安塞油田微生物驅(qū)油提高采收率機(jī)理研究

楊劍，李斌，侯軍剛，白玉軍，李東旭

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠，陜西延安716000）

安塞油田微生物驅(qū)油提高采收率機(jī)理研究

楊劍，李斌，侯軍剛，白玉軍，李東旭

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠，陜西延安716000）

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)安塞油田在用的微生物驅(qū)油菌種銅綠假單胞菌、枯草芽孢桿菌進(jìn)行生長(zhǎng)活動(dòng)規(guī)律研究、運(yùn)移能力評(píng)價(jià)、降解原油機(jī)理分析和油層解堵能力研究，分析了微生物驅(qū)油提高采收率機(jī)理。數(shù)據(jù)表明綠銅假細(xì)胞單菌、枯草芽孢桿菌在安塞油田長(zhǎng)6油藏中具有較好的繁殖能力和運(yùn)移能力，濃度3%微生物溶液可有效地改善原油物性，使原油中輕質(zhì)烴組分增加，重質(zhì)烴組分減少，使油藏從親油轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水，提高洗油效率。并且微生物溶液的代謝產(chǎn)物還可有效地解堵油層無(wú)機(jī)和有機(jī)堵塞，提高油藏滲透性。

低滲透油藏；微生物；代謝產(chǎn)物；降解；潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)；解堵

微生物提高原油采收率技術(shù)是一項(xiàng)利用微生物及代謝產(chǎn)物來(lái)提高原油采收率的綜合技術(shù)，具有適用范圍廣、工藝簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為最具發(fā)展前景的三次采油技術(shù)之一［1］。美國(guó)能源部共支持了47個(gè)微生物采油項(xiàng)目，預(yù)計(jì)將注水開(kāi)發(fā)后期油藏的采收率提高16%。俄羅斯也開(kāi)展了較大規(guī)模的微生物驅(qū)油，在羅馬什金、巴什克斯坦和韃靼等老油田取得60萬(wàn)t的增油量，并有效延長(zhǎng)了油藏的開(kāi)發(fā)壽命。挪威的國(guó)控石油和氣體公司在Norne油田開(kāi)展了世界上規(guī)模最大的微生物驅(qū)油技術(shù)試驗(yàn)，取得巨大的成功，預(yù)計(jì)增產(chǎn)原油3 000萬(wàn)桶，該公司已將微生物提高采收率技術(shù)作為其今后研究的主要方向。

微生物采油技術(shù)在我國(guó)起步較晚，20世紀(jì)80年代，大慶油田首先開(kāi)展了微生物采油礦場(chǎng)試驗(yàn)研究。此后關(guān)于微生物采油的機(jī)理研究［2，3］、實(shí)驗(yàn)研究［4］、數(shù)值模擬研究［5，6］以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［7，8］等才逐漸開(kāi)展，并取得了良好的應(yīng)用效果。2009年微生物在安塞油田開(kāi)展礦場(chǎng)試驗(yàn)，至目前已實(shí)施20余口，取得了一定的效果。但由于微生物及其代謝產(chǎn)物的復(fù)雜性，使得微生物提高采收率機(jī)理還未被完全認(rèn)識(shí)和量化，仍需進(jìn)行研究。

1　試驗(yàn)材料及儀器

1.1試驗(yàn)材料

綠銅假單胞菌溶液，枯草芽孢桿菌溶液（見(jiàn)表1），地面脫氣脫水原油（密度：0.833 g/m3，黏度：35.03 mPa·s），安塞油田地層注入水組成（見(jiàn)表2）。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器（見(jiàn)表3）

表1　微生物菌株基本特征Table.1 Basic characteristics of composition of microbial strains

表2　安塞油田注入水組成成分Table.2 Injection water composition of Ansai oil field

表3　實(shí)驗(yàn)儀器Table.3 List of experimental instruments and apparatus

2　提高采收率機(jī)理研究方法

2.1微生物在巖心中的生長(zhǎng)活動(dòng)規(guī)律

在45℃條件下，將1.3 mL微生物溶液注入長(zhǎng)6層巖心進(jìn)行培養(yǎng)，每隔4 h時(shí)注入一定量0.3 mL營(yíng)養(yǎng)液，每隔12 h取樣分析巖心流出液，計(jì)算菌體個(gè)數(shù)。

