微生物提高采收率過程中促進原油動用的機制

佘躍惠, 舒闖闖, 付健*, 劉宇龍, 孫珊珊, 喻高明

(1.長江大學石油工程學院, 武漢 430100; 2. 非常規油氣湖北省協同創新中心, 武漢 430100)

石油價格是影響提高采收率(enhanced oil recovery, EOR)篩選的經濟考慮的最關鍵因素之一。在石油和天然氣行業歷史上,有幾個時期的石油價格相對較低(低于50美元/桶),特別是在2010年美國頁巖油的重大發現和生產期間[1]。微生物提高原油采收率(microbial enhanced oil recovery,MEOR)將生物技術應用與石油工業問題,現已證明生物表面活性劑、生物膜、生物聚合物以及生物產生的酸和有機溶劑等代謝產物可以提高原油采收率。這種方法與傳統的三次采油技術相比具有優勢,成本低,安全性高,易于現場應用,減少對環境的污染。油價的劇烈變化和生物工程技術的發展確保了其可持續性。目前MEOR研究主要集中于將MEOR生物活性物質原位和非原位注入油井。非原位注入方法是在井外將實驗室培養或改造的外源微生物的代謝產物(如生物表面活性劑等)注入井中以提高采收率。原位方法則是通過注入營養物質刺激本源微生物的生長,使其原位產生和釋放生物表面活性劑、生物酸和生物溶劑等化合物,以此提高驅油效率[2]。Liu等[3]根據秘魯的塔拉拉油田、中國的大靖和勝利油田的數據,MEOR應用的額外成本為每桶1～8美元。這種額外的提高原油采收率的采出成本低于化學方法,如表面活性劑或聚合物驅、CO2等注氣驅方法[4]。中國1955年開始對微生物提高原油采收率進行研究,近10年主要對微生物產生的多糖和生物表面活性劑進行研究[5]。開發出能夠在厭氧發酵中代謝CO2、H2與小分子有機酸的菌株,在大慶油田進行采油實驗,開發了4種糖脂生物活性劑,即鼠李糖脂、槐糖脂、海藻糖和多糖脂[6]。大港油田自1993年以來一直在從事微生物采油技術的研究,其研究和應用水平在國內具有代表性,到目前為止,大港油田微生物采油技術的實施使油田增加了2×104t的產油量[7]。中國已經進行4 600多口井的MEOR現場測試,大約500口井進行微生物驅采(microbial flooding recovery, MFR),在國內進行了47次MFR現場試驗,在大慶油田進行了12次現場試驗。MFR現場試驗的增量采收率高達4.95%。MFR在中國非常接近商業應用[8]。

通過對近年來中外MEOR應用的研究發現,室內實驗大多使用滲吸、填砂管和驅替方法,其中自發滲吸廣泛應用且效果較好。現總結MEOR過程原油動用的機制,有助于理解微生物與原油提高采收率的關系,為闡明MEOR機制和改進實驗方法提供新的認識。

1 MEOR實驗方法

1.1 自發滲吸

Kowalewski等[9]通過實驗研究了細菌誘導的潤濕性和界面張力對原油采出的影響,報告了6項使用Amott-Harvey潤濕指數的自發滲吸實驗,顯示MEOR和非MEOR條件之間沒有顯著差異。Alkan等[10]利用本特海姆露頭巖心作為多孔介質,采用標準的Amott程序進行實驗:干燥巖心在真空下用標準Hassler巖心夾持器飽和地層水,然后注入研究油田的死油或作為模型油的正癸烷以達到束縛水飽和度;根據實驗程序,使用無菌(過濾0.2 μm)或未滅菌地層水作為水相;之后,將巖心在37 ℃的油浴中老化2 d;用濕布擦拭巖心外表面上殘余的油后,將巖心放入Amott燒瓶中(圖1),并用水相裝滿Amott燒瓶;將燒瓶放入加熱室(37 ℃),并以規定的時間間隔從燒瓶頂部量筒中的刻度讀取滲吸出油量。王云龍等[11]利用數字巖心技術建立孔隙網絡模型,模擬低滲儲層數字巖心滲吸過程,與實驗室巖心自發滲吸實驗對照,解釋了油藏滲吸作用機理。

