Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Микроорганизмы нефтяных пластов и использование их в биотехнологии повышения нефтеотдачи

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Заключение Диссертация по теме "Микробиология", Назина, Тамара Николаевна

Выводы

1. Многокомпонентное микробное сообщество, включающее углеводородокисляющих, бродильных, сульфат-, серо- и железо-редуцирующих бактерий и метаногенов, обнаружено в нефтяных пластах с температурой от 20 до 80 °С. Высокотемпературные нефтяные пласты характеризовались меньшей численностью присутствующих в них микроорганизмов.

2. Количественная оценка скоростей терминальных анаэробных процессов показала ведущую роль сульфатредукции в разрушении нефтяного органического вещества в пластах с сульфат'содержащими водами (карбонатные коллекторы) и доминирование метаногенеза в отсутствие или при низкой концентрации сульфатов (песчаные коллекторы). Оба процесса зарегистрированы в пластах с температурой от 20 до 70 °С, минерализацией вод до. 75 г/л и содержанием сульфатов до 2.8 г/л.

3. Выделен из нефтяных пластов и охарактеризован филогенетически и фенотипически ряд аэробных и анаэробных бактерий, относящихся как к известным, так и к новым таксонам. Филогенетически близкие аэробные термофильные бактерии нового рода Geobacillus - Geobacillus subterraneus gen. nov., sp. nov. и Geobacillus uzensis sp. nov., приспособленные к условиям среды обитания и окисляющие углеводороды и нефть, обитали в географически удаленных нефтяных пластах.

Полифункциональность является характерной особенностью бродильных и сульфатвосстанавливающих бактерий, выделенных из нефтяных пластов. Так, новые сульфатвоестанавливающие бактерии -Desulfomicrobium apsheronum gen. nov., sp. nov., Desulfomicrobium baculatum comb, nov., Desulfototnaculum kuznetsovii ■ sp,. nov. и Desulfotomaculum nigrificans subsp. salinus обладали высоким катаболическим потенциалом. Они были способны восстанавливать сульфат и другие окисленные соединения серы, используя молекулярный водород и ряд органических субстратов, а в отсутствие сульфатов росли за счет брожения или межвидового переноса водорода. 1,.

4. Микробная трофическая цепь в нефтяных пластах основывается на биодеградации нефти, которая ускоряется при поступлении кислорода с нагнетаемыми водами. Показано, что пластовые микроорганизмы образуют из нефти биотехнологически ценные метаболиты (органические кислоты, спирты, экзополисахариды, ПАВ, газы - С02, Н2, СН4,) и биомассу, обладающие нефтевытесняющими свойствами.

5. Впервые экспериментально подтверждено на примере залежи 302 Ромашкинского нефтяного месторождения, что нефтяной пласт представляет собой целостную экосистему, в которой биотическое сообщество взаимодействует с абиотической средой таким образом, что поток энергии создает определенную трофическую структуру. Энергетические потоки основаны на биотрансформации нефти или экзогенных органических субстратов в четко определенной трофической цепи и могут подвергаться целенаправленному регулированию.

6. Обнаруженные закономерности распространения микроорганизмов в нефтяных пластах, результаты изучения их биологии и моделирования биодеградации нефти в лабораторных условиях позволили разработать биотехнологию увеличения нефтеотдачи, основанную на активации жизнедеятельности микроорганизмов, относящихся к разным физиологическим группам.

7. Биотехнология увеличения нефтеотдачи, основанная на интродукции С. tyrobutyricum, мелассы, солей азота и фосфора, была испытана на Ромашкинском нефтяном месторождении, в результате чего дополнительно получено 4200 т нефти, что составило 28.9% от общей добычи нефти на опытном участке.

Совокупность микробиологических и биогеохимических данных свидетельствует о том, что все группы микробных метаболитов, образовавшиеся из мелассы, и сама биомасса, взаимодействовали с вмещающими породами и пластовыми флюидами, что приводило к увеличению нефтеотдачи.

Заключение

Показано, что в нефтяных пластах обитает многокомпонентное микробное сообщество. В пластах, залегающих на глубине 1-3 км, обитают термофильные микробные сообщества, представленные микроорганизмами тех же физиологических групп, что и в неглубоко залегающих нефтеносных горизонтах (менее 1 км), но их численность существенно меньше. Культивируемые микроорганизмы были представлены в основном бродильными, сульфат- серо- и железоредуцирующими и метанобразующими бактериями.

В различных нефтяных пластах Северного моря, Америки, Африки, и Евразии зарубежными исследователями и нами были обнаружены бродильные, S0-, S2032- и Ре(3+)-редуцирующие (Clostridium, Thermoanaerobacter, Thermococcus, Thermotoga, Dethiosulfovibrio, Bacillus, Geotoga, Petrotoga, Spirochaeta) и сульфатвосстанавливающие бактерии и археи (Desulfotomaculum, Desulfovibrio, Desulfomicrobium, Desulfobacter, Archaeoglobus) и метаногены (Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina, Methanococcoides). Характерной особенностью пластовой микрофлоры была способность использовать различные источники энергии.

