微生物学通报  2016, Vol. 43 Issue (2): 241-253

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王娟娟, 张宇, 付娜, 康凯璇, 李晓晨, 邓学峰, 韩雨曦, 赵静
WANG Juan-Juan, ZHANG Yu, FU Na, KANG Kai-Xuan, LI Xiao-Chen, DENG Xue-Feng, HAN Yu-Xi, ZHAO Jing
超低渗油藏微生物吞吐技术的矿场试验
Microbial huff and puff field trial in ultra-low permeability reservoir
微生物学通报, 2016, 43(2): 241-253
Microbiology China, 2016, 43(2): 241-253
10.13344/j.microbiol.china.150380

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收稿日期: 2015-05-11
接受日期: 2015-09-08
优先数字出版日期(www.cnki.net): 2015-11-06
超低渗油藏微生物吞吐技术的矿场试验
王娟娟1, 张宇2, 付娜3, 康凯璇3, 李晓晨1, 邓学峰1, 韩雨曦3, 赵静3     
1. 中国石油化工股份有限公司华北油气分公司石油工程技术研究院 河南 郑州 450006;
2. 中国石油化工股份有限公司华北油气分公司工程技术管理部 河南 郑州 450006;
3. 大连奥普森生物工程有限公司研发中心 辽宁 大连 116023
摘要: 【目的】通过对渭北低渗油藏内源微生物的研究,考察分离纯化的内源解烃菌产生表面活性剂和降解原油的能力、岩心驱替增油效率,同时验证其在超低渗油田单井吞吐矿场实验的应用效果,探讨微生物采油技术在超低渗油田提高采收率的工艺和可行性。【方法】采集超低渗油藏的油水样,应用油平板进行产表面活性剂解烃菌的分离,通过生理生化特性和16S rRNA基因序列分析对菌株进行种属鉴定,评价其油藏环境适应性,利用内源-外源功能微生物复配体系进行原油降解,在填砂管和岩心物模上进行驱油实验,将优化好的微生物复配体系应用于现场实施单井吞吐工艺的实验。【结果】从渭北某区块超低渗油藏的原油样品中分离得到一株铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa),命名为WB-001。该菌株可使发酵液的表面张力降至29.04 mN/m,使渭北原油蜡质含量降至8.48%。填砂管实验表明WB-001与外源枯草芽胞杆菌OPUS-HOB-001 (Bacillus subtilis)复配后,驱油效率较单纯水驱提高了9.72%;岩心驱替实验较水驱提高12.54%。微生物单井吞吐措施后,平均日产油由措施前的0.42 t增加到0.89 t,累计增油44.47 t;原油降粘率为11.70%,降凝率为9.41%,采出水表面张力降低幅度为18.93%。【结论】通过详细的室内评估和成功的矿场实验,证明微生物采油技术在超低渗油藏有一定的应用可行性,并为后续规模化应用提供了理论基础和物质基础,为超低渗油田的高效精细开发探索一条新的途径。
关键词: 超低渗油藏    内源解烃菌    单井吞吐    矿场试验    
Microbial huff and puff field trial in ultra-low permeability reservoir
WANG Juan-Juan1, ZHANG Yu2, FU Na3, KANG Kai-Xuan3, LI Xiao-Chen1, DENG Xue-Feng1, HAN Yu-Xi3, ZHAO Jing3     
1. Institute of Petroleum Engineering Technology, Gas and Oil North China Branch, Sinopec, Zhengzhou, Henan 450006, China;
2. Department of Engineering Technology Management, Gas and Oil North China Branch, Sinopec, Zhengzhou, Henan 450006, China;
3. R&D Center, Dalian OPUS Bioeng Co., Ltd., Dalian, Liaoning 116023, China
Abstract:[Objective] To study the properties of endogenous microorganisms in Weibei Oilfield, we studied the ability of biosurfactant production, crude oil degradation and enhanced oil recovery on core displacement model of the isolated hydrocarbon oxidizing bacteria. Furthermore, we evaluated the effects of huff and puff field trial to discuss the process and feasibility for microbial enhanced oil recovery in ultra-low permeability and shallow reservoir. [Methods] We collected oil-water samples from ultra-low reservoirs and isolated surfactant producing hydrocarbon oxidizing bacteria by crude oil plate, identified the isolates by the physiological-biochemical properties and 16S rRNA gene sequence analysis, and then determined their environmental adaptation. Furthermore, we used an endogenous and exogenous microbial compound system to evaluate the abilities of crude oil degradation and enhanced oil recovery on both sand-pack and core-flooding physical model. Finally, the highly optimized microbial system was performed by the huff and puff process in a production well. [Results] A hydrocarbon oxidizing bacterium Pseudomonas aeruginosa, named WB-001, was isolated from ultra-low permeability reservoir in Weibei Oilfield. The fermentation broth surface tension and wax concentration were reduced to 29.04 mN/m and 8.48%, respectively. Sand-packing model and core displacement experiments showed that the oil displacement efficiency was 9.72% and 12.54%, respectively, performed with WB-001 and OPUS-HOB-001 compounding fermentation liquor injection compared with water flooding. The field trial showed that the daily oil production was increased from 0.42 t to 0.89 t, and total oil increase production was 44.47 t after microbial huff and puff process. In addition, the laboratory experiments on collecting samples showed that oil viscosity, freezing point and fluid surface tension was reduced by 11.70%, 9.41% and 18.93%, respectively. [Conclusion] This successful field trial proved that microbial enhanced oil recovery has its applicability in ultra-low permeability reservoirs and provides theoretical reference and a novel approach to high oil production of tight and ultra-low permeability reservoirs.
Key words: Ultra-low permeability reservoir    endogenous hydrocarbon oxidizing bacteria    huff and puff    field trial    

