聚驅后微生物驅提高采收率室內實驗研究

李凌云

(大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江 大慶 163712)

大慶油田自1996年聚合物驅(聚驅)工業化應用以來，聚驅年產油占全油田年產油量份額越來越大，成為大慶油田延長穩產期的重要技術措施[1]。隨著注聚規模不斷擴大，現場應用過程中聚驅的不適應性也逐漸顯露出來。一是聚合物產品自身性能與油層的配伍性，注聚后大量聚合物溶液進入高滲透層，由于聚合物的不可及孔隙體積以及吸附、滯留的影響，使得同時注聚的低滲層難以受到聚驅作用，存在較多的剩余油[2]；二是注采井網井距對聚驅效果的限制，使得聚驅后油層動用程度低，特別是位于區塊邊部、物性較差的河間砂和尖滅區的河道砂仍富集大量的剩余油[3]。由于聚驅后油層中仍有近一半的原油未被采出，如何挖掘聚驅后剩余油潛力是大慶油田面臨的重要課題。微生物驅油是將篩選的微生物菌種注入地下油藏，通過其生長、繁殖及代謝作用，改變儲油層的滲流特性或使油水之間的物化性質發生變化，從而達到提高采收率的目的[4]。在聚驅后的油層中注入微生物有兩個優點：一是微生物分解聚合物的過程可以有效清除堵塞出油孔道處的聚合物，二是通過微生物的生長及產生有利于驅油的代謝產物，釋放殘余油，增加原油產量。由于微生物驅油成本低、注入工藝簡單、經濟效益顯著，因此，聚驅后進行微生物驅油的技術得到了廣泛重視。作者在此進行了聚驅后微生物驅油的室內研究[5，6]，擬為提高油田采收率提供依據。

1 實驗

1.1 實驗菌和培養基

從大慶油田各采油廠聚驅試驗區塊采樣256個，從中初步分離出142株菌，然后用淘汰法測定其利用原油及聚合物的能力及與油層水中本源菌的配伍性，篩選得到4株以聚合物和原油為碳源的菌株作為實驗菌，分別命名為P24、P150、P178、L510。經鑒定，P24為志賀氏菌(Shigellasp.)、P150為脫蠟棒桿菌(Corynebacteriumdeparraffinicum)、P178為野油菜黃單胞菌(Xanthomonascampestris)、L510為枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)。

細菌富集培養基：無機鹽、微量元素、原油和聚合物。

無機鹽培養液(g·L-1)：原油20，K2HPO410，NaH2PO45，(NH4)2SO42，Yeast 1，MgSO4·7H2O 0.2，CaCl2·2H2O 0.001，FeSO4·7H2O 0.001，調節pH值至7.0～7.2。

平板培養基(g·L-1)：蛋白胨10，牛肉膏3，NaCl 5，瓊脂18，蒸餾水1000 mL，用堿調pH值為7.0～7.2，121 ℃(15 lb)高壓滅菌20 min，儲存于冷暗處備用。

1.2 材料與儀器

原油為B2-J5-P25井的采出原油，其脫水后粘度為47.2 mPa·s。

聚合物為分子量1.4×107的部分水解聚丙烯酰胺，水解度98.1%，大慶煉化公司。

Leica DM1600B型電子倒置顯微鏡，德國徠卡儀器有限公司；API ATB EXPRESS型菌種分析儀，法國生物梅里埃公司；GPC型凝膠色譜儀；GC-TSQ7000型氣-質聯用儀。

1.3 室內實驗

在培養實驗菌作用原油和聚合物的實驗中，采用兩種方法。一種是搖床振蕩培養觀察細菌的生長情況與乳化原油的程度，另一種是將培養液放入厭氧培養箱中觀察細菌作用原油和聚合物的變化。室內實驗培養溫度為25～70 ℃，培養時間為7～15 d。

1.3.1 實驗菌的特性研究

將菌株分別置于不同溫度下培養24 h，檢測存活菌體的數量，考察其耐溫性。

在經發酵擴培后的菌液中分別加入定量的NaCl，將發酵液配制成不同濃度的鹽溶液，室溫放置24 h，檢測存活菌體的數量，考察其抗鹽性。

選擇L510菌分別在含碳水化合物的培養基、原油與無機鹽的培養基、聚合物的培養基中生長，比較不同營養條件下的生長情況，考察其對不同營養物質的適應性。

1.3.2 實驗菌對聚合物溶液的影響研究

在不同濃度(100 mg·L-1、400 mg·L-1、700 mg·L-1)的聚丙烯酰胺溶液中加入菌株，定時取樣測其吸光度，以不添加聚丙烯酰胺時作為對照，計算細胞相對生長量，考察聚丙烯酰胺濃度對細菌的影響，即菌株對聚合物溶液濃度的敏感性。

