聚驅(qū)后微生物驅(qū)提高采收率室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

李凌云

(大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712)

大慶油田自1996年聚合物驅(qū)(聚驅(qū))工業(yè)化應(yīng)用以來，聚驅(qū)年產(chǎn)油占全油田年產(chǎn)油量份額越來越大，成為大慶油田延長穩(wěn)產(chǎn)期的重要技術(shù)措施[1]。隨著注聚規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中聚驅(qū)的不適應(yīng)性也逐漸顯露出來。一是聚合物產(chǎn)品自身性能與油層的配伍性，注聚后大量聚合物溶液進(jìn)入高滲透層，由于聚合物的不可及孔隙體積以及吸附、滯留的影響，使得同時(shí)注聚的低滲層難以受到聚驅(qū)作用，存在較多的剩余油[2]；二是注采井網(wǎng)井距對(duì)聚驅(qū)效果的限制，使得聚驅(qū)后油層動(dòng)用程度低，特別是位于區(qū)塊邊部、物性較差的河間砂和尖滅區(qū)的河道砂仍富集大量的剩余油[3]。由于聚驅(qū)后油層中仍有近一半的原油未被采出，如何挖掘聚驅(qū)后剩余油潛力是大慶油田面臨的重要課題。微生物驅(qū)油是將篩選的微生物菌種注入地下油藏，通過其生長、繁殖及代謝作用，改變儲(chǔ)油層的滲流特性或使油水之間的物化性質(zhì)發(fā)生變化，從而達(dá)到提高采收率的目的[4]。在聚驅(qū)后的油層中注入微生物有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是微生物分解聚合物的過程可以有效清除堵塞出油孔道處的聚合物，二是通過微生物的生長及產(chǎn)生有利于驅(qū)油的代謝產(chǎn)物，釋放殘余油，增加原油產(chǎn)量。由于微生物驅(qū)油成本低、注入工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益顯著，因此，聚驅(qū)后進(jìn)行微生物驅(qū)油的技術(shù)得到了廣泛重視。作者在此進(jìn)行了聚驅(qū)后微生物驅(qū)油的室內(nèi)研究[5，6]，擬為提高油田采收率提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)菌和培養(yǎng)基

從大慶油田各采油廠聚驅(qū)試驗(yàn)區(qū)塊采樣256個(gè)，從中初步分離出142株菌，然后用淘汰法測(cè)定其利用原油及聚合物的能力及與油層水中本源菌的配伍性，篩選得到4株以聚合物和原油為碳源的菌株作為實(shí)驗(yàn)菌，分別命名為P24、P150、P178、L510。經(jīng)鑒定，P24為志賀氏菌(Shigellasp.)、P150為脫蠟棒桿菌(Corynebacteriumdeparraffinicum)、P178為野油菜黃單胞菌(Xanthomonascampestris)、L510為枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)。

細(xì)菌富集培養(yǎng)基：無機(jī)鹽、微量元素、原油和聚合物。

無機(jī)鹽培養(yǎng)液(g·L-1)：原油20，K2HPO410，NaH2PO45，(NH4)2SO42，Yeast 1，MgSO4·7H2O 0.2，CaCl2·2H2O 0.001，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.001，調(diào)節(jié)pH值至7.0～7.2。

平板培養(yǎng)基(g·L-1)：蛋白胨10，牛肉膏3，NaCl 5，瓊脂18，蒸餾水1000 mL，用堿調(diào)pH值為7.0～7.2，121 ℃(15 lb)高壓滅菌20 min，儲(chǔ)存于冷暗處備用。

1.2 材料與儀器

原油為B2-J5-P25井的采出原油，其脫水后粘度為47.2 mPa·s。

聚合物為分子量1.4×107的部分水解聚丙烯酰胺，水解度98.1%，大慶煉化公司。

Leica DM1600B型電子倒置顯微鏡，德國徠卡儀器有限公司；API ATB EXPRESS型菌種分析儀，法國生物梅里埃公司；GPC型凝膠色譜儀；GC-TSQ7000型氣-質(zhì)聯(lián)用儀。

1.3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)菌作用原油和聚合物的實(shí)驗(yàn)中，采用兩種方法。一種是搖床振蕩培養(yǎng)觀察細(xì)菌的生長情況與乳化原油的程度，另一種是將培養(yǎng)液放入?yún)捬跖囵B(yǎng)箱中觀察細(xì)菌作用原油和聚合物的變化。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)溫度為25～70 ℃，培養(yǎng)時(shí)間為7～15 d。

