劉保磊，董漢平，2，俞 理，2，楊 玲

1)中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北廊坊 065007;2)中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007;3)中國石油大學(xué) (北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

儲層中菌體微觀調(diào)剖驅(qū)油效果分析

劉保磊1，董漢平1，2，俞 理1，2，楊 玲3

1)中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北廊坊 065007;2)中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007;3)中國石油大學(xué) (北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

為說明菌體在儲層孔道中的滯留對微生物驅(qū)油效果的貢獻，借助微觀仿真孔隙透明模型觀察了菌體在多孔介質(zhì)孔道中滯留聚集現(xiàn)象，測定了巖心中菌體滯留引起的油水兩相相對滲透率的變化，分析菌體在儲層孔道中的滯留聚集規(guī)律，及其對儲層中油水兩相流體流動能力的影響.研究發(fā)現(xiàn)，微觀仿真孔隙透明模型中的驅(qū)動壓力隨菌體在儲層孔道中的滯留量增加呈階梯狀漸升，驅(qū)出液中的菌體含量下降到一定值后趨于相對穩(wěn)定;巖心中菌體的滯留造成油水兩相的共滲區(qū)域擴大，油相相對滲透率曲線后移，水相相對滲透率曲線下降.表明儲層孔道中滯留的菌體降低了水流沿大孔道滲流的能力，擴大了注水波及體積，起到了微觀調(diào)剖作用，有助提高原油采收率.

油藏工程;微生物驅(qū)油;原油采收率;油層;孔喉結(jié)構(gòu);微觀調(diào)剖;多孔介質(zhì);相對滲透率

目前，對微生物采油機理的研究，多從微生物代謝角度進行分析，認為微生物采油主要是利用生物表面活性劑、生物聚合物等，通過降低油水界面張力和水油流度比等提高原油采收率［1-4］，較少從微生物菌體自身對儲層孔喉的物理封堵方面研究其對微生物采油效果的貢獻.然而，碎屑巖儲集層的孔喉半徑與菌體大小基本在同一數(shù)量級，使微生物菌體在儲層孔道中的運移能力較差［5-7］，易發(fā)生滯留聚集現(xiàn)象.因此，儲層中的菌體大量繁殖后，在儲層孔道中滯留聚集可封堵部分儲層孔道，改變流體流動方向，有利于驅(qū)出儲層中的原油.以往微生物驅(qū)油物理模擬實驗中，難以觀察到菌體封堵對微生物驅(qū)油效果的影響.究其原因，一是由于微生物代謝產(chǎn)物積累抑制微生物生長，造成巖心中菌體數(shù)量有限，不能起到顯著的封堵調(diào)剖作用;二是由于巖心長度較短，水驅(qū)過程中，菌體在巖心中沒有足夠的停留時間，便隨水相流出巖心，不能大量滯留聚集.

實際油藏油水井的井距遠遠大于物理模擬實驗中巖心的長度，且儲層孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔喉比、孔隙迂曲度高和巖石礦物特性等因素均為菌體在儲層中的滯留聚集提供了可能.

本研究分析菌體封堵儲層孔道的可行性，觀察菌體在儲層微觀仿真孔隙透明模型中的運移現(xiàn)象，研究菌體在多孔介質(zhì)孔道中的滯留聚集規(guī)律及對孔道的封堵作用，并通過測定油相、水相相對滲透率曲線，分析菌體對儲層中油水兩相流體流動能力的影響.實驗表明，菌體在儲層孔道中的滯留聚集起到了微觀調(diào)剖作用，降低了水相的相對滲透率，有利儲層中原油采收率的提高.

1 菌體微觀封堵的可行性分析

1.1 菌體大小與儲層喉道尺寸的關(guān)系

儲層中孔隙的儲集性和滲透性主要受喉道形狀和大小的控制.通常，喉道半徑小于孔隙半徑，每個喉道至少與兩個孔隙相連，而每個孔隙至少可與3個喉道相連接，多則可與6～8個喉道相連通［8］.若喉道大小改變，就會顯著影響儲層孔道中油水的流動方向及儲層滲透率變化.

一般菌體長 0.5 ～10 μm，寬 (直徑)0.5 ～2 μm，而碎屑巖儲集層的孔喉半徑［9］與菌體大小基本在同一數(shù)量級.因此，儲層中的菌體將影響儲層孔道中流體流動的方向和能力.

