利用微生物的封堵作用提高原油采收率

在油田注水開發(fā)過(guò)程中，油層內(nèi)微生物活動(dòng)引起的地層堵塞和生產(chǎn)系統(tǒng)的腐蝕問(wèn)題一直受到很大關(guān)注，因?yàn)榈貙佣氯梢栽斐勺⑷肽芰ο陆颠M(jìn)而降低注水驅(qū)替效率;而微生物腐蝕使生產(chǎn)成本增加。但在三次采油過(guò)程中，通過(guò)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的注入刺激某些微生物在油層中的生長(zhǎng)與繁殖(同時(shí)抑制硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng))，微生物一些代謝產(chǎn)物可以在高滲透區(qū)形成深度堵塞，利用微生物的這一作用可以使注入水進(jìn)入二次采油過(guò)程中沒有被水所波及到的低滲透區(qū)去驅(qū)油來(lái)提高采收率，這就是微生物的選擇性封堵(Microbial Selective Plugging，MSP)。在當(dāng)今注重環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益的氛圍下，與其它堵水材料，(水泥、有機(jī)樹脂、磁性材料、聚合物、活性瀝青等)相比，微生物封堵技術(shù)具有低成本、環(huán)境友好且不傷害地層等優(yōu)點(diǎn)，能形成深度封堵，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1、微生物提高采收率技術(shù)

近60年來(lái)，許多微生物技術(shù)被研究去采油，例如微生物的單井處理被廣泛用于解除在生產(chǎn)井近井地帶由于蠟、瀝青質(zhì)和固相顆粒等沉積而引起的堵塞，而微生物水驅(qū)和微生物選擇性封堵技術(shù)則被研究去提高整個(gè)油藏的采收率。微生物單井處理是一個(gè)相對(duì)容易實(shí)施的技術(shù)，目前已廣泛用于增加單井產(chǎn)量。和壓裂、酸化技術(shù)一樣，微生物的單井處理作用范圍是近井地帶，而不是整個(gè)油層，它對(duì)于采收率的提高沒有重要意義，本質(zhì)上應(yīng)該是一項(xiàng)增產(chǎn)措施。然而在許多文獻(xiàn)中，微生物單井處理技術(shù)被作為提高采收率技術(shù)來(lái)報(bào)道，這在石油工業(yè)帶來(lái)了很大混亂，給人們?cè)斐梢环N似乎微生物提高采收率技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用的假象。而實(shí)際臺(tái)恰相反，目前的微生物提高采收率技術(shù)技術(shù)還處于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段，還不成熟。這種概念的混淆使人們很難準(zhǔn)確的去理解真正的微生物提高采收率技術(shù)過(guò)程。微生物提高采收率技術(shù)是在油層內(nèi)微生物的生化作用與注水驅(qū)替作用相結(jié)合的技術(shù)，屬于油藏工程、微生物學(xué)、油田化學(xué)、微生物生態(tài)學(xué)等學(xué)科的交叉研究?jī)?nèi)容，它的作用機(jī)理和技術(shù)工藝要比微生物單井處理技術(shù)復(fù)雜的多。

提高采收率所涉及的主要問(wèn)題就是如何采出通過(guò)繼續(xù)注水不能經(jīng)濟(jì)地開采的那部分剩余油。通常，二次采油結(jié)束后，油層中的剩余油存在與兩個(gè)區(qū)域，一是在注水波及區(qū)，也就是高滲透區(qū)。因受粘滯力和毛細(xì)管力等作用，剩余油以油珠或油膜的形式附著在巖石孔隙空間，繼續(xù)注水已不能采出這部分油。一般在注水波及區(qū)采出程度約為50-90%。另外，由于地層非均質(zhì)影響，還有大片注水未波及到的原始油區(qū)。這兩個(gè)區(qū)域的剩余油都是提高采收率技術(shù)的作用目標(biāo)。微生物強(qiáng)化水驅(qū)就是微生物在地下的代謝產(chǎn)物(有機(jī)酸、溶劑、氣體等)來(lái)作用于油、水和巖石，通過(guò)降低油水界面張力、改變巖石表面潤(rùn)濕性和減小油黏度來(lái)增強(qiáng)原油的流動(dòng)性能，進(jìn)而提高水的驅(qū)油效率。而微生物的選擇性封堵則是利用微生物代謝產(chǎn)生的聚合物和菌體自身形成的生物量來(lái)封堵高滲透區(qū)，導(dǎo)致注入水進(jìn)入低滲透區(qū)驅(qū)油，從而擴(kuò)大注水波及系數(shù)來(lái)提高采收率的。在這里，這種封堵作用強(qiáng)調(diào)微生物在油層條件下的代謝作用，不同于諸如黃原膠等地面微生物發(fā)酵生產(chǎn)的生物聚合物的注入。