1.3.1 實(shí)驗(yàn)菌的特性研究

將菌株分別置于不同溫度下培養(yǎng)24 h，檢測(cè)存活菌體的數(shù)量，考察其耐溫性。

在經(jīng)發(fā)酵擴(kuò)培后的菌液中分別加入定量的NaCl，將發(fā)酵液配制成不同濃度的鹽溶液，室溫放置24 h，檢測(cè)存活菌體的數(shù)量，考察其抗鹽性。

選擇L510菌分別在含碳水化合物的培養(yǎng)基、原油與無機(jī)鹽的培養(yǎng)基、聚合物的培養(yǎng)基中生長，比較不同營養(yǎng)條件下的生長情況，考察其對(duì)不同營養(yǎng)物質(zhì)的適應(yīng)性。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)菌對(duì)聚合物溶液的影響研究

在不同濃度(100 mg·L-1、400 mg·L-1、700 mg·L-1)的聚丙烯酰胺溶液中加入菌株，定時(shí)取樣測(cè)其吸光度，以不添加聚丙烯酰胺時(shí)作為對(duì)照，計(jì)算細(xì)胞相對(duì)生長量，考察聚丙烯酰胺濃度對(duì)細(xì)菌的影響，即菌株對(duì)聚合物溶液濃度的敏感性。

考察菌株對(duì)聚合物溶液粘度的影響。

利用凝膠色譜考察菌株對(duì)聚合物分子量的影響。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)菌對(duì)原油物化性質(zhì)的影響研究

將用油田產(chǎn)出污水配制的培養(yǎng)液分裝到三角瓶中，滅菌。分別接入活化的P24、P150、P178和L510，并保留一空白樣，加入5%～7%原油，放入搖床于45 ℃、120 r·min-1下發(fā)酵10 d。發(fā)酵結(jié)束后，將發(fā)酵液在3000 r·min-1條件下冷凍離心20 min，進(jìn)行油水分離，取上層油樣進(jìn)行組分分析。

用GC-MS分析菌株作用前后原油中碳數(shù)含量及分布，并對(duì)作用后原油的飽和烴成分進(jìn)行色質(zhì)分析，考察菌株對(duì)原油烷烴組分的作用。

將已知量的待分析原油用過量的石油醚浸泡12 h，過濾不溶的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)并定量；然后用硅膠-氧化鋁混合層析柱，分別用正己烷、正己烷-二氯甲烷(1∶1)、乙醇-三氯甲烷(1∶1)淋洗并分離，得到原油中的飽和烴、芳烴和非烴，再分別定量。每組做3個(gè)平行樣取平均值。考察菌株對(duì)原油族組成的影響。

考察菌株L510對(duì)原油含膠量、含蠟量及餾分的影響。

1.3.4 聚驅(qū)后微生物驅(qū)巖心實(shí)驗(yàn)

1.3.4.1 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)材料及程序

(1)模型為人造非均質(zhì)膠結(jié)巖心，變異系數(shù)為0.72，長31.1～31.3 cm，截面積12.38～12.46 cm2。

(2)油水樣：模型飽和水按大慶油田平均地層水礦化度配制，礦化度為6778 mg·L-1；注入水為三廠聚合物注入站的注入水。

(3)菌液：配伍菌(4種菌的混合液)和單一L510菌。

(4)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)程序：巖心抽空飽和地層水→飽和油→水驅(qū)至含水率達(dá)100%→注1000 mg·L-1聚合物0.57 PV(聚合物的分子量1.4×107，固含量0.88%，水解度23%，粘度50.2 mPa·s)→水驅(qū)至含水率達(dá)100%→注菌液0.2 PV(活菌數(shù)106～107個(gè)·mL-1)→45 ℃恒溫培養(yǎng)7 d→水驅(qū)至含水率達(dá)100%。

1.3.4.2 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)方案

方案一：注聚合物后直接水驅(qū)+微生物驅(qū)。為了觀察單一菌和配伍菌的驅(qū)油效果及配伍菌之間的協(xié)同效應(yīng)，驅(qū)油實(shí)驗(yàn)在4塊巖心上進(jìn)行，每2塊為一組平行樣，共做了2組模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，菌液為配伍菌和L510單菌液2種。

