產(chǎn)氣產(chǎn)酸菌提高低滲透油藏原油采收率的應(yīng)用基礎(chǔ)研究

孫珊珊，董 浩，張忠智，曹思遠(yuǎn)，萬云洋，董漢平，俞 理

（1．中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2．中國石油大學(xué)（北京）CNPC物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；3．中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院 油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；4．中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院滲流所，河北 廊坊065007）

隨著世界油氣工業(yè)的發(fā)展及后石油經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來，容易勘探與開采的優(yōu)質(zhì)油氣資源逐漸減少，低品質(zhì)油氣資源中的低滲透油氣資源將逐漸成為常規(guī)油氣資源的接替者和保障世界油氣資源供應(yīng)的主角［1］。

提高低滲透油藏采收率的方法包括注氣法、微生物采油法、化學(xué)驅(qū)、“層內(nèi)爆炸”增產(chǎn)技術(shù)、電動(dòng)力學(xué)法、震動(dòng)波法等［2］。其中微生物采油法因具有投資費(fèi)用低、化學(xué)劑和能源消耗少等優(yōu)點(diǎn)而被越來越廣泛地應(yīng)用。近10多年來，我國微生物采油技術(shù)得到了快速發(fā)展，目前已在吉林、遼寧、新疆、山東、內(nèi)蒙古等油田的低滲透區(qū)塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用并基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)［3－10］。

低滲透油藏在長期的注水開發(fā)過程中注水井近井及遠(yuǎn)井地帶地層物性發(fā)生改變，引起粘土膨脹和微利運(yùn)移，造成地層堵塞，進(jìn)而開采過程中注水壓力居高不下且逐年上升［11］。引起低滲透油藏堵塞的膠結(jié)物中通常含有碳酸鹽沉淀物，或者部分巖層為碳酸鹽巖，而有研究表明乙酸與碳酸鹽巖反應(yīng)緩和、作用時(shí)間長、進(jìn)入地層較深，可以達(dá)到深層解堵的目的［12］。

針對(duì)低滲透油藏的堵塞問題篩選產(chǎn)氣產(chǎn)酸菌，菌株產(chǎn)生的氣體可以降低油粘度、產(chǎn)生的酸類物質(zhì)可以溶蝕巖層和地層內(nèi)的膠結(jié)物清理巖石孔道，從而提高低滲透油藏的孔隙度和滲透率。為滿足低滲油層應(yīng)用的需要，作者利用饑餓處理法，對(duì)篩選的產(chǎn)氣產(chǎn)酸菌KB進(jìn)行超小處理，以考察其提高低滲透油藏原油采收率的應(yīng)用潛力。

1 實(shí)驗(yàn)

1．1 樣品、菌株和培養(yǎng)基

水樣：長慶地層水；油樣：長慶未經(jīng)處理的原始油樣。

菌株：產(chǎn)氣產(chǎn)酸菌KB，已鑒定為地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）。

糖蜜培養(yǎng)基：糖蜜4%（體積分?jǐn)?shù)），（NH4）2HPO40．1%（質(zhì)量濃度），NaCl 10g·L－1，pH 值7．2～7．4。

1．2 方法

1．2．1 KB菌代謝產(chǎn)物分析

產(chǎn)氣產(chǎn)酸：在裝有40mL糖蜜培養(yǎng)基的100mL發(fā)酵瓶中按接種量5%（體積分?jǐn)?shù)）接種KB菌，分別于37℃、55℃、60℃不完全供氧靜置培養(yǎng)，3d后測(cè)量菌株產(chǎn)生的氣體量及發(fā)酵液的pH值。

有機(jī)酸：在糖蜜培養(yǎng)基中按5%接種量接種KB菌，于60℃厭氧培養(yǎng)3d后，發(fā)酵液離心，取10mL上清液，測(cè)總揮發(fā)性脂肪酸（Total volatile fatty acid，TVFA）。

1．2．2 超小KB菌的制備

為減小低滲透油藏對(duì)菌株的阻滯作用，利用饑餓處理法將KB菌制備為超小微生物。具體步驟為：取2mL培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長期的KB菌液，離心后加入2mL 0．85%的生理鹽水，吹打混勻后置于4℃冰箱放置28d。將制備的超小KB菌簡(jiǎn)單染色，觀察其與未經(jīng)過饑餓處理菌株的區(qū)別，并稀釋梯度平板計(jì)數(shù)，觀察其復(fù)壯情況。

