微生物驅數值模擬研究進展

王天源，修建龍，崔慶鋒，黃立信，馬原棟，俞理

(1.中國科學院大學工程科學學院，北京，100049；2.中國科學院大學滲流流體力學研究所，河北廊坊，065007；3.中國石油勘探開發研究院滲流流體力學研究所，北京，100083)

經歷了傳統的一次采油和二次采油之后，在油藏中仍然有大約2/3的原油剩余[1-2]。提高采收率(enhanced oil recovery,EOR)技術在剩余油開采的過程中有至關重要的作用[3]。在現有的EOR技術中，微生物提高采收率(microbial enhanced oil recovery,MEOR)技術通過微生物及其代謝產物作用于原油來提高油藏采收率。該技術廉價、環境友好以及施工工藝相對簡單，因而得到了許多學者的支持與研究[4-5]。目前，原油價格較低，因此，MEOR是一種滿足全球能源需求的經濟和環境友好的可持續方法。自20世紀80年代末以來，許多學者基于微生物驅油機理建立了微生物驅油數學模型，并開展了微生物驅油數值模擬研究，該技術具有費用低廉，可重復操作等優點[6]。在油田實施MEOR 過程中，微生物驅數值模擬技術可以快速分析各種參數(流體參數、生化參數、井組注入參數等)對微生物采油的影響，并為油田現場建立合理的開發方案，可降低實施微生物驅油技術的風險。因此，研究微生物驅油數值模擬對于MEOR 技術的應用方面具有重要意義。本文作者根據大量國內外文獻，以微生物驅采油機理為基礎總結了微生物驅油數值數學模型和軟件應用的研究現狀和最新成果，提出了微生物驅油數學模型的局限性，并預測下一步研究的發展方向，為微生物驅油數值模擬研究提供參考。

1 微生物驅采油機理

1.1 生物表面活性劑改變界面張力

在水驅油藏過程中油-水之間的界面張力起著重要的作用。許多EOR 技術旨在降低界面張力來增加油在多孔介質中流動，而能降低界面張力的化合物主要為表面活性劑。微生物消耗營養物會產生許多產物，其中一種產物是生物表面活性劑。生物表面活性劑是天然兩親(親油和親水)化合物，具有和表面活性劑一樣的性質，可以降低油-水界面張力且能作為乳化劑[7]。基于生物表面活性劑的MEOR技術主要是通過乳化原油和降低油-水之間的界面張力來提高采收率。為了實現這一技術，必須篩選出有效的生物表面活性劑。優質的生物表面活性劑需具備以下性質：較強的界面活性、低臨界膠束濃度(CMC)、對不同溫度和pH 有較好適應性、良好的溶解性以及高乳化能力[8]。由于這些性質，生物表面活性劑在農業，生物修復、石化、制藥、化妝品、洗滌劑和食品工業中均具有多種潛在應用[9-10]。在礦場上使用生物表面活性劑的2種最常見的方法是直接注入生物表面活性劑和定向激活產生物表面活性劑的本源微生物或注入產生物表面活性劑的外源微生物。其中，將生物表面活性劑直接注入油藏是最廣泛的使用方式。由于離子和生物表面活性劑之間的極性相互作用，MEOR技術中另外的產物如各種金屬離子與生物表面活性劑一起注入油藏中通常可以達到更好的驅油效果[11]。

