油藏目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群微生物場(chǎng)提高采收率技術(shù)

宋社民 任付平 游靖 余吉良 谷溢 鞏紅雨

1.中國(guó)石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院；2.中國(guó)石油華北油田分公司工程技術(shù)研究院；3.中國(guó)石油華北油田分公司第三采油廠

微生物提高采收率(MEOR)概念是Beckman在1926年提出的，1940年Zobell進(jìn)行了一系列微生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)微生物確實(shí)能夠產(chǎn)生類似于化學(xué)驅(qū)提高采收率的代謝物質(zhì)，為微生物提高石油采收率奠定了理論基礎(chǔ)［1-2］。微生物采油與化學(xué)驅(qū)的區(qū)別在于，微生物提高采收率的驅(qū)油劑是在油藏內(nèi)產(chǎn)生的，而化學(xué)驅(qū)的化學(xué)劑是由外部注入地層的。Steven L.Bryant在油藏工程中引入了反應(yīng)工程的概念，如微生物在發(fā)酵區(qū)的停留時(shí)間、發(fā)酵動(dòng)力和選擇性、極限代謝產(chǎn)物等，對(duì)微生物在油藏內(nèi)的反應(yīng)進(jìn)行了量化研究［3］。目前國(guó)內(nèi)外微生物采油主要原理是原油的生物降解、原油的乳化、原油及水流動(dòng)性的改變和儲(chǔ)油層巖石物性的改變，其中生物表面活性劑是提高采收率的主要影響因素［4-9］。微生物采油有2種不同的工藝，一種是將地面分離培育的微生物和營(yíng)養(yǎng)液注入油層，一種是單純注入營(yíng)養(yǎng)液激活油層內(nèi)源微生物。2種方法都是通過微生物在油藏內(nèi)的的生長(zhǎng)繁殖，產(chǎn)生有利于提高采收率的代謝產(chǎn)物或直接作用于原油改善原油物性，以提高油田采收率［10-11］。但是，高含水期多數(shù)油藏形成高滲透條帶，注入水利用率降低，影響微生物驅(qū)的采收率。因此，微生物采油提高采收率的幅度大小與微生物在油藏內(nèi)代謝產(chǎn)物的多少和微生物菌液的波及體積有關(guān)，在微生物采油過程中引入微生物化學(xué)驅(qū)和水驅(qū)調(diào)整的工藝，通過在油藏內(nèi)形成目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群微生物場(chǎng)來提高有益菌群的代謝產(chǎn)物數(shù)量和擴(kuò)大微生物菌液的驅(qū)替波及體積，達(dá)到提高采收率的目的。

1 目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群微生物場(chǎng)理論基礎(chǔ)

Steven L.Bryant在《MEOR 的油藏工程分析》中提出，油藏中微生物代謝產(chǎn)物濃度的積累需要一定的時(shí)間，遵循微生物的生長(zhǎng)規(guī)律，營(yíng)養(yǎng)物到達(dá)油藏中微生物所在的區(qū)域才能保證微生物的生長(zhǎng)繁殖，當(dāng)代謝產(chǎn)物濃度達(dá)到一定量時(shí)，才具有提高采收率的目的。代謝產(chǎn)物濃度高低，決定提高油藏采收率幅度的大小。通過有效的手段使篩選的有益菌成為油藏中數(shù)量最多，活性最強(qiáng)的菌群，并將其稱為目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群，目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群利用原油和外部碳源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)合成的代謝產(chǎn)物其最高濃度C，其計(jì)算公式為［12］

式中，C為微生物合成的代謝產(chǎn)物總質(zhì)量，g；vn為原油轉(zhuǎn)化效率，%；S為油藏原油飽和度，%；α為原油消耗率，即微生物利用的原油質(zhì)量/原油飽和度為S時(shí)的質(zhì)量，%；ρo為原油密度，g/cm3；ve為外部碳源轉(zhuǎn)化效率，%；β為外部碳源消耗率，即微生物消耗的外部碳源質(zhì)量/注入時(shí)的外部碳源質(zhì)量，%；ρe為油層中外部碳源的密度，g/cm3；ρw為油層水密度，g/cm3。

在油藏環(huán)境下微生物生長(zhǎng)代謝主要受含氧量、壓力、溫度、礦化度和PH值等因素影響，直接在油藏內(nèi)提高微生物及其代謝產(chǎn)物的濃度可控性差、成本高［13-14］。通過引入化學(xué)驅(qū)的工藝，利用產(chǎn)出水處理回注系統(tǒng)在地面激活油藏目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群，促進(jìn)表面活性劑等代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量，然后再注入地層，彌補(bǔ)微生物在油藏內(nèi)代謝有益產(chǎn)物的不足。提高油藏采收率有2個(gè)途徑，一是提高驅(qū)替液的驅(qū)油效率，二是擴(kuò)大驅(qū)替液的波及體積，尤其陸相沉積地層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，高含水后期開發(fā)的油藏優(yōu)勢(shì)通道更加明顯，擴(kuò)大驅(qū)替液驅(qū)油波及體積是提高油藏采收率的有效手段［15］。微生物采油提高的采收率R為