В нефтяных пластах присутствовали аллохтонные бактерии, поступающие с нагнетаемой водой или в результате водообмена с поверхностью, и аборигенная микрофлора. Последнее подтверждается физиологическими свойствами выделенных анаэробов (отношение к солености, рН, Eh и температуре среды), коррелирующими с условиями их местообитания, а также фактом обнаружения их в фонтанирующих скважинах на незаводняемых пластах.

Микробиологическая трансформация нефти наиболее активно протекает в нефтяных пластах, эксплуатирующихся с применением заводнения. Главными терминальными процессами биодеструкции нефти являются сульфатредукция и метаногенез. Сульфатредукция доминирует в карбонатных нефтяных коллекторах, содержащих высокие концентрации сульфатов и сероводорода, а метаногенез - в песчаных коллекторах, лишенных сульфатов.

Продукты окисления нефти углеводородокисляющими бактериями (спирты и жирные кислоты), а также нафтеновые и ароматические компоненты нефти потребляются анаэробной микрофлорой. Деструкция нефти с выходом метана осуществляется в микробной трофической цепи, главными компонентами которой являются бродильные, синтрофные (протонвосстанавливающие) и метанобразующие бактерии. Сульфатвосстанавливающие бактерии, способные использовать насыщенные углеводороды, не зависят от других микроорганизмов и могут вести одноступенчатый распад нефти, в иных случаях они включаются в пищевую цепь на конечном этапе, подобно метаногенам.

Ацетокластический метаногенез выявлен радиоизотопным методом в пластах с температурой до 65 °С. При этом ацетат разрушался синтрофной ассоциацией, компонентом которой был литоавтотрофный метаноген Methanobacterium thermoautotrophicum, как было показано на Мыхпае (Давыдова и соавт., 1993). Этот же организм обнаружен в пластах Самотлора. Литотрофные метаногены Mb. thermoaggregans и Methanococcus thermolithotrophicus отвечали за образование метана в нефтяных пластах США и Северного моря (Ng et al., 1989; Nilsen, Torsvik, 1996). Экстремофильные метаногены. потребляющие ацетат, не были обнаружены в пластах Сибири и Северного моря и не известны в литературе. Ацетат может использоваться сульфатредуцирующими бактериями Desulfotomaculum kuznetsovii, растущими при 75 °С. Высокое содержание ацетата в пластовых водах может быть обусловлено превышением скорости его образования при биодеструкции нефти над потреблением. Имеющиеся данные позволяют предположить, что при температуре выше 65 °С, молекулярный-водород является центраболитом в цепи разрушения органического вещества; Литоавтотрофные метаногены, и в: том числе Mb. thermoautotrophicum, Mb. thermoaggregans и Mc. thermolithotrophicus, ответственны за образование метана в этих условиях.

Большинство анаэробных термофильных культур*, выделенных нами и другими исследователями из нефтяных пластов, также росли на водороде. Среди них сульфатредуцирующие бактерии рода Desulfotomaculum; восстанавливающие железо (3+) и тиосульфат или серу бактерии родов Thermotoga и Thermoanaerobacter и археи рода Thermococcus [48, данные Slobodkin et al., 1999]. Способность расти за счет анаэробного дыхания с Fe(3+) как акцептором электронов и Н2 как донором электронов, обнаруженная у большинства анаэробных микроорганизмов из этой экосистемы, свидетельствует о том, что этот тип метаболизма может быть древнейшим.

Микроорганизмы, обитающие в нефтяных пластах, обладали большим биотехнологическим потенциалом и продуцировали из нефти биомассу и ряд метаболитов (органические кислоты, спирты, экзополисахариды, ПАВ и газы) с нефтевытесняющими свойствами.

Обнаруженные закономерности распространения микроорганизмов в нефтяных пластах, результаты изучения их биологии и моделирования биодеградации нефти в лабораторных условиях позволили разработать биотехнологию увеличения нефтеотдачи, основанную на регуляции жизнедеятельности бактерий разных физиологических групп. Создание биотехнологий для нефтяных пластов, находящихся на поздней стадии разработки, содержащих большие остаточные запасы нефти на обустроенных объектах, призвано внести существенный вклад в обеспечение прироста добычи нефти, а также в решение социально-экономических проблем нефтедобывающих регионов.

При участии соискателя были проведены опытно-промышленные испытания биотехнологии увеличения нефтеотдачи, основанной на введении мелассы и сбраживающих ее микроорганизмов, в результате которых дополнительная добыча нефти составила 4200 т.

