微生物封堵:通過降低滲透率提高波及效率的低成本方法

編譯:張子剛 (大慶油田第四采油廠實(shí)驗(yàn)大隊(duì))

審校:金佩強(qiáng) (大慶油田勘探開發(fā)研究院)

微生物封堵:通過降低滲透率提高波及效率的低成本方法

編譯:張子剛 (大慶油田第四采油廠實(shí)驗(yàn)大隊(duì))

審校:金佩強(qiáng) (大慶油田勘探開發(fā)研究院)

提出了通過微生物封堵降低滲透率來提高波及效率的低成本方法。為了了解生物膜在孔隙介質(zhì)中的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物消耗量、細(xì)菌生長(zhǎng)數(shù)量和滲透率降低程度之間的關(guān)系,把培養(yǎng)物綠膿桿菌接種入貝雷砂巖巖心和玻璃珠人造巖心。通過培養(yǎng)基生長(zhǎng)和滲透率變化趨勢(shì)來跟蹤需氧微生物生長(zhǎng)。成像顯示生長(zhǎng)是顆粒包層,用細(xì)胞外物質(zhì)充填孔喉和巖體,大大降低了玻璃珠的有效孔隙度。觀測(cè)到滲透率平均降低了54%。通過示蹤測(cè)試表征了生物膜生長(zhǎng)前后玻璃珠人造巖心的流動(dòng)特性。在含有粗玻璃珠層和細(xì)玻璃珠層的非均質(zhì)玻璃珠人造巖心中,使流動(dòng)有效地轉(zhuǎn)向了玻璃珠人造巖心的較低滲透層。結(jié)果表明,微生物封塞是減小高滲透漏失層中流動(dòng)從而提高波及效率的有效方法。

微生物封堵 生物膜 滲透率降低 提高波及效率 試驗(yàn)研究

1 引言

最近證明,微生物封堵是用于封堵驅(qū)掃過儲(chǔ)層的可供選擇方案 (Brown等人,2002年)。這是通過促進(jìn)油藏內(nèi)微生物生長(zhǎng)來完成的,微生物可以是本源的或引入的,添加到注入水中的化學(xué)劑為微生物提供碳和其他必不可少的營(yíng)養(yǎng)物以維持微生物的生長(zhǎng)。微生物在儲(chǔ)集巖孔隙空間內(nèi)生長(zhǎng)并且形成生物膜,生物膜降低滲透率,也降低漏失層的注入能力。本文介紹的微生物封堵技術(shù)與通過微生物物種活化或消耗烴組分的微生物技術(shù)有根本上的區(qū)別,它僅包括生物膜誘發(fā)的滲透率降低。

2 以前的微生物封堵試驗(yàn)

Cunningham和Characklis(1991年)向各種填砂和玻璃珠人造巖心中注綠膿桿菌,巖心的滲透率為98～2127 mD。對(duì)巖心進(jìn)行了接種并且關(guān)閉8 h。之后,向巖心內(nèi)輸送葡萄糖培養(yǎng)物,每隔12 h采集一次樣品,用通過巖心的壓差計(jì)算滲透率。在第2到第3天期間出現(xiàn)了大幅度滲透率降低,在第5天滲透率降低幅度較小。滲透率降低是生物膜生長(zhǎng)的結(jié)果。滲透率降低的幅度為92%～98%。較粗顆粒人造巖心比較細(xì)顆粒玻璃珠人造巖心的滲透率降低幅度大。

Vandevivere和Baveye(1992年)在填砂巖心中進(jìn)行了試驗(yàn)以證明微生物降低滲透率能力方面的差別。巖心的孔隙度約為39%。他們用Arthrobacter sp.菌株AK19和SLI-微生物進(jìn)行了試驗(yàn)。在生物質(zhì)在巖心中保留約98%的情況下,AK19使?jié)B透率降低了約99%。這些滲透率降低出現(xiàn)在10天內(nèi)。在10～20天之間,SLI-使?jié)B透率降低了不到50%。在該填砂巖心中僅保留了由這種微生物產(chǎn)生的約40%生物質(zhì)。這些試驗(yàn)清楚地把滲透率降低和在巖心中保留的生物質(zhì)量聯(lián)系了起來。

