水力振動采油微生物技術在西區油田的應用

李楊勇，唐建云，宋紅霞

(1.延長油田股份有限公司 西區采油廠勘探開發研究所，陜西 延安 716000;2.西北大學 大陸動力學國家重點實驗室/地質學系，陜西 西安 710069)

振動和微生物采油都可促進油井增產。已獲“實用新型專利權”的DSY地層多級水力震源，以激振力強，施工效率、作業成功率高，性能穩定可靠，成為國內創新、高效的井下水力震源［1］。微生物采油技術(MEOR)已經成為繼熱力驅油、化學驅油和聚合物驅油之后的第4種提高采收率的新技術［2－4］，該技術效果顯著，成本低，可直接利用油田已有的注水系統進行［5，6］。在具體實施時，微生物采油還能有效地減輕油井生產過程中的一些問題，如生產負荷、結蠟、結垢和腐蝕等。將微生物采油技術與DSY地層多級水力震源結合起來，由DSY震源推進采油微生物向油層縱深轉移和擴散，將比這兩項技術單獨進行進一步提高增油系數，延長水力振動有效周期。同具“三次采油”的二項先進技術，各自發揮優勢的綜合應用，在實踐中已收到良好效果，稱之為水力振動采油微生物技術。

西區油田位于陜甘寧盆地陜北斜坡志丹縣，下侏羅統延安組儲油層非均質較強，天然水壓驅動弱，地層能量不足。隨著該地區采油程度的增加，地層滲流過程中的一些微粒、污物沉積以及鉆井中的泥漿、壓裂液等，使得井筒表皮、射孔炮眼、壓裂通道和油氣滲流孔道受到不同程度的污染和堵塞，迫切需要選擇一種適合本油田的施工簡單、投入產出比相對較高的增產措施。為此，根據該地區原油物性以及目前的生產狀況，對西區油田莊1井采用了水力振動采油微生物技術進行改造處理，望有效提高原油采收率，并為該項技術的進一步推廣提供依據。

1 DSY地層多級水力震源

人們從天然地震影響油井產量發生波動、地表振動可以提高原油的采收率中得到啟示，引進了人工振動采油工藝技術［7］。前蘇聯學者薩莫落夫斯基于20世紀70年代提出振動處理油層設想，后試制成功多種人工地面地震震源和井下震源;美國研制了氣體爆炸震源和多種氣動震源。我國20世紀80年代末開始對人工地震處理油藏開展研究和應用。西安石油學院物采實驗室開發研制了新一代井下水力震源—DSY地層多級水力震源(圖1)。DSY地層多級水力震源是新型高效井下多級水力振動器，油田區塊改造增產技術關鍵設備［1］。在油井中泵入高壓大排量水流，DSY 地層多級水力震源能產生巨大水力沖擊波和振動彈性波。二種波動在地層中傳播，直接影響著巖層內巖石、油、氣、水等各類物質微小的變化(邢玉琳等，2001)。振動波作用于地層，使油層內巖石質點、流體隨之振動，巖層在振動波作用下滲透率得到提高［8］。原油實驗表明，在同樣巖層內，有超聲波影響比沒有超聲波影響，巖層滲透率提高402%。振動產生的脈沖壓縮波作用于油層，使巖石產生疲勞裂縫，裂隙延伸形成疲勞裂隙網，改善了油層泄油剖面，使巖層滲透率明顯改善［9］。強烈振動的波場，尤其是振動的空化作用，使原油分子鍵斷裂，分子量減小，從而降低原油粘度。實驗證明振動可降粘40%。振動波具極強穿透力，可穿入巖層孔道內垢層微粒中，使垢層呈微粒狀破碎，脫離介質被流體帶出，堵塞巖層孔道得到疏通。由于振動波的振蕩和空化作用，可使原油中的結蠟有利清除。振動波的機械振動作用、空化作用、熱效應，可以降低流體在巖石孔隙中的毛細管壓力，降低多相流體的界面張力，改善巖石潤濕性，導致油層毛細管內流體易于流動，改善了水驅油的效果，水驅殘余飽和度下降，最終提高了采收率。巖芯振動實驗表明，振動使巖芯的原油采收率從原來的13.3%提高到53.2%［9］。DSY震源在遼河油田歡2－8－211井試驗，作業前產液量2.17 m3/d，產油量0.9 t/d，作業后產液 7 m3/d，產油 3.5 ～4.5 t/d，二個多月不變。青化砭油礦刺250井壓裂后生產不正常，長期停產。DSY震源作業后初產油3.0～2.0t/d，一個月后穩產1.0t/d，四個月不變。