圖1 自發滲吸實驗裝置圖[10]Fig.1 Spontaneous imbibition experimental device diagram[10]

1.2 填砂管模型

Alkan等[12]采用干式填料色譜玻璃柱(直徑為5 cm,長度為30 cm;YMC,德國)制備,如圖2所示。步驟如下:將一層壓碎的儲層巖石(1～1 000 μm)倒入柱中并用研杵手動壓實;重復此過程,直到達到所需的長度;填砂管的內側和出口由燒結玻璃熔塊(孔徑40～100 μm)固定到位,這也提供了毛細管連續性,以減少毛細管末端效應。在注射示蹤劑期間觀察生產概況,測試了填砂模型的均勻性。K?gler等[13]建立了玻璃珠、石英砂和原始儲層巖石等各種材料的厭氧填砂管,通過刺激Halanaerobiales發酵性嗜鹽菌的生長來研究MEOR。

圖2 填砂管模型裝置圖[12]Fig.2 Sandpack device diagram[12]

為了將細菌污染的風險降至最低,填砂模型被包裝在本生燈氣氛下,以最大限度地降低空氣污染的風險。使用前,所有需要的設備都經過高壓滅菌(121 ℃,30 min)或熱滅菌(180 ℃,3 h),包括未固結的多孔介質,石英砂、玻璃柱等。在實驗前,其余的裝置(即閥門和管道)用異丙醇消毒,并用無菌過濾的氮氣吹掃。液體分別使用活塞泵或液相色譜泵注入填砂模型和巖心。在流體注入期間連續監測壓力變化。

1.3 驅替實驗

Afrapoli等[14]在具有水濕和油濕的玻璃微模型中進行可視化驅替實驗,如圖3所示。觀測結果表明,在水濕模型中油主要作為獨立的液滴存在,在油濕模型中剩余的油時連續相,細菌有能力驅替微模型中殘留的油。然而,Armstrong等[15]認為,就驅油效率而言,MEOR驅油過程在中性潤濕玻璃珠柱中比水濕系統更有效。這種差異是由于細菌和生物膜表面特性的變化引起的。但人們普遍認為,在驅油過程中,儲層較強的非均質性會導致較差的波及效率。當巖石性質不均勻時,驅替流體將主要流經高滲區,而低滲區將不被波及。通過提高流度比或減少巖石滲透率的變化,可以避免這種較差的波及效率。

圖3 用于驅替實驗的微模型裝置示意圖[14]Fig.3 Schematic diagram of microfluidics device for flooding experiments[14]

1.4 數學建模

鮮見有學者嘗試對多孔介質中的MEOR機制進行建模,包括對細菌壽命的預測。Islam[16]提出了一個三維模型,將細菌的運輸模擬為水相中細胞的濃度,還考慮了營養物質對巖石表面的吸附。細菌生長對營養物質濃度和時間的依賴性用Monod方程表示。滲透率降低是由于堵塞造成的,并提供了經驗相關性。該模型用于模擬具有細菌堵塞、界面張力(interfacial tension, IFT)還原和CO2生成的MEOR應用。Chang等[17]發展了一個三維、三相、多組分的數值模型,并通過實驗室的研究來描述多孔介質中的微生物輸運現象。建立的微生物傳輸公式考慮了微生物在水相中的分散、對流、堵塞和注采生產。Desouky等[18]提出了模擬微生物強化采油過程的一維模型,該模型涉及5個因素(油、水、細菌、營養物質和代謝物),細菌在巖石表面的吸附符合Langmuir等溫吸附模型。Tiwari[19]的工作主要集中在模擬生物膜,從而模擬孔隙度和滲透率的變化對水動力的影響。Martin等[20]建立了包括堵塞在內的地下水反應運移模型。以具有二維流場的流動池中的堵漏實驗結果作為數據庫,對模型的模擬結果進行驗證。Kim[21]提出了描述飽和多孔介質中細菌運移的數學模型,模型中考慮了細菌可逆/不可逆性附著和生長/衰變、細菌沉積和生長引起的孔隙度和滲透率變化。Nielsen等[22]建立了描述含有細菌、培養基和代謝產物的水相對原油驅替的MEOR過程的數值模型。謝昆等[23]基于Logistic方程、Luedeking-Piret方程和物質守恒方程建立了銅綠假單胞菌在油藏環境中的菌體生長、產物合成和營養基質消耗動力學模型。

