Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
A significant amount of crude oil is trapped in reservoirs and is often not recovered by conventional oil recovery methods. The oil industry is faced with the problems of removing sulfur, metals, nitrogen, as well as undesirable organic compounds from crude oil. Traditional secondary extraction methods such as water and gas injection help to increase well productivity, while chemical and physical purification processes such as hydrodesulfurization and high-temperature high-pressure treatment remove most inorganic impurities. The growing demand for oil in the world, combined with very strict environmental protection laws, has put economic and technical pressure on the refining industry to further increase oil recovery, as well as reduce the concentration of sulfur, metals and nitrogen to low levels. In the search for cost-effective and environmentally friendly solutions, increasing attention is being paid to biotechnology, such as the use of the microbiological method of enhanced oil recovery (MEOR). MEOR is an alternative recovery method that uses microorganisms and their metabolic products. In addition, new areas of crude oil refining and related industrial processes such as biodesulfurization, biodetallization, biodenitogenization and biotransformation are being considered. The article provides general information about MEOR, in particular, the method of extracting oil by producing microbiological gas, and highlights the problems that must be overcome in order to achieve commercial success. From a practical point of view, an assessment is given of the composition of local microorganisms and their metabolic pathways to prevent unwanted growth, degradation and formation of gases, the possibility of effective transportation of a growth stimulant/inhibitor, as well as the possibility of reducing its cost. It is noted that the production of microbial gas should be sufficient to achieve the desired effect, and the growth of bacteria should not lead to a complete blockage of the reservoir.
petroleum industry, oil extraction, biotechnology, microbiological enhanced oil recovery (MEOR)
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.
1. Markova V. M., Churashev V. N. Jevoljucija prognozov razvitija mirovoj i rossijskoj jenergetiki: sposob otveta na jekonomicheskie vyzovy [The evolution of fore-casts for the development of global and Russian energy: a way to respond to economic challenges]. Mir jekonomiki i upravlenija, 2020, vol. 20, no. 3, pp. 108-138.
2. Bachmann R. T., Johnson A. C., Edyvean R. G. J. Biotechnology in the petroleum industry: an overview. International Biodeterioration & Biodegradation, 2014, vol. 86, pp. 225-237.
3. Podymov E. D., Slesareva V. V., Rafikova K. R. Obzor predstavlenij o klassifikacii metodov uvelichenija nefteizvlechenija [An overview of the concepts of classification of methods for increasing oil recovery]. Sbornik nauchnyh trudov TatNI-PIneft'. N. LXXVIII. Moscow, Vserossijskij nauchno-issledovatel'skij institut organizacii, upravlenija i jekonomiki neftegazovoj promyshlennosti, 2010. Pp. 150-160.
4. Shkol'naja A. V. Vlijanie metodov povyshenija nefteotdachi na fiziko-himicheskij sostav plastovyh fljuidov v processe razrabotki neftjanyh mestorozhdenij: vypusknaja kvalifikacionnaja rabota bakalavra [The influence of enhanced oil recovery methods on the physico-chemical composition of reservoir fluids in the process of oil field development: Bachelor's graduation thesis]. Tomsk, 2023. Available at: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/76267 (accessed: 01.09.2024).
5. Demler Ju. A. Vlijanie nizkochastotnogo ul'trazvu-kovogo vozdejstvija na reologicheskie parametry fljuida neftegazokondensatnogo mestorozhdenija: vypusknaja kvalifikacionnaja rabota bakalavra [The effect of low-frequency ultrasonic exposure on the rheological parameters of the fluid of an oil and gas condensate field: bachelor's graduation thesis]. Krasnojarsk, SFU, 2021. Available at: https://elib.sfu-kras.ru/handle/2311/144140 (accessed: 01.09.2024).
6. Gataullin R. N. Sostojanie razrabotki mestorozhdenij tjazheloj nefti i prirodnyh bitumov [The state of development of heavy oil and natural bitumen deposits]. Vestnik tehnologicheskogo universiteta, 2018, vol. 21, no. 10, pp. 71-82.
7. Antoniadi D. G. i dr. Analiz sushhestvujushhih metodov bor'by s asfal'tosmoloparafinovymi otlozhenijami (ASPO) pri dobyche nefti [Analysis of existing methods of combating asphalt-resin-paraffin deposits (ASF) in oil production]. Stroitel'stvo neftjanyh i gazovyh skvazhin na sushe i na more, 2011, no. 9, pp. 32-37.
8. Bogdanov M. A., Hajrullina L. B. Povyshenie urovnja jekologicheskoj bezopasnosti pri ispol'zovanii biotehnologij dlja snizhenija vjazkosti nefti [Increasing the level of environmental safety when using biotechnologies to reduce the viscosity of oil]. Perspektivnye tehnologii i materialy: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Sevastopol', SGU, 2021. Pp. 257-261.