国内低渗油田石油地质储量丰富,渗透率小于50×10−3 μm2的非稠油低渗透未动用储量占全国未动用储量总数的50%以上[1]。低渗油田虽然储层地质条件差、有效开发难度大,但随着各国经济的高速发展,对石油产品的依赖和需求也越来越大,因此高效经济地开发低渗油田石油地质储量成为国际能源领域的研究热点[2]。影响超低渗油藏开发效果的主要因素分为以下几点[3, 4]:(1) 储层孔喉较小,比表面积大,导致渗透率低;(2) 渗流规律不遵循达西定律,为非达西流特征,启动压力梯度大;(3) 以消耗天然能量的方式开采,地层压力下降快,产量急剧递减;(4) 注水开采见效慢,产量上升不显著;(5) 油井见水后产液及产油指数大幅降低,提液及稳产难度大;(6) 砂岩油藏发生水窜、水淹现象严重。

微生物采油技术(Microbial enhanced oil recovery,MEOR)是利用微生物菌种在油藏中生长繁殖以及代谢产生的生物活性物质,改善油藏润湿性、乳化原油、降低原油粘度、降低流动阻力,从而提高原油采收率[5, 6, 7]。MEOR具有成本低廉、工艺简单、环境友好等优势,成为三次采油技术(化学驱、气驱、热力驱和微生物驱)中重要的一个领域而在国内外广泛应用[8, 9]。我国在低/超低渗油田开发中,积累了大量的MEOR理论基础和实践经验。大庆油田[10, 11]利用以短短芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌为主的配伍菌,开展了微生物吞吐和微生物驱现场试验,截止到2012年底,应用MEOR增产原油达12×104 t,其中微生物单井吞吐518口,累计增油6.30×104 t,实施微生物驱和调驱项目10项(45个井组),累计增油5.70×104 t,为大庆油田稳产发挥了重要作用。胜利油田[12]从1995年开始开展微生物采油技术研究,是我国目前规模最大的MEOR试验先导区,先后在7个区块开展了不同方式的微生物现场试验,已累计增油17.20×104 t。长庆油田[13]在鄂尔多斯盆地延安组A油田实施10个井组的微生物采油措施,对应生产井40口,见效井32口,措施有效率80%。截止2014年10月已累计增油4 340.11 t,平均单井增油118.89 t,综合含水由93.28%下降至75.80%,综合递减由15.70%下降至2.50%,收到了非常明显的效果。安塞油田[14]平均空气渗透率仅为1.29×10−3 μm2,有效孔隙度为12.40%,油井平均产能2 t/d,是典型的特低渗油藏。在王窑区块开展复合内源微生物驱油在低渗油藏的应用研究,12个注采井组现场试验年累计增油超过5 070 t,累计降水超过9 000 m3,投入产出比达到1:5.9。