ARMSTRONG等[12]使用微生物溶液作為驅油劑進行了MEOR 實驗。在這項實驗中，分別將莫氏芽孢桿菌(有活性和無活性)放在沒有使用過的培養基和使用過的培養基中進行培養，并將幾組營養液注入至巖心中。結果表明，當巖心被懸浮在沒有使用過的培養基中的無活性細菌驅替時，油水界面張力降低幅度最高，導致油水界面張力從54.3×10-3N/m 降低至8.7×10-3N/m。GUDINA[13]從油水樣品中分離出58 種菌株，并將分離的菌株放置在pH=7.0 培養液中培養繁殖。這些菌株中僅有5 株菌種(證明是枯草芽孢桿菌)能在40℃下、厭氧條件下產生胞外生物表面活性劑，其中最佳的3種菌株能將油水界面張力降低至約30×10-3N/m(初始油水界面張力為66.4×10-3N/m)。最后將這些菌株注入填砂巖心中，原油采收率提高了19.8%～35.0%。AL-SULAIMANI等[14]直接將由枯草芽孢桿菌代謝產生的生物表面活性劑直接注入至巖心中，最終原油采收率提高了23%。同時，他們還將不同質量比的生物表面活性劑/化學表面活性劑混合進行實驗。實驗結果表明，用質量比為1的生物表面活性劑和化學表面活性劑混合，原油采收率可以提高50%，達到最佳采收率。YOUSSEF等[15]向油井中注入外源的枯草芽孢桿菌，60 d后油井產生足夠量的生物表面活性劑，從而使油井增油52.5 m3。這項研究同時也表明，定向激活內源微生物并產生生物表面活性劑具有經濟可行性。李偉等[16]從高礦化油田的油水混合物中篩選得到了肺炎克雷伯氏菌K1，該菌體產生的表面活性劑為糖脂類物質。他們研究了該產物在高礦化水中的乳化活性以及溫度、pH 對表面活性劑的穩定性影響。結果表明：在高礦化條件下，該生物表面活性劑可以保持較好的乳化活性，可耐受90℃的高溫，且在pH=6.0～11.0時，有較強的活性。

1.2 生物聚合物增加水相黏度

微生物代謝產生的眾多產物中包括一種生物聚合物，這些生物聚合物大多為多糖，能起到增強細胞黏附和保護細菌細胞免受干燥和捕食的作用[17]。如黃原膠，通常作為增稠劑被使用，它們可以通過增加水相黏度來擴大波及體積。在MEOR 技術中，通常是通過直接注入生物聚合物來實現這一目的，同樣也可通過定向激活產生物聚合物菌來完成。

ILLIAS等[18]從馬來西亞油井中的油水樣品中分離得到了嗜熱兼性菌株，然后將分離的菌體在含有礦物鹽、酵母提取物和蔗糖的培養基中進行培養。研究結果表明：含有2 種菌株(S13和S17A)的培養液的黏度在微生物指數生長期期間增加，這主要是由于微生物在此培養基中培養4 h就開始生成生物聚合物。在細菌生長結束時，含S13 菌株和S17A 菌株的培養液的黏度從1.01 mPa ?s分別提升至3.76 mPa ?s和3.62 mPa?s。SUGAI等[19]從中國吉林油田的油水樣中分離得到了微生物菌株(梭菌TU-15A)，并在實驗室內對其進行了MEOR 測試研究。菌株首先在含有糖蜜的溶液(pH=8.2)中培養，在1 d 內細菌達到最大生長速率，此時，由于生物聚合物大量生成，培養液的黏度從第2天開始增加，且糖蜜的濃度和培養液的黏度之間呈線性關系。同時，利用該菌株，2個不同的巖心進行驅油實驗，水驅巖心后采收率分別提高了12%和15%。Couto等[20]首次研究了黏性放線菌CECT 908生產的生物聚合物在MEOR 中的應用，并研究比較了該生物聚合物和黃原膠的流變性能。結果表明，CECT908生產的生物聚合物表現出較高的黏度(在質量濃度為2.5 g/L，溫度為40℃，剪切速率為1.4 s-1時，黏度為(1 207±14)mPa?s)，而在相同條件下，黃原膠生產的生物聚合物的黏度只有(281±11)mPa?s；在巖心驅油實驗中，CECT908的產物使原油采收率提高了25.7%±0.5%，而黃原膠的產物使原油采收率僅提高了19.8%±1.2%。

1.3 選擇性阻塞

大多數油藏在自然條件下是非均質的，油藏層與層之間非均質性將導致油藏內部流體的流動特性不同。通常在水驅油藏過程中，水容易在高滲透性區域中流動，這將導致油藏的低滲透性區域只有較少的原油被驅替出來，因此，最終的采收率不高。在使用MEOR技術中，某些生物產物可以選擇性封堵油藏高滲透區域，從而擴大波及體積。這種生物產物主要是生物聚合物和生物膜。

在MEOR 技術中，定向激活產生物膜微生物來選擇性堵塞多孔介質是一個相當大的研究課題。微生物在大孔隙處聚集積累，將可流動水引向其他可流動孔道，從而增大波及體積。此外，若這種聚集的生物膜具有良好的表面性質，則該方法還可以通過堵塞巖石孔隙來改變潤濕性[21]。AMRO等[22]研究發現，當向低滲透巖心注入地衣芽孢桿菌BNP29 時，BNP29 符合可以利用生物膜選擇性阻塞的各項標準。與該菌株相比，硫酸鹽還原菌不僅無法選擇性堵塞油藏孔道，而且還會釋放對MEOR 技術有害的產物。因此，在激活內源微生物時，應該定向激活可以選擇性地堵塞油藏的微生物或有益的功能菌，而不是激活油藏內所有內源微生物。