式中，Ev為波及體積，%；Eη為驅(qū)油效率，%。

要實(shí)現(xiàn)大幅度提高油藏采收率的目的，需要提高微生物代謝產(chǎn)物濃度的同時(shí)，也要擴(kuò)大微生物及其代謝產(chǎn)物溶液的波及體積。目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群微生物場(chǎng)就是在地面系統(tǒng)和油層內(nèi)增強(qiáng)目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群表面活性劑的生產(chǎn)能力，提高油藏微生物代謝產(chǎn)物的濃度，并通過深部調(diào)驅(qū)、分層注水、分層壓裂和細(xì)分層系擴(kuò)大微生物代謝產(chǎn)物的波及體積、降低成本、提高油藏采收率。

2 目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群微生物場(chǎng)的建立

寶力格油田位于二連盆地巴音都蘭凹陷，儲(chǔ)集層是白堊紀(jì)阿爾善組扇三角州沉積的巖屑長(zhǎng)石細(xì)砂巖、粉砂巖、含礫砂巖和砂礫巖等，具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，粉砂巖滲透率小于 10 ×10-3μm2，細(xì)砂巖和含礫砂巖滲透率 117 ×10-3μm2，砂礫巖滲透率 510 ×10-3μm2不等。試驗(yàn)區(qū)為巴19和38斷塊；平均原始油藏壓力 13.50 MPa，原始地層溫度 58.4 ℃，地層原油密度0.832 5 g/cm3，地層原油黏度13.66 mPa·s，原始飽和壓力4.20 MPa。原油性質(zhì)中等，平均地面原油相對(duì)密度0.878 3 g/cm3，黏度48.76 mPa·s，凝固點(diǎn)29.1 ℃，含硫量0.23%，含蠟量16.9%，膠質(zhì)瀝青質(zhì)27.8%。自2001年投產(chǎn)以來，油藏就沒有穩(wěn)產(chǎn)期，總遞減高達(dá)3.92%～9.42%，含水上升率達(dá)到10%以上。

2.1 目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌乳化能力分析

2.1.1 實(shí)驗(yàn)方法

(1)乳化實(shí)驗(yàn)：利用自來水配置0.83%的營(yíng)養(yǎng)液 100 mL，添加實(shí)驗(yàn)斷塊混合油 5 g，105 ℃ 滅菌15 min，然后接種 1% 菌液，55 ℃、120 r/min 恒溫?fù)u床培養(yǎng)36 h。營(yíng)養(yǎng)劑配方：葡萄糖(化學(xué)純)0.4%、糖蜜(生化試劑)0.2%、牛肉膏(生化試劑)0.06%、蛋白胨(生化試劑)0.05%、KH2PO4(分析純)0.02%、KNO3(分析純)0.1%。

(2)降黏實(shí)驗(yàn)：利用自來水配置0.83%的營(yíng)養(yǎng)液 100 mL，添加實(shí)驗(yàn)斷塊混合油 40 g，110 ℃ 滅菌25 min，然后接種 1% 菌液，55 ℃、120 r/min 恒溫?fù)u床培養(yǎng) 7 d。

(3)界面張力測(cè)定：取乳化實(shí)驗(yàn)后的乳化液，去除其中的殘余油，用界面張力儀在 50 ℃、5 000 r/min條件下，恒溫15 min后測(cè)定樣品的界面張力。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

微生物通過代謝產(chǎn)生生物表面活性劑使原油乳化，形成油水乳狀液，乳狀液在多孔介質(zhì)驅(qū)替過程中由于賈敏效應(yīng)能夠形成較好的封堵作用，可改變水相的相滲曲線，具有較好的流度控制作用，達(dá)到擴(kuò)大波及體積，實(shí)現(xiàn)提高采收率的目的。因此，篩選的目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群不論在有氧環(huán)境，還是厭氧環(huán)境均要求有代謝表面活性的能力。從實(shí)驗(yàn)室保藏菌種和寶力格油田油井產(chǎn)出液中共篩選出了4株功能菌，分別為HB3、JH、H、HB2，4株菌與原油具有較好的作用效果，通過產(chǎn)生生物表面活性劑能夠乳化原油，使原油分散于水相中。通過穿刺接種實(shí)驗(yàn)確定4株菌為兼性厭氧菌，能夠適應(yīng)油藏的無(wú)氧或稀氧環(huán)境。4株菌與原油作用評(píng)價(jià)結(jié)果見表1，界面張力降低73.0%～89.5%，降黏率35.7%～43.5%。