方案二：注0.57 PV聚合物(粘度50.2 mPa·s)+水驅(qū)100%+注0.2 PV微生物+注0.2 PV聚合物(粘度50.2 mPa·s)保護(hù)段塞。

方案三：注0.57 PV聚合物(粘度22.4 mPa·s)+水驅(qū)100%+注0.2 PV微生物+注0.2 PV聚合物(粘度22.4 mPa·s)保護(hù)段塞。

1.4 分析檢測(cè)

原油全烴組分的分析方法參照SY/T 5120-1997；原油族組成的分析方法參照SY/T 5119-1995。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)菌的特性

2.1.1 耐溫性(圖1)

圖1 溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)菌存活率的影響

由圖1可知，篩選菌株最適生長溫度范圍在40～55 ℃，溫度超過60 ℃后，存活率降低。

2.1.2 抗鹽性(表1)

表1 采出水礦化度對(duì)實(shí)驗(yàn)菌生長的影響

由表1可知，即使鹽濃度達(dá)1×104mg·L-1，活菌數(shù)也達(dá)到了1×106個(gè)·mL-1以上，表明菌株對(duì)鹽具有一定的耐受性。由于大慶油田注入水、采出水的礦化度在700～12 000 mg·L-1之間，屬于低礦化度的鹽水，pH值范圍在7.5～9.5，水型均為NaHCO3型，水中各項(xiàng)離子的濃度都在微生物生長條件的范疇內(nèi)，所以篩選的菌株能在油層水中生長繁殖。

2.1.3 對(duì)不同營養(yǎng)物的適應(yīng)性

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，L510菌在含碳水化合物的培養(yǎng)基中，繁殖速率很快，培養(yǎng)1 d后活菌數(shù)達(dá)106～108個(gè)·mL-1；在原油與無機(jī)鹽的培養(yǎng)基中生長繁殖3 d后，活菌數(shù)達(dá)到106～108個(gè)·mL-1；在聚合物的培養(yǎng)基中生長速度較慢，3 d后活菌數(shù)達(dá)到106～107個(gè)·mL-1，放置50 d后，活菌數(shù)達(dá)到106～107個(gè)·mL-1，說明菌株在聚合物培養(yǎng)基中沒有營養(yǎng)的條件下還可存活。將菌株重新用原油激活，活菌數(shù)又達(dá)到108～1010個(gè)·mL-1。表明油藏中的微生物以聚合物為碳源時(shí)，將聚合物利用完全直到不能再降解利用為止，也就是說當(dāng)微生物營養(yǎng)不足時(shí)，它們會(huì)轉(zhuǎn)向新的食物源原油，繼續(xù)繁殖生長。

2.2 實(shí)驗(yàn)菌對(duì)聚合物溶液的影響

2.2.1 對(duì)聚合物溶液濃度的敏感性(圖2)

圖2 聚合物濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)菌生長的影響

由圖2可知，當(dāng)聚合物溶液濃度在400 mg·L-1以下時(shí)，實(shí)驗(yàn)菌的生長不受聚丙烯酰胺溶液濃度變化影響；但當(dāng)聚合物溶液濃度在400 mg·L-1以上時(shí)，微生物的生長、運(yùn)移及代謝活動(dòng)在一定程度上受到聚丙烯酰胺溶液濃度和粘度變化的影響，聚合物濃度太高時(shí)會(huì)產(chǎn)生抑制效應(yīng)，細(xì)菌繁殖緩慢，但是仍能分解聚合物。

2.2.2 對(duì)聚合物溶液粘度的影響(圖3)

圖3 不同實(shí)驗(yàn)菌對(duì)聚合物溶液粘度的影響

由圖3可知，P24、P150、P178和L510均將聚合物溶液的粘度由初始的18.6 mPa·s降至35 d后的1.0 mPa·s。此外，通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，未加菌之前，溶解的聚丙烯酰胺分子在水溶液中呈舒展的條帶狀，而加菌之后呈碎解的松枝狀，有序的鏈狀結(jié)構(gòu)消失。這是因?yàn)椋瑢?shí)驗(yàn)菌能以聚合物為食物鏈，將高分子結(jié)構(gòu)破壞，使鏈分解斷開，從而使得粘度下降。