考察菌株對聚合物溶液粘度的影響。

利用凝膠色譜考察菌株對聚合物分子量的影響。

1.3.3 實驗菌對原油物化性質的影響研究

將用油田產出污水配制的培養液分裝到三角瓶中，滅菌。分別接入活化的P24、P150、P178和L510，并保留一空白樣，加入5%～7%原油，放入搖床于45 ℃、120 r·min-1下發酵10 d。發酵結束后，將發酵液在3000 r·min-1條件下冷凍離心20 min，進行油水分離，取上層油樣進行組分分析。

用GC-MS分析菌株作用前后原油中碳數含量及分布，并對作用后原油的飽和烴成分進行色質分析，考察菌株對原油烷烴組分的作用。

將已知量的待分析原油用過量的石油醚浸泡12 h，過濾不溶的膠質和瀝青質并定量；然后用硅膠-氧化鋁混合層析柱，分別用正己烷、正己烷-二氯甲烷(1∶1)、乙醇-三氯甲烷(1∶1)淋洗并分離，得到原油中的飽和烴、芳烴和非烴，再分別定量。每組做3個平行樣取平均值。考察菌株對原油族組成的影響。

考察菌株L510對原油含膠量、含蠟量及餾分的影響。

1.3.4 聚驅后微生物驅巖心實驗

1.3.4.1 驅油實驗材料及程序

(1)模型為人造非均質膠結巖心，變異系數為0.72，長31.1～31.3 cm，截面積12.38～12.46 cm2。

(2)油水樣：模型飽和水按大慶油田平均地層水礦化度配制，礦化度為6778 mg·L-1；注入水為三廠聚合物注入站的注入水。

(3)菌液：配伍菌(4種菌的混合液)和單一L510菌。

(4)驅油實驗程序：巖心抽空飽和地層水→飽和油→水驅至含水率達100%→注1000 mg·L-1聚合物0.57 PV(聚合物的分子量1.4×107，固含量0.88%，水解度23%，粘度50.2 mPa·s)→水驅至含水率達100%→注菌液0.2 PV(活菌數106～107個·mL-1)→45 ℃恒溫培養7 d→水驅至含水率達100%。

1.3.4.2 驅油實驗方案

方案一：注聚合物后直接水驅+微生物驅。為了觀察單一菌和配伍菌的驅油效果及配伍菌之間的協同效應，驅油實驗在4塊巖心上進行，每2塊為一組平行樣，共做了2組模型驅油實驗，菌液為配伍菌和L510單菌液2種。

方案二：注0.57 PV聚合物(粘度50.2 mPa·s)+水驅100%+注0.2 PV微生物+注0.2 PV聚合物(粘度50.2 mPa·s)保護段塞。

方案三：注0.57 PV聚合物(粘度22.4 mPa·s)+水驅100%+注0.2 PV微生物+注0.2 PV聚合物(粘度22.4 mPa·s)保護段塞。

1.4 分析檢測

原油全烴組分的分析方法參照SY/T 5120-1997；原油族組成的分析方法參照SY/T 5119-1995。

2 結果與討論

2.1 實驗菌的特性

2.1.1 耐溫性(圖1)

圖1 溫度對實驗菌存活率的影響

由圖1可知，篩選菌株最適生長溫度范圍在40～55 ℃，溫度超過60 ℃后，存活率降低。

2.1.2 抗鹽性(表1)

表1 采出水礦化度對實驗菌生長的影響

由表1可知，即使鹽濃度達1×104mg·L-1，活菌數也達到了1×106個·mL-1以上，表明菌株對鹽具有一定的耐受性。由于大慶油田注入水、采出水的礦化度在700～12 000 mg·L-1之間，屬于低礦化度的鹽水，pH值范圍在7.5～9.5，水型均為NaHCO3型，水中各項離子的濃度都在微生物生長條件的范疇內，所以篩選的菌株能在油層水中生長繁殖。

