Введение
В настоящее время экономики большинства стран зависят от продуктов, получаемых из сырой нефти, нехватка нефтяных ресурсов может поставить под угрозу развитие стран и повысить стоимость жизни. С увеличением потребления нефти развивающимися странами увеличился спрос и цена на нефть на мировом рынке. Прогноз глобального использования энергии Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) и странами, не входящими в ОЭСР, на период с 2006 по 2030 гг. показывает увеличение потребления нефти на 15,5 и 73 % соответственно при существующих энергетических ресурсах [1]. В условиях неуклонного роста спроса на нефть перспективными альтернативами являются разведка новых источников энергии или использование методов повышения нефтеотдачи пластов (MEOR) в низкоэффективных и истощенных нефтяных скважинах [1, 2].
В настоящее время в нефтяной промышленности для извлечения остаточной нефти используются различные методы повышения нефтеотдачи. Используемый метод его повышения зависит от характеристик сырой нефти в нефтяном пласте. Методы повышения нефтеотдачи делятся на три большие группы: термические (закачка пара, сжигание и закачка горячей воды); химические (закачка полимеров, поверхностно-активных веществ и щелочей); газовые (закачка CO2, N2 и дымовых газов) [3, 4]. Применение термических методов, в частности огневого воздействия, может привести к образованию полярных соединений, таких как карбены и карбоиды, которые несовместимы с асфальтенами и могут закупоривать поры и каналы, по которым нефть должна перемещаться во время добычи [5]. Повышение нефтеотдачи химическим методом, вследствие использования химических веществ, влияет на нефтеносные породы, изменяя ее характеристики. При закачке газа используются различные типы смешивающихся или несмешивающихся газов для вытеснения нефти к точке добычи. Основными недостатками термических и химических методов являются высокие энергозатраты и стоимость химических веществ. В случае закачки газовых сред необходимо учитывать наличие газов под высоким давлением [6, 7].
Перспективным конкурентноспособным способом нефтедобычи служит ее микробиологическое повышение (МПН). Данный подход, рекомендованный А. Бекманом в 1926 г., предопределяет применение для роста нефтедобычи и обусловливает закачивание питательной среды с микроорганизмами в нефтяную скважину. При благоприятном состоянии внешней среды популяция микроорганизмов интенсивно увеличивается, а продукты их жизнедеятельности приводят к мобилизации остаточного нефтяного сырья [2, 8]. При наличии благоприятных микроорганизмов на месте можно вводить питательные вещества, и эти микробы способны вырабатывать широкий спектр метаболитов, а их увеличение и степень влияния обусловлены следующими обстоятельствами:
– пропускательной способностью, пористостью, температурой Т, давлением Р, долей растворенных твердых субстанций, пластовой кислотностью и соленостью;
– питательными для бактерий средами;
– видами микроорганизмов.
Метаболиты и применение микробов в нефтяных пластах представлены на рис. 1.
Рис. 1. Потенциальные применения биотехнологии при добыче нефти из пластов
Fig. 1. Potential applications of biotechnology in oil production from reservoirs
Биотехнологические методы могут быть применены для MEOR из нефтеносных песков и в нефтеперерабатывающей промышленности, где микроорганизмы могут использоваться для переработки сырой нефти (рис. 2).
Рис. 2. Потенциальные применения биотехнологии на нефтеперерабатывающих заводах
Fig. 2. Potential applications of biotechnology in oil refineries
MEOR из нефтеносных песков все еще находится на стадии исследования из-за своей новизны и уникальных экологических проблем (нехватки воды, высокой концентрации углеводородов) [2, 8].
Цель статьи – дать представление и критически обсудить потенциал применения биотехнологии в нефтяной промышленности с особым акцентом на добычу нефти из пластов и последующую биоочистку.
Биотехнология в нефтяной промышленности
Первичным извлечением называют первичное нефтяное сырье, извлекаемое при естественном давлении Р, которое побуждает его вытекать из пласта на его поверхность, что обусловливает минимальные затраты. При данном способе добывается 20 % исходного нефтяного сырья в мировой практике. Вторичное извлечение реализуется при снижении давления в пласте. Давление обычно повышается путем закачки воды или газа. Эти методы более дорогостоящие, чем первичное извлечение, и на их долю приходится дополнительное извлечение 45–50 % сырья. По оценкам некоторых исследователей [2, 9–11], примерно 58 % от общего объема нефти не извлекается при использовании современных технологий и обладает большим потенциалом для улучшения или разработки новых методов добычи нефти. Третичные методы или МEOR включают термические и химические процессы с применением растворителей, поверхностно-активных веществ, микроэмульсий, синтетических полимеров на основе крахмала / циклодекстрина
и полимеров, полученных микробиологическим путем, таких как ксантановая камедь, для получения дополнительных 7–15 % сырья [8, 9]. Благодаря имеющимся или разрабатываемым в настоящее время методам, MEOR является экологически чистым и устойчивым. Основные методы получения MEOR из пластов были предложены еще 60 лет назад – патент «Бактериологический процесс для обработки флюидоносных грунтовых пластов» (патент США 2413278) [2].