渭北油田位于陕西省铜川市宜君县北部山区,构造上分布于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部,是典型的中生界致密低渗油藏,含油面积339.80 km2,石油储量为1.07×108 t。主力开发层长3的孔隙度为3.64%−15.72%,平均12.78%,渗透率为(0.33−1.59)×10−3 μm2,平均0.71×10−3 μm2,属于典型的浅层、常温、低压、致密低渗油藏,由于其特殊的储层物性,地层能量低,采用消费式开采方式导致压力下降快,造成产能递减快,开发难度加大[15]。如渭北某代表井初期日产液19.56 t,日产油7.82 t,含水率60%;生产115 d后,日产液下降到2.57 t,日产油下降到0.78 t,含水率69.80%,动液面为621 m,产量递减达90%。同时原油含蜡量相对较高,平均约为14%,随着开采过程蜡质不断析出,导致原油粘度升高,流度降低,单纯依靠弹性开采时油田采收率较低。针对渭北油田超低渗透浅层油藏的特性及原油物性,本文通过研究内源微生物的理化性质及功能特征,利用复配的内源-外源微生物体系来实施单井吞吐工艺,实现原位乳化降粘、降解原油中的蜡质、降低原油凝固点,提高原油的流动性,达到提高单井产量的效果,本项研究为开发适合于致密低渗透油藏的绿色生物采油体系,使其能高效、持久、稳定地发挥采油作用提供新的思路和技术支撑。

1 材料与方法 1.1 试验材料 1.1.1 试剂与仪器:葡萄糖、NaCl、NH4Cl、K2HPO4·12H2O、KH2PO4、CaCl2、FeSO4·7H2O、MnSO4、CuSO4·5H2O、琼脂粉、NaOH和HCl等购于天津市科密欧化学试剂开发中心,均为分析纯。NOVEL,N117M三目生物显微镜;JEM-2100,200 kV六硼化镧透射电子显微镜,中国科学院大连化学物理研究所。

1.1.2 原油和菌株来源:从渭北某致密低渗区块采集的原油样品(常温粘度≤20 mPa·s)中分离得到一株解烃菌WB-001以及大连奥普森生物工程有限公司实验室保藏的采油功能菌OPUS-HOB-001 (Bacillus subtilis)。

1.1.3 培养基:激活培养基(g/L):葡萄糖10,NH4Cl 2,FeSO4·7H2O 0.01,MnSO4 0.002,CuSO4·5H2O 0.002,pH 7.0−7.2。

发酵培养基(g/L):葡萄糖10,NH4Cl 1.5,K2HPO4·12H2O 3,KH2PO4 0.5,CaCl2 0.01,FeSO4·7H2O 0.015,MnSO4 0.002,CuSO4·5H2O 0.002,pH 7.0−7.2。

原油培养基(g/L):原油10,NH4Cl 1.5,K2HPO4·12H2O 3,KH2PO4 0.5,CaCl2 0.01,FeSO4·7H2O 0.015,pH 7.0−7.2,固体培养基加入琼脂粉18。

1.2 实验方法 1.2.1 菌株WB-001的分离纯化及鉴定:菌液激活后采用稀释平板法进行分离纯化。选取稀释度为10−6和10−7的菌液涂布于固体培养基上过夜;挑取单菌落转接到发酵培养基中培养24 h;选取可降低表面张力的菌株接种到固体原油培养基上培养72 h;选取在原油平板上生长且产生较大透明圈的菌株作为实验菌株[16]。随后对该菌株进行菌体形态、生理生化和16S rRNA基因序列分析,并基于16S rRNA基因序列(上海生工测序)的结果确定菌株的种属[17]

菌体形态特征和大小通过透射电镜进行观察,将约500 μL的细菌悬液逐渐滴至有机碳膜上的载网上,干燥后在FEI透射电镜观察,拍照,电压100 kV。

1.2.2 菌株发酵液活性分析[18]表面张力测定:取20 mL WB-001的发酵液于表界面张力仪的平皿中,设定好试验参数,利用QJZY-1自动界面张力仪测定菌株发酵液的表面张力,测定3次,取平均值。

排油圈测定[19, 20]:在直径9 cm的平皿中加入60 mL蒸馏水,再将8 mL用苏丹红III染色的液体石蜡加到平皿中,待整个平板表面的液体石蜡形成一层均匀分散的薄膜后,在油膜中心慢慢滴入发酵液500 μL,观察排油圈大小。

乳化活性测定[21, 22]:取煤油和液体石蜡各5 mL,分别与等体积的发酵液混合,漩涡振荡器振荡1 min,混匀后静置24 h,观察两相体积变化,记录乳化层高度。

乳化液滴粒径测定[23]:在刻度试管中,加入体积比为1:1的原油与发酵液,室温条件下振荡1 min后静置过夜,取10 μL乳化层于载玻片上,利用盖玻片进行压片,在光学显微镜下观察,随机选取一定量的油粒测量直径(ScopePhoto软件图像法测定),计算出乳化后原油颗粒的平均直径。