2.2微生物在巖心運(yùn)移能力

將巖心樣品制成10 mm×5 mm平面，用生理鹽水仔細(xì)漂洗觀察面，懸滴3%微生物溶液，底部吸濾至無(wú)液體滲出。用2%戊二醛和1%鋨酸進(jìn)行固定，然后丙酮脫水，之后利用醋酸異戊酯置換殘留丙酮，進(jìn)而CO2臨界點(diǎn)干燥，利用離子濺射或真空方式在觀察面鍍金，進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察。

2.3微生物代謝產(chǎn)物定性、定量分析

接種銅綠假單胞菌種至200 mL液體LB培養(yǎng)基中，37℃振蕩培養(yǎng)48 h，收集發(fā)酵液。經(jīng)5 mol/L的HCl沉淀過(guò)夜，下層沉淀烘干，用0.1%的甲醇水溶液溶解，進(jìn)行液相色譜分析。

采用硫酸-蒽酮法測(cè)定鼠李糖脂的含量：分別吸取稀釋500倍稀釋的菌株發(fā)酵液1.0 mL于干凈試管中，冰水浴中加入4 mL 0.2%的硫酸-蒽酮溶液，混勻后置于沸水浴（100℃）中15 min，取出后自然冷卻。以蒸餾水做空白對(duì)照，用酶標(biāo)儀測(cè)定620 nm的吸光值，根據(jù)鼠李糖脂標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算得到鼠李糖脂含量。

取枯草芽孢桿菌菌株的發(fā)酵液，8 000 r/min離心20 min除菌體兩次，上清液用濃HCl調(diào)pH至2.0，出現(xiàn)絮狀沉淀，4℃靜置過(guò)夜。10 000 r/min離心30 min收集沉淀，用pH2.0的酸水洗滌一次。隨后將該沉淀溶于1 mol的NaOH溶液，始終pH值為7.0，冷凍干燥，得淺褐色疏松狀固體的脂肽粗品。

采用Megazyme乙酸檢測(cè)試劑盒對(duì)濃度3%的微生物溶液中乙酸含量進(jìn)行定量測(cè)定。實(shí)驗(yàn)方法：離心取微生物溶液上層清液，按照試劑盒說(shuō)明書(shū)中要求依次加入4種反應(yīng)液，反應(yīng)結(jié)束后用分光光度計(jì)測(cè)定340 nm下吸光值，分別計(jì)算空白和樣品的吸光度差（A1-A0）和（A2-A0），計(jì)算得到乙酸濃度。

2.4微生物降解原油能力

將濃度3%的微生物溶液與安塞原油按照1：5比例裝入錐形瓶，同樣在錐形瓶中裝入地層水和原油混合液，比例1：5，恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d，溫度45℃，對(duì)原油粘度進(jìn)行分析。

取安塞原油30 g，加入200 mL液體培養(yǎng)基中，置于500 mL三角瓶中120℃高壓滅菌30 min，濃度10%的微生物溶液接種于上述滅菌后的原油培養(yǎng)基中，置于45℃恒溫?fù)u床中180 r/min振蕩培養(yǎng)40 d，對(duì)原油組分進(jìn)行氣象色譜分析。

2.5微生物改變油藏潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)性

將微生物溶液（濃度3%）滴在正戊烷處理過(guò)的石英片上，10 min后用S-2接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定接觸角，測(cè)定其潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)性能。

將2 g巖心磨成粉狀顆粒，鋪于培養(yǎng)皿底部，懸滴2 mL微生物溶液（濃度3%）于巖心粉末表面，利用倒置顯微鏡進(jìn)行活細(xì)胞連續(xù)照相，觀察微生物剝離原油的過(guò)程。

2.6微生物解堵機(jī)理研究

無(wú)機(jī)堵塞實(shí)驗(yàn)條件：取安塞油田無(wú)機(jī)物堵塞物W1（碳酸鈣、碳酸鎂類(lèi)沉淀物），將其放入200 mL微生物溶液中，密封，在恒溫振蕩培養(yǎng)箱中100 r/min振蕩培養(yǎng)7 d，每天稱(chēng)取固體質(zhì)量W2，計(jì)算溶垢率（%）。溶垢率（%）=（W1-W2）/W1×100%。

在250 mL的錐形瓶中加入50 mL微生物溶液（濃度3%），再分別加入一定量（3 g左右）的黑蠟（固體石蠟），密封，在45℃的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中振蕩培養(yǎng)7 d后，稱(chēng)重剩余黑蠟質(zhì)量（固體石蠟）。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1生長(zhǎng)規(guī)律