2.1.3 對不同營養物的適應性

實驗發現，L510菌在含碳水化合物的培養基中，繁殖速率很快，培養1 d后活菌數達106～108個·mL-1；在原油與無機鹽的培養基中生長繁殖3 d后，活菌數達到106～108個·mL-1；在聚合物的培養基中生長速度較慢，3 d后活菌數達到106～107個·mL-1，放置50 d后，活菌數達到106～107個·mL-1，說明菌株在聚合物培養基中沒有營養的條件下還可存活。將菌株重新用原油激活，活菌數又達到108～1010個·mL-1。表明油藏中的微生物以聚合物為碳源時，將聚合物利用完全直到不能再降解利用為止，也就是說當微生物營養不足時，它們會轉向新的食物源原油，繼續繁殖生長。

2.2 實驗菌對聚合物溶液的影響

2.2.1 對聚合物溶液濃度的敏感性(圖2)

圖2 聚合物濃度對實驗菌生長的影響

由圖2可知，當聚合物溶液濃度在400 mg·L-1以下時，實驗菌的生長不受聚丙烯酰胺溶液濃度變化影響；但當聚合物溶液濃度在400 mg·L-1以上時，微生物的生長、運移及代謝活動在一定程度上受到聚丙烯酰胺溶液濃度和粘度變化的影響，聚合物濃度太高時會產生抑制效應，細菌繁殖緩慢，但是仍能分解聚合物。

2.2.2 對聚合物溶液粘度的影響(圖3)

圖3 不同實驗菌對聚合物溶液粘度的影響

由圖3可知，P24、P150、P178和L510均將聚合物溶液的粘度由初始的18.6 mPa·s降至35 d后的1.0 mPa·s。此外，通過顯微鏡觀察發現，未加菌之前，溶解的聚丙烯酰胺分子在水溶液中呈舒展的條帶狀，而加菌之后呈碎解的松枝狀，有序的鏈狀結構消失。這是因為，實驗菌能以聚合物為食物鏈，將高分子結構破壞，使鏈分解斷開，從而使得粘度下降。

2.2.3 對聚合物分子量的影響(圖4)

圖4 實驗菌對聚合物相對分子量分布的影響

由圖4可以看出，加入微生物后，聚合物中大分子的相對分子量明顯降低，分布范圍也相對變窄，從106～108變為106～107，峰值向相對低分子量方向偏移。這主要是因為，微生物加快了聚丙烯酰胺的酰胺基水解，使聚合物分子、鏈段間的排斥力增大，側基上的酰胺基水解為羧酸，這同時導致溶液的pH值降低，微生物作用后聚合物溶液pH值從9.62降至7.35。

2.3 實驗菌對原油物化性質的影響

2.3.1 對原油烷烴組分的作用

L510作用前后原油的碳數含量及分布見圖5。

圖5 L510作用前后原油碳數含量及分布變化曲線

由圖5可知，L510作用后原油的主碳峰向前移動，C10以內的輕組分范圍變寬，C10～C30之間的烷烴組分含量變化明顯。L510作用后原油的飽和烴的GC-MS分析見圖6。

圖6 L510作用后原油飽和烴的GC-MS分析

由圖6可知，L510作用后原油結構發生了改變，飽和烴發生了氧化降解，產生了丙醇二酸、十六烷酸等，∑C21/∑C22比值增加了61.7%，(C21+C22)/(C28+C29)比值增加了60.8%。

2.3.2 對原油族組成的影響(圖7)

圖7 實驗菌作用后原油族組成變化

由圖7可知，實驗菌作用后原油族組成發生了變化，其中飽和烴含量平均增加11.37%，芳烴含量降低，非烴和瀝青質含量分別減少6.6%和2.9%，這表明微生物對原油中不同組分的生物降解作用具有明顯的選擇性。

2.3.3 對原油含蠟量、含膠量的影響(表2)

由表2可知，L510菌作用后，實驗油樣的含蠟量與含膠量變化明顯，特別是對粘度大于80 mPa·s、含蠟量大于20%、含膠量大于30%的油樣作用效果突出，其中含蠟量降低了17.56%、含膠量降低了26.54%，而且平行實驗結果的重復穩定性較好。

表2 L510作用后原油的含蠟量與含膠量

2.3.4 對原油餾分的影響(圖8)

由圖8可知，實驗菌作用前，當流程的溫度在100～160 ℃時，原油沒有餾分蒸餾出來；當溫度升到180 ℃時， 才有0.4%(體積)的餾分蒸餾出來。而實驗菌作用后，原油從100 ℃開始就有0.6%(體積)的餾分蒸餾出來，初始蒸餾溫度降低80 ℃，說明實驗菌作用后原油的輕組分增加。測試發現，原油的凝固點也由41 ℃降至28 ℃。

