本源微生物深部調(diào)驅(qū)技術(shù)的室內(nèi)研究及現(xiàn)場應(yīng)用

【摘 要】向地層中注入營養(yǎng)物質(zhì)，激活油藏中的本源微生物，利用微生物的代謝物質(zhì)提高注水波及系數(shù)和洗油效率是一種提高原油采收率的重要手段，在世界各國得到了越來越多的應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的本源微生物驅(qū)油技術(shù)是采用水溶性的營養(yǎng)體系，并補充定量空氣以實現(xiàn)油藏好養(yǎng)菌群的激活和原油的生物降解。水溶性營養(yǎng)物在注入油藏時會沿著高滲透區(qū)域竄流，在油藏中滯留時間短，微生物利用程度低，生物產(chǎn)物與油藏巖石和流體相互作用時間短，這是造成本源微生物驅(qū)油技術(shù)現(xiàn)場效果不明顯或見效慢的主要原因。我們通過室內(nèi)研究優(yōu)選出了一種新的營養(yǎng)體系，將該營養(yǎng)液注入地層后，既能激活地層中的本源微生物，促進其生長和代謝，實現(xiàn)驅(qū)油目的，又可堵塞地層大孔道，延長作用時間，提高注入水的波及體積，達到調(diào)驅(qū)的目的，從而進一步提高原油的采收率。

【關(guān)鍵詞】本源微生物；調(diào)驅(qū)；營養(yǎng)體系；采收率

1.本源微生物深部調(diào)驅(qū)的研究背景

傳統(tǒng)的本源微生物驅(qū)油技術(shù)是采用水溶性的營養(yǎng)體系，如氮、磷鹽體系，低糖類等體系，并補充定量空氣以實現(xiàn)油藏好養(yǎng)菌群的激活和原油的生物降解[1]，這種體系主要強調(diào)“驅(qū)”的作用，而忽視了“堵”的作用。水溶性營養(yǎng)物在注入油藏時會沿著高滲透區(qū)域竄流，在油藏中滯留時間短，微生物利用程度低，生物產(chǎn)物與油藏巖石和流體相互作用時間短，這是造成本源微生物驅(qū)油技術(shù)現(xiàn)場效果不明顯或見效慢的主要原因。

本研究的主要目的就是研究出一種合適的營養(yǎng)體系，將該營養(yǎng)液注入地層后，既能為地層中的本源微生物提供營養(yǎng)，激活地層中的本源微生物，促進其生長和代謝，實現(xiàn)驅(qū)油目的，又可堵塞地層大孔道，延長作用時間，提高注入水的波及體積，達到調(diào)驅(qū)的目的，從而進一步提高原油的采收率。

2.營養(yǎng)體系的優(yōu)選

2.1 營養(yǎng)體系的優(yōu)選原則

根據(jù)本研究的目的和微生物提高采收率的機理，營養(yǎng)體系的優(yōu)選應(yīng)遵循以下原則：

（1）能有效刺激油藏微生物的生長與繁殖（菌群濃度提高）。

（2）代謝產(chǎn)物以生物表面活性劑為主，這樣才能乳化原油，提高原油的流動能力；或者是多糖，可以起到堵調(diào)作用。

（3）營養(yǎng)體系與地層水和地層礦物組分有較好的配伍性，不會發(fā)生物理和化學反應(yīng)；在注入水中易溶解或分散，能夠順利注入地層。

（4）能很好地抑制對原油生產(chǎn)系統(tǒng)有不利影響的硫酸鹽還原菌（SRB）的繁殖。

（5）廉價，來源廣泛，無二次污染等。

2.2 優(yōu)選出的營養(yǎng)體系

經(jīng)過大量的室內(nèi)試驗，我們優(yōu)選出了N-1型淀粉-纖維素基營養(yǎng)體系，該體系的主要成分及含量見表2-2、2-3。其中淀粉和纖維素的主要作用是提供并延緩釋放微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)，封堵地層中的高滲透區(qū)域。該體系幾乎含有微生物生長所需的各種營養(yǎng)組分和生長因子，是良好的天然培養(yǎng)基。表2-4是目前常用營養(yǎng)體系和N-1營養(yǎng)體系的對比。

