О роли микроорганизмов в разрушении структуры породы нефтяного пласта

Статья была опубликована в журнале «Геолог Азербайджана». 2002, №7 –с.88-98. 
ISSN-2410-4264

УДК 553:579

О роли микроорганизмов в разрушении структуры

породы нефтяного  пласта

Исмаилов Н.М.
ismaylovn@mail.ru

Аннотация. Современные  биотехнологические
методы повышения 

нефтеотдачи  предполагают введение извне в пласт микроорганизмов
продуцентов 
 
агентов
вытеснения 
нефти
и 
интенсификацию 
их 

жизнедеятельности.
Нефтяной 
пласт 
постепенно 
преобразуется 
и 

модифицируется   в 4-х фазную полидисперсную систему, в которой 

дополнительно к естественным трѐм фазам формируется биогенная фаза –

т.н.
«биопленка» (комплекс аэробных и анаэробных микроорганизмов).

Микроорганизмы превращаются в мощный биогеологический фактор 

воздействия на нефтяной коллектор. Это приводит к преобразованию фаз, в 

том числе и нефтесодержащих пород. Одним из проявлений такого 

воздействия   является выщелачивание минералов, цементирующих породы 

коллектора.Процесс выщелачивания минералов, цементирующих породы, 

независимо от их характера, может
включать   физико-химические 

(абиотические) и  микробиологические (биотические) факторы, а также их  

совместное воздействие.
При селективном выщелачивании минералов   

коллекторские свойства породы могут быть модифицированы как в сторону 

ухудшения, так и в сторону  улучшения фильтрационных свойств порового 

пространства пласта.

Ключевые слова:
нефтяной пласт; породы; биогенная фаза;  микробные 

технологии; микроорганизмы; бактериальный фильтр; микробное выщелачивание; 

продукты выщалачивания. 

Введение

До настоящего времени одной из практических мер   предварительной 

подготовки поверхностных и промысловых сточных  вод для закачки в 

нефтяные пласты при заводнении состоит в максимально полном   

освобождении от  кислорода и  микроорганизмов.  В противоположность 

этому,  все современные  биотехнологические  методы повышения 

нефтеотдачи  предполагают введение извне в пласт микроорганизмов
продуцентов  агентов вытеснения нефти (газов, биоПАВ, растворителей, 

биозагустителей, 
биореагентов
и 
др.) 
и 
интенсификацию 
их 

жизнедеятельности (Беляев и др., 1993; Иванов М.В., Беляев С.С., 1985; 1989;  

Ибатулин Р.Р., и др., 1993; Двейрин В.Л.,1990; Загидуллина Л.Н., 2002; 

Исмаилов Н.М., 2011; Исмаилов Н.М., Алиева С.Р., 2010).      Естественно 

при этом полагать,  что  микроорганизмы, как живые системы, могут 

оказывать 
воздействие 
на 
нефтяной 
коллектор 
не 
только 
путем 

интенсификации 
биокоррозии, 
но 
и 
участвовать 
в 
другого 
рода   

геохимических процессах, конечным итогом которого является  разрушение  

породообразующих минералов.     

Цель проведенных исследованийна основе системного анализа 

имеющихся данных вычленить роль  микроорганизмов в выщелачивании  

пород 
нефтяных 
пластов
при 
использовании 
третичных 
методов
использовании биотехнологий с целью повышения нефтеотдачи истощенных 

нефтяных пластов. 

Методы исследований. В основе проведенного нами анализа роли 

микроорганизмов в разрушении пород нефтяного пласта лежат анализ и 

обобщение основополагающих работ (Айлер Р., 1982; Абрикосов И.Х., 

Гутман И.С., 1982; Аристовской Т.В., 1980; Гаджи-Касумова А.С., Карцева 

А.А., 1984; Сушкина Н.Н., Цюрупа И.Г., 1973; Милло Ж.,1968).

Результаты и их обсуждение.

С начала вскрытия нефтяного пласта 
и его эксплуатации с 

использованием  вторичных и третичных методов воздействия он 

превращается в открытую проточную систему, в которую на входе вводятся  

поверхностные воды и различные агенты воздействия – щелочи и кислоты, 

ПАВ и полимеры, другие органические соединения. Но одновременно   в 

составе этих соединений в пласт, как правило, попадают микроорганизмы

(Розанова   Е.П.,   Кузнецов   С.И.  ,1974). В призабойных зонах скважин они 

выживают   и адаптируются к реальным физико-химическим условиям 

пласта,  начинают осуществлять свою жизнедеятельность. Со  временем при 

благоприятных   физико-химических условиях   микроорганизмы  могут 

распространяться по всему нефтяному коллектору и    заселять не только 

призабойные зоны нагнетательных скважин (т.н. зона окисления), но и зоны, 

достаточно удаленные от  забоя  (т.н. зона восстановления).  