2.2.3 對(duì)聚合物分子量的影響(圖4)

圖4 實(shí)驗(yàn)菌對(duì)聚合物相對(duì)分子量分布的影響

由圖4可以看出，加入微生物后，聚合物中大分子的相對(duì)分子量明顯降低，分布范圍也相對(duì)變窄，從106～108變?yōu)?06～107，峰值向相對(duì)低分子量方向偏移。這主要是因?yàn)?，微生物加快了聚丙烯酰胺的酰胺基水解，使聚合物分子、鏈段間的排斥力增大，側(cè)基上的酰胺基水解為羧酸，這同時(shí)導(dǎo)致溶液的pH值降低，微生物作用后聚合物溶液pH值從9.62降至7.35。

2.3 實(shí)驗(yàn)菌對(duì)原油物化性質(zhì)的影響

2.3.1 對(duì)原油烷烴組分的作用

L510作用前后原油的碳數(shù)含量及分布見圖5。

圖5 L510作用前后原油碳數(shù)含量及分布變化曲線

由圖5可知，L510作用后原油的主碳峰向前移動(dòng)，C10以內(nèi)的輕組分范圍變寬，C10～C30之間的烷烴組分含量變化明顯。L510作用后原油的飽和烴的GC-MS分析見圖6。

圖6 L510作用后原油飽和烴的GC-MS分析

由圖6可知，L510作用后原油結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，飽和烴發(fā)生了氧化降解，產(chǎn)生了丙醇二酸、十六烷酸等，∑C21/∑C22比值增加了61.7%，(C21+C22)/(C28+C29)比值增加了60.8%。

2.3.2 對(duì)原油族組成的影響(圖7)

圖7 實(shí)驗(yàn)菌作用后原油族組成變化

由圖7可知，實(shí)驗(yàn)菌作用后原油族組成發(fā)生了變化，其中飽和烴含量平均增加11.37%，芳烴含量降低，非烴和瀝青質(zhì)含量分別減少6.6%和2.9%，這表明微生物對(duì)原油中不同組分的生物降解作用具有明顯的選擇性。

2.3.3 對(duì)原油含蠟量、含膠量的影響(表2)

由表2可知，L510菌作用后，實(shí)驗(yàn)油樣的含蠟量與含膠量變化明顯，特別是對(duì)粘度大于80 mPa·s、含蠟量大于20%、含膠量大于30%的油樣作用效果突出，其中含蠟量降低了17.56%、含膠量降低了26.54%，而且平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)穩(wěn)定性較好。

表2 L510作用后原油的含蠟量與含膠量

2.3.4 對(duì)原油餾分的影響(圖8)

由圖8可知，實(shí)驗(yàn)菌作用前，當(dāng)流程的溫度在100～160 ℃時(shí)，原油沒有餾分蒸餾出來；當(dāng)溫度升到180 ℃時(shí)， 才有0.4%(體積)的餾分蒸餾出來。而實(shí)驗(yàn)菌作用后，原油從100 ℃開始就有0.6%(體積)的餾分蒸餾出來，初始蒸餾溫度降低80 ℃，說明實(shí)驗(yàn)菌作用后原油的輕組分增加。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，原油的凝固點(diǎn)也由41 ℃降至28 ℃。

圖8 實(shí)驗(yàn)菌作用前后原油餾分含量的變化

2.4 聚驅(qū)后微生物驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析(表3)

表3 聚驅(qū)后微生物驅(qū)油模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可知，方案一中，配伍菌的2個(gè)平行樣采收率4.80%～5.51%，L510菌采收率3.03%～4.18%；方案二的聚驅(qū)和微生物驅(qū)的采收率高于方案三(扣除空白驅(qū)油采收率0.68%，方案三的微生物驅(qū)采收率為6.27%～6.67%)。這可能是因?yàn)榉桨付酆衔锶芤旱淖⑷胝扯却笥诜桨溉恼扯取?/p>