1.5 數值模擬

目前不存在商業油藏模擬器可以直接模擬MEOR過程,其主要原因是在一個標準的油藏建模[24]方案下對細菌及其生長行為建模困難,其次是將單個機制從實驗室工作中分離出來并校準所提模型的經驗參數的困難。Büeltemeier等[25]利用CMG油藏模擬器的EOR模塊STARS進行數值計算。STARS是行業標準軟件,用于對涉及蒸汽、溶劑、空氣和化學品的強化采油過程進行先進的三相多組分建模。MEOR的所有成分都被建模為水相和油相中的示蹤劑,提高采收率的作用被模擬為產生代謝產物的作用,利用這一概念成功地模擬了主要的MEOR效應:生成的CO2降低原油黏度,生物表面活性劑降低界面張力,生物聚合物提高水的黏度,另外利用了STARS吸附選項模擬了生物質產生的選擇性封堵效應。Alkan等[26]在研究的現場試點項目框架內,MEOR通過使用STARS的化學動力選項進行建模。兩位學者都使用來自靜態和動態實驗(填砂管和巖心驅替實驗)的實驗室數據對新的模型進行了適應性分析及其校準工作。

低滲透巖心利用自發滲吸實驗和驅替實驗能夠有效地提高采收率,但是Amott瓶只能在常壓條件下使用,模擬地層條件下的高溫高壓滲吸實驗需要結合核磁共振等方法;其中,微觀驅替實驗能夠很好地觀察油水滲流和分布規律,以及細菌的繁殖情況,這需要在精密的儀器和嚴格的無菌條件下進行。填砂管模型制作簡單,操作方便,但無法準確模擬真實儲層條件。數學模型和數值模擬能的預測微生物生長和儲層產量,但由于各類微生物在不同環境下的繁殖速度、生長周期、代謝產物等存在較大差異,需要綜合考慮儲層條件、流體力學、微生物生長、原油物性等因素的影響,建模和模擬工作較為困難。

2 MEOR促進原油動用機制

2.1 細菌/細菌群落

細菌是用于MEOR的唯一微生物[27],其體積小,產生大量有用的代謝物,如氣體、酸、有機溶劑、生物表面活性劑、生物聚合物等,并且它們能夠承受儲層下各類惡劣環境。大量學者對各種細菌進行MEOR研究。

表1揭示了生物堵塞在MEOR中的重要性,細菌的代謝產物會引起生物封堵,使巖石滲透率發生改變,其可以選擇性地封堵高滲區,使液相分流至低滲區驅替出原油,提高原油采收率。

通過MEOR改變潤濕性的研究較多(表2),細菌的代謝產物可以改變儲層巖石的潤濕性,通過靜態、動態滲吸,微觀可視化驅替實驗證明,巖石由中性/油濕變為水濕,并發現潤濕性的改變是由于細菌的存在以及生物膜的形成造成的。

細菌通過或外源微生物異地產生的生物表面活性劑,其可以降低界面張力,界面張力的減少可以解釋為氮的有機物含量影響[38-44]。MEOR中代表性的界面張力數據如表3所示。

表3 研究報告MEOR過程中界面張力降低Table 3 Studies on MEOR IFT reduction

細菌在儲層適宜環境下繁殖生長,微生物將碳水化合物代謝產生的CO2等氣體,CO2溶解于原油中使黏度降低,增加原油體積(表4)。原油黏度的變化主要歸因于油的生物降解,生物降解可定義為由微生物活動產生的一系列自然過程,通過這些過程,有機物(油、較重組分)轉化為較簡單的化合物(油、較輕組分)。

表4 通過MEOR產生CO2降低原油黏度的研究Table 4 Studies on the decrease of oil viscosity through CO2 generation by MEOR