除了流動(dòng)方程外,M.R.Islam(1994年)用動(dòng)力學(xué)參數(shù)模擬了微生物生長(zhǎng)。他假定微生物生長(zhǎng)通過孔隙堵塞造成滲透率降低或者改變?cè)托再|(zhì),例如黏度降低或者界面張力 (IFT)降低。假定孔隙堵塞依賴于細(xì)菌的增殖和聚合物的產(chǎn)生。分別模擬了以上兩種情況。把 IFT降低模擬為細(xì)菌的函數(shù),沒有模擬黏度降低?？紫抖氯Ｐ痛嬖诎幢壤龃髥栴},并且沒有足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證 IFT降低模型的精度。

Lee和Bae(1998年)檢驗(yàn)了鹽濃度和pH變化對(duì)貝雷巖心中Salton-1微生物的影響。他們發(fā)現(xiàn),在鹽濃度為2%的情況下有利于這種微生物降低滲透率,而且在堿性和中性環(huán)境中比在酸性環(huán)境中滲透率降低的幅度大。試驗(yàn)還顯示,營(yíng)養(yǎng)物濃度控制著生物膜生長(zhǎng),并且生成的生物膜穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。

為了得到綠膿桿菌的動(dòng)力學(xué)和化學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù),Gandler等人 (2006年)進(jìn)行了一系列分批試驗(yàn)。每4 h采集一次樣品,在一個(gè)采集點(diǎn)采集兩種樣品,分析樣品的醋酸鹽濃度和微生物濃度。用回歸分析得到了微生物生長(zhǎng)和醋酸鹽消耗的平均趨勢(shì)。然后進(jìn)行流動(dòng)試驗(yàn),在試驗(yàn)中把相同的菌株接種入巖心和玻璃珠人造巖心。當(dāng)連續(xù)向巖心中注入營(yíng)養(yǎng)物時(shí)監(jiān)測(cè)滲透率變化。所有玻璃珠人造巖心都注入了0.000 7醋酸鹽。當(dāng)微生物利用大量營(yíng)養(yǎng)物達(dá)到指數(shù)生長(zhǎng)時(shí),最初監(jiān)測(cè)的醋酸鹽降低到了約0.000 5。同時(shí),滲透率出現(xiàn)了大幅度降低。當(dāng)注入營(yíng)養(yǎng)物達(dá)到約6～10 PV時(shí),流出物中的醋酸鹽濃度升高到約0.000 65,滲透率保持穩(wěn)定。顯然,在該流動(dòng)試驗(yàn)的后期階段,僅把醋酸鹽作為現(xiàn)有細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物,沒有使其生長(zhǎng)。

示蹤測(cè)試顯示,有效孔隙度降低約20%,平均滲透率降低約60%。在注入營(yíng)養(yǎng)物6 PV這段時(shí)間,9次試驗(yàn)中的平均滲透率降低幅度為54%。試驗(yàn)還清楚地顯示,生物膜能夠使流動(dòng)從高滲透漏失層轉(zhuǎn)向較低滲透區(qū)域。把由粗和細(xì)玻璃珠各種排列組成的非均質(zhì)玻璃珠人造巖心用于巖心驅(qū)替試驗(yàn),粗和細(xì)玻璃珠不同排列形成了兩個(gè)高和低滲透層。然后把細(xì)菌培養(yǎng)物接種到巖心中并且連續(xù)注入醋酸鹽。測(cè)量流出物中的醋酸鹽濃度。試驗(yàn)前后的示蹤測(cè)試顯示,生物膜生長(zhǎng)后,粗玻璃珠層的滲透率比細(xì)玻璃珠層降低了20倍。