1．2．3 微觀模型實(shí)驗(yàn)

（1）將微觀仿真透明模型抽真空、飽和已滅菌的長慶地層水；（2）于60℃恒溫箱中飽和長慶原油，恒溫老化2d；（3）以地層水驅(qū)模型，注含5%（體積分?jǐn)?shù)）KB菌發(fā)酵液的糖蜜培養(yǎng)基，觀察水驅(qū)前后油分布形態(tài)；（4）于60℃恒溫放置4d，利用倒置顯微鏡觀察殘余油的分布形態(tài)、菌體的生長情況。

1．2．4 低滲巖芯物理模擬實(shí)驗(yàn)

（1）將模型抽真空、飽和已滅菌的長慶地層水，計(jì)算孔隙度φ，以長慶地層水驅(qū)模型至壓力不變；（2）于60℃恒溫箱中將模型飽和油至束縛水飽和，然后老化2d；（3）于60℃恒溫箱中水驅(qū)至含水率98%，注入含5%（體積分?jǐn)?shù)）菌液的糖蜜培養(yǎng)基，靜置培養(yǎng)4d；（4）培養(yǎng)結(jié)束后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，記錄整個(gè)過程的壓力變化以及驅(qū)替出的油和水的體積。

采用Excel軟件收集數(shù)據(jù)，SAS9.1.3軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s），計(jì)數(shù)資料采用χ2檢驗(yàn)表示。由于男女生理功能的差異，對(duì)不同性別學(xué)生的形態(tài)指標(biāo)、功能指標(biāo)、運(yùn)動(dòng)素質(zhì)指標(biāo)、健康指標(biāo)不做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

實(shí)驗(yàn)中用到的各貝雷巖芯的基本參數(shù)及注入的微生物見表1，整個(gè)過程的驅(qū)替速度為0．2mL·min－1。

表1 各貝雷巖芯基本參數(shù)Tab．1 Parameters of Bailey cores

2 結(jié)果與討論

2．1 KB菌代謝產(chǎn)物分析

不同溫度下KB菌的產(chǎn)氣量及發(fā)酵液pH值見表2。

表2 不同溫度下KB菌的產(chǎn)氣量及發(fā)酵液pH值Tab．2 Gas volume and pH value of the fermentation broth at different temperatures

由表2可知，KB菌的溫度耐受范圍廣，在60℃下的產(chǎn)氣量可達(dá)到63mL，發(fā)酵液pH值則從起始的7．0降低到了4．87。

KB菌發(fā)酵液的TVFA色譜見圖1。

圖1 KB菌發(fā)酵液的TVFA色譜Fig．1 TVFA Chromatogram of the fermentation broth of strain KB

由圖1可知，KB菌代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸主要為乙酸，發(fā)酵液中乙酸濃度達(dá)到2130．944mg·L－1。

2．2 超小KB菌大小及有效濃度

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)饑餓處理得到的超小KB菌大小（1．25μm×0．5μm）只有正常KB菌（4μm×2μm）的四分之一左右（圖2），且平板計(jì)數(shù)結(jié)果證明處理后KB菌的有效濃度仍達(dá)到3．53×108個(gè)·mL－1，表明KB菌經(jīng)饑餓處理后尺寸變小且仍保留較高的活性。

圖2 超小KB菌（a）與正常KB菌（b）結(jié)晶紫染色Fig．2 Comparison of ultramicrobacteria KB（a）and normal strain KB（b）

2．3 微觀模型觀察

微觀仿真透明模型［5，13，14］用于微生物采油較其它物理模擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)是其具有可視性，該模型為直觀地觀察菌株對(duì)原油的趨向性提供了有效的方法。

由于KB菌具有運(yùn)動(dòng)性，在顯微觀察時(shí)可通過定位移動(dòng)目標(biāo)清晰地觀察菌株的分布以及菌體的運(yùn)動(dòng)趨向。顯微鏡觀察表明：KB菌代謝活動(dòng)產(chǎn)生的氣體在殘余油中形成氣泡（圖3a）；注入到微觀仿真透明模型中的KB菌，可在油相邊緣及附近水相中增殖，并以極快的速度朝著殘余油的方向運(yùn)動(dòng)（圖3b）。

