我国大多数陆上主力油田已进入“双高” (高含水、高采出程度) 开采阶段，如何进一步提高油气采收率、延长油藏开采寿命已成为石油工业界关注的热点和难点^{[1, 2]}。为探索利用化学驱后进一步提高石油采收率技术，近年来本研究组在大庆油田聚合物驱后油藏开展了内源微生物驱油室内及现场试验研究^{[3, 4, 5, 6, 7, 8]}。内源微生物采油技术是利用油藏中原有的微生物群落，通过注水井供给所需的营养剂与空气，同时利用残余油作为部分营养物激活油藏中的微生物群落，促进其在油藏内生长、运移，并生产代谢产物与岩石/原油/水界面相互作用，降低界面张力，改善原油流动性，达到提高原油采收率的目的^{[9, 10, 11]}。针对特定油藏所筛选的激活剂的有效性是内源微生物驱油技术的关键，因此有必要对激活剂的驱油效果进行评价^[12]。

本文针对室内筛选的聚合物驱后油藏内源微生物激活剂^{[7, 8]}，开展了物理模拟驱油和产气性能的评价实验，运用电镜和16S rRNA基因的焦磷酸测序方法，分析了内源微生物的群落结构变化，并结合现场试验进一步验证激活剂的性能和作用效果^[8]。

实验用油样为大庆油田聚合物驱油层模拟油，粘度u_o：8.0 mPa·s (45 ℃)；水样为聚合物驱油层注入污水；岩心为天然岩心，横截面D：2.5 cm，长L：10 cm，空气渗透率k_g：1 000 mD；激活剂为室内筛选的聚合物驱油藏内源微生物专用激活剂^[8]。

实验仪器包括：平流泵、压力传感器、岩心加持器、手摇泵、中间容器、恒温箱、不锈钢高压容器 (容积500 mL，压力表2.5 MPa)和注入泵等。岩心样品分析采用电镜观察和在454 Life Sciences Genome Sequencer FLX Titanium平台上进行PCR焦磷酸测序。

用聚合物驱油层注入污水配制聚合物驱油藏内源微生物激活剂，配制好后装入不锈钢高压容器，装满后拧紧盖，连接压力表，置于45 ℃恒温箱静置培养37-45 d，记录不同时间压力的变化。

1) 抽真空：首先将烘干后的天然岩心称重，再将称重的岩心进行抽真空，在-0.1 MPa下抽真空5 h后结束。2) 饱和水：用聚合物驱油层注入水饱和岩心，测量出饱和水后的重量，计算出岩心的孔隙体积和孔隙度。饱和水的天然岩心放置恒温室，45 ℃老化润湿12 h。3) 饱和油：将原油经脱水后用煤油调至粘度8.0 mPa·s，进行饱和油，驱替使饱和地层水的岩心原油饱和度达到70%左右为止。饱和后的天然岩心放置恒温箱中老化24 h。4) 水驱：将饱和油后老化好的岩心进行水驱，水驱至2倍孔隙体积PV (Pore voleum) 的地层水，当含水98%以上时，结束水驱。5) 聚合物驱：注入0.5 PV聚合物段塞后，进行后续水驱跟进，当含水98%以上时，结束驱替实验，评价聚合物驱效果。6) 注入激活剂：注入0.35 PV的激活剂后，关闭模型，放恒温室45 ℃培养37-45 d。7) 后续水驱：水驱含水98%以上时结束，评价驱油效果^[4]。

用0.22 μm水系滤膜 (Ф50 mm)收集200-250 mL水样中的微生物，滤膜被剪碎后根据FastDNA^® Spin Kit for soil (MP Biomedicals)试剂盒的说明提取微生物的基因组DNA^[10]。基于细菌和古菌16S rRNA基因V3-V6可变区，采用通用引物进行PCR扩增，分别构建同一个样品细菌和古菌焦磷酸文库。利用百泰克多功能DNA纯化回收试剂盒 (BioTeke,China) 分别回收细菌和古菌的PC R扩增产物。纯化后的PCR扩增产物被送至天津南开大学、泰达生物技术研究院进行测序分析^[11]，对比激活前后主要功能菌 (群) 的变化特点。

用现场的注入水在搅拌罐中配制激活剂溶液，浓度1.80%。考虑到作用的有效期及经济成本，设计注入激活剂溶液总量为6 000 ｍ³ (0.022 PＶ)。在不影响试验区油水井正常生产及井组注采平衡的情况下，监测激活剂溶液注入油层后的作用效果^[8]。

产气是通过注入激活剂激活油藏内源微生物驱油的重要机理之一^[12]。油层中的内源微生物利用注入的营养剂代谢产生气体能将地层压力升高，促使气体在原油中进行有效增溶，形成气泡使原油膨胀，带动原油流动的同时还将毛细孔道中的原油驱赶出来，进一步提高油层渗透率，因此有必要对激活剂激活内源微生物产气过程的特点进行分析^[7]。