總之,分批試驗(yàn)有助于研究微生物的生長(zhǎng)和醋酸鹽吸收情況,它們是獲得動(dòng)力學(xué)表達(dá)式的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。巖心驅(qū)替試驗(yàn)?zāi)軌蛏钊肓私馕⑸锶绾卧诳紫督橘|(zhì)中非常有限的孔隙空間中生長(zhǎng)。特別是,在孔隙中出現(xiàn)的形成生物膜的適應(yīng)響應(yīng)與在分批試驗(yàn)中不同。巖心驅(qū)替中的示蹤劑試驗(yàn)是推斷微生物生長(zhǎng)分布的簡(jiǎn)單卻有價(jià)值的方法。

3 試驗(yàn)室儀器和分批試驗(yàn)

3.1 流動(dòng)系統(tǒng)

為了提供非常低的流率,特別設(shè)計(jì)使流動(dòng)通過一個(gè)系統(tǒng)。在低流率的情況下,能夠用小直徑孔隙巖石或玻璃珠人造巖心模擬礦場(chǎng)規(guī)模水驅(qū)速度。泵是FMC 6 RPM活塞泵,泵送量為0～20 mL/h。系統(tǒng)的所有管子都是直徑?8in(1 in=25.4 mm)PTFE聚四氟乙烯管材。為與巖心內(nèi)孔隙體積相當(dāng),需用小直徑管以保持管線內(nèi)小的流量。選擇聚四氟乙烯材料,因?yàn)樵摬牧咸峁┝硕栊员砻娌⑶覝p少了微生物細(xì)胞的黏附。系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)管路和接頭完全由Swagelok管件組成,這些管件是用惰性不銹鋼和聚四氟乙烯制成的。該系統(tǒng)的總體積 (包括管線、聯(lián)接件、壓力傳感器和巖心本身)為16 mL。

3.2 壓力測(cè)量

用Validyne P2(0～15 psi)壓力傳感器監(jiān)測(cè)該系統(tǒng)內(nèi)的壓力。把壓力傳感器放置在巖心的流入和流出兩端。每個(gè)傳感器測(cè)量絕對(duì)壓力,因此通過巖心的壓降就是兩個(gè)傳感器的讀數(shù)差。低壓傳感器適合于這些低流率試驗(yàn),精度達(dá)到0.001 5 psi(1 psi=6.895 kPa)。把壓力傳感器輸出電壓信號(hào)輸送到National Instruments(NI)數(shù)據(jù)采集板、臺(tái)式計(jì)算機(jī)和能夠以9 s時(shí)間間隔連續(xù)監(jiān)測(cè)壓力的NI數(shù)據(jù)記錄軟件。

3.3 系統(tǒng)的溫度調(diào)整

已知綠膿桿菌在室溫下生長(zhǎng)得很好,但是當(dāng)室溫超過45℃時(shí)生長(zhǎng)情況變差。試驗(yàn)前,把在瓊脂培養(yǎng)平板上的活細(xì)胞放在45℃培養(yǎng)箱內(nèi)24 h驗(yàn)證了這種情況。在這一時(shí)期我們沒有觀測(cè)到微生物在平板上的生長(zhǎng)。然后把平板從培養(yǎng)箱中取出并且在室溫下培養(yǎng)24 h。群體形成與沒有暴露在較高的45℃的控制平板上的群體形成相同,因此表明45℃阻止了生長(zhǎng),但是沒有殺死細(xì)胞。

因此,把巖心放在24℃下以便促進(jìn)巖心內(nèi)的細(xì)胞生長(zhǎng),把其他液壓系統(tǒng)管路、傳感器和泵放在45℃下以便抑制細(xì)胞生長(zhǎng),但是不將其殺死。

3.4 玻璃珠人造巖心和貝雷巖心描述

選擇無(wú)鉛硅玻璃珠制成孔隙度非常均勻的惰性玻璃珠人造巖心。用325～400目篩子篩分玻璃珠以便得到直徑為38～43μm的玻璃珠。將這些玻璃珠充填在ID Kontes長(zhǎng)15 cm、直徑1 cm的玻璃色譜柱內(nèi),該色譜柱證明具有能夠給出通過高滲透(1 500 mD)玻璃珠人造巖心的可測(cè)量壓降所需要的尺寸。