1.2.3 菌株环境适应性评价:温度适应性:配制发酵培养基,接种2%的菌株WB-001,在20、25、30、35、40和45 °C培养箱中培养3 d,稀释平板法测定发酵液中的菌体数量。

酸碱度适应性[24]:配制发酵培养基,利用HCl或NaOH调节培养基的pH分别为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0和9.0,接种量为2%,于最适温度条件下培养3 d,稀释平板法测定发酵液中的菌体数量。

矿化度适应性[25]:配制pH值为7.0,总矿化度分别为0、2.50×104、5.00×104、7.50×104、10.00×104 mg/L的发酵培养基,接种2%的菌株WB-001,于最适温度和pH条件下培养3 d,稀释平板法测定发酵液中的菌体数量。

1.2.4 原油中蜡质降解效率:利用菌株WB-001与外源OPUS-HOB-001复配进行蜡质降解实验,设置复配比例分别为1:0,1:1,2:1,3:1和4:1,按1:50的体积比将几组复配菌液分别加入到液体原油培养基中,35°C、170 r/min培养7−10 d,采用有机溶剂萃取法进行原油中蜡含量的测定[26, 27]

蜡质降解率计算式如下:

降解率=(W0-W1)/W0×100%

W0:微生物菌株作用前的蜡质含量;W1:微生物菌株作用后的蜡质含量。

1.2.5 菌株室内模拟驱油实验:利用填砂管模型模拟地层环境条件来评价WB-001与OPUS-HOB-001的复配驱油能力。填砂管中饱和地层原油,老化7 d后1#填砂管用水驱至产出液不含原油,计算水驱效率;2#填砂管中注入WB-001与OPUS-HOB-001的复配菌液及营养液,35 °C条件下孵育7 d后水驱,直至产出液不含原油,计算驱替效率。二者的差值即为菌株WB-001与OPUS-HOB-001复配后的采收率提高率[28, 29]

1.2.6 岩心驱油性能评价:将渭北长3的3 cm岩心置于105 °C烘箱中恒温烘干后进行预处理,建立饱和油后分别进行驱替实验。(1) 水驱:将配制好的模拟地层水装入中间容器中,驱替饱和油的岩心至不出油为止,读取油水分离器的刻度数及采油量,计算原油采出程度。(2) 菌液驱:按比例配制复配菌液,装入中间容器中,驱替饱和油的岩心10 PV,记录第1次采油量;关闭岩心前后端阀门,保持净围压为2 MPa,在夹持器中孵育7 d;用模拟地层水驱至不出油为止,记录第2次采油量;二次采油量之和为总的采油量,根据总采油量计算最终采出程度[30, 31]

1.3 矿场试验 1.3.1 试验区块储层物性:渭北长3储层为主力开发层位,埋深300−550 m。以细粒、极细粒岩屑质长石砂岩和长石质岩屑砂岩为主,砂岩具有长石、岩屑含量高、石英相对少及成分成熟度低等特征。目的区块储层平均孔隙度9.32%,平均渗透率0.51×10−3 μm2;原油密度0.81 g/cm3,地层原油粘度6.64 mPa·s,地层原油体积系数1.03,凝固点6−20 °C,初馏点78.50−89.00 °C,属于轻质原油;地层水总矿化度为31 078.50 mg/L,氯根含量18 540.80 mg/L,水型CaCl2。结合各方面因素可以确定渭北油田长3储层属于典型的浅层、低丰度、低产、中型超低渗岩性非饱和油藏[15]

1.3.2 试验井选择:试验井位于长3层位,油气显示2层,累计视厚35.50 m,没有对应注水井(表1)。初期投产不出液,2014年3月压裂后见油,但液量下降快,产油量低,累产油仅37 t;在2014年6月加深泵挂之后,产量提升并维持稳定。试验井在实施微生物单井吞吐措施前15天平均日产液1.68 t,日产油0.42 t,含水62.54%,总产油量为6.31 t。分析认为该井产量与测录井显示不匹配,出现低产主要原因是原油粘度大,地层压力不够。结合微生物采油筛选标准及室内研究结果,确定选该油井作为试验井实施微生物单井吞吐措施。