圖8 實驗菌作用前后原油餾分含量的變化

2.4 聚驅后微生物驅油實驗結果與分析(表3)

表3 聚驅后微生物驅油模型實驗數據

由表3可知，方案一中，配伍菌的2個平行樣采收率4.80%～5.51%，L510菌采收率3.03%～4.18%；方案二的聚驅和微生物驅的采收率高于方案三(扣除空白驅油采收率0.68%，方案三的微生物驅采收率為6.27%～6.67%)。這可能是因為方案二聚合物溶液的注入粘度大于方案三的粘度。

方案一中，聚驅后配伍菌1#模型和L510菌4#模型的驅油效果曲線見圖9。

由圖9可知，聚驅含水率由100%下降至80%、微生物驅含水率由100%下降至90%左右。當模型后續水驅時，觀察了菌株在模型中的生長狀態。結果發現，模型末端產出液10 mL(0.11 PV)時活菌數為108個·mL-1，模型末端產出液45 mL(0.5 PV)時活菌數為109個·mL-1，模型末端產出液90 mL(1 PV)時活菌數為108個·mL-1。這說明細菌遷移至整個巖心，因為模型注菌液為0.2 PV時，實際上菌液僅進入模型入口的1/5處，當菌株消耗掉附近的營養物后會移向新的食物聚合物碳源進行生長代謝。

實驗過程中檢測了注入模型前后聚合物溶液的粘度，方案二模型注入前的聚合物溶液粘度為50.2 mPa·s，段塞為0.57 PV，檢測驅出0.5 PV時聚合物的粘度為16.5 mPa·s，聚合物溶液通過多孔介質過濾后粘度下降了3倍多，當驅出1 PV時聚合物粘度為2.0 mPa·s，繼續驅出1.5～2.0 PV時，聚合物粘度值為0。

圖9 聚驅后配伍菌1#(a)和L510菌4#(b)模型的驅油效果曲線

這表明聚合物在油層中已被巖石和孔喉產生了吸附和滯留。

三種方案相比較，方案二和三的驅油效果好于方案一，其原因主要是方案二和三在注入微生物后加了聚合物保護段塞， 使得微生物作用后的原油能被聚合物均勻推進，從而富積集中驅出，增大了波及體積而提高了驅替效率。實驗觀察到方案一驅油過程中，微生物作用后的原油是被水驅出的分散液滴。通過顯微鏡觀察到的水驅、聚驅和微生物驅的采出液中原油狀態見圖10。

圖10 采出液中原油的微觀形態及分布

由圖10可知，水驅采出液中的原油呈連續分布，為油膜狀或大液滴狀；聚驅采出液中原油與驅替液混合成團粒狀；微生物驅采出液中的原油形成穩定分散的小液滴。

3 結論

(1)從大慶油田聚驅后的試驗區塊中分離篩選出可利用聚合物和原油作為營養物的4株菌，分別命名為P24、P150、P178和L510。油層溫度和采出液礦化度對菌株的生長影響不大，菌株可耐70 ℃高溫和1×104mg·L-1的礦化度。

(2)篩選菌株在聚合物條件下生長，活菌數達106～107個·mL-1，聚合物溶液粘度由18.6 mPa·s降至1.0 mPa·s，加入微生物后聚合物的相對分子量明顯降低，分布范圍也相對變窄，由106～108變為106～107，峰值向相對低分子量方向偏移。

(3)在模擬油層條件下，篩選菌株作用后原油的主碳峰向前移動，C10以內的輕組分范圍變寬，C10～C30之間的烷烴組分被利用；含蠟量降低了17.56%，含膠量降低了26.54%；恩氏蒸餾的初餾點下降了80 ℃；凝固點由41 ℃降至28 ℃；原油的∑C21/∑C22比值增加了61.7%，(C21+C22)/(C28+C29)比值增加了60.8%，飽和烴含量平均增加11.37%，芳烴含量降低，非烴和瀝青質含量分別減少6.6%和2.9%。

(4)物理模擬驅油實驗表明，聚驅后微生物驅的方式可比聚驅提高采收率3%～5%(OOIP)，聚驅后微生物驅再加后續聚驅保護段塞的方式可比聚驅提高采收率7%(OOIP)以上，模型實驗的重復性較好。

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