1.2 儲層孔道中菌體的分布

根據(jù)Kozeny-Carman方程K=φr2/(9τ)，將均質(zhì)巖心簡化為毛細管束模型，可知滲透率和孔道半徑.其中，K為巖石滲透率;φ為巖石孔隙度;r為巖石孔隙半徑;τ為迂曲度.

若均質(zhì)巖心直徑為2.5 cm，長為20 cm，孔隙度為30%，不考慮迂曲度τ的變化，假設(shè)菌體在巖心多孔介質(zhì)中均勻分布，當均質(zhì)巖心流體中的菌濃度為1×107mL-1時，可得每根毛細管中的菌體數(shù)量、各菌間的距離與孔道半徑，如表1.孔道半徑越大，單位長度孔道中的菌體數(shù)量越多，菌間距離越小.

表1 毛細管束模型中菌體的分布*Table1 The bacterial distribution in bundle of capillary tubes pack

由于孔隙體積大于喉道體積，孔隙中菌體的數(shù)量多于喉道中菌體的數(shù)量，若孔隙空間足夠大，且菌體靜止均勻地分布其中，菌體濃度達107～109mL-1時，等效于半徑為6.26 ～28.8 μm 的球形液滴內(nèi)含有1個菌體，即菌體間平均距離約為12.4～57.6 μm.若該儲層中的孔隙為邊長100 μm的立方體，與其連接的喉道為邊長10 μm的立方體，則該立方體孔隙中可含有10～1 000個菌體，邊長上每12.4～57.6 μm處的立方體孔隙截面上，大約可分布3～65個菌體.此外，真實儲層的孔隙空間多是由不規(guī)則的孔道組成，孔道迂曲，孔隙與喉道無論在二維平面上還是三維的立體上都不均勻［10］，且孔道中的水相處于流動狀態(tài)，易造成儲層內(nèi)一些孔隙中的菌體間實際距離小于理論距離.

在微生物驅(qū)油過程中，若儲層內(nèi)菌體濃度達到107mL-1，則流體中的菌體隨水流運移時，受菌間距、菌體濃度、菌體大小、喉道尺寸和孔喉結(jié)構(gòu)等因素的影響，菌體在喉道、孔道和孔道壁等部位易發(fā)生大量滯留聚集［11-16］，引起顯著的菌體微觀調(diào)剖作用.

2 菌體微觀封堵實驗

2.1 材料與設(shè)備

膠結(jié)巖心規(guī)格為3.8 cm×15.0 cm，氣測滲透率0.260 ～0.283 μm2，孔隙度 25.23% ～ 27.01%;微觀仿真孔隙透明模型是利用光刻技術(shù)，將巖心鑄體薄片上的孔隙網(wǎng)絡(luò)刻蝕到玻璃上制成，長寬均為40 mm，孔道直徑30～500 μm;實驗所用菌體為桿狀，大小為 1.5 μm ×5 μm;油相黏度為 40 mPa·s;水相黏度為 1.15 mPa·s.

圖像采集系統(tǒng)由Zeiss Option倒置顯微鏡、JVC數(shù)碼攝像機、Sony顯示器與Adobe Premiere圖像編輯軟件組成，UV-9100紫外分光光度計.

2.2 實驗方法

①將微生物培養(yǎng)液離心后，用磷酸鹽緩沖液制成光密度OD600為1.3的菌體懸浮液;

②微觀仿真孔隙透明模型抽真空后，向模型孔隙中注滿磷酸鹽緩沖溶液;

③以0.02 mL/min恒速向模型中注入菌懸液，每驅(qū)出5 mL液體記錄驅(qū)動壓力，同時用紫外分光光度計監(jiān)測出口端驅(qū)出液體的OD600值.OD600與菌濃度呈正相關(guān);

④借助圖像采集系統(tǒng)對微觀仿真孔隙模型中液體和菌體的兩相流動進行拍攝，分析菌體在多孔介質(zhì)中的運移聚集規(guī)律;

⑤將兩塊巖心分別編號，1#巖心以去除菌體的液體為水相，2#巖心以含有菌體的液體為水相.在45℃油藏溫度下，測定兩塊巖心油水相對滲透率曲線，分析各自相滲曲線特征.