Микроорганизмы увеличивали добычу нефти в проведенных экспериментах за счет нескольких механизмов, которые включали: 1) образование кислот, растворяющих породы и увеличивающих их пористость и проницаемость; 2) образование газов, локально восстанавливающих давление в пласте, снижающих вязкость нефти и увеличивающих проницаемость коллектора (вследствие растворения карбонатных пород под воздействием С02); 3) образование растворителей, участвующих в экстракции нефти непосредственно или в качестве ко-сурфактантов, снижающих межфазное натяжение; 4) образование ПАВ, эмульгирующих нефть, снижающих вязкость нефти и межфазное натяжение на границе нефть-вытесняющий флюид; 5) образование микробной биомассы, вызывающей эмульгирование нефти, изменяющей смачиваемость пород. Зачастую механизм микробиологического воздействия на пласт был многоступенчатым и все группы метаболитов участвовали в вытеснении нефти.

Библиография Диссертация по биологии, доктора биологических наук, Назина, Тамара Николаевна, Москва

1. Розанова Е.П., Назина Т.Н. Мезофильная палочковидная бесспоровая бактерия, восстанавливающая сульфаты. Микробиология. 1976. Т. 45. N. 5. С. 825-830.

2. Назина Т.Н., Розанова Е.П. Термофильные сульфатвосстанавливающие бактерии из нефтяных пластов. Микробиология. 1978. Т. 47. С. 142-148.

3. Назина Т.Н., Розанова Е.П., Калининская Т.А. Фиксация молекулярного азота сульфатвосстанавливающими бактериями из нефтяных пластов. Микробиология. 1979. Т. 48. N. 1. С. 133-136.

4. Назина Т.Н., Пивоварова Т.А. Субмикроскопическая организация и спорообразование у Desulfotomaculum nigrificans. Микробиология. 1979. Т. 48. N. 2. С. 302-306.

5. Розанова Е.П., Назина Т.Н. Распространение термофильных сульфатвосстанавливающих бактерий в нефтяных пластах Апшерона и Западной Сибири. Микробиология. 1979. Т. 48. N. 6. С. 1113-1117.

6. Назина Т.Н., Розанова Е.П. Экологические условия распространения метанобразующих бактерий в нефтяных пластах Апшерона. Микробиология. 1980. Т. 49. N. 1. С. 123-129.

7. Назина Т.Н. Образование молекулярного водорода под воздействием пластовой микрофлоры на нефть. Микробиология. 1981. Т. 50. С. 163-166.

8. Розанова Е.П., Назина Т.Н. Распространение сообщества сульфатвосстанавливающих бактерий в нефтяных месторождениях Апшерона. Микробиология. 1981. Т. 50. N. 3. С. 566-570.

9. Розанова, Е.П., Назина Т.Н. Углеводородокисляющие бактерии и их активность в нефтяных пластах. Микробиология. 1982. Т. 51. С. 342-348.

10. Назина Т.Н. Анаэробная микрофлора терригенных нефтяных пластов. Автореф. дис. канд. биол. наук. М. ИНМИ РАН. 1983; 24 с.

11. Назина Т.Н. Сообщества метанобразующих бактерий из нефтяных пластов Апшерона. Микробиология. 1984. Т. 53. N. 1. С. 149-155.

12. Розанова Е.П., Назина Т.Н. Разложение ацетата бинарной синтрофной ассоциацией, включающей сульфатвосстанавливающие бактерии. Микробиология. 1985. Т, 54. N. 3. С. 497-499.

13. Розанова Е.П., Назина Т.Н., Кулик Е.С., Сомов Ю.П. Микробиологическое образование метана из гексадекана. Микробиология. 1985. Т. 54. N. 4. С. 555-559.

14. Кузнецов С.И., Саралов А.И., Назина Т.Н. Микробиологические процессы круговорота углерода и азота в озерах. М:Наука. 1985. С. 29-103.

15. Nazina T.N. Rozanova Е.Р., Kuznetsov S.I. Microbial oil transformation processes accompanied by methane and hydrogen-sulfide formation. Geomicrobiology J. 1985. V. 4. N. 2. P. 103-130.

16. Назина Т.Н., Полтараус А.Б., Розанова Е.П. Оценка генетического родства палочковидных неспороносных сульфатвосстанавливающих бактерий. Микробиология. 1987, Т. 56. N. 5. С. 845-848.

17. Nazina T.N. Microbial oil transformation processes accompanied by methane and hydrogen-sulfide formation. In abstracts of the 8th International Symposium on Environmental Biogeochemistry, Nancy, France. 1987. P. 7.

