Микроорганизмы нефтяного пласта

Микробные сообщества нефтяных пластов относят к наиболее древним биоценозам Земли, погрузившимся вместе с органическими остатками и биогенными илами на большие глубины. Происшедшие из них органогенные породы являются тем материнским материалом, из которого возникает нефть. Особенностью нефтяных пластов является не замкнутость функционирующих здесь циклов углерода и серы. Захороненное органическое вещество нефти при активизации водообмена в пластах, обусловленной геологическими процессами и техногенным воздействием, вновь вовлекаются в биогеохимические циклы [15].

Микроорганизмы нефтяного пласта обладают большим биотехнологическим потенциалом. Помимо газов они образуют ряд других нефтевытесняющих метаболитов- поверхностно активные вещества (ПАВ), экзополисахариды, растворители, кислоты,- появление которых в пластовой системе связано с аэробно-анаэробной деградацией нефти [15].

Биоразнообразие микроорганизмов, выделенных из нефтяных пластов, относительно невелико. В состав микробного сообщества в пласте входят сульфатредуцирующие, восстанавливающие тиосульфат и элементарную серу, бродильные бактерии, углеводород и нефтеокисляющие бактерии, ацетогены и метаногены [15].

Микробные сообщества нефтяных пластов могут рассматриваться как закрытые или полузакрытые системы, так как они существуют в обстановке затрудненного водообмена, с медленным массообменом, при постоянной температуре и не зависят от современной атмосферы и солнечного света. Нефть является основным источником питания в этой экосистеме [16].

Микроорганизмы в нефтяном пласте можно подразделить на основные типы:УВОБ-углеводородокисляющие бактерии (аэробы); МОБ - метанобразующие бактерии (анаэробы); СВБ - сульфатвосстанавливающие бактерии (аэробы) [15].

По способу подготовки микробов микробиологические методы классифицируются на два типа: на поверхности (extra sitium) и непосредственно в пласте (in situ). В первом случае микробы готовят в ферментерах в заводских условиях или в мобильных установках на скважинах, а затем нагнетают в пласт в виде водных растворов. Наиболее широкое распространение получили такие продукты метаболизма бактерий как биополимеры и биоПАВ. Методы нагнетения водных растворов биополимеров и биоПАВ практически ничем не отличаются от традиционных полимеров и ПАВ и для описания физико-химических процессов вытеснения нефти можно воспользоваться существующими математическими моделями вытеснения нефти полимерами и ПАВ. Ряд исследователей склонны рассматривать эти методы как разновидность традиционных физико-химических методы. Во втором случае происходит активация местной или введенной микрофлорой с последующими продвижением по пласту, созданных микробных сообществ и продуктов их питания [15].

Аэробные микроорганизмы были обнаружены в пластах с температурой от 20 до 70 градусов и pH от 6,0 до 8,4. Субстратами для них служат пептоз, глюкоза, сахароза, дрожеввой экстракт, жидкие углеводороды, нефть, метан. Аэробная микрофлора включала специализированные на окислении метана (метаноокисляющие), а также неспецифических сапротрофов, углеводород-и нефтеокисляющих. Аэробы были более многочисленны в нефтяных пластах с песчанными коллекторами. Они обитали в призабойной зоне нагнетальных скважин, куда с нагнетаемой водой поступает растворенный кислород. [17-19]

Углеводородокисляющие бактерии (УВОБ)

В высокотемпературных нефтяных пластов Росии, Казахстана и Китая углеводородокисляющие бактерии являются непременным компонентом биоценоза призабойной зоны нагнетальных скважин, через которые в пласт поступает растворенный кислород. Обитающие в этой зоне углеводородокисляющие бактерии часто являются спорообразующими, что позволяет им выживать в меняющихся условиях окружающей среды. Они растут при температуре от 40 до 70 градусов, в интервале pH 6,0-7,8 и солености от 0 до 5% NaCl или KCl и были способны расти на формиате, гидролизовать желатин, по реакции с метиленовым красным, образованию кислоты из арабинозы, восстановлению нитрата до молекулярного азота. Экологически ценным свойством этих бактерии была способность потреблять индивидуальные углеводороды и нефть, низшие спирты и летучие кислоты.

Углеводородоокисляющие бактерии могут применяться в биотехнологиях очистки нефтяных загрязнений [18].

Метанобразующие бактерии (МОБ) или метаногены

Эти микроорганизмы обнаружены в пластах с различными экологическими условиями – минерализацией вод от 4 – 84 г/л, содержанием сульфатов от 0 до 2,5 г/л и сероводорода до 300 мг/л, в интервале температур от 18 до 60 градусов и pH 6,0-8,0. Мезофильные метаногенные сообщества росли в средах с H2+Cob летучими кислотами, этанолом, метанолом, лактатом, глюкозой, пептоном, бензоатом [20]. Мезофильные литотрофные, метилотрофные и ацекластические метаногены относились к родам Methanobacterium, Methanosarcina, Methanothrix [21]. Термофильные метаногены принадлежали к виду Methanobacterium thermoautotrophicum. Термофильный метаногенез наблюдали также в среде с ацетатом. Особенностью метаногенов из нефтяных пластов является устоичивость к повышенному содержанию сероводорода в среде, более широкие границы температуры для роста, чем у соответствующих поверхностных форм.