Специфика нефтяного пласта как среды обитания микроорганизмов 

состоит в том, что он представляет собой 3-х фазную систему с очень 

развитой твердой поверхностью, которая соседствует с жидкой и газовой 

фазами. После вскрытия и начала технологического воздействия (закачка 

поверхностных вод и др.) нефтяной пласт постепенно преобразуется и 

модифицируется   в 4-х фазную полидисперсную систему, в которой 

дополнительно к естественным трѐм фазам формируется биогенная фаза –

т.н.
«биопленка» (комплекс аэробных и анаэробных микроорганизмов). 

Начинает функционировать  «биореактор», в котором осуществляются 

сложные процессы превращения неорганических и органических веществ, 

как вносимых извне, так и пластовых (рис.1-2).

Рис. 1. Строение бактериального фильтра(биофильтра) 

нефтяного пласта

Рис.2. Проточное культивирование микроорганизмов в условиях 

нефтяного пласта  при питательном заводнении

С этого  периода микроорганизмы, наряду с физико-химическими 

факторами, превращаются в мощный биогеологический фактор воздействия 

на нефтяной коллектор. Это приводит к преобразованию фаз, в том числе и 

нефтесодержащих пород. Одним из проявлений такого воздействия   

является разложение (выщелачивание) минералов, цементирующих породы 

коллектора.

Биофильтр 

Биофильтр 
Биофильтр 

Добывающая 
скважина 

Нагнетательная 
скважина 

Нефтяной пласт

Процесс 
выщелачивания 
минералов, 
цементирующих 
породы, 

независимо от их характера, может включать   физико-химические 

(абиотические) и  микробиологические (биотические) факторы, а также их  

совместное воздействие (рис.3).

Рис.3. Схема воздействия гидрохимических и микробиологических факторов 

на структуру породы-коллектора нефти при технологических воздействиях 

на пласт: а-прямое  и  б- опосредованное воздействие микроорганизмов на 

выщелачивание. 

Среди физико-химических процессов выветривания значительная роль 

принадлежит процессам гидролиза. Гидролиз, выщелачивание водой 

минеральных 
солей 
является 
основным 
химическим 
механизмом 

выветривания силикатов. Это было подтверждено экспериментами на 

моделях нефтяного пласта. В условиях нефтяного пласта выщелачивание 

породы может   проявляться   с  началом использования  заводнения, а 

интенсивность выщелачивания при прочих равных условиях- временем 

эксплуатации. Так, с увеличением глинистости и мелкозернистых фракций в 

скелете пористой среды   увеличивается удельная поверхность контакта 

агентов выщелачивания и породообразующих минералов, что способствует 

повышению количества выносимой с нефтяной фазой микрочастиц. 

Количество микрочастиц, выделенных  из продукции   скважин двух 

Продукты 

выщелачивания

Микробное 

выщелачивание

Технологические 

воздействия на пласт 

Выщелачивание 

а

б

различных месторождений, разрабатываемых методом заводнения, но 

отличающихся   длительностью эксплуатации, резко отличались. Так, в 

продукции 
скважин 
месторождения 
Балаханы-Сабунчи-Раманы, 

разрабатывающиеся свыше ста лет,     содержание  частиц пород составляло 

32-136 мг/л,  а в месторождении Гюнешли, эксплуатирующиеся  с 1979г,  

содержание частиц составило всего 0,02-0,08мг/л.(Мусаев Р.А., Гашимов А.Ф. 

,2001, 2001а).
Масштабы выщелачивания нередко весьма внушительны: 

например, в центральной части Волго-Камского района с 1 км2
ежегодно

выносятся около 3,5 т растворимых солей (Смехов М., Дорофеева Т.В.,1987).

Возрастанию скорости гидролиза будет благоприятствовать   низкие 

значения рН в микрозонах пласта, присутствие кислых анионов. С 

повышением температуры  пласта скорость гидролиза минеральных 

элементов будет  ускоряться – она должна удваиваться при повышении 

температуры пласта с 26 до 300С. Выщелачивание породообразующих 

минералов с преобладанием механизма гидролиза может начинаться с  

началом интенсивного  внутриконтурного заводнения коллектора – наиболее 

интенсивно  будут выщелачиваться минералы, содержащие К, Са и Mg в 

обменной  или изоморфно  замещенной форме. 