18. Назина Т.Н., Розанова Е.П., Беляев C.C., Иванов М.В. Химические и микробиологические методы исследования пластовых жидкостей и кернов нефтяных месторождений. 1988. Пущино. НЦБИ АН СССР, Пущино: 25 с.

19. Розанова Е.П., Назина Т.Н., Галушко А.С. Выделение нового рода сульфатвосстанавливающих бактерий и описание нового вида этого рода Desulfomicrobium apsheronum gen. nov., sp. nov. Микробиология. 1988. Т. 57. N. 4. С. 634-641.

20. Назина Т.Н., Иванова А.Е., Канчавели Л.П., Розанова Е.П. Новая спорообразующая термофильная метилотрофная сульфатвосстанавли-вающая бактерия Desulfotomaculum kuznetsovii sp. nov. Микробиология. 1988. Т. 57. N. 5. С. 823-827.

21. Розанова Е.П., Назина Т.Н. Развитие углеводородокисляющих бактерий в моделях нефтяного пласта и возникновение агентов вытеснения нефти. Там же. Т. III. Разработка и эксплуатация. С. 426-434.

22. Розанова Е.П., Назина Т.Н. Сульфатвосстанавливающие бактерии (систематика и метаболизм). Успехи микробиологии. М.: Наука, 1989. Т. 23. С. 191-226.

23. Розанова Е.П., Назина Т.Н. Современные представления о сульфатвосстанавливающих бактериях. В сб. «Хемосинтез» к 100-летию открытия С.Н. Виноградским. Ред. М.В. Иванов. М.:Наука. 1989. С. 199-228

24. Rozanova Е.Р., Nazina T.N., Galushko A.S., Ivanova A.E. Sulphidogenic processes in water-flooded oil strata. Abstracts of 9th International Symposium on Environmental Biogeochemistiy, 1989. Moscow, USSR. P. 190.

25. Nazina T.N., Ivanova A.E., Borzenkov I.A., Charakhchian I.A., Belyaev S. S. Biogeochemical processes in high-temperature oil fields. Proc. Conf. on microbiology in the oil industry and lubrication. Hungary. 1991. P. 185-192

26. Назина Т.Н., Иванова A.E., Благов A.B. Микробиологическая характеристика нефтяных пластов полуострова Мангышлак. Микробиология. 1992. Т. 61. N. 2. С. 316-322.

27. Назина Т.Н., Иванова А.Е., Митюшина Л.Л., Беляев С.С. Термофильные углеводородокисляющие бактерии из нефтяных пластов. Микробиология. 1993.T.62.N. 3. С. 583-592.

28. Осипов Г.А., Назина Т.Н., Иванова А.Е. Изучение видового состава микробного сообщества заводняемого нефтяного пласта методом хромато-масс-спектрометрии. Микробиология. 1994. Т. 63. N. 5. С. 876-882.

29. Назина Т.Н., Иванова А.Е., Голубева О.В., Ибатуллин P.P., Беляев С.С., Иванов М.В. Распространение сульфат- и железоредуцирукмцих бактерий в пластовых водах Ромашкинского нефтяного месторождения. Микробиология. 1995. Т. 64. N. 2. С. 245-251.

30. Назина Т.Н., Иванова A.E., Ивойлов B.C., Миллер Ю.М., Ибатуллин P.P., Беляев С.С., Иванов М.В. Микробиологическая и геохимическаяхарактеристика карбонатных нефтяных коллекторов Татарии. Микробиология. 1998. Т. 67. N. 5. С. 694-700.

31. Турова Т.П., Назина Т.Н., Полтараус А.Б., Осипов Г. А. Филогенетическое положение и хемотаксономические характеристики сульфатвосстанавливающих бактерий рода Desulfomicrobium. Микробиология. 1998. Т.67. N. 6. С. 799-806.

32. Nazina T.N., Xue Y-F., Wang X-Y. Occurrence of thermophilic microorganisms in high-temperature Liao He oil field and their biotechnological potential. Intern. Conf. Thermophiles'98. 6-11 Sept. 1998. Brest, France. Programme&Abstracts/resumes. BT-P21.

33. Иванов М.В., Беляев С.С!7 Розанова Е.П., Мац А.А., Уваров Г.Н., Скрябин Г.К., Сургучев М.Л., Муслимов Р.Х., Розенберг М.Д., Борисов Ю.П., Лауринавичус К.С., Образцова А.Я., Бондарь В.А., Вагин В.П., Зякун

34. М., Назина Т.Н., Путилов М.Ф. Способ разработки заводненной нефтяной залежи. АС 1483944. 11.06.87.

35. Wagner М., Ziran В., Iwanow M.W., Beljajew S.S., Nazina T.N. Verfahren zur Unterdruckung sulfatreduzierender Bakterien bei MIOR. Deutsches Patentamt DE 41 27 744 Al. 25.2.93.• •