從一個(gè)均勻巖塊上切割下直徑1 in、長(zhǎng)2 in的貝雷巖心并且制成柱狀,巖心的孔隙度約為19%,滲透率為50 mD。貝雷砂巖主要由石英 (約90%)組成,包含少量的長(zhǎng)石和鐵泥礦。用Lexan(聚碳酸脂)塑料端帽蓋上巖心,端帽上有一個(gè)凹進(jìn)的in頂空間以便流體接觸更多巖心表面。用環(huán)氧樹脂把頂帽固定在巖心上后,把整個(gè)巖心放在環(huán)氧樹脂內(nèi)以使巖心被約0.25 in厚環(huán)氧樹脂外層封閉起來。環(huán)氧樹脂凝固很快,保證環(huán)氧樹脂滲入巖心很少。這證明是非常有效的巖心保存方法。在端帽的外面攻出螺紋便于用直徑?8in Swagelok活接頭連接端帽。用聚四氟乙烯膠帶纏繞活接頭以防滲漏。大小頭活接頭也是聚四氟乙烯的,因?yàn)樗嵌栊缘?可減小微生物的附著力。

4 分批生長(zhǎng)試驗(yàn)

進(jìn)行了分批生長(zhǎng)試驗(yàn)以便提供生長(zhǎng)數(shù)據(jù),來解釋巖心和玻璃珠人造巖心內(nèi)生物膜生長(zhǎng)試驗(yàn)結(jié)果。由于幾方面原因,選擇綠膿桿菌 PAO1作為唯一的試驗(yàn)生物。第一,廣泛地把綠膿桿菌作為需氧生物膜生成微生物進(jìn)行研究,因?yàn)槠渑c囊性纖維化病人有關(guān),這些病人常?；加杏蛇@種生物引起的肺傳染病。第二,在封閉礦物介質(zhì)中,綠膿桿菌能夠利用簡(jiǎn)單的碳源 (例如醋酸鹽)生長(zhǎng)為生物膜。第三,在室溫下 (24℃),綠膿桿菌容易生長(zhǎng),但是在約44℃以上,它不容易生長(zhǎng),該溫度提供了把生長(zhǎng)限制在巖心或玻璃珠人造巖心內(nèi)的機(jī)理。最后,即使認(rèn)為這種微生物不是油藏中的本源微生物,綠膿桿菌一般存在于土壤和水中,因此對(duì)于地下菌群來說是相當(dāng)?shù)湫偷纳铩?/p>

使用單一培養(yǎng)物提出了這樣一個(gè)問題,即由綠膿桿菌產(chǎn)生的生物膜生長(zhǎng)是否代表由本源油藏微生物產(chǎn)生的生物膜。對(duì)于這一問題的回答是簡(jiǎn)單的,即沒有有關(guān)油藏有代表性菌群的足夠信息,并且根據(jù)溫度和地球化學(xué),生長(zhǎng)方式是不同的。單一培養(yǎng)物的優(yōu)點(diǎn)是能夠用其了解微生物封堵的基本原理(即營(yíng)養(yǎng)物吸收、微生物增殖和滲透率降低之間的相互關(guān)系),不必區(qū)分由許多微生物物種組成的生物膜中每種微生物聚生體成員的貢獻(xiàn)。

用氣/液相色譜法監(jiān)測(cè)醋酸鈉的消耗量。用0.45μm PVDF或尼龍針筒式濾器過濾培養(yǎng)物樣品并且用稀釋 HCL進(jìn)行酸化。色譜條件如下:0.4μL樣品、0.53 mm ×30 m Alltech ATwax毛細(xì)管柱、120℃等溫、FID。用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算濃度,范圍為0～0.001醋酸鹽。