图1给出了密闭容器中加入激活剂静置培养60 d后，产气增压幅度达到2 MPa。从升压曲线变化可以看出内源微生物产气分成两个阶段。第一阶段初期 (7 d内)，此时压力快速升高，期间内源微生物中的好氧菌先被激活，产生大量的CO₂气体，注入水中携带的溶解氧被迅速消耗殆尽。7 d后压力值上升开始平稳，只有很小的波动，厌氧发酵菌群处于稳定的渐增期，利用激活剂中剩余的营养物质以及好氧菌产生的有机酸等代谢产物继续产生CO₂、H₂等气体。第二个阶段为激活后的第57天，经过长时间缓慢上升后压力值迅速升高，分析认为是油藏中的产甲烷菌被激活，它利用好氧菌、厌氧发酵菌等代谢积累产生的甲酸、乙酸、甲醇等物质快速厌氧代谢产生CH₄的结果^{[7, 14]}。上述产气增压曲线变化表明：激活剂在激活内源微生物过程中具有好氧-厌氧两阶段的产气特点^[15]。

图1 内源微生物激活后密闭容器压力变化 Fig.1 Variation ofpressure of indigenous microorganism in closed vesselafter the activator injection

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为验证激活剂激活内源微生物的驱油效果及作用机理，开展了天然岩心驱油的物理模拟实验^[4]。实验油样为聚合物驱油层模拟油，水样为聚合物驱油层注入污水，采用天然均质岩心。按照驱油的物理模拟实验流程操作，当聚合物驱替结束后，注入0.35 PV的激活剂溶液后关闭模型，在温度45 ℃条件下静置培养37-55 d后，进行后续水驱至驱替实验结束，结果见表1。

表1给出了激活剂在质量浓度为1.8%、用量0.35 PV的条件下，天然岩心物理模拟驱油可在聚合物驱油后的基础上再提高采收率3.0%以上，且在静置培养过程中有明显的产气增压效果。这表明该激活剂不仅能够激活聚驱后油藏内源微生物，而且由微生物代谢产生有利于驱油的物质，用于进一步提高采收率是可行的。

将物理模拟驱油实验结束后的天然岩心从夹套中取出，用镊子在不同截面处夹取碎片，然后用电子扫描电镜进行观察，见图2。在天然岩心注入激活剂后，观察到岩心孔隙中的内源微生物生长繁殖的菌体及其代谢产物^[16]。其中大量菌体均匀地充填在岩石的孔道中，致使岩心从注入到采出各端处没有明显差异。这种在油藏岩石孔隙中“原位”扩增的微生物菌体局部聚集，并产生代谢产物，起到封堵高渗透条带、扩大波及体积的作用和效果，是其他常规的物理化学驱油方法所不具备的^[17]。

图2 注激活剂后内源微生物在岩心中的生长情况 Fig.2 The growth of indigenous microorganism in the cores after the activator injection

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通过扫描电镜还观察到在不同岩石矿物的表面和孔隙中的微生物及其代谢产物吸附滞留量存在一定差异。其中长石表面的吸附滞留量最多，石英表面几乎没有菌体吸附，而粘土矿物中高岭石表面的吸附滞留量较大，伊利石表面覆盖的多是微生物的代谢产物，菌体稀少^{[18, 19, 20]}。因此，可根据不同区块的油藏物性及内源微生物群落结构和组成,选择性激活优势菌群，形成有特色的激活剂配方，这一研究思路可能是利用油藏自身微生物驱油技术发展的主要方向^{[21, 22]}。

利用16S rRNA基因的焦磷酸测序方法^[10]，对获得的原始序列经过如下步骤进行优化：1) 目标序列长度为200-1 000 bp；2) 模糊碱基数量低于6 bp；3) 必须有质量文件且序列长度大于25 bp；4) 碱基同聚体的数量低于6 bp；5) 引物没有错配碱基。序列进行比对分析，按照相似性分为不同的门、纲、目、科和属，按照97%的相似性定为一个OTU_0.03。基于OTU_0.03水平分别计算各样品细菌和古菌群落的香农威纳指数 (Shannon-Weiner Index)、辛普森指数 (Simpson Index)、Chao 1和Good’s Coverage指数。以此对比分析天然岩心油藏物理模拟驱油的驱替液中加入激活剂前后内源微生物群落的变化^[23]，其特点主要表现为以下3个方面。

1) 在添加激活剂后，微生物群落的多样性明显降低，如激活后细菌NGF1-B的OTU_0.03数量为65，明显低于激活前细菌N-DQW-B的数量413；激活后古菌NGF1-A的OTU_0.03数量为28，明显低于激活前古菌N-DQW-A的数量131；激活后细菌和古菌的多样性指数 ( 香农威纳指数和辛普森指数) 均比现场激活前要低 (表2)。但所有微生物群落的Good’s Coverage指数均高于0.95，表明本次样品测序深度能够代表完整的微生物群落。

