微生物驅(qū)油室內(nèi)沙土管模擬實(shí)驗(yàn)

石油是當(dāng)今世界能源和化學(xué)工業(yè)最重要的原料，有“現(xiàn)代化工業(yè)的血液”之稱[1]。目前常規(guī)的石油開(kāi)采技術(shù)只能采出石油儲(chǔ)量的30%～40%，三次采油技術(shù)(亦稱強(qiáng)化采油技術(shù)，有熱驅(qū)法、化學(xué)驅(qū)法和混相驅(qū)法)的石油平均采收率也很難超過(guò)50%[2]。微生物提高石油采收率技術(shù)(Microbial enhanced oil recovery,MEOR)是繼三次采油技術(shù)后提出的四次采油技術(shù)，是通過(guò)注入或激活在油藏內(nèi)能存活的微生物以提高原油的采收率[2，3]，其關(guān)鍵取決于選用的微生物能否在油藏條件下進(jìn)行繁殖和有效的代謝，從而改善原油性質(zhì)。

微生物采油菌種的性能評(píng)價(jià)分為菌種室內(nèi)性能評(píng)價(jià)、室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和礦場(chǎng)試驗(yàn)階段評(píng)價(jià)三部分。室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)是菌種油田評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的預(yù)實(shí)驗(yàn)，能夠進(jìn)一步驗(yàn)證菌種的應(yīng)用潛力，具有相當(dāng)重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外微生物驅(qū)油室內(nèi)模型研究呈兩種趨勢(shì)，一類(lèi)使用從油藏開(kāi)采的天然巖心試驗(yàn)，試驗(yàn)效果較好，但是成本較高，研究者很少使用[4]；另一類(lèi)使用較多的是采用樹(shù)脂或石英砂或石英砂與石灰?guī)r的混合物燒結(jié)而成的人造巖心試驗(yàn)，此類(lèi)巖心制作相對(duì)麻煩，容易引起孔隙不均勻等情況，提高采收率一般在6%～15%之間，極少數(shù)能達(dá)到20%[5～8]?？紫槠降萚9]設(shè)計(jì)的鋼管填砂模型結(jié)實(shí)耐用，但在實(shí)際操作過(guò)程中需要滅菌，兩輪驅(qū)替實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)達(dá)77 d，石油采收率僅提高8.3%。

獸疫鏈球菌C型(Streptococcuszooepidemicus)為兼性厭氧菌，耐鹽度高、生長(zhǎng)速度快[10]，其代謝物有利于原油乳化降粘，對(duì)提高石油采收率有很大幫助[11]。

作者為驗(yàn)證獸疫鏈球菌在實(shí)際油田中的應(yīng)用潛力，結(jié)合當(dāng)前室內(nèi)模型研究狀況設(shè)計(jì)了一套沙土管模型，系統(tǒng)探討了溫度、含油量、注入菌液濃度、閉井時(shí)間對(duì)微生物驅(qū)提高石油采收率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與菌株

原油為新疆克拉瑪依油田出廠重質(zhì)稠油。

獸疫鏈球菌C型(Streptococcuszooepidemicus)，菌落為白色透明，濕潤(rùn)，直徑1.0～5.0 mm，細(xì)胞為圓球狀或鏈球狀,細(xì)胞周?chē)鷰v膜；革蘭氏染色為陽(yáng)性，無(wú)毒；自行篩選保藏。

1.2 培養(yǎng)基

斜面培養(yǎng)基：酵母粉3 g，蛋白胨10 g，蔗糖10 g，MgSO40.5 g，KH2PO41 g，Na2HPO41 g,瓊脂15 g，去離子水1 L，pH值自然，1×105Pa滅菌20 min。

發(fā)酵培養(yǎng)基：酵母粉3 g，蛋白胨10 g，蔗糖20 g，MgSO40.5 g，KH2PO41 g，Na2HPO41 g，去離子水1 L，pH值自然，1×105Pa滅菌20 min。

1.3 儀器

Cary 50型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，美國(guó)瓦里安公司；NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)，上海恒平科學(xué)儀器有限公司；HZQ-F型恒溫振蕩培養(yǎng)箱，哈尓濱市東聯(lián)電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司；HW·SY11-K2C型電熱恒溫水浴鍋，北京市長(zhǎng)風(fēng)儀器儀表公司；BT01-100型蠕動(dòng)泵，保定蘭格恒流泵有限公司。

1.4 方法

1.4.1 菌株培養(yǎng)

以甘油管種子液按5%接種量接種到發(fā)酵培養(yǎng)基，于35℃、170 r·min-1搖瓶培養(yǎng)12 h。

1.4.2 菌株對(duì)原油作用

對(duì)石油膜平板作用：固體培養(yǎng)基溶化后倒平板，待水分揮發(fā)完畢、培養(yǎng)基凝固，用涂布棒在培養(yǎng)基表面涂布重質(zhì)稠油油膜，然后將斜面上的獸疫鏈球菌株接種到制得的平板上，30℃下培養(yǎng)箱中放置12 h。