圖1～4示出了含有0.1%醋酸鈉的Dworkin Foster礦物介質(zhì)中綠膿桿菌 PAO1的分批生長(zhǎng)。在22℃室溫不搖動(dòng)的情況下,用250 mL Erlenmeyer細(xì)頸瓶中的生長(zhǎng)介質(zhì)進(jìn)行了這些需氧生長(zhǎng)試驗(yàn)。典型的培養(yǎng)物搖動(dòng)使細(xì)胞結(jié)塊過多,這與平板計(jì)數(shù)相沖突。cfu/mL與時(shí)間的曲線顯示點(diǎn)分散,因?yàn)橐话悴捎闷桨逵?jì)數(shù)法的活細(xì)胞計(jì)數(shù)的值偏差大。靜止培養(yǎng)物仍然產(chǎn)生了細(xì)胞集合,而不是單細(xì)胞懸浮物,這導(dǎo)致指數(shù)生長(zhǎng)期和穩(wěn)定期期間的平板計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)不同。

圖1 4種不同培養(yǎng)物 (C1～C4)的分批試驗(yàn)平板計(jì)數(shù)數(shù)據(jù),初始醋酸鹽濃度為0.000 7

圖2 3種不同培養(yǎng)物 (C5～C7)的分批試驗(yàn)平板計(jì)數(shù)數(shù)據(jù),初始醋酸鹽濃度為0.000 35

確定了分批培養(yǎng)細(xì)胞的蛋白質(zhì)濃度以便建立巖心和玻璃珠人造巖心的蛋白質(zhì)濃度與這些巖心中細(xì)胞總數(shù)的關(guān)系。由于細(xì)胞緊密地附著在巖心顆粒表面上,不能采用平板計(jì)數(shù)法進(jìn)行生長(zhǎng)計(jì)算。強(qiáng)堿中的蛋白質(zhì)提取 (例如1N NaOH)和蛋白質(zhì)測(cè)量是測(cè)量巖心中細(xì)胞數(shù)量的替代方法。分批培養(yǎng)物中蛋白質(zhì)濃度的不同測(cè)量結(jié)果顯示,平均蛋白質(zhì)濃度為4.53×10-10μg/cfu。因此,從巖心中提取的總蛋白質(zhì)除以這個(gè)數(shù)將等于巖心上菌落形成單位 (大概等于細(xì)胞的數(shù)量)。

表1 滲透率降低和巖石物性數(shù)據(jù)

在圖3和圖4中繪制了綠膿桿菌分批培養(yǎng)物中醋酸鹽濃度與時(shí)間的曲線。在4個(gè)試驗(yàn) (圖3)中,生長(zhǎng)介質(zhì)中0.1%醋酸鈉的初始濃度相當(dāng)于～0.000 7醋酸鹽。大部分生長(zhǎng)出現(xiàn)在10～40 h之間(圖1和圖2),這與醋酸鹽的消耗相吻合。在分批試驗(yàn)C1～C4中,在穩(wěn)定期期間,醋酸鹽濃度保持在～0.000 1。但是在分批試驗(yàn)C5～C7(初始醋酸鹽濃度為0.000 35(圖4)中,醋酸鹽濃度穩(wěn)定在零附近。在流動(dòng)試驗(yàn)期間,期望看到巖心流出物中的哪個(gè)濃度 (0或0.000 1)還不清楚。在指數(shù)生長(zhǎng)期期間,醋酸鹽消耗量達(dá)到最大。這種情況暗含著在巖心驅(qū)替中期望什么。流出物醋酸鹽濃度會(huì)顯示最低,然后增加到最高,此時(shí)細(xì)胞達(dá)到生長(zhǎng)的穩(wěn)定期。