9. Malhasjan K. A., Popov D. V., Bulatov V. R. Pov-yshenie nefteotdachi plastov pri ispol'zovanii polimerov [Enhanced oil recovery when using polymers]. Problemy geologii i osvoenija nedr: trudy XXV Mezhdunarodnogo simpoziuma imeni akademika M. A. Usova studentov i molodyh uchjonyh, posvjashhennogo 120-letiju gorno-geologicheskogo obrazovanija v Sibiri, 125-letiju so dnja osnovanija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. Tomsk, Izd-vo TPU, 2021, vol. 2. Pp. 90-92.
10. Nazarov V., Krasnov O., Medvedeva L. Arkticheskij neftegazonosnyj shel'f Rossii na jetape smeny mirovogo jenergeticheskogo bazisa [Russia's Arctic oil and gas shelf at the stage of changing the global energy base]. Jenergeticheskaja politika, 2021. Available at: https://energypolicy.ru/arkticheskij-neftegazonosnyj-shelf-rossii-na-etape-smeny-mirovogo-energeticheskogo-bazisa/regiony/2021/09/15/ (accessed: 01.09.2024).
11. Galushko M. V., Dan'shina A. P. Slancevaja neft' v strukture sovremennogo toplivno-jenergeticheskogo kom-pleksa: polozhenie, problemy, perspektivy razvitija [Shale oil in the structure of the modern fuel and energy complex: situation, problems, development prospects]. Obshhestvo, obrazovanie, nauka v sovremennyh paradigmah razvitija: sbornik trudov po materialam III Nacional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii. Kerch, KGMTU, 2022. Pp. 128-134.
12. Rjashhina A. D., Leont'eva S. V. Analiz sovremen-nyh metodov obezvrezhivanija nefteshlamov [Analysis of modern methods of oil sludge disposal]. Evrazijskij sojuz uchenyh, 2020, no. 11-7 (80), pp. 59-66.
13. Evans G. M., Furlong J. C. Environmental biotech-nology: theory and application. John Wiley & Sons, 2003. 300 p.
14. Debabov V. G. Biotehnologija – shans dlja Rossii [Biotechnology is a chance for Russia]. Innovacii, 2014, no. 3 (185), pp. 3-5.
15. Kajyrmanova G. K. i dr. Priemy konservacii perspektivnyh v neftjanoj promyshlennosti bakterij dlja sohranenija biologicheskih svojstv [Conservation techniques for promising bacteria in the oil industry to preserve biological properties]. Vestnik neftegazovoj otrasli Kazahstana, 2024, vol. 6, no. 1, pp. 110-119.
16. Obuhova P. V. Metody bor'by s bakterial'noj korroziej dlja uslovij neftegazodobychi v uslovijah Vankorskogo neftjanogo mestorozhdenija: magisterskaja dissertacija [Methods of combating bacterial corrosion for oil and gas production conditions in the conditions of the Vankor oil field: master's thesis]. Krasnojarsk, SFU, 2017. Available at: https://elib.sfu-kras.ru/handle/2311/65716 (accessed: 01.09.2024).
17. Jakupov I. R. i dr. Ocenka vozmozhnosti ispol'zovanija processov vnutriplastovoj konversii pri osvoenii tjazhelyh vysokovjazkih neftej [Assessment of the possibility of using intra-reservoir conversion processes in the development of heavy high-viscosity oils]. Vestnik tehnologicheskogo universiteta, 2015, vol. 18, no. 19, pp. 35-39.
18. Sokolova D. Sh. i dr. Mikrobnoe raznoobrazie v mestorozhdenijah tjazheloj nefti kak osnova dlja sozdanija biotehnologij uvelichenija nefteizvlechenija [Microbial diversity in heavy oil deposits as a basis for the creation of biotechnologies to increase oil recovery]. Biotehnologija: sostojanie i perspektivy razvitija: materialy Mezhdunarodnogo foruma, vol. 18. Moscow, OOO «Jekspo-biohim-tehnologii», 2020. Pp. 365-367.
19. Kul'minskaja A. A. O potenciale mikrobnyh sistem i fermentov dlja vozobnovljaemoj promyshlennoj bio-tehnologii [On the potential of microbial systems and en-zymes for renewable industrial biotechnology]. Sbornik trudov Kurchatovskogo genomnogo foruma, vol. 17. Moscow, FGBU «Nacional'nyj issledovatel'skij centr «Kurchatovskij institut», 2023. Pp. 90-91.
20. Evdokimov N. S., Smyshljaeva A. A. Vnedrenie biotehnologicheskih metodov pererabotki poputnogo neftjanogo gaza [Introduction of biotechnological methods for processing associated petroleum gas]. Bezopasnost' gorodskoj sredy: materialy VIII Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Omsk, OGTU, 2021. Pp. 3-8.