降粘作用：將石油和水按80∶20比例混合裝入250 mL三角瓶，接入1 mL菌種發(fā)酵液，35℃、170 r·min-1條件下?lián)u床振蕩作用14 h形成乳化物。每隔2 h取樣，在30℃、1×105Pa條件下測(cè)定粘度。

1.5 室內(nèi)沙土管模型

依據(jù)克拉馬依油藏特征[12]、成熟的采油原理及Suthar等[13]的研究成果，設(shè)計(jì)了沙土管模型(圖1)。該模型外部結(jié)構(gòu)由有機(jī)玻璃材料制成，內(nèi)部注入井和采出井均為不銹鋼管材，采用法蘭密封。

圖1 沙土管模型示意圖

1.6 室內(nèi)沙土管模型實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)沙子的預(yù)處理：取顆粒比較均勻的河沙反復(fù)用自來(lái)水洗滌，去除其中的泥土及微小沙粒后烘干至恒重；(2)模型組裝及裝入石油、沙混合物：將石油和沙子按一定比例混合均勻后裝入沙土管模型，注入井和采出井均通過(guò)硅膠管與相應(yīng)容器(注入井連接盛裝菌液裝置，采出井連接石油收集裝置)連接,鎖定法蘭；(3)一次水驅(qū)采油：用蠕動(dòng)泵以2 mL·min-1速率水驅(qū)采油得到一次水驅(qū)采收率RW1；(4)注入菌液及關(guān)井：用蠕動(dòng)泵以0.2 mL·min-1速率向模型中注入一定量菌液(原始發(fā)酵菌液和去離子水以一定比例混合)，密閉模型，恒溫放置一定時(shí)間，等待微生物發(fā)酵與原油發(fā)生作用；(5)菌液采收率測(cè)定：反應(yīng)一定時(shí)間后，用蠕動(dòng)泵以1.2 mL·min-1速率從模型中采油得到菌液采收率RM；(6)二次水驅(qū)采油：將模型恒溫放置一定時(shí)間后進(jìn)行二次水驅(qū)采油，得到水驅(qū)采收率RW2。

提高石油采收率(EOR)依下式計(jì)算：

EOR=RM+RW2

2 結(jié)果與討論

2.1 獸疫鏈球菌生長(zhǎng)曲線

將菌株種子液以5%接種量接到50 mL液體發(fā)酵培養(yǎng)基中，于35℃、170 r·min-1搖床振蕩培養(yǎng)，定時(shí)測(cè)定菌體的密度(OD600值)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 獸疫鏈球菌生長(zhǎng)曲線

由圖2可知，菌體在4 h開(kāi)始進(jìn)入對(duì)數(shù)期，在10 h左右進(jìn)入穩(wěn)定期，說(shuō)明菌體繁殖很快，利于實(shí)際應(yīng)用。

2.2 菌株與原油作用效果(圖3)

圖3 菌株與原油作用效果

由圖3可知，菌株在石油膜平板上產(chǎn)生比較明顯的透明圈，說(shuō)明菌株對(duì)石油有一定的降粘作用，并能以石油為唯一碳源生長(zhǎng)。

2.3 菌株對(duì)石油的降粘效果(圖4)

圖4 石油粘度隨獸疫鏈球菌發(fā)酵液與其作用時(shí)間的變化曲線

由圖4可知，菌株作用6 h，石油粘度就下降了90%；菌株作用8～14 h，石油粘度從12 000 mPa·s下降到500 mPa·s。表明菌株與石油作用產(chǎn)生明顯效果所需時(shí)間較短，6 h就能產(chǎn)生很好的效果。

2.4 沙土管模型條件優(yōu)化

2.4.1 溫度對(duì)提高石油采收率的影響

溫度對(duì)提高石油采收率的影響有兩個(gè)方面。一方面，注入模型中的微生物生長(zhǎng)繁殖及代謝受溫度的影響；另一方面，原油粘度隨溫度升高而降低。本研究在20～70℃測(cè)定提高石油采收率及粘度(采出石油粘度測(cè)試條件均為25℃、1.01×105Pa)，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 溫度對(duì)提高石油采收率及粘度的影響

由圖5可知，在20～40℃范圍內(nèi)EOR呈上升趨勢(shì)，40℃以后EOR僅下降1%，由此判斷溫度較高時(shí)該菌活性沒(méi)有受到很大影響，與菌株STP-5等相比可應(yīng)用的油藏范圍更廣[14]。確定最佳溫度為40℃。

2.4.2 含油量對(duì)提高石油采收率的影響

油藏內(nèi)的孔隙度及結(jié)構(gòu)一定程度上代表了油層的物理性質(zhì)，對(duì)驅(qū)油微生物發(fā)揮作用有一定限制[15]。本研究采用改變模型中填充沙含油量的方法模擬油藏內(nèi)孔隙率變化情況，比較不同含油量的沙與菌株作用7 d后石油采收率的變化，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 含油量對(duì)提高石油采收率的影響