Скорость метанообразования в нефтяных пластах. Метаногенез были зарегестрированы радиоизотопными методами в пластах с температурой от 18 до 80 градусов. Скорости обоих процессов были максимальны вблизи нагнетальных скважин, что доказывает их приуроченность к зоне окисления нефти [17, 21]. Полученные результаты отображают большую роль аэробно-анаэробных процессов в биотрансформации нефти по сравнению с анаэробными. В карбонатных нефтяных коллекторах, воды которых богаты сульфатами и сероводородом, скорость метаногенеза была в 10-100 раз ниже сульфатредукции. В песчаных коллекторах с низкосульфатными водами преобладал метаногенез. Таким образом, наблюдается дефицит доступных источников углерода и энергии в нефтянх пластах, несмотря на обилие нефтяного органического вещества.

Сульфатвосстанавливающие бактерии (СВБ) или сульфатредуцирующие

Эти бактерии обнаружены в карбонатных и песчанных нефтяных коллекторах с температурой от 18 до 10 градусов, pH 6,0 до 8,6, общей минерализацией среды от 7 до 117 г/л и содержании сероводорода, достигающем 605мг/л. Круг потребляемых ими субстратов включая H2 и CO2? Жирные кислоты, этанол, метанол, лактат, глюкозу, пептон, бензоит, фенол, гексадекан, мелассу.

Сульфатредукция был за до регистрирована радиоизотопными методами в пластах с температурой от 18 до 80 градусов. Скорость была максимальна близи нагнетальных скважин, что доказывает их приуроченность к зоне окисления нефти [17, 21]. Полученные результаты отражают большую роль аэробно-анаэробных процессов в биотрансформации нефти по сравнению с анаэробными. В карбонатных нефтяных коллекторах, воды которых богаты сульфатами и сероводородом, сульфатредукция была доминирующим терминальным процессом и достигала величины 171-237 мкг [22]. Нагнетание сульфатсодержащих вод активизировало сульфидогенез в терригенных пластах, изначально лишенных S [21].

Мезофильные сульфаивосстанавливающие бактерии

Из нефтяных пластов Апшеронского полуострова были выделены сульфатвосстанавливающие бактерии, окисляющие органические соединения с образованием ацетата и СО2. Бактерии потребяляя узкий спектр органических субстратов (лактат, пируват, малат, этанол), восстанавливая сульфат, сульфит или тиосульфат до сероводорода. Одни штаммы росли на водороде хемолитоавтотрофио, другие хемолитогетеротрофию и нуждались в дрожжевом экстракте или ацетате для конструктивного обмена. Помимо сульфаиредукции, бактерии получали энергию в процессе брожения пирувата или фумарата. Полученные результаты подтвердили самостоятельный статус рода и видов Dmb. Baculatu, Dmb. Apsheronum [23].

Термофильные сульфатвосстанавливающие бактерии

Из высокотемпературных нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири и Казахстана и подземных термальных вод нами были выделены умеренно термофильные спорообразующие сульфатвосстанавливающие бактерии, которые по совокупности фенотипических признаков были отнесены к роду Desulfotomaculum [22].

Продукты метаболизма бактерий

В ходе многочисленных лабораторных исследований различных ученых, были выделены продукты метаболизма бактерий, способные воздействовать на процессы вытеснения нефти. Это различные газы, кислоты, ПАВ, растворители, полимеры, и сами бактериальные клетки.

Метаболиты изменяют физико-химические свойства нефти, вытесняющих флюидов (воды), с их помощью возможна очистка скважин от отложений парафинов, смол и асфальтов. В таблице приведен список продуктов метаболизма микроорганизмов и их возможное воздействие на процессы вытеснения нефти. [24-26]

- Биокислоты (уксусная, пропионовая, масляная)

- Биорастворители (ацетон, альдегиды, низкомолекулярные спирты, кетоны)

- Биомасса

- Биополимеры (ксантан, склероглюкан, полисахариды)

- БиоПАВ (анионные диполисахариды, эмульсаны)

- Биогазы

Анаэробные бактерии

Бродильные бактерии

Вследствие анаэробных условий в нефтяных пластах широко распространенной группой являются анаэробные органотрофы с бродильным типом метаболизма [19, 21]. Они обитают в горизонтах с температурой от 20 до 85 градусов и pH от 6,0 до 8,6. Субстратами служили пептон, глюкоза, сахароза, крахмал, бензоит, которые сбраживались с образованием летучих кислот, спиртов, H2CO2 [19, 21, 27]. Бродильная микрофлора была представлена мезофильными бактериями родов Bacteroides Clostridium; умеренно-термофильными бактериями родов Thermoanaerobacter, Thermotoga и Thermosipho и гипертермофильными археямирода Thermococcus [27, 28].

Особенностью этих бактерий была способность потреблять сахар иди пептон как в процессе брожения, так и сопряженно с железо- и сероредукцией [27, 29]. Восстановление элементной серы до сероводородов мезофильными бродильными бактериями наблюдалось в нефтяных пластах Апшерона, термофильную сероредукцию- в пластах Западной Сибири [29]. Активная железоредуцирующая микрофлора обитала в водах Ромашкино, Самотлора и Ляохе [19, 27]. Существенно, что эти бактерии были обнаружены в фонтанирующих скважинах в не заводняемых пластах, что свидетельствовала в пользу их аборигенной природы.

Сера стимулировала рост Thermococcus sibiricus. Этот организм и бактерии родов Thermotoga и Thermofnferobacter восстанавливали железо (Fe3+) молекулярным водородом и пептоном в качестве доноров электронов [27]. Таким образом бродильные бактерии были способны к росту, используя доступные неорганические акцепторы электронов для удаления молекулярного водорода, ингибирующего брожение. Кроме того, бродильные бактерии вступали во взаимоотношения с сульфатредуццирующими и метанообразующими бактериями, которые были непременными компонентами пластовых микробных сообществ [17].