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通訊員 任厚毅

2019年的某一天，勝利油田石油工程技術(shù)研究院微生物所專(zhuān)家林軍章從孤島油田帶回一瓶地下水采樣，里面含有各種微生物、古菌之類(lèi)的。這很平常，微生物所的科研人員經(jīng)常收集、培養(yǎng)、研究這些菌樣，從中發(fā)現(xiàn)一些有益于石油開(kāi)采的細(xì)菌之類(lèi)的，加以培養(yǎng)放大，為微生物采油做貢獻(xiàn)。

“真的沒(méi)有想到，這里面竟然含有一種從未發(fā)現(xiàn)過(guò)的全新古菌，完全打破了傳統(tǒng)認(rèn)知，有望讓一些瀕臨枯竭的老油田起死回生。”林軍章說(shuō)。

中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)古菌生產(chǎn)甲烷全新途徑

北京時(shí)間2021年12月23日凌晨0時(shí)，世界著名《自然》雜志在線發(fā)表中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。由農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所、中石化微生物采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及深圳大學(xué)、德國(guó)馬克斯普朗克海洋微生物研究所等組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)一種來(lái)自油藏的新型產(chǎn)甲烷古菌，可在厭氧環(huán)境下直接氧化原油中的長(zhǎng)鏈烷基烴產(chǎn)生甲烷，突破了產(chǎn)甲烷古菌只能利用簡(jiǎn)單化合物生長(zhǎng)的傳統(tǒng)認(rèn)知，拓展了對(duì)產(chǎn)甲烷古菌碳代謝功能的認(rèn)知。

“簡(jiǎn)單地說(shuō)，以前都是混合菌群，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的代謝分解，才產(chǎn)生出甲烷，而這個(gè)菌，僅憑‘一己之力’，并且在較短時(shí)間內(nèi)，就能將長(zhǎng)鏈?zhǔn)头纸猓a(chǎn)生出甲烷，意義相當(dāng)重大。”林軍章解釋說(shuō)。

“新發(fā)現(xiàn)揭示了古菌產(chǎn)生甲烷的全新途徑，打破了原油降解產(chǎn)甲烷需要多種微生物參與、調(diào)控難度大的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，該發(fā)現(xiàn)為構(gòu)建高效氣化菌系及實(shí)現(xiàn)氣化技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用奠定重要科學(xué)基礎(chǔ)。”林軍章補(bǔ)充說(shuō)。

“智慧科學(xué)迷”微博說(shuō)得更形象：宇宙中有沒(méi)有以核能為食的哥斯拉，到目前為止還不清楚，但有一種吃石油排甲烷的神秘微生物被我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。該微生物結(jié)合了石油降解器和甲烷生成器的特性，可以將石油分解為甲烷和二氧化碳。

這是一條以前完全未知的甲烷生成途徑。該研究成果讓科學(xué)家對(duì)地下石油的開(kāi)采有了全新的了解，未來(lái)幾年可以重點(diǎn)研究如何工業(yè)化，有望能使未充分開(kāi)發(fā)的油田重新被開(kāi)發(fā)。

揭開(kāi)產(chǎn)甲烷新古菌的神秘面紗

產(chǎn)甲烷古菌是一種獨(dú)特的厭氧微生物，對(duì)氧氣敏感，通常在空氣中暴露幾分鐘就會(huì)死亡。它之所以被稱(chēng)為“古菌”，是因?yàn)檫@種獨(dú)特的生命早在35億年前就存在于地球之上。它是地球上生命起源最早的一類(lèi)原核微生物，也是全球大氣甲烷排放的主要貢獻(xiàn)者。正是它們與細(xì)菌一起，在缺氧環(huán)境中將有機(jī)質(zhì)降解、產(chǎn)生甲烷（也就是沼氣發(fā)酵）。根據(jù)已有的研究，這種古菌僅能通過(guò)乙酸發(fā)酵、二氧化碳還原、甲基裂解和氧甲基轉(zhuǎn)化這四條途徑產(chǎn)生甲烷。而最新成果研究提出了古菌產(chǎn)生甲烷的第五條途徑。

早在1999年，德國(guó)科學(xué)家首次證實(shí)了石油烴降解產(chǎn)甲烷的生物學(xué)過(guò)程。十年后，加拿大科學(xué)家報(bào)道了油藏中石油烴降解產(chǎn)甲烷也是一種常見(jiàn)的生物過(guò)程：微生物可以“吃”掉石油烴，將這種碳?xì)溆袡C(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷，但是這樣的轉(zhuǎn)化過(guò)程非常緩慢，整個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程也十分復(fù)雜，涉及降解有機(jī)物和合成甲烷兩個(gè)截然不同的步驟。

“通常產(chǎn)甲烷古菌的生長(zhǎng)周期都需要一兩年以上時(shí)間，文獻(xiàn)報(bào)道的最長(zhǎng)培養(yǎng)時(shí)間超過(guò)800天。也就是說(shuō)，在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，你休兩年假回來(lái)都不晚。“林軍章笑說(shuō)，“但在培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)，這次從孤島油田中取樣的菌液，產(chǎn)氣速率卻非常快，跟其他菌液很不一樣。”林軍章敏銳捕捉到了實(shí)驗(yàn)中的異樣，將樣品送到了長(zhǎng)期合作的農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所。