試驗(yàn)用濃度3%的微生物溶液注入巖心，每12 h計(jì)算菌體數(shù)目。以培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo)，菌體數(shù)目的對(duì)數(shù)為縱座標(biāo)，繪制半對(duì)數(shù)生長(zhǎng)曲線（見(jiàn)圖1）。菌種的生長(zhǎng)可分為四個(gè)階段：適應(yīng)期、對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期、衰老期。適應(yīng)期菌種幾乎不繁殖，對(duì)外界因素反應(yīng)敏感，時(shí)間在6 h左右。之后進(jìn)入對(duì)數(shù)期，此時(shí)菌種以較快的速度繁殖，數(shù)量呈幾何級(jí)數(shù)增加，需消耗大量的營(yíng)養(yǎng)液，時(shí)間在20 h左右。之后進(jìn)入穩(wěn)定期，此時(shí)營(yíng)養(yǎng)液逐漸被消耗，代謝產(chǎn)物逐步積累，抑制了菌種的生長(zhǎng)，新生的菌體數(shù)和死亡的菌體數(shù)幾乎相當(dāng)，時(shí)間在25 h。最后進(jìn)入衰老期，菌種死亡數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于繁殖數(shù)量，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)基本被消耗完畢。

圖1　微生物菌種在巖心中的生長(zhǎng)曲線Fig.1 Growth curve of microbe strain in the rock core

3.2運(yùn)移規(guī)律

由掃描電子顯微鏡照片（見(jiàn)圖2、圖3）可以看出，菌種具有一定形態(tài)，銅綠假單胞菌菌種大小3 μm× Ф1 μm，枯草芽孢桿菌菌種大小5 μm×Ф1 μm。菌種對(duì)巖心的附著性很強(qiáng)，部分可以進(jìn)入巖心孔喉（A為自然狀態(tài)菌種，B是菌種附著在巖心表面，C是菌種進(jìn)入巖心孔隙）。

3.3代謝產(chǎn)物分析

采用液相色譜方法對(duì)微生物溶液中的代謝產(chǎn)物的種類(lèi)進(jìn)行鑒定，確定微生物主要次級(jí)代謝產(chǎn)物是鼠李糖脂、脂肽、乙酸，其中鼠李糖脂和脂肽屬于生物表面活性劑，可有效降低原油流動(dòng)阻力、降低油水界面張力，使巖石由油濕轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂瘢瑥亩鸬絼冸x固體表面的原油、解除油層有機(jī)堵塞的作用。乙酸屬于小分子有機(jī)酸，可以溶蝕巖心中的碳酸鈣、碳酸鎂沉淀，解除油層的無(wú)機(jī)堵塞。

圖2　銅綠假單胞菌在不同狀態(tài)下的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Scanning electron microscope photographs of pseudomonas aeruginosa in different conditions

圖3　枯草芽孢桿菌在不同狀態(tài)下的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Scanning electron microscope photographs of bacillus subtilis in different conditions

經(jīng)檢測(cè)，濃度3%微生物溶液鼠李糖脂含量為5.281 g/L，脂肽含量為2 g/L，乙酸濃度為880 mg/L。3.4降解原油能力

對(duì)比加入微生物溶液和未加微生物溶液的原油物性，可以看出在微生物作用下原油的粘度、蠟含量、膠質(zhì)含量均有所下降，結(jié)果（見(jiàn)表4）。

圖4　微生物降解原油氣相色譜圖（微生物處理前）Fig.4 Gas chromatogram of microbial degradation crude oil（before microbial treatment）

微生物溶液混合原油，7 d內(nèi)對(duì)原油組分進(jìn)行氣象色譜分析（見(jiàn)圖4、圖5）。標(biāo)準(zhǔn)品圖譜中C14、C15、C16的出峰時(shí)間在4 min～8 min，對(duì)比微生物作用7 d后氣象色譜分析，4 min～8 min后的峰高要明顯低于前者，表明微生物對(duì)原油產(chǎn)生了降解作用，使C14、C15、C16組分降解為相對(duì)分子質(zhì)量相對(duì)小的組分。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，出峰時(shí)間8 min左右，峰值逐漸上升，說(shuō)明微生物開(kāi)始逐步動(dòng)用重質(zhì)原油烴組分，使得C14、C15、C16烴組分含量上升。

表4　微生物溶液作用后原油物性變化Table.4 Crude oil physical property change after the role of microbial fermentation liquid