黃原膠是最常用的生物聚合物之一，在食品、化妝品、化學和石油工業均有廣泛應用[23]。同樣，凝膠多糖也是一種能夠增強MEOR 技術作用的生物聚合物，且凝膠多糖能夠改變巖石的滲透性，從而提高采收率[24]。FINK[25]通過實驗將生物聚合物注入到2根巖心中，一段時間后，2 根巖心的滲透率分別從850×10-3μm2降低到2.99×10-3μm2和從904×10-3μm2降低到4.86×10-3μm2，同時產生了附加的黏滯阻力(阻力系數分別為334和186)。畢永強等[26]借助微觀孔隙模型和物理模擬實驗研究了陰溝腸桿菌FY-7的調剖性能和增油能力。研究結果表明：FY-7會在大孔道優先繁殖產生生物聚合物，具備選擇性堵塞的能力；FY-7 在非均質巖心驅油實驗中，采收率可提高10.54%。

1.4 有機酸/有機溶劑/生物氣

在微生物驅油技術中，微生物可以產生有機酸、有機溶劑、生物氣等生物產品來提高采收率。微生物菌體產生的有機酸主要通過溶解碳酸鹽巖來提高原油采收率[27]。同樣，有機溶劑如丙酮和乙醇也能溶解碳酸鹽巖石來提高采收率[28]。因此，有機酸和有機溶劑的主要機理是通過改變油藏孔隙度和滲透率來提高原油采收率。通過發酵碳水化合物，菌體可以產生氣體，如甲烷、二氧化碳等，這些生物氣能夠對油藏進行加壓從而提高原油采收率。除了增加儲層壓力之外，生物氣可以溶解到原油中并降低其黏度，從而提高波及效率[27]。

有機酸、有機溶劑和生物氣都在實驗室中進行了潛在的MEOR 技術的應用研究[28]。通過對厭氧微生物的發酵形成了二氧化碳、氫氣以及其他副產物(如有機酸和有機溶劑)[29]。其他氣體如氮氣和甲烷可以通過其他厭氧過程產生，分別需要硝酸鹽還原細菌和產甲烷菌。輕質氣體在油藏多孔介質中形成第三相，并提高油相流動性，最終提高原油采收率。劉洋[30]對微生物在厭氧條件下進行了實驗研究，研究表明：在厭氧條件下，菌體能降解原油并產生氣體(包含甲烷)；當初始環境條件pH為6.8～7.0 時，菌體的產甲烷量達到最佳；3次連續注入激活劑后，總產氣量由40 mL 增加到160 mL(甲烷含量由18.4 mL 提高到117.6 mL)。

1.5 重烴的生物降解

眾所周知，有機化合物的黏度是其平均分子量的直接函數。鏈烷烴主要由短鏈(低分子量)和長鏈(高分子量)烷烴組成。因此，較多地長鏈烷烴將導致化合物黏度的增加。某些微生物可以通過降解這些長鏈烷烴，從而增加了輕質原油的量。由于這種較輕的原油黏度較低，因此在驅替過程中更易被采出。微生物降解原油的能力也是MEOR 技術作為接替性技術被廣大石油開發者研究的原因之一[30]。

PURWASENA等[31]已經通過實驗室分離得到1株微生物(石袍菌屬，AR80)，并將其應用在日本的Yabase油田。他們觀察到：在指數生長期內，微生物對重質烴的降解程度大，從而使原油黏度降低。同時，他們還研究了生長培養基的礦化度和溫度對原油黏度的影響。結果表明，礦化度降低和溫度升高會導致原油黏度下降程度更高。ZHANG等[32]將青海油田和新疆油田的原油樣品放在含有營養物的培養溶液中培養(該原油樣品中含有芽孢桿菌，短芽孢桿菌，假單胞菌和球菌等菌體)，結果表明，瀝青的減少量高達40%；2個油田的原油平均黏度下降了約15%。