2.2 滲透率變化

Jenneman等[51]研究表明,細菌代謝產生的代謝產物選擇性地堵塞了高滲區,物理堵塞導致原始滲透率降低,從而使巖心中的流量分布更加均勻,使驅替液分流到低滲區。這種效應可能會提高驅油過程的宏觀波及效率。Bae等[52]研究了一種帶孢子的微生物調剖(microbial profile modification, MPM)方株,通過特定配方的營養物質,使它們很容易在滲透率超過500 mD的Berea巖心中繁殖并產生生物膜,從而降低巖石的滲透性。通過不同的注入方案可以控制注入深度和滲透率降低程度。Gray等[53]針對含有輕質原油的典型北海砂巖儲層進行MEOR研究。油藏中表面活性細菌的刺激可能通過產生涂有細菌的乳狀油滴來影響流體的流動,油水界面處生物膜的形成改變了界面的流變性,細菌及其代謝產物堵塞裂縫降低儲層原始滲透率。Klueglein等[54]對Wintershall油田的嗜鹽細菌群落的細胞行為進行研究。結果表明,在多孔介質中細菌聚集和附著的生物膜的生長不僅會改變儲層巖石顆粒的表面特性,還可能導致滲透性的強烈降低。其原因是在MEOR過程中細菌將在整個營養物質流動路徑的區域生長,在這些區域,細胞生長繁殖后可以堵塞孔隙改變滲透率,并重新定向水流驅替原油。

2.3 潤濕性變化

Zekri等[34]報道了4種不同類型原油和4種不同礦物學巖石成分的接觸角測量(圖4)和界面張力法。分離并鑒定了一個耐鹽、產孢的嗜中溫生物菌測量結果,使用了從熱水流中的芽孢桿菌屬(Bacillusfamily)的混合菌群,在較大范圍內對微生物細胞濃度、礦化度和溫度范圍內進行測量。結果表明,所有體系的接觸角隨溫度、原油硫濃度和細胞濃度的增加而增加,達到一定程度后,細胞濃度對接觸角沒有影響。Kowalewski等[9]通過自發滲吸實驗研究了細菌誘導的潤濕性和界面張力對原油生產的影響,指出在動態條件下,自發滲吸顯示出潤濕性從強水濕到弱水濕的變化。Polson等[55]通過環境掃描電子顯微鏡(environmental scanning electron microscope, ESEM)研究生物膜對石英(砂巖主要成分)潤濕性的影響。結果表明,細菌/真菌生物膜可以很容易地在石英表面上生長,其具有疏水性,由于以石英為主的砂巖潤濕性通常是親水性,從而生物膜可以促進砂巖從親水性變為疏水性。Afrapoli等[56]使用紅球菌屬sp 094(Rhodococcussp. 094)作為細菌進行潤濕性對微生物驅油微觀兩相流驅替機制影響的研究。Afrapoli等[56]報道了在具有水濕和油濕表面的玻璃微模型中的可視化實驗,兩種微模型中的微生物驅油降低了殘余油飽和度,水濕模型比油濕模型降幅更大。同年,Karimi等[57]使用陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)菌株,測定了細菌代謝產物、細菌粘附和含有兩種不同碳源的細菌溶液不同老化期的潤濕性的影響。結果表明,表面潤濕性可以從中性潤濕或油濕到水濕狀態變化,細菌粘附和生物膜的形成似乎是潤濕性改變的主要機制。Sarafzadeha等[58]為了量化潤濕性改變和界面張力降低這兩種機制的影響,進行了原位和非原位巖心驅替。結果表明,這兩種機制對采收率都有顯著影響,其中潤濕性變化是主要因素。從處理過的巖心中獲取的SEM圖像顯示,巖石孔隙表面形成了生物膜,這被認為是導致巖心表面潤濕性改變的原因。Khajepour等[59]使用透明玻璃微模型中兩相流的微觀可視化研究了MEOR過程對潤濕性和剩余油飽和度的影響。利用生物表面活性劑生產細菌菌株[陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)]通過測量微生物處理前后的相對滲透率,研究了生物膜和生物表面活性對微模型孔壁潤濕性的影響。結果表明,孔隙的潤濕性向更濕潤的方向改變,這也得到了玻璃微模型中油/水相飽和度的視覺觀察的支持。Hajibagheria等[60]研究了陰離子和陽離子化學表面活性劑以及細菌溶液對碳酸鹽巖潤濕性變化的協同效應。使用陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)菌株作為生物表面活性劑產生菌的細菌溶液的單獨和聯合效應分別與作為陰離子的SDBS和陽離子表面活性劑的C12TAB進行了比較。結果表明,細菌溶液可以改變方解石表面的潤濕性,其程度與C12TAB相同,甚至比SDBS更高。