圖1 DSY地層多級水力震源

2 微生物采油技術

微生物采油技術是一項經濟有效的提高原油采收率技術。微生物菌生活在束縛水與原油的界面上，微生物菌以原油中的石蠟為營養物，使長鏈烴變為短鏈烴，降低原油粘度，降低殘余油飽和度，增加可流動油飽和度，在相同的地層壓力下，增加產量。與此同時，微生物菌在油藏中以代數等級分裂并運移。微生物石油菌與原油中的石蠟的代謝物(有機酸如乳酸、醋酸、丁酸等、表明活性劑如糖脂、磷脂、中性脂等、有機溶劑如乙醇、丁醇、丙酮、甲醚等)會幫助激活、清洗巖石表面的含固結、滯留原油的邊界層，降低界面張力、疏通注水井井底周圍和油藏中的油水流動孔隙通道，降低注水壓力梯度，提高注水波及面積，增加產量。同時，微生物在地下代謝過程中產生CO2、H2、N2等氣體，對油藏壓力增加、殘余油滴的捕集起到極好的作用。

微生物采油技術在國內外的油氣開發過程中正發揮著越來越重要的作用［10，11］。從1987年8月至1994年7月1日，前蘇聯韃靼斯坦羅馬什金油田利用微生物增產石油60214 t，微生物增產的油量占總采油量的18.5% ～43.2%;應用微生物提高石油采收率技術在韃靼斯坦、西西伯利亞和阿塞拜疆各油田共增產石油134900t(1985－1994)，石油產量增加10% ～46%［12］。美國從20世紀90年代開始在2000多口井應用微生物采油技術，在微生物采油實施24個月內平均投入產出比為1∶5。隨著科學技術的發展，微生物采油的應用也從過去的單井處理逐漸向整個區塊或油田發展，并獲得了顯著的效果［13］。

我國大部分油田已進入高含水開發階段，提高采收率技術的研究和應用迫在眉睫［14］。國內油田近年來也廣泛采用微生物采油技術，并且取得了良好的效果。1996年5月到年底，勝利油田微生物采油技術研究發展中心先后在勝利、中原、滇黔桂等油田試驗微生物采油60余口井、230多井次，有效率達70%以上，累計凈增原油8500多噸，取得很好的經濟效益［15］。在大港油田本源微生物驅現場試驗過程中，隨注入水一同注入大量含氮、含磷鹽的物質及空氣，地層水中嗜熱微生物的數量和活性分別增加了103～105倍和10～103倍，結果83%的生產井見到了明顯的效果，3年共增油8874噸，投入產出比達到1∶5.2(向廷生等，2004)。在遼河海河油田稠油區塊，通過調整培養物配方激活微生物，三次采收率提高了23.7%［16］。在青海油田，2口井的現場試驗證明，微生物采油具有良好的提高石油采收率的效果和清蠟減阻效果，2口井低產試驗井原油產量分別上升4.1 t和3.8 t，有效期達6個月以上，累計增油達700多噸［17］。

3 水力振動采油微生物技術

由于目前微生物驅油技術還不夠完善，物理模擬驅油實驗也具有一些局限性［18］，人們提出了將DSY地層多級水力震源與微生物驅油技術各自發揮優勢綜合應用與油井以進一步提高采收率的方法，即水力振動采油微生物技術。該技術對油田區塊通過油層地質、構造特征、油(水)井開發史綜合研究，找出制約穩定高產癥結，制定方案，對需要施工油(水)井注入稀釋的微生物石油菌作前置液，將DSY震源下入目的層振動作業，微生物通過水力噴射沖擊波和振動彈性波推動，送到更大半徑范圍。水力振動和微生物石油菌共同作用，解除堵塞，達到油井增產，水井增注，提高油層采收率，延長區塊開發壽命，使油田保持長期穩定高產發展水平。該技術利用水力學原理獨特設計，使DSY震源在井下高壓大排量水流推動下，同時產生水力噴射沖擊波和振動彈性波，二種強勁波動直接作用地層，產生能量集中向波及縱深半徑數十米巖層傳播，影響巖層油、氣、水等物質質點位移、速度、加速度、壓力的差異變化，并將微生物向巖層縱深推進，充分發揮雙向優勢，以疏通孔道，解除堵塞，達到最佳綜合效果。機械解堵與生物解堵有機結合，著眼油田區塊，針對性強，增產、增注效果突出。該作業屬物理和生物法解堵，不產生三廢，更不會對地層和周圍環境造成任何不良影響和污染，屬環保型技術。