圖5　微生物降解原油氣相色譜圖（微生物處理7 d后）Fig.5 Gas chromatogram of microbial degradation crude oil（Microbial treatment after 7 days）

3.5油藏潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)性改變

微生物及其代謝產(chǎn)物對(duì)巖石表面油膜的剝離作用，巖石表面的油膜被微生物剝離之后，菌體吸附在巖石孔隙表面會(huì)引起其潤(rùn)濕性的轉(zhuǎn)變。由表5可知，3%微生物溶液可以有效降低接觸角，從而改變巖石潤(rùn)濕性，易于原油剝離。在初期微生物附著于巖心顆粒表面，后慢慢作用巖心中的原油成分，在巖心顆粒表面形成油膜，并逐漸向外擴(kuò)散、包裹、形成小油滴，最終聚并成油滴。

表5　接觸角測(cè)定結(jié)果Table.5 Contact angle measurement results

3.6解堵能力

無(wú)機(jī)物堵塞，其主要成分是粘土和機(jī)械雜質(zhì)及鈣（碳酸鈣）、鎂（碳酸鎂）、鐵（硫化鐵和堿式碳酸鐵等）的沉淀物。微生物代謝產(chǎn)物中的乙酸可有效溶解巖石孔隙中碳酸鈣、碳酸鎂沉淀，提高巖心滲透率。

圖6　微生物的溶垢作用Fig.6 The scale-dissloving role of microbial metabolic

微生物代謝產(chǎn)物中的生物表面活性劑可以和蠟晶發(fā)生作用，改變蠟晶狀態(tài)，阻止蠟晶生長(zhǎng)，從而降低原油中石蠟、瀝青、膠質(zhì)等重組分的沉積。將濃度3%的微生物溶液與黑蠟（固體石蠟）振蕩培養(yǎng)7 d，可以看到錐形瓶上附著的黑蠟（固體石蠟）呈網(wǎng)狀，說(shuō)明微生物對(duì)油層中的有機(jī)堵塞具有較強(qiáng)的降解作用，具體數(shù)據(jù)（見(jiàn)表6）。

表6　微生物降解前后黑蠟（固體石蠟）質(zhì)量變化Table.6 Black wax（Paraffin）quality change before and after microbial degradation

4　結(jié)論

（1）濃度3%微生物溶液在安塞油田巖心中大量生長(zhǎng)繁殖，最高濃度維持在108個(gè)/毫升數(shù)量級(jí)，且對(duì)數(shù)期和穩(wěn)定器持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，掃描電子顯微鏡下微生物對(duì)巖心的附著性很強(qiáng)，說(shuō)明該微生物在安塞油藏環(huán)境下大量生長(zhǎng)、繁殖并存留在巖心中。

（2）微生物主要次級(jí)代謝產(chǎn)物是鼠李糖脂、脂肽、乙酸，可有效降低原油流動(dòng)阻力、降低油水界面張力，使巖石由油濕轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂瘢瑥亩鸬絼冸x固體表面的原油、解除油層有機(jī)堵塞、無(wú)機(jī)堵塞。

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Microbial oil displacement mechanism research on enhancing oil recovery of Ansai oilfield

YANG Jian，LI Bin，HOU Jungang，BAI Yujun，LI Dongxu
（Oil Production Plant 1 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yan'an Shanxi 716000，China）

Through the indoor experiment in ansai oilfield in strains of microbial oil displacement green copper fake cell single bacteria，bacillus subtilis growth law of research capability evaluation，migration，degradation mechanism analysis of crude oil and reservoir plugging ability research，analyzes the mechanism of microbial flooding to improve oil recovery.Data show that the green copper false single cell bacteria，bacillus subtilis in the Chang 6 reservoir in Ansai oilfield has a good ability to reproduce and migration ability，concentration 3%microbe solution can effectively improve the physical properties of crude oil，increase the light hydrocarbon component in crude oil，heavy hydrocarbon component decreases，the reservoir from oil wet to water，improve the efficiency of washing oil.And metabolic product of the microbial solution can also be broken down effectively reservoir inorganic and organic jams，improve the reservoir permeability.

low permeability；microbe；metabolites；degradation；wettability reversal；removing blockage

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.07.010

TE357.46

A

1673-5285（2015）07-0041-06

2015－04-13

楊劍，女（1983-），采油工程師，2013年碩士畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油與天然氣專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事油田提高采收率工作，郵箱：yjian2_cq@petrochina.com.cn。