1.6 潤濕性改變

世界上很大一部分的油都發現在斷裂碳酸鹽巖儲層中，其中基質的潤濕性主要以混合潤濕和油潤濕為主[33]。由于水難以吸附在這些基質的表面上，故而這些區域的原油難以被水驅替出來，從而造成了波及效率不高的結果。研究結果表明，在某些條件下可以改變儲層巖石的潤濕性，從而提高原油采收率[34]。改變潤濕性來提高原油采收率的方法主要通過引入小濃度的表面活性劑和激活附著在儲層巖石上的微生物（微生物在巖石表面生長并形成菌落，菌落成為一個天然的屏障阻礙原油與巖心的接觸），從而增加水與油混合的能力，使原油更容易被驅替出，最終可以提高原油采收率[35]。

潤濕性的測定通常通過接觸角測量或潤濕性指數來計算[36]。ZEKRI等[37]認為：潤濕性的變化是流體和巖石性質的函數，例如礦化度、微生物濃度、巖石礦物成分、瀝青質濃度和儲層溫度等。KOWALEWSKI等[38]對砂巖巖心進行MEOR 實驗，結果表明，經過微生物處理后，巖心的潤濕性從強親水變成了弱親水。然而，在其他條件下，BIRIA等[39]發現碳酸鹽巖心的潤濕性由已發現最初油潤濕變成為水潤濕狀態。同時，細菌生長并產生生物表面活性劑，油水界面張力降低以及巖心潤濕性變化，最終提高了原油采收率。程明明等[40]通過實驗研究空氣輔助微生物改變巖石表面潤濕性的機理。研究表明，空氣中的氧質量濃度可提高微生物改變石英表面潤濕角速度，當溶氧質量濃度為4.5～5.5 mg/L 時，石英表面的潤濕角降低了50.14%～56.94%。朱維耀等[41]以產乳化劑菌SL-1為對象，研究了微生物對剩余油的微觀驅替機理。研究表明：SL-1 及其代謝產物可以乳化原油，從而提高剩余油的驅替效率；同時，SL-1也改變了孔隙的潤濕性，導致部分剩余油自發地從孔道盲端內剝離出來。

2 數學模型分析

微生物驅油數學模型是對微生物驅油機理的一個定量化描述，針對前面描述的驅油機理，本文作者總結了國內外學者在微生物驅油數學模型上所作的工作。

2.1 經典微生物驅油數學模型

2.1.1 Islam模型

Islam模型[42]是基于微生物生長方程(Monod方程)建立的數學模型。模型主要機理為微生物的生長會導致地層的堵塞以及油相物性的改變(包括油相黏度的改變和界面張力的改變)。但由于模型中所需的實驗數據較難獲取，且該模型中采用的機理與目前統一熟悉的微生物驅油機理不太相符合，所以該模型更適用于去計算實驗室內物理模擬中微生物-營養物的分布。

2.1.2 Zhang模型

Zhang模型[43]是在Islam模型上增加對流-擴散作用形成的一維數學模型。該模型具體分析了微生物的吸附滯留對巖石孔隙度和滲透率的影響，且微生物的生長受到2 種營養物質的限制(修正擴展后的Monod方程)。同樣，由于模型中含有較多的經驗公式，且產物對驅油效率的描述不夠深入，因此難以將該微生物驅油數值模擬結果直接用于現場。

2.1.3 Chang模型

Chang 模 型[44]是U.S.Department of Energy 推 出的一個三維三相五組分模型。該模型對微生物和營養物在地層中的生物行為(生長、死亡、生物趨化性、吸附、解吸附以及營養物消耗等行為)進行了深入的描述，具有較強的參考價值。但此模型沒有包含微生物的產物形成這一過程，也沒有包含產物對微生物驅油的影響。