長期以來，酸化是油田“三次采油”使用極為普遍的工藝。水力振動采油微生物技術相對酸化有更強的優勢(表1)。酸化解堵的同時對巖層骨架造成傷害，嚴重腐蝕井身套管鋼體，稍不留意還會傷及操作人員;酸化后大量廢酸排放地面或水塘，給環境帶來嚴重污染。如大慶油田某采油廠2002年全年酸化油(水)井131口，每口井排廢酸液20～25 m3，一個采油廠一年排放的廢酸液就有2620～3275 m3;大慶油田共有十多個采油廠，每年酸化產生的廢酸液達40～50kt，多年下來，往日肥沃的“黑土地”將如何復耕?

表1 振動微生物與酸化對比表

3.1 工作原理

水力振動采油微生物技術的工作原理(圖2)主要包括以下兩方面:

(1)選擇合適的食蠟微生物菌種，降解原油中的一部分長鏈烷烴為短鏈烴類，使原油粘度凝固點下降，流動性增強，同時增加原油流動壓力，使原油容易被采出。

(2)在油井生產井段下入DSY地層多級水力震源，正對油層，通過高壓大排量水流推動，產生水力沖擊波和振動彈性波。兩種強勁波動在油層中傳播，直接影響油層內固體指點、油、氣、水和各類堵塞物等物質壓力、位移、速度、加速度的微妙變異，造成附著巖層吼道的各類微粒、垢層、堵塞物松動、剝落被流體帶走，孔道疏通;另一方面，兩種波動推動微生物快速向油層縱深擴散和滲透，共同促使原油采出，使油井獲得增產。

圖2 水力振動采油微生物技術工作原理框圖

3.2 使用條件

(1)水力振動采油微生物技術視油層物性、作業井況可綜合應用也可分項使用，該技術不會損害地層和油(水)井，同一口井可反復多次實施。

(2)該技術適用多種類型油氣藏，斷層少、構造簡單、目的層連通性較好的區塊［19］以及低滲巖層效果更突出;但以作業井不出砂或出砂少為佳，否則影響震源可靠性。

(3)DSY震源不受環境溫度、壓力影響，可在任意深的開發井中作業。當注入微生物時井中溫度須低于120℃。

(4)震源可以單體，也可串接組合使用，震源組合后振動總能量得到加強。

(5)作業井身須完整，無嚴重破損，通井無礙后方可作業。

(6)油層含蠟超過5%，含水小于98%，礦化度小于30萬ppm時，水力振動配合采油微生物，可以達到雙向最佳功效。

3.3 施工工藝

水力振動采油微生物技術，是將微生物注入需要施工的油(水)井，把震源連接在管柱上，下至目的層，正對射開油層直接作業(圖3)，疏通孔道，解除堵塞。震源作業施工時，地面設有高壓大排量泵，蓄水池，防污循環罐(或專用排污泥漿池)，由高壓管線分別連接至井口。

圖3 DSY震源現場施工示意圖

3.4 施工注意事項

施工設計注意的問題:(1)設計震源位置正對油層，水力錨設置應偏離射孔層1～2 m以上距離;(2)測深短節下應設計2～3根油管;(3)作業泵壓較高時，作業管柱、連接短節應用耐高壓管材，井口均采用耐高壓井口;(4)無特殊情況，洗、壓井，通井時嚴禁用鹽水作業。

震源下井注意事項:(1)震源每次下井必須對提吊短節、轉換接頭嚴格檢查、緊固，保證連接牢靠;(2)震源接入作業管柱下井前檢查滑動塊是否滑動自如;(3)電測校深與丈量管柱下井深度二者誤差超過3時，應檢查原因確定其正確性;

振動作業注意事項:(1)作業現場統一指揮，一人施令，令行禁止，嚴防無序操作，以免造成事故;(2)作業井場高壓管線必須連接牢靠，防止滴、漏、爆、冒，嚴防高壓傷人;(3)進出口高壓管線最好用硬管線連接，出口要緊牢固死;(4)振動作業充分考慮地層、原油物性特點，選好微生物品種;