Цельноклеточные приложения в MEOR характеризуются микробиальной стабильностью в условиях, превалирующих в пластах, при кислородном дефиците, высоком давлении Р, повышенных температурах Т и солености (рис. 3).
Рис. 3. Экстремально галофильные аэробные архебактерии
Fig. 3. Extremely halophilic aerobic archaebacterial
Таким образом, комбинация термо-, баро- и галофильных микроорганизмов особенно подходит для проведения MEOR. Например, две гало- и термоустойчивые ферментирующие бактерии из нефтесодержащего шлама выделили в условиях повышенной концентрации соли (около 8 % масс./об.) и температуре 50 °C, при этом образуются поверхностно-активные соединения гликолипиды [2, 12].
Стратегии, используемые при MEOR, зависят от преобладающих условий в нефтеносном пласте, включая температуру, давление, pH, пористость, соленость, геологический состав пласта, наличие питательных веществ и разнообразие местных микроорганизмов. Эта точка зрения была подтверждена Г. Эвансом и Дж. Ферлонгом в 2003 г. применительно к рынку биотехнологий в целом [13]. Они отметили тот факт, что сложность исполнения ряда проектов существенно задерживает реализацию известных технических решений, что обусловливает трудность их реальной адаптации. Это может значительно тормозить использование биотехнологий по причине ограниченности сроков и бюджета для разработки проекта. Отсюда следует, что общий подход, т. е. сбор данных (идентификация бактерий, геологический состав участка и состояние питания и т. д.), разработка наилучшей питательной среды и/или микроорганизмов, оптимальный дизайн биореактора, лабораторные, пилотные и полевые испытания могут оказаться неэффективными. Вместо этого модульный подход с использованием готовых компонентов, основанный на предыдущей работе и ограничивающий тестирование подтверждающими исследованиями (необходимость быстрых и точных скрининговых тестов), может помочь сократить время на решения поставленных задач. Однако для определения наиболее успешных стратегий MEOR требуются более концептуальные и эмпирические технико-экономические обоснования, подкрепленные количественными данными [2, 14, 15].
Метод получения микробного газа для MEOR был первоначально разработан в 1946 г. Основная идея заключалась в том, чтобы закачивать или стимулировать местные бактерии для выработки CO2 и/или метана, чтобы повысить давление в пласте, снизить вязкость нефти и, в случае известняка или углеродистого песчаника, выщелочить кальцит и сидерит, высвободив таким образом адсорбированную нефть [2].
В 90-х годах прошлого века исследователи вводили анаэробную бактерию Clostridium acetobutylicum в пласт и изучали одномерную модель резервуара из зерен известняка с периодом выдержки около 45 ч и обнаружили общее увеличение эффективности MEOR на 12 % по сравнению с контролем. Это увеличение было связано со снижением вязкости нефти и увеличением pH. Было замечено, что удвоение периода простоя не привело к дополнительной добыче нефти по сравнению с 45 часами, в то время как, что интересно, вязкость нефти увеличилась на 31 %, а рН снизился (более кислый, чем в контроле). Десять лет спустя было установлено, что снижение вязкости сырой нефти произошло в основном за счет растворенного CO2. Для дальнейшего уточнения относительного вклада органических кислот и биосурфактантов, вырабатываемых в MEOR, необходимо провести дополнительные эксперименты [16, 17].
Следует также отметить, что в неглубоких резервуарах с водяным охлаждением требуется больше CO2 из-за увеличения плотности, однако различия в плотности между CO2, нефтью и водой уменьшаются, что улучшает очистку. Это может иметь существенное влияние на микробиологическое заполнение газом. Например, можно ожидать, что скорость метаболизма местной популяции микроорганизмов и производство газа (включая CO2) снизятся (из-за неоптимальных условий роста), тогда как требуемое производство CO2 должно увеличиться, чтобы повысить нефтеотдачу.
Заключение
В контексте добычи нефти путем микробиологического производства газа могут быть реализованы две стратегии цельноклеточного MEOR:
1) стимулирование использования собственной или добавленной биомассы для использования тяжелой углеводородной фракции в пласте в качестве источника углерода с целью получения газа (и биосурфактантов) с дополнительными преимуществами снижения вязкости сырой нефти и тенденции к отложению как парафина, так и асфальтенов;
2) обеспечение селективных и дешевых питательных веществ в местной или добавленной биомассе в качестве источника углерода, что позволяет избежать снижения теплотворной способности сырой нефти.
С практической точки зрения необходимо решить следующие задачи:
1) определение состава местных микроорганизмов и пути их метаболизма, с целью предотвращения нежелательного роста, деградации и образования газов;
2) эффективность транспортировки стимулятора ингибитора роста;
3) снижение стоимости стимулятора ингибитора роста;
4) достаточное производство микробного газа для достижения желаемого эффекта;
5) рост бактерий не должен приводить к полной закупорке резервуара.