2.2 以生物表面活性劑為主要產物的數學模型

MAUDGALYA等[45]基于單個菌種JF-2(產物為生物表面活性劑)建立了一個兩相十組分的微生物提高采收率的數學模型，該模型主要在表面活性劑驅油數學模型基礎上增加了微生物的生長動力學方程，從而到達模擬微生物驅的效果。武春彬等[46]引入微生物因子來體現菌體自身對微生物驅油的影響，以生物表面活性劑為基礎，模型中微生物因子用來修正殘余油飽和度，進而影響相對滲透率曲線，最終影響驅油效率；NIELSEN[47]建立了一個以產物為生物表面活性劑的數學模型，其中生物表面活性劑存在于油、水兩相中，表面活性劑效應是通過引入控制水相和油相中表面活性劑濃度的分配系數來解釋的，且生物表面活性劑能降低油水界面張力并引起相對滲透率的變化。研究結果表明，表面活性劑提高原油采收率是2個變量的函數：從注入口到生物表面活性劑作用變化顯著點的距離，以及油水界面張力降低程度。HOSSEININOOSHERI等[48]基于微生物消耗營養產生生物表面活性劑并降低油水間界面張力，建立了一個以生物表面活性劑為主的數學模型。模型中微生物的生長是溫度、礦化度和pH的函數，并分析了生物表面活性劑的吸附、微生物的生長速率和營養物的濃度對驅油效率的影響。結果表明：礦化度、溫度和營養物的濃度對提高原油采收率有較明顯影響。YAO等[49]以勝利油田占-3區塊為研究對象建立一個內源微生物驅油數學模型，模型以實驗為依據實現了內源微生物驅油機理：1)降低油相黏度；2)潤濕性改變和毛管力降低；3)油水相滲曲線改變和殘余油飽和度降低。基于占-3油田的數值結果表明，內源微生物驅油可以有效降低油藏含水率和提高原油采收率。該結果可以為內源微生物驅油技術提供有效的指導；王天源等[50]建立了一個以生物表面活性劑為主要代謝產物的數學模型，考慮了微生物生長/死亡、生物趨化性、營養物消耗、產物生成、各組分吸附和微生物解吸附等特性,并分析了最大比生長速率、微生物吸附常數、趨化性系數以及代謝產物得率對微生物驅油效率的影響；畢永強等[51]以銅綠假單胞桿菌(WJ-1，產物為生物表面活性劑)為基礎，通過菌體的吸附實驗和流動實驗，發現菌體在通過巖心的過程中存在篩分作用，且篩分作用強于吸附作用，從而完善微生物的運移方程，但文中并沒有分析該作用對微生物驅油效率的影響；SIVASANKAR等[52]基于假單胞菌研究分析了油藏pH 對微生物提高采收率的影響，研究結果表明：若將油藏pH從高酸性逆轉成低堿性條件(pH為5～8)，油-水之間的界面張力會大大改善，從而原油的流動性和采收率均會增強。

2.3 以生物聚合物為主要產物的數學模型

SUGAI等[53]從吉林油田篩選出產聚合物菌TU-15A，并建立了一個兩相(油、水)五組分(油、水、微生物、營養物和聚合物)的微生物驅數學模型。從物理模擬和數值模擬2 個方面重現了微生物驅油過程，結果表明：微生物消耗營養代謝產生生物聚合物，這些被微生物及其產物波及到的區域內水相黏度會增加，最終提高原油采收率10%。LACERDA等[54]建立了一個微生物驅油數學模型，模型中產物僅考慮了生物聚合物，而忽略了其他可能產生的生物產物帶來的影響。生物聚合物能增加水相黏度，而水相黏度變化模型主要有線性模型、拋物線模型和冪指數模型3種。重點分析了不同最大比生長速率和這3種水相黏度變化模型對驅油效率的影響。結果表明：1)最大比生長速率對微生物驅油有很大影響，在MEOR 技術中應該把篩選合適的注入功能微生物放在首要位置；2)3種水相黏度變化模型對提高原油采收率也有較大的影響，且3種模型提高采收率的差值最高可達5%。AMUNDSEN等[55]描述了一個包含聚合物的流動模型。模型對簡單的二維非均質油藏進行測試分析。結果表明，由于生物聚合物的影響，水相流動性將降低，導致波及體積增大，從而增大驅油效率。WANG等[56]也基于生物聚合物建立了一個微生物驅油數學模型，指出常用的產物生成速率方程[57]中存在以下問題：產物生產速率只與微生物濃度相關，而與營養物的濃度無關(即當油層內營養物濃度為0 時，產物生成速率不為0)，與實際不相符。提出2組死亡速率模型來解決此問題，不含營養物時的微生物死亡速率要比含營養物時微生物死亡速率大很多。對比分析了2組死亡速率模型和1組死亡速率模型對微生物驅油的影響，結果表明，2組死亡速率模型能更準確地模擬微生物驅油過程。