表1 试验井井况信息 Table 1 Profile of the test single well
层位 Position 深度 Depth (m) 视厚度 Apparent thickness (m) 自然 伽马 GR (API) 深感应 电阻率 Deep induction resistivity (Ω·m) 声波 时差 SDT (μs/m) 泥质 含量 Shaliness (%) 孔隙度 Porosity (%) 渗透率 Permeability (mD) 含油 饱和度 Oil saturation (%)
Chang 331 786.20−815.70 29.50 87.00 32.90 233.90 9.40 11.40 0.77 36.90
Chang 332 825.30−831.30 6.00 94.10 30.10 233.90 9.30 11.40 0.67 34.60
1.3.3 矿场试验方案设计:根据试验井施工井段有效厚度、含油饱和度、孔隙度、微生物代谢规律和关井时间最终确定注入微生物菌剂量5.50 m3,营养液用量104.50 m3,主体段塞共计110 m3。采用套管环空注入的方式,注入先后顺序(图1)及注入量(表2)按照前置段塞(激活剂+生物酶)、主体段塞(采油菌剂+营养液)、激活段塞(激活剂)、顶替液(清水)的顺序进行[32]。在保证安全压力(不超过10 MPa)情况下,进行最大注入量(400 L/min)注入,注入压力为4 MPa,累计注入8 h。注入结束后关井,7 d后开井生产。在井口取样监测试验前后产出液生化性质及油井生产动态的变化,试验前后油井生产制度不变。

图1  微生物单井吞吐工艺模式图 Figure 1  Process model of microbials huff and puff

表2 微生物吞吐药剂注入量 Table 2 Inject volume of potion for microorganism huff and puff technology
段塞名称 Slug 注入量 Inject volume (m3) 成分名称 Element 使用浓度 Concentration (%) 使用量 Usage amount
前置段塞 Pre-slug 15 激活剂 2.000 0.3 m3
生物酶 0.002 1 kg
主体段塞 Main slug 110 采油菌剂 5.000 5.5 m3
营养液 2.500 2.7 m3
激活段塞 Activated slug 20 激活剂 1.000 0.2 m3
顶替液 Displacement fluid 30 清水 30 m3
1.3.4 单井吞吐措施后效果分析:微生物吞吐实现增产效果主要是通过优选菌种对目标井储层原油原位乳化降蜡降粘的作用,可改善近井地带原油的物性,改变润湿性提高其流动性;通过生物酶来降解压裂过程中残留的滤饼及聚合物,疏通油路;通过营养液最大程度激活内源微生物,加强微生物的作用效果,而达到增产的目的。在实际矿场应用评价过程中,微生物采油技术是否见效主要有两个评价指标:(1) 增产情况,即开井复生产后,从日产油量、含液量、含水率综合评价。(2) 后续监测原油的粘度、密度和凝固点,采出液的表面张力、密度、有机酸和微生物的含量[33],同时还要考察微生物生长代谢及与原油的相互作用。因此在开井生产后每隔3 d进行油水样采集并进行化验分析,以监测生产曲线和采出液的生化性质变化趋势。

2 结果与分析 2.1 菌株的分离和鉴定

从渭北长3致密低渗油藏中采集到的11份原油样品,经过初筛复筛获得3株具有显著功能的菌株,其中1株降低表面张力和降解原油的能力最强,将其命名为WB-001。该菌株平板培养初期菌落为淡黄色,随菌体细胞衰老逐渐变为黄绿色;菌落略凸起,表面光滑,较粘稠,边缘规则(图2A)。可以在以原油为唯一碳源的固体平板上生长,将原油降解,在菌落周围形成透明圈[34](图2B)。革兰氏染色为阴性,形态不一,大多成对排列,菌体大小为(0.60−0.80) μm×(3.00−3.50) μm,单端鞭毛(图3)。通过菌体形态观察、生理生化特性以及16S rRNA基因序列和系统进化分析,显示菌株WB-001与Pseudomonas aeruginosa DSM50071的同源性最高,鉴定为假单胞属的铜绿假单胞菌(图4)。

图2  菌株WB-001菌落形态 Figure 2  Colonies of strain WB-001 注:A:LB平板上的菌落;B:原油平板上的透明圈.
Note: A: Colony morphology on LB plate; B: Transparent zones on crude oil plate.

图3  菌株WB-001形态观察 Figure 3  Morphology of strain WB-001 注:A:革兰氏染色(100×);B:透射电镜观察(18 500×).
Note: A: Gram staining under optical microscope (100×); B: Transmission electron microscope (18 500×).