3 結(jié)果與分析

3.1 菌體滯留聚集封堵效應(yīng)

實驗發(fā)現(xiàn)，向微觀仿真孔隙模型中注入菌懸液的初始階段，模型中驅(qū)出液的菌體濃度較高，驅(qū)動壓力較低;隨注入時間延長，驅(qū)出液的OD600遞減，驅(qū)出液中的菌體含量降低到一定程度后趨于穩(wěn)定，而模型的驅(qū)動壓力卻呈遞增趨勢 (圖1).分析認為，菌懸液注入的初始階段，微觀仿真孔隙模型孔道中菌體滯留量較少，影響水相流動的阻力較小，菌體易于在孔道中隨水相運移，驅(qū)動壓力較低;隨注入時間延長，滯留聚集在孔道中的菌體數(shù)量逐漸增多，水相在孔道中流動的阻力增大，驅(qū)動壓力升高;當滯留聚集的菌體達到一定數(shù)量時，可封堵微觀仿真孔隙模型中的部分孔道，使水相流動方向發(fā)生改變，或流向其他孔道，同時菌體開始在新的孔道上發(fā)生滯留聚集效應(yīng)，從而造成微觀仿真孔隙模型的驅(qū)動壓力不斷上升.微觀仿真孔隙模型孔道中菌體的滯留聚集，達到相對穩(wěn)定的封堵狀態(tài)時，驅(qū)出液的OD600在0.5上下波動，實現(xiàn)了微觀調(diào)剖改變水流方向，提高了驅(qū)動壓力.

圖1 注入壓力、驅(qū)出液光密度與注入時間關(guān)系Fig.1 Relationship between injection pressure，displacing fluid absorbance and injcction time

菌體滯留聚集需經(jīng)歷平衡穩(wěn)定過程，才能達到對孔道封堵所需的強度.因此，在驅(qū)動壓力上升時，孔道中滯留聚集的一部分菌體可被驅(qū)出，使驅(qū)動壓力的上升點基本對應(yīng)驅(qū)出液光密度的下降點，使整個注入過程中驅(qū)動壓力呈階梯狀上升趨勢.

在顯微圖像采集系統(tǒng)中，可觀察孔隙介質(zhì)中菌體滯留聚集的動態(tài)變化，如圖2.菌體隨水相在儲層孔道中運移時，在儲層喉道、水流速度和水流方向急劇變化處的滯留聚集現(xiàn)象較為嚴重.

圖2 菌體封堵孔道的顯微圖像Fig.2 The microscopic images of the bacteria plugged porous channel

3.2 菌體微觀調(diào)剖對驅(qū)油效果的影響

在驅(qū)油過程中，隨水相驅(qū)替油相的進行，巖心中較易流動的油相首先被驅(qū)出，同時形成有利于水相流動的滲流通道，油相滲流能力降低，產(chǎn)出液的含水率上升，驅(qū)替壓力下降.由于巖心孔喉結(jié)構(gòu)等因素的影響，2#巖心的水相突破時間早于1#巖心，驅(qū)替初始階段，原油采出率低于35%時，2#巖心產(chǎn)出液含水率的上升幅度高于1#巖心，如圖3.

隨采出程度的提高，菌體在2#巖心水相滲流通道中的滯留量增多，菌體的微觀調(diào)剖作用逐漸增強.巖心孔道中滯留的菌體量達到一定值時，有效封堵了利于水相流動的部分孔道，使2#巖心的驅(qū)替壓力從下降轉(zhuǎn)為上升，驅(qū)替的波及體積擴大，驅(qū)替的水相進入較難流動的孔道，并驅(qū)出其中的部分原油，產(chǎn)出液含水率的上升幅度得到一定程度控制，采出率高于1#巖心 (圖3).

3.3 菌體滯留與相對滲透率曲線的關(guān)系

孔道中菌體滯留明顯改變了巖心的孔喉形狀、油水流動的方向和能力等，使油水的相對滲透率曲線發(fā)生變化［17-18］，如圖4.菌體滯留量關(guān)系到油水兩相相對滲透率的變化，滯留的菌體數(shù)量較少時，不能明顯改變油水兩相的滲流能力，只有菌體滯留量達到一定程度時，才可起到增大水相滲流阻力、提高巖心的驅(qū)替壓力、擴大注水波及體積和增強油相滲流能力的效果.