表1 菌種的評(píng)價(jià)結(jié)果Table 1 Evaluation results on strains

為了提高菌種在油藏內(nèi)的作用效果，開展了4株菌之間的復(fù)配實(shí)驗(yàn)，以確定菌株之間的最適添加比例。通過與原油作用的乳化、降黏以及物模實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了4株菌最適復(fù)配比例為1∶1∶1∶1，復(fù)配菌作用后原油降黏率為 45.7%，物模試驗(yàn)提高采收率9.3%。

2.2 注入方式

外源目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群的注入菌濃與提高采收率幅度正相關(guān)，以現(xiàn)場(chǎng)1%的菌液和0.81%的激活劑開展微生物驅(qū)物模實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。注入液菌體濃度越大，提高采收率幅度就越大，當(dāng)注入液菌體濃度大于104個(gè)/mL后對(duì)提高采收率有明顯貢獻(xiàn)，達(dá)到105個(gè)/mL菌濃，提高采收率增幅最大，以后菌濃數(shù)量越高，提高采收率幅度呈近似線性關(guān)系。

為了確定不同注入方式對(duì)采出液菌體濃度的影響，開展了營(yíng)養(yǎng)液+菌液連續(xù)驅(qū)、0.5 PV菌液段塞+水驅(qū)、0.5 PV菌液段塞+營(yíng)養(yǎng)液驅(qū)3種驅(qū)替方式對(duì)采出液菌濃影響的物模實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。在采用營(yíng)養(yǎng)液+菌液連續(xù)驅(qū)替的注入方式時(shí)，采出端的菌濃最高只能升到107個(gè)/mL。0.5 PV菌液段塞+水驅(qū)、0.5 PV菌液段塞+營(yíng)養(yǎng)液驅(qū)采出端最高菌濃在104個(gè)/mL以下，因此，后2種段塞注入方式提高采收率幅度在2%左右。目前現(xiàn)場(chǎng)通過持續(xù)的微驅(qū)，采出液菌濃維持在105個(gè)/mL，進(jìn)一步提高采收率必須進(jìn)一步提高采出液菌濃的數(shù)量，改變注入方式是關(guān)鍵。

圖1 菌濃與采收率關(guān)系Fig.1 Relationship between bacterial concentration and recovery factor

圖2 不同驅(qū)替方式與采出菌濃的關(guān)系Fig.2 Relationship between the displacement mode and the bacterial concentration of produced fluid

2.3 高效地面發(fā)酵工藝

菌液和營(yíng)養(yǎng)液連續(xù)注入，能夠確保菌濃達(dá)到106個(gè)/mL。為了在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，充分利用產(chǎn)出液中的有益菌群，采用地面發(fā)酵工藝，使微生物及其代謝產(chǎn)物在地面增殖擴(kuò)大后再注入油層，增加驅(qū)油劑總量。寶力格油田微生物驅(qū)采出液統(tǒng)一輸送到聯(lián)合站內(nèi)，經(jīng)過三相分離脫油、一二級(jí)沉降脫油、過濾等工藝后再回注到油藏。污水處理時(shí)間為8～12 h、處理溫度45～50 ℃，非常適合微生物的生長(zhǎng)繁殖。利用寶力格油田聯(lián)合站污水處理系統(tǒng)提出了微驅(qū)采出液地面發(fā)酵循環(huán)驅(qū)技術(shù)，將一級(jí)沉降罐作為發(fā)酵罐，通過管道泵將菌液和營(yíng)養(yǎng)液注入一級(jí)沉降罐，使目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群在地面進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，以達(dá)到增加菌濃及提高有益代謝產(chǎn)物濃度的目的，然后再回注入油藏。地面發(fā)酵前后目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群檢測(cè)結(jié)果見表2，地面發(fā)酵前后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果見表3。

表2 發(fā)酵前后菌群種類檢測(cè)結(jié)果Table 2 Detection results of microflora species before and after the fermentation

表3 微驅(qū)采出液地面發(fā)酵技術(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation results on the ground fermentation technology of produced fluid by microbial flooding

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過地面發(fā)酵循環(huán)驅(qū)使注入液菌濃增加了2個(gè)數(shù)量級(jí)，注入液菌濃整體提高到108個(gè)/mL，表面張力降低18.6%；采出液菌濃提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，表面張力降低10.7%。經(jīng)3年運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，微生物增殖發(fā)酵與地面油水、污水處理系統(tǒng)兼容性好。

2.4 擴(kuò)大微生物代謝產(chǎn)物波及體積調(diào)控技術(shù)

