Экспериментальное исследование микробиологического увеличения нефтеотдачи в трещиноватых пористых средах с использованием галофильной бактерии Haloferax mediterranei

Почему крошечные солелюбивые микробы важны для нашего энергетического будущего

Большая часть оставшейся нефти мира заключена в трудно доступных породах, особенно в залежах, пронизанных естественными трещинами. Традиционные методы уже выдавили большую часть легкодоступной нефти, но значительная доля остаётся под землёй. В этом исследовании рассматривается нестандартный помощник: солелюбивый микроб Haloferax mediterranei, который выживает там, где многие организмы погибают. Тщательно подбирая объём внедряемых микробных культур в трещиноватые породы, авторы показывают, что можно перенаправлять потоки воды, высвобождать часть захваченной нефти и делать это с применением биоразлагаемого, потенциально менее вредного подхода по сравнению со многими синтетическими химикатами.

Трещиноватые породы и утерянная нефть

Нефтяные пласты из карбонатных пород, таких как известняк и доломит, часто содержат запутанную сеть трещин. Когда инженеры нагнетают воду в эти формации, чтобы вытеснить нефть к эксплуатационным скважинам, вода стремительно течёт по открытым трещинам и в значительной мере обходят более плотную пористую матрицу, где остаётся много нефти. В результате 35–55% первоначальной нефти может оставаться в пласте даже после первичных и вторичных методов извлечения. Химические методы помогают, но высокая солёность, высокие температуры, а также стоимость и стойкость искусственных полимеров и ПАВ ограничивают их применимость. Идея микробиологического увеличения нефтеотдачи иная: позволить микробам расти в наиболее открытых каналах тока, частично закупоривая эти «короткие пути» и заставляя нагнетаемую воду промывать окружающий горный массив.

Микроб, созданный для экстремальных нефтяных месторождений

Haloferax mediterranei принадлежит к группе микроорганизмов, процветающих в чрезвычайно солёных средах, даже при солёностях более чем в десять раз выше морской и при повышенных температурах. В отличие от многих стандартных нефтяных бактерий, он продолжает расти и производить природное пластоподобное вещество в таких суровых условиях. Это вещество — биоразлагаемый биополимер поли-гидроксибутират — помогает микробам формировать клейкие плёнки на поверхностях породы и внутри трещин. Эти биоплёнки достаточно прочны, чтобы сужать пути потока, но при этом оставляют открытыми мелкие каналы, создавая возможность «вовремя» частичной закупорки: достаточно, чтобы перенаправить воду в насыщенные нефтью участки, но не полностью их запечатать.

Стеклянные макромодели и испытания на настоящих породах

Чтобы проверить идею на практике, команда изготовила прозрачные стеклянные «микромодели», имитирующие трещиноватую пористую породу. Сначала модели заливали сырой нефтью из иранского месторождения, затем пропускали солёную воду, потом вводили микробные растворы с тремя разными уровнями биомассы, а затем снова воду. Наиболее явные результаты наблюдались при умеренной концентрации микробов — 5,07 г/л. В этом случае биоплёнка формировалась преимущественно в трещинах, сужая их и перенаправляя последующую воду в пористую матрицу. Такое дополнительное «промывание» увеличило нефтеотдачу в микромодели на 23 процентных пункта от первоначального объёма нефти по сравнению с простым водоотдачей. Однако при удвоении биомассы отдача резко падала: более толстые и плотные биоплёнки закупоривали не только трещины, но и входы в поровую матрицу, оставляя меньше пространства для движения воды и перемещения нефти.

От лабораторного столика к настоящим трещиноватым кернам

Учёные затем повторили концепцию на реальных карбонатных и доломитовых кернах, искусственно расколотых. До добавления микробов вода проходила по трещинам очень легко. После инъекции микробов проницаемость трещин снизилась примерно на 50–75%, что свидетельствует о том, что биоплёнки успешно ограничивали основные потоки. При проведении опытов по вытеснению нефти с оптимизированным уровнем биомассы дополнительная нефтеотдача во время постмикробного водопромывания составила 14% и 12,6% от первоначальной нефти на двух отдельных кернах. Эти выигрыши были меньше, чем в идеализированных стеклянных моделях — настоящие породы более шероховаты и сложны — но всё же значительны и сопоставимы с улучшениями, отмеченными для других микробных методов, не выдерживающих таких экстремальных солёности.

Поиск «золотой середины»

Ключевой вывод экспериментов в том, что больше микробов не всегда лучше. При низкой биомассе трещины остаются слишком открытыми, и вода продолжает обходить матрицу. При очень высокой биомассе биоплёнки растут так энергично, что перекрывают связь между трещинами и окружающей породой, оставляя нефть в ловушке. Лучшие результаты наблюдались при промежуточной концентрации: достаточное микробное развитие, чтобы сузить крупнейшие трещины и перенаправить поток, но не настолько, чтобы перекрыть доступ к нефтеносной породе. Это поведение «селективной закупорки» — прицельное воздействие на наиболее лёгкие пути потока в первую очередь — возникало естественным образом в результате того, как микробы растут и откладывают свой полимер в трещинах.

Что это значит для будущего добычи нефти

Для широкого читателя итог таков: некоторые экстремофильные микробы могут выступать в роли «умных», самоорганизующихся регуляторов потока в глубинах недр. Подбор подходящего количества Haloferax mediterranei позволит операторам заставить нагнетаемую воду работать эффективнее, вымывая больше нефти из упрямых трещиноватых залежей, при этом опираясь на биоразлагаемые материалы, работающие в условиях жесткой солёности и температуры. Это исследование не решает все проблемы поздней стадии добычи нефти и не заменяет необходимость перехода от ископаемого топлива. Но оно демонстрирует, как биология может быть использована для повышения эффективности существующих месторождений, потенциально уменьшая потребность в новом бурении и извлекая больше энергии из уже развитых полей.

Цитирование: Eslam, B.Z., Hashemi, R., Khaz’ali, A.R. et al. Experimental study of microbial enhanced oil recovery in fractured porous media using the halophilic bacterium Haloferax mediterranei. Sci Rep 16, 7452 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38949-y

Ключевые слова: микробиологическое повышение нефтеотдачи, трещиноватые залежи, Haloferax mediterranei, закупоривание биопленкой, высокосолевые нефтяные месторождения