圖4 接觸角測試示意圖[34]Fig.4 Contact angle test diagramt[34]

2.4 界面張力變化

原油中的微生物會代謝生成生物表面活性劑(微生物生產的兩親性表面活性劑)起著關鍵作用,可以降低油水間的界面張力,提高原油采收率。Wang等[61]使用生產的鼠李糖脂作為提高原油采收率的工程菌進行MEOR研究。結果表明,使用銅綠假單胞菌PEER02(PseudomonasaeruginosaPEER02)菌株純化的鼠李糖脂結構與其他銅綠假單胞菌菌株結構相似,PEER02菌生成的生物表活劑鼠李糖脂可以使界面張力減少了一個數量級,顯示出提高原油采收率應用的巨大潛力。Sen[62]綜述了通過使用微生物及其代謝產物來提高原油采收率的機制和進展。研究表明,微生物代謝生成的表面活性劑用于降低水、油與巖石之間的界面張力;聚合物用于增加水驅的黏度;酸、氣體和溶劑用于增加多孔介質的滲透性,并增加地下油層壓力。Al-Sulaimani等[63]綜述了從早期階段開始的MEOR發展情況。研究表明,生物表面活性劑是兩性分子,具有親水和疏水部分,生物表面活性劑主要有5種類型,即脂肽、磷脂、糖脂、脂肪酸和中性脂,它們能降低表面和界面張力,增加疏水性或不溶性有機物的溶解度和流動性。Maechant[64]認為目前最有前途的生物表面活性劑是糖脂類,并對白假絲酵母(Candida)產生的槐糖脂類、芽生孢子(Pseudozyma)產生的甘露糖赤蘚糖醇酯 (MELs )和假單胞菌(Pseudomonas)產生的鼠李糖脂進行研究,這些生物表活劑可以很好地降低油水界面張力,并且為未來大規模商業產品的可持續性提供了良好的前景。Daryasafar等[65]研究了從伊朗Zilaei油田油樣中分離出的地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis)在極端條件下的生物表面活性劑生產潛力。結果表明,在溫度為50 ℃、鹽度為1wt%、酵母提取物濃度為1 g/L的礦物鹽溶液中生長的細菌生長速率最高,在該條件下通過分離培養基的細菌獲得的生物表面活性劑可以將油水的界面張力從36.8 mN/m降低到0.93 mN/m,將水的表面張力從72 mN/m降低到23.8 mN/m。Guimar?es等[66]研究在高鹽度油藏的極端條件下,貝萊斯芽孢桿菌H2O-1(BacillusvelezensisH2O-1)表面活性素能有效地保持其界面性質。結果表明,貝萊斯芽孢桿菌H2O-1產生5種不同的表面活性素同源物,其脂肪酸鏈從C11～C16,具有較高的減少表面張力(24.8 mN/m)和降低界面張力(1.5、0.88 mN/m,分別使用輕油、中油和正十六烷)的能力。Dong等[67]描述了從低滲透油藏中分離出新型的產生表面活性劑的波茨坦短芽孢桿菌YZ-2(BrevibacillusborstelensisYZ-2)菌株的性能。界面張力測試顯示,在室溫下YZ-2生產的生物表面活性劑能將油水界面張力從(18.51±0.1) mN/m降低到(1.32±0.09) mN/m;通過巖心驅替實驗表明,YZ-2產生的生物表面活性劑能顯著提高采收率;微觀模型實驗表明,在油濕模型中,降低界面張力,即降低作為阻力的毛細管壓力,能使油更好地被液相驅替出。