2.4 其他數學模型

雷光倫等[58-59]在經典模型Chang模型的基礎上增加了代謝產物的物質平衡方程，且重點描述了菌體及代謝產物對孔隙度、滲透率、流體黏度和毛管力等參數的影響，但沒有具體說明各代謝產物分別對油藏物性參數的影響；朱維耀等[60]建立了一個傳輸組分模型，旨在分析油、水、誘導物、阻礙物、生物表面活性物質、醇或酮、酸以及生物氣等12 個組分在微生物驅油過程中的生化反應，較完整地體現了微生物驅油機理；張訓華[61]以調剖和降黏為主要機理建立了一個微生物驅油模型，并在對華北油田間12 塊進行了微生物驅油數值模擬研究，對注入段塞尺寸、注入時機和微生物-營養物濃度進行了評價，選出了最優的微生物驅實施方案；李珂等[62]從全隱式方法出發，對建立的數學模型進行差分離散，分析了微生物濃度、營養液濃度、段塞結構和滲透率等因素對驅油效率的影響，并提出了相關的建議；侯健等[63]利用流線模型方法取代有限差分法來求解微生物驅油數學模型，并利用顯示全變差遞減法來求解飽和度方程(飽和度方程通常采用隱式壓力-顯式飽和度的方法求解)，從而快速預測油藏的生產動態；修建龍等[64-65]以油藏有氧區、弱氧區和無氧區為基礎，確定微生物的好氧-厭氧兩步激活理論，建立了滲流場(油、氣、水)和生物場(微生物、營養物、生物表面活性劑、生物聚合物和生物氣)耦合的數學模型，模型詳細闡述了流體流動造成的生物場各組分濃度重分布和生物場的分布對滲流場物性參數的影響；KASTER等[66]以微生物形成生物膜為主要機理建立了一個能改變油藏潤濕性的數學模型，研究結果表明，菌體形成生物膜后，油藏的潤濕性從親油變成了親水；SIVASANKAR等[67]提出了一個非等溫數學模型來分析微生物及營養物在油藏流動過程中的物質平衡和熱力學平衡，模型的結果通過解析解和實驗結果得到了驗證，并得出了不同油藏溫度條件下的最佳平均流體速度，從而達到最優的驅油效率。

2.5 現有數學模型的局限性

由于現有的微生物驅數學模型對描述菌體及其代謝產物在多孔介質中的物理化學機制與實際的MEOR過程有所差距，因此建立的模型中不可避免的會存在一些缺陷。

第一，油藏多孔介質的孔隙分布高度隨機且孔隙形狀復雜多變，目前常用顆粒模型、毛細管模型及三維圖像重構模型來簡化多孔介質[68]，但這些模型也無法準確模擬油藏多孔介質實際特性。因此，基于細微觀尺度下油藏多孔介質結構特征，建立能準確模擬孔隙內流體及微生物流動的數學模型是今后微生物驅油數值模擬的一個重要方向。

第二，大多數微生物驅油數學模型均是建立在油藏在開發過程中是等溫的這個假設上，實際上，油藏在開發過程中油藏內部溫度是會出現變化的(局部區域溫度可能出現劇烈變化)。即使一些模型[48,67]將溫度的因素考慮到微生物生長中，但溫度仍然會對某些產物的性能產生影響(如生物聚合物在不同溫度下，其黏度可能不一樣)，這一點并沒有考慮到模型中。

第三，菌體的形狀和尺寸會影響其在多孔介質的運移過程，且菌體和多孔介質孔喉的配伍性會影響菌體在多孔介質中的滯留機制[51](吸附作用和篩分作用分別在什么時候占主導作用)。微生物的形狀和尺寸對其在多孔介質中的運移影響尚無系統研究。不同形狀和尺寸的菌體對微生物的運移影響有必要進行進一步研究并考慮到微生物驅油數學模型中。

第四，微生物驅油過程中是多種菌體及其代謝產物共同作用于油藏的結果，而目前大部分模型只有1種代謝產物及代謝產物[47-48,52-54,56]，即使部分學者用商業化軟件模擬了多種產物組分共同作用于油藏[69]，但建立的模型無法模擬多種微生物間的相互作用。因此，微生物群落間共同作用于微生物驅油，具有重大的研究價值。

3 軟件應用情況

3.1 MTS

MTS(microbial transport simulator)軟件是一個能研究微生物和營養物運移的三維三相多組分數值模擬軟件。在美國能源部推出的黑油模型模擬器BOAST的基礎上，將微生物和營養物運移的控制方程與油、氣、水的流動方程相結合，從而研發了該軟件。MTS 中模擬的生物作用主要包括：微生物生長和死亡、微生物沉積、化學趨向性、對流-擴散和營養物消耗。MTS 能模擬儲層孔隙度、滲透率、飽和度和地層頂部或地層傾角的三維非均質分布，具有較強的適用性，但軟件中的數學模型并沒有考慮產物對提高采收率的影響，且不能應用于有斷層、有隔夾層的油藏。因此，該軟件更適合用于研究微生物驅油機理。