图4  菌株WB-001系统进化树 Figure 4  Phylogenetic tree of strain WB-001 注:括号内为菌株在GenBank登录号;分支点上的数字表示构建系统进化树时1 000次计算时形成该节点的百分比;标尺为进化距离.
Note: The numbers in parentheses represent the accession number of the strain in the GenBank; The numbers in the branching points are bootstrap values expressed as percentages of 1 000 replications; Scale for evolutionary distance.
2.2 菌株WB-001发酵液活性分析

表面张力、排油圈和乳化活性是衡量微生物产生的生物表面活性剂产量和稳定性的重要指标。由实验结果可知,培养24 h之后,菌株WB-001的发酵液表面张力由初始的67.32 mN/m降至29.04 mN/m,排油圈直径为7 cm (图5),对煤油和液体石蜡作用后乳化层高度分别为5.80 cm和5.50 cm。取10 μL 油水乳化体系滴在载玻片上,在光学显微镜下观察,发现原油被乳化成颗粒大小不一的液滴均匀分散在水相中,随机选取35个液滴测量直径,平均大小为68 μm。符合实验预期的效果,初步判断菌株WB-001产生的生物表面活性剂具有极强的降低表面张力的能力和较好的乳化活性[35]

图5  菌株WB-001发酵液的排油圈 Figure 5  Oil drain of strain WB-001 fermentation broth
2.3 菌株WB-001环境适应性评价

对于应用到MEOR技术的功能微生物来说,环境条件如油藏温度、地层水的酸碱度和矿化度对微生物自身生长繁殖和代谢产物的积累影响很大。室内试验方法是选取各指标的不同数值,在不同条件下培养后测定菌液的浓度,从而确定微生物的最适生长指标。

2.3.1 菌株WB-001的温度适应性:菌株WB-001从25−35 °C均表现出较强的生长能力,对温度的变化不敏感,菌体生长量≥106 copies/mL,此时发酵液的表面张力均小于31.00 mN/m。同时可以看出,菌株WB-001的最适生长温度为30−35 °C,在此温度下发酵液的表面张力也达到最低值,为28.93 mN/m,其它温度下由于微生物的生长受到抑制,导致表面张力降低幅度较小(图6)。菌株WB-001的温度适应性变化曲线也与渭北长3区块的平均油藏温度特征相吻合,分析原因为微生物生长及其代谢都是一些特异酶的催化反应,温度较低的情况下酶活也较低,随着温度升高酶活增大,但超过环境温度后酶逐渐失去活性,生长及代谢减弱。

图6  温度对菌株WB-001生长量和表面张力的影响 Figure 6  Effects of temperature on biomass and surface tension of strain WB-001
2.3.2 菌株WB-001的酸碱度适应性:菌株WB-001在强酸和强碱条件下均无法正常生长繁殖,在中性以及弱酸碱性条件下可以良好生长,生长量高于107 copies/mL,此时的表面张力在30 mN/m左右。菌株WB-001的最适生长pH为7.0,菌体生长量可以达到1.50×108 copies/mL,表面张力降至最低点,为28.77 mN/m (图7)。因此该菌株在极端酸碱环境条件下无法正常生长,这也与对应的油藏pH环境特征保持一致。

图7  酸碱度对菌株WB-001生长量和表面张力的影响 Figure 7  Effects of initial pH value on biomass and surface tension of strain WB-001
2.3.3 菌株WB-001的矿化度适应性:油藏地层水通常为高矿化度,对采油微生物的繁殖代谢具有明显的抑制作用,一方面影响细胞的渗透压,使细胞脱水死亡[36];另一方面是由于某些金属元素在较高浓度下对细胞具有毒性。内源菌株WB-001对地层水矿化度的变化较敏感,在无矿化度条件下,菌株WB-001的生长量可以达到1.10×107 copies /mL,表面张力为29.18 mN/m;在矿化度为5×104 mg/L时,菌体生长量为2.10×106 copies/mL,但是表面张力增加到32.65 mN/m;当矿化度>5×104 mg/L,菌株的生长即受到抑制,停止生长(图8)。渭北长3矿化度约为3×104 mg/L,在此条件下,WB-001生长量和表面张力均维持在最佳水平。

图8  矿化度对菌株WB-001生长量和表面张力的影响 Figure 8  Effects of different salinity conditions on biomass and surface tension of strain WB-001
2.4 原油中蜡质降解效率