2.5 原油黏度變化

細菌代謝原位產生的氣體會增加地下原油的壓力,能降低原油黏度,從而增加原油的流動性。Guo等[68]對短芽孢桿菌屬(BrevibacillusShida)進行MEOR機理研究,在大慶低滲透油藏(1～25 mD)進行微生物水驅試驗。結果表明,生產液分析中得到所選擇的細菌能很好地適應地層條件,并能繁殖生長,其能降解重質烴,改善原油的特性并代謝活性物質。Alkan等[69]通過滲吸、填砂管和驅替實驗以及數值模擬對本特海姆砂巖進行MEOR研究。結果表明,氣體(CO2)和醇作為注入營養物質與原位微生物和流體之間反應的產物,可以溶解到油中并降低油的黏度,導致油的成分及其物理性質發生變化;另外,采用標準方法建模,研究了聚合物和表面活性劑在水相中的作用以及生成的氣體對原油黏度的影響。Isty等[70-71]研究評價了一種嗜熱厭氧菌AR80(CaldicellulosiruptorbesciiAR80)的MEOR應用。該細菌可以在40～65 ℃和0.5%～9%鹽度(最佳溫度60 ℃,最佳鹽度0.5%～1%)之間生長,可以優先降解原油的長鏈烷烴,并在60 ℃的溫度和1%的鹽度下培養幾天后,將原油黏度降低到其原始黏度的60%。Gao等[72]從受油污染的土壤中分離出兩種使用原油作為碳源的銅綠假單胞菌菌株(Gx和Fx),通過測試Gx和Fx降解純瀝青和原油瀝青質的能力,評估其對原油驅替的能力。結果表明,利用含細胞發酵液降解約10%的純瀝青和59%～72%的原油瀝青質,原油黏度(35 ℃)從76.5 mPa·s降低了近一半,處理后濾紙上吸附的油90%被去除。Zhao等[73]從油藏產水中分離出枯草芽孢桿菌AnPL-1(BacillussubtilisAnPL-1),在厭氧條件下培養代謝產生150 mg/L的生物表面活性劑。該生物表面活性劑的原位乳化作用使原油黏度降低了40.6%,在巖心驅替實驗中提高采收率9.98%。

2.6 礦物溶解

微生物代謝產生的酸性生物氣、酸和有機溶劑可以在一定程度上溶解碳酸鹽巖儲層中的礦物,增加巖石的孔隙度,從而增加原油的滲透性。K?gler等[13]使用純石英砂和兩種類型的儲層巖石,在有無原油的動態填砂管裝置中,研究了高鹽度油田的不同微生物群落在提供MEOR營養物質后的代謝活化和生物群落的變化。微生物誘導的表面礦物溶解表現為比表面和表面結合的亞鐵減少。趙繼勇等[74]以分離自冀東油田的典型油藏微生物竿屬(Bacillussp.)菌株XJ02為例,探索微生物與白云石、云母和方解石相互作用的情況。結果表明,菌株XJ02可以增大儲層礦物的溶解度,增溶程度受礦物種類和礦物顆粒粒徑的影響。菌株XJ02的代謝活動及其對環境理化性質的改變促進了礦物的溶解,而礦物的溶解又有效地促進了菌株XJ02的生長,影響程度云母>0.074 mm(粒徑)方解石>0.900 mm方解石>白云石。

3 結論

MEOR不是一種未經測試的新技術,而是自1954年首次進行現場規模測試以來經過廣泛研究的較為成熟的技術。現通過對微生物及其產物驅油技術的機制進行總結分析,發現各種細菌在不同的儲層條件和營養環境下會代謝出不同的產物,生物表面活性劑的效果尤為明顯。還有,微生物在代謝出不同的產物時對原油的作用機理不同,代謝產生的生物表面活性劑可以改變油和水的界面張力,也可以改變巖石表面,使親油表面變成親水表面;產生的氣體,如CO2會增加地下原油的壓力,降低原油黏度,從而增加原油的流動性,增加巖石孔隙度;產生的酸可以在一定程度上溶解儲層巖石中的礦物,增加巖石的孔隙度,從而增加原油的滲透性;當微生物在高滲透地層中繁殖時,代謝的生物聚合物可以選擇性地堵塞孔隙,使液相分流至低滲區域驅替原油。另外,微生物及其代謝產物可以提高水相的黏度,降低水相的流動性,提高驅油效率。通過總結發現,生物表面活性劑是微生物產生的備受推崇的化合物之一,在MEOR中具有巨大的應用潛力,因此可以針對實際現場的具體情況,通過原位或非原位的方式生成生物表面活性劑。最后,微生物驅油的機制較多,滲透率、油水界面張力、潤濕性等變化背后的原因有待進一步研究,希望后續有更多新的成果來豐富人們對微生物提高采收率的認知,更加全面地了解微生物促進原油動用的機制。