Агентами  разрушения пород непосредственно могут быть также 

различные реагенты, например,  растворы соляной или серной кислот, 

карбонизированная вод, СО2
и др., используемых в технологических 

процессах для обработки призабойных зон скважин, а также   продукты, 

образующиеся  при взаимодействии этих соединений с углеводородами, 

например, сульфокислоты. Методы вытеснения нефти мицеллярными 

растворами 
включает 
использование 
изопропилового, 
бутилового, 

гексилового спирта. Они  непосредственно,  а также  их  окисленные 

продукты,     в свою очередь, могут оказывать растворяющее действие на 

породообразующие минералы.

Через 1-2 года после начала заводнения поверхностными водами в 

случае   интенсивного  развития  микроорганизмов (их численность может 

достигать до  103 – 105 кл/мл) в нефтяном пласте  технические и физико
химические процессы выщелачивания  минеральных элементов могут  

дополняться и сочетаться  микробиологическими. В чем же суть и основные 

закономерности микробного выщелачивания минералов  в нефтяном пласте? 

Для поддержания своей жизнедеятельности  в условиях  нефтяного 

пласта микроорганизмам,  как и всем живым существам, наряду с 

органическими соединениями необходимы   и минеральные.

Процесс выщелачивания приобретает жизненно  важное значение для 

микроорганизмов 
как 
фактор, 
обеспечивающий 
 
их 
 
элементами 

минерального питания.  В условиях пласта минералы породы, по существу,

единственные, 
или 
почти 
единственные 
их 
источники 
 
для   

микроорганизмов. Пути и механизмы воздействия микроорганизмов на 

породообразующие минералы могут отличаться в зависимости  от видовых 

особенностей микробных систем и физико-химических свойств коллектора. 

В нефтяном пласте могут иметь место прямое и косвенное воздействие 

микроорганизмов на кристаллические решетки минералов и перехода 

содержащихся в них элементов в подвижное состояние (рис.3).

Примером прямого, непосредственного воздействия могут служить 

воздействие микробных ферментов на породы, содержащие в своем составе 

элементы с переменной валентностью (рис.3а).  Минеральные  элементы, 

содержащиеся в породах, под воздействием на них микробных ферментов  

вовлекаются в окислительно-восстановительные реакции, что в конечном 

итоге  является причиной разрушения минерала.  Например,  железо  в 

силикатах (и карбонатах) часто находится в форме восстановленного  Fe+2.  В 

призабойной зоне нефтяных  скважин в микрозонах, где имеется кислород в 

необходимом количестве, Fe+2 может окислиться  в Fe+3 – значительно более  

подвижное. При этом нарушается устойчивость кристаллической решетки. 

Кроме того, Fe  может легко формировать железо-органические комплексы с 

продуктами окисления углеводородов и других органических веществ,  

содержащихся в закачиваемых поверхностных водах и фильтрационными 

потоками выноситься за пределы породы.

Наиболее универсальным и эффективным средством извлечения 

минералов из нефтяных пород для микроорганизмов является, вероятно, 

косвенное воздействие их на минералы (рис.3б). Речь может идти о 

разрушении 
породы 
 
 
с 
помощью 
соединений, 
продуцируемых 

микроорганизмами в процессе обмена веществ и представляющих собой 

сильные химические агенты. К их числу относятся разнообразные слизи,   

органические
кислоты, биогенные щелочи, хелатообразователи и др. 

вещества, обладающими сильными редуцирующими  свойствами.

Большое значение в разрушении пород может иметь слизеобразование, 

характерное для многих микроорганизмов. Слизи представляют собой 

большей частью полисахариды, содержащие уроновые кислоты. Имеющиеся 

в их составе карбоксильные и фенольные группы ответственны за распад 

кристаллических 
решеток 
 
минералов. 
Реагируя 
с 
определенными 

химическими элементами, они образуют комплексные связи, что приводит к 

выходу соответствующих веществ из состава кристаллических решеток и 

переходу их в раствор и выносу фильтрационным потоком за пределы среды. 

Кроме 
того, 
бактериальные 
слизи, 
обволакивая 
частички 
песка, 

освобожденных от цементирующих их минералов, гелеобразным покровом, 

как бы смазывая их, могут пластифицировать их, придавать им  большую 

подвижность и способность к миграции.