4 西區油田莊1井現場試驗

4.1 現場試驗及監測

西區油田所轄莊1井，原設計為一口探井，2003年3月完井。主力油層為延長組儲集層，巖性為細砂巖，油層埋藏深度為1121.9～1128.9 m，厚度7 m，生產井段1121～1127 m。該儲集層孔隙度14.3%，滲透率48.3(10－3μm2)，測井顯示屬低滲透油層。莊1井于2003年12月投產，投產時有一定產量，但維持時間很短，一直是在較低產量下生產。根據已有資料分析可能原因如下:1)該地區儲油層非均質性強，油藏常常受巖性控制，天然驅動屬弱水壓驅動;該井是低滲透巖層，儲油和可能供液不足且無充足能量供給，地層能量下降較快，是產量低的主要原因。2)采油時，地層流體滲流過程中一些微粒、污物沉積堵塞孔道，造成后期生產產量下降。3)鉆井中泥漿污染、壓裂時壓裂液污染、后期油井工藝污染等造成污染堵塞;另有油水乳化，造成乳化液堵塞。4)該地區所產原油含蠟較高，原油生產時很容易造成滲濾面蠟堵和管柱結蠟。由于以上原因，可能使得該井井筒表皮、射孔炮眼、壓裂通道和油氣滲流孔道都有程度不同的污染和堵塞。根據該井原油物性，油井目前生產狀況，于2010年10月22日對該井1121.0～1123.0m和1125.5～1127.0m兩個射孔層段采用水力振動采油微生物技術進行改造處理，以獲增產。

具體施工步驟如下:

(1)將選定的微生物石油菌原液400kg和原井或本層產出水20m3稀釋后，從套管注入采油井。然后注入本層產出水9～10m3，關井72 h。

(2)待微生物注入關井期間，地面各項準備工作就緒(蓄水池、排污循環池等備好。)

(3)起出抽油桿，將采油管柱下至目的層，探測砂面，有砂清砂，無砂則用清水洗井一周半。

(4)用Φ118×2000(mm)通井規，通井至人工井底。

(5)起出抽油管柱、抽油泵，備高壓振動管柱，準確丈量振動管柱尺寸。

(6)配置震源管柱，按設計把震源管柱下至一定深度，高壓泵車上井。

(7)連接地面高壓管線、泵車、罐車、井口、排、上水管線等，試壓合格后，開泵振動作業。

(8)調整泵壓、排量，直到井下震源工作正常，記錄作業數據。

(9)間歇式振動作業，每振動1 h停10min，共做4－6個振次，總振動時間4～6 h左右(根據作業實際情況可適當調整振動時間)。

(10)停止振動，泄壓，起出振動管柱，取下震源清洗保養。

(11)檢修抽油泵、采油管柱、抽油泵、抽油桿，迅速恢復正常抽油作業。每天按生產井錄取各類資料，觀察分析措施效果。

振動情況記錄數據如表2所示:

表2 莊1井振動微生物施工表

4.2 效益分析與建議

莊1井初期經高能氣體壓裂后，有短期高產，但隨后產量極低。注入微生物后，原油粘度下降，流動性能得到改善。加上四次水力振動，儲油層的滲濾條件得到較大改善。作業施工完后日產液2～5方，日產油1.1～2.1 t，較施工前提高1～2倍，并且產量穩定持續一個多月，效果較好(圖4)。

圖4 莊1井振動微生物采油曲線

該采油技術只施工于極少數井，為增強采油效果，應該再選一批井進行施工。并且由于該地區延安組巖層具有弱水敏性，作業時最好使用地層水，防止巖層產生水敏。該地區所產原油含蠟高達20.2%，膠質含量10.57%，凝固點為24℃，這樣的原油在生產時容易造成滲濾面蠟堵和管柱結蠟，可以使用微生物吞吐采油，微生物壓裂采油和微生物驅等。這樣不僅可以改善油井的出油條件，提高原油產量，而且還能提高油田的采收率5%以上。

5 結論

(1)西區油田莊1井應用水力振動采油微生物技術后增產明顯。

(2)該技術投入少、產出高，經濟效益明顯;且對油層和環境無污染，符合國家石油工業可持續發展戰略要求。

(3)該技術適用范圍廣，作用半徑大，具有一井作業，區塊多井受益的效果，為油田整體開發效益的提高提供了一個有效的途徑。

(4)該技術的大規模推廣應用，定會對老油田區塊增產改造起到促進作用，有望成為“三次采油”作業的下一個新興產業，必將對石油天然氣工業發展起到良好作用。

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