因菌株WB-001单独作用原油后蜡质降解率仅为2.40%,故选取外源功能菌株OPUS-HOB-001进行复配,以达到高降解的效果。实验结果显示,内源菌株WB-001与外源菌株OPUS-HOB-001按照3:1比例进行复配后,蜡质含量由12.35%降至8.48%,降解率达到31.33%。虽然其它实验比例也可以使蜡质不同程度地降解,但降解率明显低于3:1这个复配比例(表3)。这是由于WB-001与OPUS-HOB-001复合体系中枯草芽孢杆菌产生脂肽类生物表面活性剂,铜绿假单胞菌产生糖脂类表面活性剂,二者综合作用使得表面活性剂的含量最大,形成大量水包油乳状液,可以促进微生物对原油的吸收及降解,同时增强了原油的脱附能力及溶解能力,有利于原油在地下孔喉的流动。同时脂肽类生物表面活性剂作用后可以改变蜡晶的形状,由致密状变成了疏松的枝状,降低了蜡质的凝固点[37],也可以增加原油的流动能力。在原油开采过程中,蜡质组分结晶沉积是低温浅层原油粘度高导致生产井堵塞的主要原因。改变晶核结构,阻止晶核生长,从而降低蜡质的沉积效率,降低原油粘度。由此后续的实验均以WB-001:OPUS-HOB-001为3:1的比例复配作为试验评估体系,以下简称复配体系。

表3 复配体系原油蜡质降解率 Table 3 Wax degradation rate by compounded system
比例 Ratio 降解率 Degradation rate (%)
1:0 2.40
1:1 7.90
2:1 23.48
3:1 31.33
4:1 12.47
2.5 复配体系的填砂管驱油实验

1#空白填砂管水驱出77.08%的原油,注入复配体系孵育7 d后,2#填砂管水驱出84.57%的原油,较单纯水驱提高了9.72% (表4)。该结果说明在相同的条件下,注入复配体系的菌液和营养液后,微生物自身的生长及代谢过程产生生物表面活性剂、生物酶、小分子有机溶剂和生物气等活性物质,可以减小砂对原油的吸附,将原油从砂上剥离开来,并进一步乳化降解,降低粘度和凝固点,从而提高填砂管模拟驱油的驱替效率[38]

表4 复配体系注入后提高采收率情况 Table 4 Enhanced oil recovery by compounded system injection
样品 Test 含油饱 和度 Oil saturation (mL) 一次水驱 增油量 Water flooding oil increment (mL) 一次水驱采出程度 Recovery of water (%) 复配体系驱 增油量 Compounded system flooding oil increment (mL) 复配体系采 出程度 Recovery of compounded system (%) 复配体系提高采收率 Enhanced oil recovery (%)
1# 48.00 37.00 77.08
2# 48.00 40.60 84.57 9.72
2.6 岩心驱油性能评价

实验选用3个岩心,平均渗透率为1.56× 10−3 μm2,水驱采收率49.87%,利用复配体系作用后再次驱替,最终采收率为56.13%,相对采收率提高了12.54%。微生物菌液驱与水驱相比,采出程度具有一定程度的提高(表5)。扫描电镜观察岩心碎屑,观察到微生物的存在,分析微生物可沿微裂缝进入基质内部并生长,代谢的活性物质增加,实现提高采收率。同时可以看出,2#岩心渗透率和孔隙度最小,水驱效率和最终采收程度低,3#岩心渗透率和孔隙度最大,其水驱效率和最终采出程度也最高,该结果也充分证明了渗透率和孔隙度是制约原油相对采出程度的一个重要因素[39, 40]

表5 岩样驱油实验测试结果 Table 5 Test results of core displacement experiments
样品 Sample 长度 Length (cm) 直径 Diameter (cm) 重量 Weight (g) 渗透率 Permeability (mD) 孔隙度 Porosity (%) 水驱油效率 Recovery of water (%) 最终驱油率 Final oil recovery (%) 提高率 Enhanced oil recovery (%)
1 4.533 2.498 52.642 1.590 11.90 51.70 57.60 11.41
2 4.662 2.492 52.620 0.859 11.75 43.10 48.50 12.53
3 5.097 2.477 54.931 2.225 13.23 54.80 62.30 13.69
2.7 矿场试验 2.7.1 微生物单井吞吐措施后生产情况:试验井在实施微生物单井吞吐后关井7 d,于2014年11月15号正式开井生产,开井前3天只出液未出油,日产液量达到平均6.26 t,比措施前提高272.62%。自2014年11月18正式见油,截止到目前共计生产66 d,平均日产液4.49 t,日产油0.78 t,在此期间因抽油杆维修等因素导致停采9 d,实际有效生产天数为57 d,平均日产液4.60 t,日产油0.89 t,较措施前日增油0.47 t,累增油44.47 t,目前处在稳产过程中(图910)。矿场试验显示通过微生物单井吞吐措施取得了较为明显的增产效果。造成产液量初期呈现较大的波动原因,分析是由于地层压力不足导致的。虽然经微生物的综合作用,将近井端积累的蜡质等固形物降解了一部分,加上地下发酵产生大量生物表面活性剂和少量气体起到了乳化原油和增加溶解度的作用,改善了原油的流动性,提高了整体的产液量。但是由于地层本身能量不足,后续能量不能及时补充,而导致产液量剧增后便需要等待液面重新上升的一个曲线波动过程。相比之下,整体产油量和后期液量则相对平稳,也验证微生物单井吞吐工艺同时激活内源和外源微生物而共同提高原油流动能力,并能维持一定时间起到增产的作用。