方案一中，聚驅(qū)后配伍菌1#模型和L510菌4#模型的驅(qū)油效果曲線見圖9。

由圖9可知，聚驅(qū)含水率由100%下降至80%、微生物驅(qū)含水率由100%下降至90%左右。當(dāng)模型后續(xù)水驅(qū)時(shí)，觀察了菌株在模型中的生長狀態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模型末端產(chǎn)出液10 mL(0.11 PV)時(shí)活菌數(shù)為108個(gè)·mL-1，模型末端產(chǎn)出液45 mL(0.5 PV)時(shí)活菌數(shù)為109個(gè)·mL-1，模型末端產(chǎn)出液90 mL(1 PV)時(shí)活菌數(shù)為108個(gè)·mL-1。這說明細(xì)菌遷移至整個(gè)巖心，因?yàn)槟Ｐ妥⒕簽?.2 PV時(shí)，實(shí)際上菌液僅進(jìn)入模型入口的1/5處，當(dāng)菌株消耗掉附近的營養(yǎng)物后會(huì)移向新的食物聚合物碳源進(jìn)行生長代謝。

實(shí)驗(yàn)過程中檢測(cè)了注入模型前后聚合物溶液的粘度，方案二模型注入前的聚合物溶液粘度為50.2 mPa·s，段塞為0.57 PV，檢測(cè)驅(qū)出0.5 PV時(shí)聚合物的粘度為16.5 mPa·s，聚合物溶液通過多孔介質(zhì)過濾后粘度下降了3倍多，當(dāng)驅(qū)出1 PV時(shí)聚合物粘度為2.0 mPa·s，繼續(xù)驅(qū)出1.5～2.0 PV時(shí)，聚合物粘度值為0。

圖9 聚驅(qū)后配伍菌1#(a)和L510菌4#(b)模型的驅(qū)油效果曲線

這表明聚合物在油層中已被巖石和孔喉產(chǎn)生了吸附和滯留。

三種方案相比較，方案二和三的驅(qū)油效果好于方案一，其原因主要是方案二和三在注入微生物后加了聚合物保護(hù)段塞， 使得微生物作用后的原油能被聚合物均勻推進(jìn)，從而富積集中驅(qū)出，增大了波及體積而提高了驅(qū)替效率。實(shí)驗(yàn)觀察到方案一驅(qū)油過程中，微生物作用后的原油是被水驅(qū)出的分散液滴。通過顯微鏡觀察到的水驅(qū)、聚驅(qū)和微生物驅(qū)的采出液中原油狀態(tài)見圖10。

圖10 采出液中原油的微觀形態(tài)及分布

由圖10可知，水驅(qū)采出液中的原油呈連續(xù)分布，為油膜狀或大液滴狀；聚驅(qū)采出液中原油與驅(qū)替液混合成團(tuán)粒狀；微生物驅(qū)采出液中的原油形成穩(wěn)定分散的小液滴。

3 結(jié)論

(1)從大慶油田聚驅(qū)后的試驗(yàn)區(qū)塊中分離篩選出可利用聚合物和原油作為營養(yǎng)物的4株菌，分別命名為P24、P150、P178和L510。油層溫度和采出液礦化度對(duì)菌株的生長影響不大，菌株可耐70 ℃高溫和1×104mg·L-1的礦化度。

(2)篩選菌株在聚合物條件下生長，活菌數(shù)達(dá)106～107個(gè)·mL-1，聚合物溶液粘度由18.6 mPa·s降至1.0 mPa·s，加入微生物后聚合物的相對(duì)分子量明顯降低，分布范圍也相對(duì)變窄，由106～108變?yōu)?06～107，峰值向相對(duì)低分子量方向偏移。

(3)在模擬油層條件下，篩選菌株作用后原油的主碳峰向前移動(dòng)，C10以內(nèi)的輕組分范圍變寬，C10～C30之間的烷烴組分被利用；含蠟量降低了17.56%，含膠量降低了26.54%；恩氏蒸餾的初餾點(diǎn)下降了80 ℃；凝固點(diǎn)由41 ℃降至28 ℃；原油的∑C21/∑C22比值增加了61.7%，(C21+C22)/(C28+C29)比值增加了60.8%，飽和烴含量平均增加11.37%，芳烴含量降低，非烴和瀝青質(zhì)含量分別減少6.6%和2.9%。

(4)物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)表明，聚驅(qū)后微生物驅(qū)的方式可比聚驅(qū)提高采收率3%～5%(OOIP)，聚驅(qū)后微生物驅(qū)再加后續(xù)聚驅(qū)保護(hù)段塞的方式可比聚驅(qū)提高采收率7%(OOIP)以上，模型實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性較好。

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