективной мощности как продуцента нефтевытесняющих агентов. Для восстановления эффективной работы биофильтра потребуется длительное время питательного заводнения.

Органические вещества, введенные в пласт при питательном заводнении, претерпевают самые разнообразные превращения в результате функциональной деятельности микроорганизмов, составляющих структуру биофильтра. Общая схема превращений органических соединений в случае поступления их в пласт показана на рис. 7.

  • 1. Аэробные процессы (углеводородокисляющие, тионовые, прочие гетеротрофы);
  • 2. Анаэробные процессы (бродильные, сульфатвосстанавливающие, метанобразующие микроорганизмы).
Превращение органических веществ в нефтяных пластах

Рис. 7. Превращение органических веществ в нефтяных пластах

микроорганизмами

Разложение белков, углеводов, липидов начинается с гидролитического разложения этих сложных молекул на более простые промежуточные продукты. Белковые соединения расщепляются на пептиды, а затем на различные аминокислоты. Гидролиз жиров приводит к образованию глицерина и различных жирных кислот. При гидролитическом расщеплении различных углеводов образуются ряд моносахаридов. Наряду с гидролитическим расщеплением при разложении развиваются окислительно-восстановительные реакции, катализируемые обширной группой ферментов. Они вызывают разрыв углеродных связей в молекуле, изменение степени окисленности продуктов разложения, образование различных органических кислот, дезаминирование (аммонификацию) аминокислот, декарбок-силирование и, наконец, полную минерализацию органических соединений. Все указанные окислительно-восстановительные реакции очень разнообразны, их характер определяется как составом разлагающихся органических соединений, так и условиями среды.

Так как превращение органических веществ в нефтяном пласте происходит в процессе аэробного и анаэробного разложения, соответственно ключевыми группами микроорганизмов, принимающих в них участие, являются:

  • • Аэробные нефтеокисляющие;
  • • Анаэробные бродильного типа, метанобразующие, сульфатвос-станавливающие.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>