沼氣科學(xué)研究所一直從事厭氧微生物的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，對(duì)本次異常古菌也是高度重視。經(jīng)反復(fù)研究比對(duì)驗(yàn)證，神秘古菌浮出水面，并被逐步揭開(kāi)面紗。

全新認(rèn)識(shí)有望讓老油田“復(fù)活”

傳統(tǒng)的原油開(kāi)采技術(shù)，主要是應(yīng)用化學(xué)物質(zhì)或水壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)地下深層的原油運(yùn)移。“這種利用物理和化學(xué)方法采油的技術(shù)，仍然有超過(guò)一半的原油殘留在地下油藏，難以被開(kāi)采利用。”中石化微生物采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室勝利油田微生物采油首席專(zhuān)家汪衛(wèi)東說(shuō)。

基于這項(xiàng)研究成果 ，將有可能利用地下厭氧微生物的作用，把液態(tài)的原油降解變成氣態(tài)的甲烷，形成油氣共采，最終達(dá)到比較高效率的原油開(kāi)采利用率。這也可延長(zhǎng)油藏的開(kāi)發(fā)壽命，有望讓老油田“復(fù)活”。

“液體原油氣采，相當(dāng)于在原來(lái)的基礎(chǔ)上，提高至少20個(gè)百分點(diǎn)的采收率。”林軍章說(shuō)。

沼氣科學(xué)研究所所長(zhǎng)王登山認(rèn)為，這項(xiàng)成果是從"0"到"1"的基礎(chǔ)研究認(rèn)知，是開(kāi)創(chuàng)性的。為人們開(kāi)發(fā)"地下沼氣工程"奠定了理論基礎(chǔ)。

“地下的油不用抽出來(lái)，可以直接把油變成氣，讓氣體出來(lái)，進(jìn)行甲烷的收集。這相當(dāng)于我們把沼氣池修在了幾千米的地下油藏中，形成平方公里尺度的巨大'地下沼氣池'。”因此，基于該項(xiàng)成果的技術(shù)攻關(guān)一旦突破，對(duì)枯竭油藏進(jìn)行油氣共采，增產(chǎn)的油氣總量將達(dá)到數(shù)億噸。這將為緩解我國(guó)能源對(duì)外依賴(lài)度，保障國(guó)家能源安全提供科學(xué)支撐。

“當(dāng)然，要達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用水平，這里面還需要很長(zhǎng)的路要走，還需要方面面面從理論到試驗(yàn)到應(yīng)用的配合。”林軍章說(shuō)。

基礎(chǔ)理論研究推動(dòng)微生物采油技術(shù)快速發(fā)展

早在2007年，勝利油田就與沼氣科研所合作，從羅801區(qū)塊產(chǎn)出液中分離得到一株新的產(chǎn)甲烷菌，經(jīng)鑒定為新屬，并以“勝利油田”命名為“勝利嗜熱甲烷微球菌”，并且得到了國(guó)際菌種保藏中心（DSMZ）的認(rèn)證。新誕生的產(chǎn)甲烷菌種是所見(jiàn)報(bào)道中生長(zhǎng)溫度最高的甲基營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌。這也是我國(guó)科技工作者在產(chǎn)甲烷古菌研究領(lǐng)域中首次申報(bào)的新屬。

羅01區(qū)塊由于長(zhǎng)期實(shí)施微生物驅(qū)油，地下微生物“兵團(tuán)”兵強(qiáng)馬壯，實(shí)力雄厚，有效控制著區(qū)塊含水緩上升，原油穩(wěn)增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該區(qū)塊實(shí)施20多年以來(lái)，累計(jì)增油17萬(wàn)噸以上，階段提高采收率5.93%。據(jù)了解，這也是國(guó)際上迄今實(shí)施時(shí)間最長(zhǎng)、效果最顯著的微生物驅(qū)油區(qū)塊。

嘗到了微生物基礎(chǔ)研究的甜頭，這些年，中石化微生物采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室除了同農(nóng)業(yè)部沼氣研究所合作首次發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)甲烷古菌外，在微生物嗜烴降黏機(jī)制、潤(rùn)濕改性機(jī)制、菌群調(diào)控理論等方面也取得較大進(jìn)展；同中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，揭示了微生物降解膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子機(jī)制；同中國(guó)科學(xué)院合作，明確了微生物界面潤(rùn)濕改性機(jī)制；同南開(kāi)大學(xué)合作，發(fā)現(xiàn)內(nèi)源菌群演替變化的生態(tài)機(jī)制，形成內(nèi)源菌群定向激活調(diào)控技術(shù)。近三年在《Nature》、《Molecules》、《Energy Fuels》等SCI期刊發(fā)表文章30余篇，形成的研究成果均處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

基礎(chǔ)理論研究的突破推動(dòng)了微生物采油技術(shù)的快速發(fā)展，在油藏的適用范圍不斷提高。近三年勝利油田的微生物采油技術(shù)覆蓋地質(zhì)儲(chǔ)量由700萬(wàn)噸提高到2600萬(wàn)噸，年增油量由4萬(wàn)噸提高到18萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)十四五末將達(dá)到30萬(wàn)噸以上。