圖3 4種不同培養(yǎng)物 (C1～C4)的分批試驗(yàn)醋酸鹽消耗量

圖4 3種不同培養(yǎng)物 (C5～C7)的分批試驗(yàn)醋酸鹽消耗量

5 玻璃珠人造巖心試驗(yàn)結(jié)果

由 K/Ko確定滲透率降低,K為滲透率,Ko生物膜前玻璃珠人造巖心的滲透率。氣體流過Dworkin Foster礦物介質(zhì),測(cè)量巖心兩端的壓降來確定滲透率。因?yàn)閷?duì)于所有測(cè)量來說,流體黏度相同,所以壓降變化僅是生物膜生長(zhǎng) (需氧的)的結(jié)果。在注入6 PV的平均時(shí)間內(nèi),所有玻璃珠人造巖心試驗(yàn)的平均滲透率降低為54%(表1)。

6 貝雷巖心試驗(yàn)結(jié)果

用貝雷巖心進(jìn)行了兩個(gè)試驗(yàn)以便研究在普遍使用的沉積巖石中生物膜誘發(fā)的滲透率降低。

6.1 貝雷巖心A

貝雷巖心A的總滲透率降低72%(K/Ko=0.28)。大部分滲透率降低出現(xiàn)在注入6 PV內(nèi),注入6 PV后,K/Ko值的變化范圍為0.22～0.34(滲透率降低66%～78%)。僅偶爾測(cè)量了該巖心的醋酸鹽標(biāo)準(zhǔn)濃度,因此,不能對(duì)醋酸鹽消耗做出總的結(jié)論。

6.2 貝雷巖心B

貝雷巖心B的總滲透率降低45%(K/Ko=0.55)。注入53 PV后,滲透率降低達(dá)到最高,然后保持穩(wěn)定。與玻璃珠人造巖心和貝雷巖心A相比,貝雷巖心B的總滲透率降低慢得多。流出物醋酸鹽濃度降低一直到20 PV,然后開始升高并且在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(65 PV)達(dá)到注入醋酸鹽濃度的94%。在流動(dòng)試驗(yàn)前后用高分辨率CT掃描方法對(duì)貝雷巖心A進(jìn)行了成像。該巖心的前后掃描結(jié)果難以區(qū)分。這些圖像顯示,細(xì)胞的鈾氧基醋酸鹽染色是不成功的,可能是因?yàn)樵谌旧^程中損失了生物膜。

7 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)證明綠膿桿菌能夠降低玻璃珠人造巖心和貝雷砂巖巖心的滲透率。證明這些滲透率降低對(duì)流量不敏感,因?yàn)樵黾恿髁繘]有阻止生物膜的形成。生物膜以顆粒包層和孔隙充填方式生長(zhǎng),細(xì)胞外副產(chǎn)品包圍細(xì)胞和玻璃珠。細(xì)胞外副產(chǎn)品是半滲透的,因?yàn)槿旧ㄟ^了它并且成功地對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了染色。

Bradford蛋白試劑是用于染色蛋白質(zhì) (微生物細(xì)胞)的有效試劑。TTC和NBT在染色蛋白質(zhì)方面是有效的,但是不像Bradford那么可靠。染色細(xì)胞表明,生物膜是由蛋白質(zhì)和細(xì)胞外副產(chǎn)品組成的。以高流量注入高黏聚合物將剝?nèi)ゲＡе榈纳镔|(zhì)。用HRXCT觀察原地生物膜的嘗試沒有成功,因?yàn)殁櫻趸姿猁}沒有在生物膜和孔隙間流體之間形成足夠的密度差。

生物膜在非均質(zhì) (兩層)玻璃珠人造巖心中生長(zhǎng)前后示蹤測(cè)試的差別證明,生物膜能夠使流體流動(dòng)從高滲透漏失層轉(zhuǎn)向低滲透層。一個(gè)示蹤測(cè)試的歷史擬合表明,生物膜生長(zhǎng)使粗玻璃珠層滲透率降低了20倍,而細(xì)玻璃珠層滲透率沒有降低,因?yàn)樵谠搶又袥]有出現(xiàn)生物膜生長(zhǎng)。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.2.005

資料來源于美國(guó)《SPE 119023》

2009-04-24)