2) 比较激活前后细菌群落的变化趋势，激活前样品中富含大量的梭状芽胞杆菌纲Clostridia、β-变形菌纲Betaproteobacteria、ε-变形菌纲Epsilonproteobacteria和γ-变形菌纲Gammaproteobacteria (图3A和图3B)，其中不动杆菌属Acinetobacter和产碱杆菌科Alcaligenaceae中的无色杆菌属Achromobacter为已报道具有烷烃降解功能的微生物^[24]。而添加富营养的激活剂后，发酵菌Clostridia中的栖热粪杆菌属Coprothermobacter增长较多，得到富集。

图3 天然岩心注激活剂前后细菌和古菌群落堆积图 (A和B分别基于class和genus (relative abundance高于4%) 水平的细菌群落；C和D分别基于class和genus (Relative abund ance高于4%) 水平的古菌群落) Fig.3 Bacterial and Archaeal communities before and after the activator injection in nature core. A and B represent bacterial communities based on the class and genus levels,respectively. C and D represent archaeal communities based on the class and genus levels

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3) 比较激活前后古菌群落的变化趋势，激活前样品中的优势古菌为甲烷微菌纲Methanomicrobia中嗜乙酸的甲烷鬃菌属Methanosaeta，而激活后甲烷杆菌纲Methanobacteria中嗜氢的甲烷热杆菌属Methanothermobacter成为绝对优势菌^[25] (图3C和D)，推测该现象可能由于激活出的细菌Clostridia中的栖热粪杆菌属Coprothermobacter发酵产生较多的氢气。

为了验证筛选激活剂的有效性，研究团队在大庆油田聚合物驱油后的萨南南二区东块开展了1注4采井组激活内源微生物驱油的现场试验^[8]。现场观察到激活剂在注入期间注入压力由11.3 MPa上升到13.5 MPa，累计升高幅度为2.2 MPa。改为后续水驱140 d后，压力降至注激活剂前的初始压力11.0 MPa，后续注水至280 d时，压力逐渐回升到12.5 MPa，随后压力又降为低于试验前的10.5 MPa，至此注激活剂全过程试验结束。从现场注入压力的变化可以看出，在激活油藏内源微生物过程中，随地下培养时间的延续，产气过程具有明显的两个不同阶段特征，前一阶段产气增压幅度高，周期短；后一阶段厌氧产气周期长，产气增压缓慢，压力升高需有一个较长时间的积聚过程^[7]。

在注入了微生物激活剂后，油藏体系内部发生了产气作用，现场监测的3口见效采油井N2-2-P140、N2-D2-P40和N2-D3-P40井的气样中甲烷和二氧化碳含量变化趋于相同，甲烷含量先高后低，二氧化碳含量先低后高。同样甲烷和二氧化碳的δ¹³C (PDB) 碳同位素含量变化在-45‰−-54‰和7‰−12‰之间波动，激活剂加入促进油藏内源微生物微氧和无氧代谢的交替进行，此现场试验结果与激活剂在室内条件下获得的产气实验结果相印证^{[7, 8]}。

从注激活溶液前后采油井生产动态变化可以看出：2011年12月注激活溶液期间及注后，试验区日产液量由482 t增加到560 t，增加了78 t/d；日产油由18.1 t最高增加到31.5 t，增加13.4 t/d；综合含水由96.1%最低下降至93.9% (现已稳定在94%以上)，下降了2.2%。到2014年6月止，3年半的时间内，试验区已阶段累计产油16 593 t，扣除后续水驱的自然递减及机采井因设备故障影响的产量外，与萨南南二区东块未加入激活剂的采油井相比，实际增油5 957 t，产油量增幅35.9 %，且仍在有效期内。

本文通过物理模拟驱油和产气性能评价实验，阐述激活内源微生物驱油机理和特点。室内优选的激活剂在高压容器中产气过程具有好氧-厌氧两阶段的产气特点，产气增压达到2 MPa，经驱油实验效果评价，可在聚合物驱后基础上石油采收率再提高3%以上。激活后的内源微生物在岩心孔隙“原位”中大量生长繁殖，导致菌体及其代谢产物局部聚集，起到封堵高渗透条带、扩大驱油波及体积的作用。利用16S rRNA基因的焦磷酸测序方法，对比岩心产出液激活前后内源微生物的菌群变化，发现添加激活剂后油藏中的某些微生物被特异地激活，激活后细菌和古菌的多样性明显降低，初步确认参与驱油过程中的一些主要功能菌群。经聚合物驱后的现场试验井组验证，注入激活剂后试验区实现阶段累计增油5 957 t，增加采油量35.9%，含水率下降2.2%，驱油增产效果明显，为聚合物驱后油藏进一步提高石油采收率提供了一条有效途径。

致谢：北京大学工学院的聂勇和赵洁玉为本实验提供的内源微生物激活前后菌群结构变化的分析结果。