措施過程中將可動(dòng)凝膠深部調(diào)驅(qū)技術(shù)引入微生物驅(qū)中，以進(jìn)一步提高驅(qū)替液的波及體積。通過開展凝膠配方體系中的聚丙烯酰胺、交聯(lián)劑、調(diào)節(jié)劑以及三者的成膠體對(duì)微生物生長(zhǎng)性能的影響實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)了微生物菌液與凝膠體系之間是否存在相互影響，明確微生物和凝膠的注入方。不同培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)測(cè)定實(shí)驗(yàn)樣品的菌體濃度，測(cè)定結(jié)果如圖3所示。

從以上測(cè)定結(jié)果可以看出，凝膠配方各物質(zhì)對(duì)微生物影響最嚴(yán)重的是有機(jī)鉻交聯(lián)劑，交聯(lián)劑能夠抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖。同時(shí)，開展了微生物菌液對(duì)凝膠體系成膠性能的影響，將配置好的樣品放入38 ℃恒定烘箱中，觀察和記錄形成凝膠的時(shí)間，并測(cè)量樣品黏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖3 凝膠體系對(duì)微生物生長(zhǎng)性能的影響Fig.3 Effect of gel system on the bacterial growth performance

圖4 微生物菌液對(duì)凝膠成膠性能的影響Fig.4 Effect of microbial fluid on the gelling performance of gel system

由以上結(jié)果可以得出，凝膠初膠時(shí)間為4 h，完全成交時(shí)間為8 h。微生物菌液對(duì)凝膠成膠時(shí)間不產(chǎn)生影響，但是對(duì)成膠后的強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中可以將微生物和凝膠分段塞注入，使微生物在油藏內(nèi)之和成膠體接觸，避免兩者之間產(chǎn)生的負(fù)面影響。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

寶力格油田巴19、38兩個(gè)斷塊含油面積11.9 km2，油水井?dāng)?shù)187口，其中注水井71口，采油井116口。該油田于 2014～2016年共注入工作液 0.050 6 PV，其中，微生物 0.003 9 PV、可動(dòng)凝膠 0.011 PV。有效地控制力油田的產(chǎn)量快速遞減，截止到2016年底累計(jì)增油量為5.57×104t；含水上升速度得到控制，巴19、38兩個(gè)斷塊與常規(guī)水驅(qū)對(duì)比綜合含水率分別下降了6.91個(gè)百分點(diǎn)和3.46個(gè)百分點(diǎn)(如圖5和圖6所示)。利用甲型水驅(qū)曲線和指數(shù)遞減法預(yù)測(cè)最終采收率，與措施前2012年相比，巴19和巴38斷塊提高采收率幅度分別為6.77個(gè)百分點(diǎn)和6.1個(gè)百分點(diǎn)，投入產(chǎn)出比1∶2.1。通過高通量測(cè)序?qū)τ筒禺a(chǎn)出液菌群種類進(jìn)行鑒定，并對(duì)菌群生物學(xué)功能進(jìn)行分析，確定了產(chǎn)出液中有益菌群主要烴降解菌、發(fā)酵菌和產(chǎn)甲烷菌，在微驅(qū)過程中這些菌群的豐度總和大于80%。

圖5 巴19斷塊含水率和采出程度關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between water cut and degree of reserve recovery of fault block Ba 19

圖6 巴38斷塊含水率和采出程度關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between water cut and degree of reserve recovery of fault block Ba 38

4 結(jié)論

(1)油藏目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群微生物場(chǎng)提高采收率技術(shù)是以微生物化學(xué)驅(qū)和水驅(qū)調(diào)整為核心的經(jīng)濟(jì)有效的驅(qū)油方式，可以實(shí)現(xiàn)降低含水率的上升速度，大幅度提高采收率的目標(biāo)。

(2)微生物采油效果與菌濃成正相關(guān)的關(guān)系，菌濃越高采收率提高幅度越大；通過建立便捷、經(jīng)濟(jì)的微生物驅(qū)采出液地面發(fā)酵循環(huán)驅(qū)技術(shù)，提高了注入液的菌濃及代謝產(chǎn)物的數(shù)量，尤其表面活性劑濃度，滿足了大幅度提高采收率的需求。

(3)油藏目標(biāo)優(yōu)勢(shì)菌群微生物場(chǎng)驅(qū)油，輔助可動(dòng)凝膠深部調(diào)驅(qū)，有效控制了高滲透層及條帶的滲流速度，保障微生物在地層中的滯留代謝作用，有效地?cái)U(kuò)大微生物工作液的波及體積，因此，微生物采油技術(shù)只有與水驅(qū)調(diào)整相結(jié)合才能進(jìn)一步提高實(shí)施效果。