王天源等[50,56]在MTS的基礎上增加了產物模塊(生物表面活性劑模塊和生物聚合物模塊)，分別研究了生物表面活性劑和生物聚合物的增產機理。在油藏開發階段，很多物性參數(如最大比生長速率、比死亡速率、吸附系數、趨化性系數、產物得率等)不是固定的值，而模型中并沒有考慮這些因素。因此，文中分析了這些參數對微生物驅油效率的影響。結果表明，最大比生長速率、比死亡速率和產物得率對微生物驅油有較大影響。

3.2 UTCHEM

UTCHEM(又稱化學驅仿真模擬系統)[70]是由美國德克薩斯大學提高油氣采收率研究所綜合多家石油公司的化學驅現場試驗數據，通過高精度數據擬合后的系統化建模，來仿真模擬化學驅中的主要工藝過程。UTCHEM 是一種三維、多相和非等溫化學成分油藏模擬器。該軟件中所涉及的主要物理化學現象有對流、擴散、吸附、界面張力、相對滲透率、毛管力、離子交換、相密度和黏度、化學劑色譜分離、溶解/沉淀、活性劑生成、聚合物剪切降解、不可及孔隙體積、凝膠黏度、殘余阻力系數、示蹤劑、溫度等50種。同樣，部分學者將微生物采油過程加入UTCHEM，從而擴展該軟件的使用范圍。

HOSSEININOOSHERI等[69]使 用UTCHEM 軟 件將環境因素(即pH、礦化度和溫度)考慮到微生物生長動力學方程中。在MEOR 過程中，營養物和細菌被注入儲層中，注入的微生物能夠基于原位反應產生生物產物。在這項研究中，基于MEOR機理提出的3種不同模型：以生物表面活性劑為主的模型，以生物聚合物為主的模型以及以生物膜為主的模型。結果表明，與水驅相比，生物表面活性劑可使采收率提高10%～15%，生物聚合物可使采收率提高3%，生物質膜可使采收率提高6%。ANSAH等[71]使用UTCHEM 模擬了可降解原油黏度的微生物對采收率的影響，該模型同樣考慮了環境條件(如溫度和pH)會影響微生物的活性。然而，油藏開發中某些物性參數(如生物降解參數、儲層pH、礦化度和溫度)存在高度不確定性。因此，UTCHEM 用于計算考慮溫度，礦化度和pH 影響的最大生長速率能幫助油藏工作者了解該過程對驅油的影響。

3.3 CMG-STARS

CMG公司提供的STARS模塊是能用于實現提高采收率過程的模擬軟件。它可用于三相、多組分流體的模擬，也能夠模擬有或無分散的固體顆粒在流體中的運動，以及這些顆粒通過復雜地質情況的流動，包括天然的以及人工的裂縫。CMG-STARS同樣可用于模擬組分、熱采、巖石力學(壓裂、地層沉降、巖石破裂)、分散組分(聚合物、凝膠、微生物、乳狀液、泡沫、調剖、斷塞注入)。

CMG-STARS中的反應動力學選項與Monod方程類似，可用于模擬微生物的生長。BUELTEMEIER等[72]利用CMG-STARS 軟件建立微生物驅油模型中，將MEOR的所有組分都等效為水相或油相中的示蹤劑。MEOR的機理主要包括產生的CO2降低油相黏度，生物表面活性劑降低IFT以及生物聚合物提高水黏度；此外，STARS 中的吸附選項用于模擬生物膜的生成而出現的選擇性堵塞效應。研究結果表明，生物表面活性劑和生物聚合物是影響MEOR 效率的主要代謝物。THRASHER等[73]通過實驗測試和數值模擬技術對現場實施MEOR 技術的風險進行了評估。通過使用2個商業模擬器(CMG-STARS和REVEAL)，研究結果表明：更好地了解微生物菌種和井組的工作制度可以減少MEOR 技術的不確定性，從而提高MEOR的成功率。