由圖6可知，含油量為30%時(shí)，EOR達(dá)最大值22.14%；含油量大于30%時(shí)，EOR略微下降。這表明，含油量大(孔隙率小)，微生物不能通過(guò)較小孔隙與石油發(fā)生作用；含油量小，原油從底部上升時(shí)，由于石油本身的粘性，粘附在填沙孔隙中，原油不能有效采出井外。因此，確定最佳含油量為30%。

2.4.3 菌液濃度對(duì)提高石油采收率的影響

從理論上講，菌液濃度越大，菌株數(shù)量和菌株代謝產(chǎn)物數(shù)量都越多，對(duì)原油性質(zhì)的影響越大，石油粘度降低越多，最終提高石油采收率越大。在溫度為40℃、井中含油量為30%、注入井中液體體積為45 mL的條件下，菌液濃度在5.5×100～5.5×1010個(gè)·mL-1區(qū)間內(nèi)指數(shù)遞增1測(cè)試石油采收率，結(jié)果如圖7所示。

圖7 菌液濃度對(duì)提高石油采收率的影響

由圖7可知，起初EOR隨菌液濃度的增大而明顯上升；當(dāng)菌液濃度達(dá)到5.5×105個(gè)·mL-1后，EOR升幅有限。綜合考慮，菌液濃度以5.5×105個(gè)·mL-1為宜。

2.4.4 閉井時(shí)間對(duì)提高石油采收率的影響

在溫度為40℃、含油量為30%、菌液濃度為5.5×105個(gè)·mL-1的條件下，考察閉井時(shí)間對(duì)提高石油采收率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 閉井時(shí)間對(duì)提高石油采收率的影響

由圖8可知，EOR隨閉井時(shí)間的延長(zhǎng)先升高后降低，在閉井時(shí)間為7 d時(shí)，EOR最大，達(dá)22.14%。因此，確定最佳閉井時(shí)間為7 d。

3 結(jié)論

在明確獸疫鏈球菌生長(zhǎng)特性、代謝產(chǎn)物及其對(duì)石油作用基礎(chǔ)上，模擬克拉瑪依油藏油層地質(zhì)條件，成功設(shè)計(jì)了一套成本低廉、操作簡(jiǎn)單的室內(nèi)沙土管模型。獸疫鏈球菌的應(yīng)用溫度和含油量范圍較廣，在溫度為40℃、含油量為30%、菌液濃度為5.5×105個(gè)·mL-1、閉井時(shí)間為7 d的最優(yōu)條件下，提高石油采收率達(dá)22.14%，驗(yàn)證了該菌種的應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳鴻璠.石油工業(yè)通論[M].北京:石油工業(yè)出版社,1995:1-2.

[2] Hao D H,Lin J Q,Song X,et al.Isolation,identification,and performance studies of a novel paraffin-degrading bacterium ofGordoniaamicalisLH3[J].Biotechnology and Bioprocess Engineering,2008,13(1):61-68.

[3] 王惠,盧淵,伊向藝,等.微生物采油對(duì)孔隙型和裂縫型油藏的適應(yīng)性分析[J].新疆石油地質(zhì),2004,25(4):427-428.

[4] 范永吉,張曉陽(yáng),范家慶.低產(chǎn)低效油井微生物吞吐增產(chǎn)技術(shù)研究[J].石油知識(shí)，2007,(3):20-21.

[5] 宋紹富,張忠智,雷光倫,等.高效驅(qū)油菌I的選育與室內(nèi)巖心模擬驅(qū)油研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2003,16(1):31-35.

[6] Abdel-Waly A A.Laboratory study on activating indigenous microorganisms to enhance oil recovery[J].Journal of Canadian Petroleum Technology,1999,38(2):55-61.

[7] 吳慶紅,吳超,鄭承剛,等.增效微生物驅(qū)物模實(shí)驗(yàn)研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(4):47-50.

[8] 梁風(fēng)來(lái),程守強(qiáng),孫雪蓮,等.解烴細(xì)菌NX-2的特性及礦場(chǎng)試驗(yàn)[J].微生物學(xué)通報(bào),2004,31(3):70-73.

[9] 孔祥平,包木太,汪衛(wèi)東,等.內(nèi)源微生物提高原油采收率物理模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,20(1):37-42.

[10] 武盈,張淑榮,蔣博,等.一株微生物驅(qū)鏈球菌石油降粘的研究[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,36(Z1):74-77.

[11] Xu T,Chen C H,Liu C Q,et al.A novel way to enhance the oil recovery ratio byStreptococcussp.BT-003[J].Journal of Basic Microbiology,2009,49(5):477-481.

[12] 陳愛(ài)華,于娟,方新湘,等.微生物驅(qū)油提高原油采收率技術(shù)的室內(nèi)研究[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2004,41(Z1):77-80.

[13] Suthar H,Hingurao K,Desai A,et al.Evaluation of bioemulsifier mediated microbial enhanced oil recovery using sand pack column[J].Journal of Microbiological Method,2008,75(2):225-230.

[14] 黃立新,孫鐵梁,崔慶鋒,等.微生物調(diào)驅(qū)模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(4):135-138.

[15] 岳湘安,王尤富,王克亮.提高石油采收率基礎(chǔ)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007:10.