表2-2 N-1型營養(yǎng)體系的主要成分

水分（%）淀粉（%）纖維素（%）脂肪（%）蛋白質(zhì)（%）礦物質(zhì)（%）

1030--5020--4055--810

表2-3 N-1型營養(yǎng)體系中的主要礦物質(zhì)含量（mg/100g）

鈣鐵鎂鉀鈉磷

50--8020100150--3002--10200--600

表2-4 目前常用營養(yǎng)體系和N-1型營養(yǎng)體系對比表

對比項目碳源氮源磷無機鹽生長因子氧需求

目前常用營養(yǎng)體系石油烴銨鹽磷酸――――有氧

N-1型營養(yǎng)體系淀粉纖維素蛋白質(zhì)磷脂多種微量元素維生素氨基酸有氧和無氧

2.3 N-1型營養(yǎng)體系的特點

N-1型營養(yǎng)體系具有以下幾個方面的特點：

（1）組分多，微生物易利用；

（2）主要組分是多糖類，可以轉(zhuǎn)化為糖脂類表面活性劑；

（3）有氧和無氧條件下均可激活微生物；

（4）來源廣，廉價，環(huán)保。

（5）該營養(yǎng)劑是經(jīng)過復(fù)配、加工成不同粒徑的粉體，可分散于水體，便于注入。

3.本源微生物調(diào)驅(qū)室內(nèi)研究

3.1 有氧條件下菌群生長與代謝過程研究

（1）N-1營養(yǎng)體系對菌群生長的影響

取油田注入水進行實驗，分別向其中加入相同濃度的銨鹽類營養(yǎng)劑和N-1營養(yǎng)劑，在有氧條件下進行培養(yǎng)，檢測其中的菌群變化情況，實驗結(jié)果見表3-1和圖3-1。

表3-1兩種體系的最終菌濃度對比

菌類類別TGBFBHOBSRB

N-1營養(yǎng)體系n×105n×102n×1080

銨鹽營養(yǎng)體系n×104n×102n×102n×102

圖3-1 加入N-1營養(yǎng)劑后菌群的生長曲線

從表3-1和圖3-1可以看出，在氧氣存在條件下，菌群被激活后的優(yōu)勢菌群是HOB，被N-1營養(yǎng)劑激活后體系中的HOB、TGB菌群濃度明顯高于被銨鹽類營養(yǎng)體系激活后體系中的菌群濃度，N-1營養(yǎng)劑激活后的體系中不產(chǎn)生對石油生產(chǎn)不利的SRB。

（2）兩種營養(yǎng)體系對氧氣的消耗速率

取油田注入水做實驗，實驗方法和流程見圖3-2和圖3-3。

在油田注入水中補充N、P營養(yǎng)鹽和空氣后，HOB對原油的氧化降解速度很慢，而且低效；而N-1體系在2d內(nèi)消耗完氧氣，實驗結(jié)果見圖3-4。

3.2 無氧條件下菌群的生長與代謝過程研究

（1）N-1營養(yǎng)體系對菌群生長的影響

取油田注入水進行實驗，向其中加入N-1營養(yǎng)劑，在無氧條件下進行培養(yǎng)，檢測其中的菌群變化情況，實驗結(jié)果見圖3-5。

從圖3-5可以看出，在無氧條件下，菌群被激活后的優(yōu)勢菌群是FMB和SRB。

菌群類別TGBFBHOBSRB

有氧條件n×105n×102n×1080

無氧條件n×106n×107n×101n×106

表3-2 兩種實驗條件下的優(yōu)勢菌群對比

菌群類別TGBFBHOBSRB

有氧條件n×105n×102n×1080

無氧條件n×106n×107n×101n×106

對比有氧和無氧兩種實驗條件下的優(yōu)勢菌群（見表3-2），發(fā)現(xiàn)無論在有氧還是無氧條件下，N-1營養(yǎng)體系均能有效刺激本源微生物的繁殖，但優(yōu)勢菌群不同。細菌代謝速率遠大于利用原油N、P營養(yǎng)體系的代謝速率。

（2）無氧條件下的生物氣量

取同樣體積的油田采出水，分別向其中加入不同濃度的N-1營養(yǎng)劑，在無氧條件下進行培養(yǎng)，檢測產(chǎn)生的生物氣量，實驗結(jié)果見圖3-6。

實驗結(jié)果表明，培養(yǎng)的前4天產(chǎn)生的氣量最多，生物氣的主要組分是CO2和CH4，總氣量達培養(yǎng)液體積的2-8倍。

營養(yǎng)劑注入和空氣注入后，油藏微生物首先進行有氧代謝過程，這一階段優(yōu)勢菌群是HOB，表面活性劑是其最主要代謝產(chǎn)物，這一階段需要2～4d。

空氣中的氧氣被消耗完后進入無氧代謝時期，此時厭氧菌（FMB，SRB，MPB等）逐漸成為優(yōu)勢菌群，低級脂肪酸等成為主要產(chǎn)物，同時也產(chǎn)生CO2和CH4，這一階段需要更長時間，約5～10d。

以上兩個過程構(gòu)成了N-1營養(yǎng)體系在油藏被微生物利用產(chǎn)生對驅(qū)油有用物質(zhì)，并最終轉(zhuǎn)化為CO2和CH4的全過程。因此N-1營養(yǎng)體系無論在理論上還是在實踐中都要優(yōu)于目前的N、P體系。

