施工因素對微生物驅(qū)油效果影響的物理模擬研究

史樹有，楊勝來，張宏丹

（1.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國石油大學(xué)（北京）），北京102249；2.中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院，北京102249）

微生物采油具有適用范圍廣、工藝簡單、成本低廉、經(jīng)濟(jì)效益好、環(huán)境友好等特點(diǎn)，是繼常規(guī)提高采收率的方法（化學(xué)驅(qū)、氣驅(qū)、熱力采油等）之后一種新的提高采收率的方法。據(jù)統(tǒng)計，截至目前，全世界共進(jìn)行了10多萬井次微生物采油，原油采收率普遍提高5%～20%，含水率降低10%～30%[1］。勝利、中原和吉林油田的微生物采油效果統(tǒng)計表明，平均吞吐井次增油127.5～143.3t[1］。前人的研究主要集中在菌種的篩選評價和微生物采油作用機(jī)理方面[2-7］。黃冬梅等人[8-9］研究發(fā)現(xiàn)，施工因素對微生物采油的效果存在一定影響，但沒有進(jìn)行綜合研究。為了更好地提高微生物采油效果，筆者采用室內(nèi)填砂管微生物驅(qū)替試驗(yàn)，綜合研究了注入方式、注入量、關(guān)井時間及重新開井時的驅(qū)替速度等主要施工參數(shù)對微生物采油效果的影響。

1 正交驅(qū)替試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用原油、菌種及培養(yǎng)基

試驗(yàn)用原油來自新疆油田J16區(qū)塊的L10286井，原油黏度22mPa·s，油藏溫度40℃。

試驗(yàn)用菌種LZ3-1為產(chǎn)表面活性劑能力較強(qiáng)的兼性厭氧芽孢桿菌屬。試驗(yàn)過程中，模擬油藏溫度，注入水礦化度為菌種LZ3-1的最佳生長礦化度1 200mg／L。

培養(yǎng)基分為菌種活化和LZ3-1無機(jī)2種：

1）菌種活化培養(yǎng)基。蛋白胨1g，NaCl 0.5g，葡萄糖1.0g，牛肉膏0.5g，酵母粉0.5g，蒸餾水100mL；pH值為7.2；115℃條件下滅菌30min。

2） LZ3-1 無 機(jī) 培 養(yǎng) 基。NaCl 5.0g，（NH4）2SO41.0g，尿素 0.5g，MgSO40.05g，NaH2PO42.0g，K2HPO42.0g，F(xiàn)eSO40.01g，CaCl20.01g，MnSO40.01g，甘油10.0g，葡萄糖10.0g；115℃溫度條件下滅菌30min。

1.2 正交設(shè)計

試驗(yàn)具體采用四因素三水平的方法，試驗(yàn)因素和水平見表1，試驗(yàn)方法見表2。

表1 正交試驗(yàn)的因素及水平Table 1 Levels of factors in orthogonal experiments

表2 影響微生物采油效果的因素正交試驗(yàn)設(shè)計Table 2 Orthogonal experimental design of affecting factors

1.3 主要試驗(yàn)步驟

1）填裝填砂管，壓實(shí)壓力為14MPa。

2）以1.5mL／min的速度向填砂管恒速注入原油，并記錄注入時的滲流壓力p1，待填砂管出口端出油并且無氣體產(chǎn)出時，停泵并記錄注入時間t，待滲流壓力降至p1時關(guān)井并記錄流出的原油體積，計算原始含油體積，取孔隙體積近似等于原始含油體積。計算公式為：

式中：Voi為填砂管中原始含油量，mL；t為注入時間，min；V1為流出的原油體積，mL。

3）填砂管中飽和油后老化3d。

4）活化菌種，準(zhǔn)備用于水驅(qū)后的微生物轉(zhuǎn)注。

5）采取恒速水驅(qū)，水驅(qū)速度為2mL／min，當(dāng)產(chǎn)水率大于95%時停止水驅(qū)。

6）按照表2設(shè)計的注入方式和注入量注入菌液、培養(yǎng)液，段塞注入時，先注入菌液，后注入無機(jī)培養(yǎng)液；并關(guān)井相應(yīng)的時間。