測定相對滲透率時發(fā)現(xiàn)，驅(qū)替時間較短，含水飽和度低于60%時，巖心中滯留的菌體對油水兩相的流動能力影響較小，2#巖心油水兩相的相對滲透率曲線與1#巖心類似.隨驅(qū)替時間延長，含水飽和度大于60%時，菌體滯留引起的封堵作用得到體現(xiàn)，水相相對滲透率(Krw)曲線由上升轉(zhuǎn)為下降，油相相對滲透率(Kro)曲線后移，油水兩相的等滲點后移，共滲區(qū)域擴大 (圖4).

圖4 油水兩相相對滲透率變化曲線Fig.4 Oil and water relative permeability curves

結(jié) 語

綜上研究可知:① 儲層多孔介質(zhì)中菌體對流體流動規(guī)律的影響顯著.多孔介質(zhì)中菌體優(yōu)先在主流通道中發(fā)生滯留聚集，當孔道中菌體的滯留聚集量達到一定程度時，可提高流體的驅(qū)動壓力起到微觀調(diào)剖作用.此外，適當降低注入的驅(qū)動壓力和驅(qū)動速度可使流體在孔道中的流動速度降低，利于菌體在孔道中的滯留聚集;②菌體運移到儲層深部且滯留量達到一定程度可以起到深部調(diào)驅(qū)作用，從而降低水相的滲流能力，提高注水波及體積，增強油相的滲流能力，使油水兩相等滲點后移，油水兩相共滲區(qū)域擴大;③適當延長巖心長度，增大菌體在巖心中運移的距離，有利于提高菌體在巖心孔道中的封堵作用，從而完善室內(nèi)微生物驅(qū)油效果的評價方法;④ 儲層中及時補充營養(yǎng)物質(zhì)，使微生物大量繁殖，可保證封堵儲層孔道菌體數(shù)量不斷增加，增強其在多孔介質(zhì)中的微觀調(diào)剖能力.

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Displacement characteristics analysis of bacterial microscopic profile control in reservoir?

LIU Bao-lei1，DONG Han-ping1，2，YU Li1，2，and YANG Ling3

1)Institute of Porous Flow and Fluid Mechanics，Chinese Academy of Sciences Hebei Province Langfang 065007 P.R.China

2)Research Institute of Petroleum Exploitation and Development，Hebei Province Lang fang 065007 P.R.China

3)College of Geosciences China University of Petroleum，Beijing，Beijing 102249 P.R.China

To investigate the displacement characteristics induced by the cell's retention，the retention and aggregation phenomenon and regular pattern of the cell in the microscopic porous model，the change of the oil-water relative permeability caused by the cell's retention，and the effect on the flow ability of the oil-water in reservior were observed and analyzed.The experiment reveals that，in the microscopic porous model，the driving pressure increases stepwise as the concentration of cell retention increases.The cell concentration in the liquid driven out tends to be relatively stable after decreasing to a certain value.Moreover，when the common flow region of the oil and water becomes larger，the oil relative permeability curve moves backward，and the water relative permeability curve decreases as the cell's retention in the core decreases.The study shows that the function of the cell's microscopic profile control is significant in enhancing oil recovery.This can reduce the flow ability along high capacity channel and extend the sweep area.

reservoir engineering;microbial enhanced oil recovery(MEOR);oil recovery;petroleum reservoirs;pore structure;microscopic profile control;porous media;relative permeability

TE 312

A

1000-2618(2011)04-0356-06

2010-11-26;

2011-05-25

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目 (2009AA063504);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目 (2005cb221308)

劉保磊 (1982-)，男 (漢族)，江蘇省豐縣人，中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所碩士研究生.E-mail:liublei@hotmail.com

俞 理 (1964-)，男 (漢族)，中國石油勘探開發(fā)研究院高級工程師.E-mail:yuli3058@163.com

Abstract:1000-2618(2011)04-0360-EA

? This work was supported by the National High Technology Research and Development Program of China(2009AA063504)and the Major State Basic Research Development Program of China(2005cb221308).

【中文責編:晨 兮;英文責編:新 谷】