圖3 原油周圍菌體的顯微照片F(xiàn)ig．3 The micrographs of the bacteria around crude oil

大多數(shù)微生物在代謝過程中都產(chǎn)生氣體，如H2、CO2、CH4等，微生物代謝產(chǎn)生的氣體能夠因氣泡形成的賈敏效應(yīng)而使油層部分增壓，或者溶于原油降低原油粘度，提高原油流動(dòng)能力。氣體溶于原油后使原油膨脹，體積增大，粘度降低，有利于再次恢復(fù)水驅(qū)后被驅(qū)出，增加原油產(chǎn)量；同時(shí)賈敏效應(yīng)還會(huì)增大水流阻力，提高注入水的波及體積，但該作用在龐大的地層中顯得微乎其微，因此微生物代謝產(chǎn)生的氣體主要通過溶于原油降低原油粘度來發(fā)揮作用。

2．4 KB菌提高原油采收率效果（圖4）

圖4 巖芯C3－5（a）和巖芯C3－9（b）驅(qū)替過程中的采收率、含水率及壓力的變化Fig．4 Changes of recovery，moisture cut and pressure of C3－5（a）and C3－9（b）during the water flooding

由圖4可知，飽和未經(jīng)處理長慶原油的巖芯，由于原油中含有的大量粘稠的不明成分對(duì)其造成的堵塞作用，使得一次水驅(qū)的壓力高達(dá)3MPa，注入菌液時(shí)由于巖芯的氣測(cè)滲透率只有50mD，因此對(duì)菌株的阻滯作用較大，造成注入菌液后驅(qū)替壓力升高，KB菌作用后后續(xù)水驅(qū)的壓力比KB菌作用前明顯降低，分析原因?yàn)槲唇?jīng)處理的長慶原油中的某些成分可以被KB菌通過自身的代謝活動(dòng)直接降解，或者由其代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸降解，從而使?jié)B透率增大、驅(qū)替壓力降低，表明KB菌具有對(duì)低滲透油藏解堵的應(yīng)用潛力。由圖4還可知，注入超小KB菌液時(shí)巖芯壓力升高幅度明顯小于注入60℃培養(yǎng)3h的KB菌新鮮發(fā)酵液，這是由于新鮮培養(yǎng)的KB菌明顯大于未經(jīng)培養(yǎng)的超小KB菌，證明饑餓處理法得到的超小KB菌可以更好地降低低滲巖芯的阻滯作用，在應(yīng)用過程中可以被推進(jìn)到更深的地層，進(jìn)而更有效地發(fā)揮作用。C3－5、C3－9的原油采收率分別提高了8．1%和4%，從后續(xù)水驅(qū)結(jié)束后的巖芯亦可觀察到，C3－9中存留的原油要明顯多于C3－5，尤其是起始端的原油量（圖5），進(jìn)一步證明超小微生物可以更有效地提高低滲透油藏的原油采收率。

3 結(jié)論

（1）KB菌可以利用糖蜜發(fā)酵產(chǎn)氣產(chǎn)酸，代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸主要為乙酸。

（2）利用饑餓處理法制備超小KB菌，處理后KB菌大小只有新鮮培養(yǎng)菌株的四分之一左右，且仍保留較高活性。

（3）利用微觀仿真透明模型觀察KB菌對(duì)殘余油的作用，結(jié)果表明KB菌可在油相邊緣及附近水相中增殖，并朝著殘余油的方向運(yùn)動(dòng)，KB菌代謝活動(dòng)產(chǎn)生的氣體可在殘余油中形成氣泡，使原油膨脹，同時(shí)氣泡形成的賈敏效應(yīng)還會(huì)增大水流阻力，提高注入水的波及體積。

圖5 C3－5和C3－9后續(xù)水驅(qū)結(jié)束后表面原油存留情況Fig．5 Crude oil left on the surface of C3－5 and C3－9after water flooding

（4）利用未經(jīng)處理的長慶原油進(jìn)行的物理模擬實(shí)驗(yàn)中，巖芯經(jīng)KB菌作用后的水驅(qū)壓力明顯降低，表明KB菌可以有效提高低滲透油藏的原油采收率，具有對(duì)低滲透油藏解堵的應(yīng)用潛力；饑餓處理法得到的超小KB菌可以更好地降低低滲巖芯的阻滯作用，在應(yīng)用過程中可以被推進(jìn)到更深的地層，進(jìn)而更好地發(fā)揮作用。

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