3.4 ECLIPSE

ECLIPSE 是斯倫貝謝公司開發的一套數值模擬軟件，它具有界面友好、圖形輸出功能強大等功能，可輸出二維和三維視圖，并可進行角度變換，能夠很好處理斷層，并能半自動進行敏感性分析。Eclipse軟件可為各種復雜程度(構造、地質、流體和開發方案)的油藏提供準確、計算快速的多項選擇，而且還提供了全隱式、IMPES、AIM和IMPSAT求解方法。

SPIROV等[74]使用ECLIPSE模擬了MEOR中菌體的產氣行為。通過對嗜熱厭氧菌的實驗研究，在高溫下，礦化度為70～100 g/L時，菌體產生氣體的能力是MEOR的主要機制。將實驗結果應用到挪威的Snorre油田中，并使用ECLIPSE 軟件連續模擬27 個月。結果表明：MEOR 技術使原油采收率提高了17.8%～21%。

3.5 MRST

MRST(MATLAB Reservoir Simulation Toolbox)

是由挪威SINTEF應用數學系研發的開源油藏模擬軟件，是基于MATLAB 語言編寫的[75-76]。MRST 主要是用作快速原型設計和新模擬方法和建模概念演示的工具箱。為此，該工具箱提供了廣泛的數據結構和計算方法，油藏工作者和研究人員可以輕松地將它們組合在一起，以制作各自需要的定制建模和仿真工具。同時，MRST還提供了一個非常全面的黑油和組分油藏模擬器以及友好的圖形用戶界面，可用于后處理模擬結果。

AMUNDSEN[55]基于MRST 描述了一個含表面活性劑、聚合物生成以及生物膜形成的流動模型，并將由于生物表面活性劑生成導致油水界面張力降低和由于生物聚合物生成引起的水相黏度增加的效果與NIELSEN等[77]和LACERDA[54]的計算結果進行比較。結果表明，盡管他們的成果不太一致，但能夠描述這些機理對提高原油采收率的預期影響。AKINDIPE[78]使用MRST研究了諸如通過生物表面活性劑作用的油水界面張力降低和導致生物膜形成的組分(微生物和營養物)吸附機制。研究表明，當生物膜形成堵塞和生物表面活性劑導致油水界面張力降低共同作用時，殘余油在多孔介質中更易被啟動。總之，MRST作為一個油藏數值模擬工具已經為MEOR 技術提供了必要的靈活性和魯棒性，使其適合用于進一步的數值模擬研究。

4 結論與展望

微生物驅技術是微生物學、油藏地質學、滲流力學、界面物理化學等多種學科基本理論的交叉綜合應用，其機理不僅包含微生物學中的菌體在油層中的生長、繁殖和代謝等生物化學過程，而且包含油藏地質學中多孔介質的形成，同時包括滲流力學中的微生物、營養液和代謝產物在油層中的運移，還涉及到界面物理化學中的微生物與巖石、油、氣、水的相互作用引起的巖石和流體物理性質的改變。

基于微生物采油機理分別從數學模型和軟件應用2個方面綜合分析了國內外在微生物驅數值模擬的研究進展。研究發現，微生物在油藏多孔介質中生長代謝及驅油等過程受諸多因素影響，對物化條件的變化非常敏感。宏觀上均勻化的方法無法解決所有問題，采用微觀、實時檢測的物理模擬實驗和數學模型相結合更有利于揭示微生物在多孔介質中的驅油機理。但仍有以下問題有待于進一步探討研究。

1)微生物、營養物及產物的運移方程是微生物驅油數學模型的核心，而多孔介質孔隙模型的建立是研究生物場各組分運移-沉積過程的基礎和關鍵步驟。基于三維圖像重構技術重現油藏多孔介質的結構，結合其他研究方法的優勢，真實反應微觀尺度下油藏多孔介質結構特征，滿足孔隙內生物場各組分的運移需求是今后多孔介質建模的發展趨勢。

2)各種采油功能菌的形狀、尺寸不一(即使同一種菌體尺寸可能不一致)，建議系統地研究微生物的形狀和尺寸對微生物運移的影響，建立更能實際反映在油藏多孔介質中微生物驅油機理的數學模型方程。

3)建立考慮多因素、多組分耦合影響下的微生物驅油數學模型。目前研究中常將微生物的生長和生物場各組分的運移特性簡化為多因素影響的簡單疊加和多組分運移方程的簡單疊加，而未能考慮到多因素、多組分耦合作用下微生物驅的驅油機理。