2、微生物作用機(jī)理

目前，普遍認(rèn)為微生物(包括在實(shí)驗(yàn)室從其它環(huán)境篩選的微生物和油層內(nèi)源微生物)在油層中的代謝產(chǎn)物如:有機(jī)酸、氣體、表面活性劑、聚合物和生物量等可以作用于油、水和巖石表面，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)來(lái)改變油、水和巖石的某些物理化學(xué)性質(zhì)以提高采收率。無(wú)論是通過(guò)測(cè)定微生物處理后巖石潤(rùn)濕性和原油組分、黏度、界面張力等性質(zhì)變化，及巖芯滲透率減少來(lái)證明這種機(jī)理，還是通過(guò)NMR、CT、SEM等成像技術(shù)的直觀觀察，許多實(shí)驗(yàn)室研究都已經(jīng)證實(shí)了這些機(jī)理。

微生物產(chǎn)生的表面活性劑、溶劑和有機(jī)酸(多以醋酸為主)等，一般認(rèn)為可以乳化原油，溶解多孔介質(zhì)中的某些基質(zhì)，如碳酸鹽成分，從而降低原油黏度和擴(kuò)大孔隙體積等。許多實(shí)驗(yàn)研究將微生物與原油一起培養(yǎng)，通過(guò)測(cè)定原油的性質(zhì)變化，證實(shí)了油水界面張力可以降低50-90%、黏度降低約50-80%、原油輕質(zhì)組分增加和含蠟量降低15%、巖石潤(rùn)濕角從160降至O。但是這些機(jī)理至今為止沒有得到實(shí)踐的證實(shí)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)從來(lái)沒有提供具有說(shuō)服力的證據(jù)。很少有關(guān)干現(xiàn)場(chǎng)采出液的這些性質(zhì)變化的報(bào)道。

微生物產(chǎn)生氣體(C02、cH4和N2等)也是經(jīng)常被許多文獻(xiàn)所引用的機(jī)理之一，認(rèn)為這些生物氣的存在可以降低原油黏度和增加油層壓力。在微生物單井處理過(guò)程中，微生物作用范圍小，在近井地帶提高原油的流動(dòng)性是可能的，然而在微生物提高采收率過(guò)程中則不同。這些氣體可以降低原油黏度，氣量很大時(shí)還可以進(jìn)行混相驅(qū)。據(jù)估算，當(dāng)CO2在1OMpa條件下在1m3孔隙體積的油、水兩相達(dá)到溶解飽和時(shí)，需要的CO2量為70kg。通常產(chǎn)生這么多CO2需要50kg的O2和20kg的C反應(yīng)，O2在標(biāo)準(zhǔn)條件下在水中的溶解度為5g/m3，這就要在1m3孔隙體積中注入104m3水才能達(dá)到Co2的溶解平衡，這么大的注水量顯然是不實(shí)際的。在實(shí)際油層條件下，這個(gè)作用是微不足道的。

微生物的封堵機(jī)理是微生物在地下代謝產(chǎn)生的生物聚合物和活的或死的菌體在巖石表面形成生物膜(多聚糖和蛋白質(zhì)的復(fù)合體)(見圖1)，細(xì)胞通過(guò)胞外聚合物而黏結(jié)、聚集成大的生物量(見圖2)等堵塞孔隙和喉道，最終降低高滲透區(qū)的滲透率。實(shí)驗(yàn)室的研究已經(jīng)證明了這樣的機(jī)理，巖芯流動(dòng)實(shí)驗(yàn)顯示注入微生物后，巖芯滲透率大幅度下降，并且形成了深度的堵塞。Stepp利用CT技術(shù)研究了多層非均質(zhì)砂巖模型中的細(xì)菌封堵高滲透層的作用，經(jīng)Leuconnstoc mesenteroides處理后的水驅(qū)油試驗(yàn)可觀察到水進(jìn)入低滲透層驅(qū)油的現(xiàn)象。