Среди микробных кислот имеются такие сильные кислоты, как азотная и 

серная. При избирательном поглощении катионов микроорганизмами 

освобождаются минеральные кислоты, которые обусловливают разрушение 

породообразующих минералов.  Источником биогенных щелочей  в пласте 

могут быть главным образом соли слабых органических кислот и сильных 

оснований, вносимых в пласт при их эксплуатации (например, при щелочном 

заводнении пласта), а также карбонатов и бикарбонатов, содержащихся в 

пластовых водах. Образуемые при разложении углеводородов и вносимых в 

пласт органических веществ карбонаты и бикарбонаты вызывают повышение 

рН в среде, в результате чего алюмосиликаты  могут подвергаться 

выщелачиванию.

Наряду с этим в  нефтяном пласте  микроорганизмами образуются 

разнообразный 
спектр 
органических 
кислот 
при 
 
 
 
разложении  

углеводородов, а также в случае внесения извне органических соединений  

(биоразлагаемых ПАВ, углеводов и др.). Это могут быть как простые 

низкомолекулярные, так  и высокомолекулярные кислоты, в том числе  

циклической природы. Способность к кислотообразованию очень широко 

распространена у гетеротрофных микроорганизмов и, несомненно, играет 

большую роль в разрушении скелета пород.  Образование органических 

кислот в количестве до 340мг/л с преобладанием уксусной кислоты и 

значительное – до 55-1975 мг/л выщелачивание магния, кремния, кальция и 

натрия из силикатного песка доказано в модели нефтяного пласта.  

Кроме того,   органические кислоты и оксикислоты, образующиеся 

микроорганизмами, способны образовывать внутрикомплексные соединения 

хелатного 
типа 
с 
освобождающимися 
при 
разрушении 
минералов 

элементами. В комплексах этого типа ионы металлов связываются с 

органическими радикалами в форме циклических соединений, весьма 

устойчивых в широком диапазоне рН, Eh и др. ф/х–их условий среды. В 

результате хелатизации многие минералы способны растворяться и в 

дальнейшем извлекаться из породы, тем самым
оказывая на неѐ 

разрушающее воздействие.  Среди продуктов обмена микроорганизмов есть 

множество 
органических 
соединений, 
способных 
к 
образованию 

комплексных связей с самыми различными химическими элементами. Одни 

только оксикислоты образуют комплексы более чем с 60 элементами.

Например, 2-кетоглюконовая кислота, образующаяся бактериями из рода 

Pseudomonas, энергично растворяет 1-17% SiO2, 13-63% Са, 3-54% Mg, 16% 

Al и 5% К  от их валового содержания в минералах. Активными 

комплексообразующими 
свойствами 
обладают 
также 
полифенолы, 

образующиеся при микробном окислении углеводородов ароматического 

ряда.

Необходимо отметить, что   способность различных элементов  

образовывать комплексы с продуктами жизнедеятельности микроорганизмов 

и др. органическими веществами неодинакова. Наибольшей активностью 

образования комплексов   характеризуется Fe, которое за редким 

исключением, целиком связывается в комплексах. SiO2 и Al также энергично 

вступают в комплексные соединения – от 10 до 90% растворенного элемента 

находится в комплексной форме, Ca и  Mg связываются в комплексах 

несколько слабее. Развитие комплексообразования возможно даже при очень 

небольших количествах органического вещества – 0,22%. Присутствие 

органических 
веществ 
может 
стимулировать 
формирование

металлоорганических 
комплексов, 
характеризующихся 
высокой 

устойчивостью и подвижностью, что будет способствовать их миграции  в 

пласте в составе  фильтрующихся потоков.   Обнаружение    в  пластовых 

водах Бинагадинского и Лок-Батанского месторождений   до 7-42  мг/л 

органических соединений разнообразной природы может способствовать 

выщелачиванию  породообразующих минералов.

В общем, активными комплексообразующими хелатизаторами являются 

самые разнообразные органические соединения, содержащие гидроксильные,

карбоксильные, аминные, кетонные, фенольные группы. Хелатизация 

является главным фактором биохимического разрушения минералов.

Одним из факторов, непосредственно или косвенно воздействующих на 

породообразующие минералы, являются также газы – СО2, СН4, Н2,

образующиеся в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Так, 

интенсивное образование СО2 в соответствии с карбонатным равновесием 

может сопровождаться его переходом в пластовую воду в виде карбонатных 

и бикарбонатных ионов, оказывающих растворяющее воздействие на 

минералы. Определенная часть газов может находиться в свободном 

состоянии, насыщая поры коллектора, они оказывают эффект  «воздушного