3.4 生物表面活性劑的提取與分析

（1）兩種營養(yǎng)體系對原油的乳化效果對比實驗

將油樣分成相同體積的兩份，分別向其中加入相同濃度的銨鹽型營養(yǎng)劑和N-1型營養(yǎng)劑，在有氧條件下進行培養(yǎng)，觀察兩個油樣的乳化情況，實驗結(jié)果見圖3-7。從圖3-7可以看出，N-1型營養(yǎng)劑刺激微生物代謝產(chǎn)生大量的表面活性物質(zhì)，對原油起到乳化、增溶作用，而銨鹽型營養(yǎng)劑不能有效刺激微生物對原油的代謝。

（2）生物表面活性劑提取和分析

提取生物表面活性劑，通過掃描電鏡等手段分析得出微生物代謝淀粉類物質(zhì)產(chǎn)生的表面活性劑屬于鼠李糖脂，糖脂中共含有21 種同系物，都由1~2分子的鼠李糖和1~2個含β-羥基的碳鏈長度為8~12的脂肪酸組成。其中，含量最高的兩種組分分別為2-O-α-L-吡喃鼠李糖苷-α-L-吡喃鼠李糖苷-β-羥基癸酰-β-羥基癸酸和α-L-吡喃鼠李糖苷-β-羥基癸酰-β-羥基癸酸，其含量分別達19.26%和14.56%。

3.5 硫酸鹽還原菌的抑制試驗

在油藏環(huán)境中，SRB和DNB都是以低級脂肪酸作為碳源，同時也以H或低級脂肪酸作為電子供體還原硫酸鹽和硝酸鹽的，在對電子供體的爭奪過程中，DNB優(yōu)先得到電子供體，從而使得SRB始終處于被抑制狀態(tài)。其反應(yīng)過程如下：

硝酸鹽的還原過程所需自由能小于硫酸鹽還原所需自由能，因此DNB在對電子供體爭奪過程中，優(yōu)先得到電子供體。硝酸鹽對SRB生長的影響見圖3-8和圖3-9。

4.結(jié)論與建議

本源微生物深部調(diào)驅(qū)技術(shù)是一種“調(diào)”與“驅(qū)”結(jié)合的微生物采油新技術(shù)。該技術(shù)所使用的營養(yǎng)體系是利用多種天然產(chǎn)物為原料進行復(fù)配而成的，是一種新型粉體或顆粒狀的營養(yǎng)體系（主要成分為纖維素、淀粉多糖等）。淀粉-纖維素基營養(yǎng)體系是一種廉價、易得的天然多糖類營養(yǎng)劑，其組分豐富、對本源菌群激活效率高，易懸浮于水體。該體系有效克服了常規(guī)氮、磷鹽體系組分單一、易流失的缺點，體系不僅具有提高洗油效率的作用，同時由于營養(yǎng)劑為顆粒物，具有明顯的地層滯留作用，有效擴大微生物發(fā)酵作用范圍，現(xiàn)場見效快，延緩遞減，可以大幅度提高驅(qū)油效率。

該技術(shù)利用顆粒營養(yǎng)劑在地層中的封堵作用（或多孔介質(zhì)對營養(yǎng)劑的截留作用），大大延長營養(yǎng)劑在地層中的滯留時間，使微生物充分利用營養(yǎng)劑產(chǎn)生表面活性物質(zhì)及生物氣等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物在油藏條件下對原油有較好的乳化作用，可以提高“驅(qū)”的作用；同時，由于營養(yǎng)劑在地層中的滯留作用，使得微生物細胞體可以附著在營養(yǎng)顆粒表面進行繁殖和生長，在顆粒表面產(chǎn)生大量生物膜（包括細胞體聚集體及胞外多糖類代謝產(chǎn)物等），生物膜的形成對于之后微生物的繼續(xù)繁殖與體系的封堵作用有重要的強化作用，從而可以有效改善水驅(qū)波及體積。

該技術(shù)適合于常規(guī)注水開發(fā)油藏，高溫、高鹽油藏，其應(yīng)用油藏范圍廣，不受油藏溫度和水質(zhì)（礦化度）限制，應(yīng)用成本比常規(guī)化學調(diào)驅(qū)技術(shù)有大幅度降低。

生物深部調(diào)驅(qū)技術(shù)的特點是在地層中擴大發(fā)酵作用的波及體積作用明顯，對油藏微生物激活效果顯著，不受油藏溫度及地層水性質(zhì)影響，營養(yǎng)劑來源廣、易得，成本低廉，環(huán)境友好、無二次污染。參考文獻

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