图9  微生物复配体系注入后产量情况 Figure 9  Single well production after microbials huff and puff

图10  微生物复配体系注入前后产量对比 Figure 10  Production comparisons before and after compounded system injection
2.7.2 措施后监测指标分析:采集措施后16个油水样并对其进行理化指标的动态监测,包括原油的粘度和凝固点以及水样的表面张力等。结果表明原油物性发生较大变化,措施后原油平均粘度为10.64 mPa·s,平均凝固点为7.70 °C,降低幅度分别为11.70%和9.41%。采出水表面张力降低,注入前采出水表面张力67.40 mN/m,注入后平均表面张力为54.64 mN/m,降低幅度为18.93% (表6)。采出液中功能微生物总数由措施前的103 copies/mL增加到措施后的107 copies/mL,乙酸根由32.01 mg/L增加到56.30 mg/L,铁细菌和硫酸盐还原菌生长受到抑制,含量降低[18]。通过对原油物性、采出水表面张力、乙酸根含量、微生物种类和数量等指标分析,均显示出功能微生物在储层环境条件下生长良好,所产生的表面活性剂等活性物质,有效降低近井端原油中蜡含量及粘度,提高了单井产量[41]

表6 措施前后原油物性及采出水表面张力变化 Table 6 Comparisons of crude oil physical property and fluid surface tension before and after compounded system injection
粘度 Viscosity (35 °C,mPa·s) 凝固点 Freezing point (°C) 表面张力 Surface tension (mN/m)
作用前 Before 作用后 After 降低幅度 Reducing rate (%) 作用前 Before 作用后 After 降低幅度 Reducing rate (%) 作用前 Before 作用后 After 降低幅度 Reducing rate (%)
12.05 10.64 11.70 8.50 7.70 9.41 67.40 54.64 18.93
3 结论与讨论

(1) 从渭北某区块低渗透油藏的原油样品中分离得到的高产生物表面活性剂的解烃菌WB-001为铜绿假单胞菌,具有优良的降低表面张力、乳化原油、降粘降凝的性能,环境适应性良好。

(2) 填砂管和岩心模拟驱油实验结果表明采用内源菌株WB-001与外源功能菌OPUS-HOB-001按3:1比例复配作用后驱油效率较单纯水驱分别提高了9.72%和12.54%,增油效果显著。

(3) 试验井微生物单井吞吐后,平均日产油0.89 t,较措施前日增油0.47 t,累增油44.47 t。措施后监测结果显示,原油粘度降低11.70%,平均凝固点为7.70 °C,降低9.41%。采出水表面张力降低,降低幅度为18.93%。表明微生物体系能够对原油中蜡质含量进行有效降解,降低粘度和凝固点,这对于低温浅层油藏在改善原油流动性和提高举升效率有更为现实的意义。

结合渭北油藏MEOR初步研究和矿场结果,针对致密低渗油藏孔喉细小、连通性差、基质原油难以流动的实际情况,应打破常规的油气开采路线,

引用非常规、创新思路来解决开发中的难题和瓶颈。通过宏基因组技术、分子生态技术、原油指纹图谱、残余油渗流机制、微观驱油模型和矿场工艺等多学科、多水平的研究,了解改善原油物性的关键因素,探讨微生物及其代谢产物与提高致密低渗油藏采收率的关系;确定石蜡、胶质等粘度关键因素转化为短链分子的机制,完善后续监测技术指标,最终实现改善原油流动性、提高波及系数、提升基质驱油效率而进一步降低地层残余油饱和度。

同时建立适合于致密低渗油藏的绿色生物采油体系和工艺方法,这些理论研究和矿场实践将为致密低渗油藏的精细开发提供可靠的科学思路和有力的技术支撑。

致谢:衷心感谢中国石油化工股份有限公司华北油气分公司工程技术管理部、石油工程技术研究院和采油三厂等部门的工程师鼎力支持和热情帮助,在样品采集、数据分析、工艺设计和论文撰写过程中提供了很多建设性意见。感谢大连奥普森生物工程有限公司的研发团队,在项目进程中创新攻关,保证课题顺利进行。感谢中国科学院大连化学物理研究所、大连理工大学和大连海事大学在实验中提供的支持和帮助。

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