7）關(guān)井時間結(jié)束后，用發(fā)酵液（向無機(jī)培養(yǎng)基中加入相同菌液培養(yǎng)與關(guān)井時間相同時長的發(fā)酵液）驅(qū)替，重新開井驅(qū)替（二次驅(qū)替）時的驅(qū)替速度按照相應(yīng)的設(shè)計進(jìn)行。當(dāng)產(chǎn)水率達(dá)到95%時停止驅(qū)替，并計算采收率提高百分點(diǎn)。采收率提高百分點(diǎn)計算式為：

式中：ΔER為采收率提高百分點(diǎn)；V2為二次驅(qū)替時的產(chǎn)油量，mL。

1.4 正交驅(qū)替試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果（見表3）表明，各組驅(qū)替試驗(yàn)均能提高原油采收率，但提高采收率的程度有較大差異，其中無機(jī)培養(yǎng)基和接種活化菌液按體積1∶1的段塞注入，注入量為0.6倍孔隙體積，關(guān)井2d，重新開井時的驅(qū)替速度為2倍孔隙體積／h的組合，效果最好，采收率提高30百分點(diǎn)。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of orthogonal experiments

分析得到各因素在不同水平下的采收率提高百分點(diǎn)（見表4）。從表4可以看出，各因素的最優(yōu)水平分別如下：

1）注入方式。無機(jī)培養(yǎng)基和活化菌液的段塞注入方式比連續(xù)注入加入5%菌液的無機(jī)培養(yǎng)基效果要好；段塞注入方式中，無機(jī)培養(yǎng)基和活化菌液的體積比為1∶1時比3∶1的效果好。

2）注入量。當(dāng)注入量為0.6倍孔隙體積時效果最好，這可能是因?yàn)樽⑷肓枯^少時，作用效果不明顯；當(dāng)注入量過大時，由于先注入活化菌液后注入無機(jī)培養(yǎng)基，使得無機(jī)培養(yǎng)基將大部分活化菌液從填砂管中驅(qū)替出來了，導(dǎo)致效果變差。

3）關(guān)井時間。關(guān)井時間并不是越長越好，關(guān)井2d的效果最好。因?yàn)樘钌肮苤械臓I養(yǎng)物質(zhì)是有限的，一旦無法滿足微生物生長所需，微生物將大量死亡，并且會產(chǎn)生一些有害物質(zhì)，進(jìn)一步加劇微生物的死亡。

4）驅(qū)替速度。隨著驅(qū)替速度的增加，提高采收率效果增強(qiáng)。

表4 各因素在不同水平下的采收率提高百分點(diǎn)Table 4 Average increased percentage of recovery ratio of factors at different levels

2 驗(yàn)證試驗(yàn)和對比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計

為了驗(yàn)證正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果和解釋，設(shè)計了驗(yàn)證試驗(yàn)和對比試驗(yàn)（結(jié)果見表5）。驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)取表4中各因素的最優(yōu)水平，對比試驗(yàn)采取關(guān)井相同的時間，但不轉(zhuǎn)注微生物，重新開井時水驅(qū)的驅(qū)替速度也相同。

2.2 試驗(yàn)步驟

1）按照正交驅(qū)替試驗(yàn)主要試驗(yàn)步驟1）—5）進(jìn)行；

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)和對比試驗(yàn)設(shè)計Table 5 Design of verification experiments and comparison experiments

2）按照表5設(shè)計的相應(yīng)注入方式和注入量注入菌液、培養(yǎng)液，段塞注入時，先注入菌液，后注入無機(jī)培養(yǎng)液；按設(shè)計時間關(guān)井。

3）關(guān)井結(jié)束后，用發(fā)酵液（向無機(jī)培養(yǎng)基中加入相同菌液培養(yǎng)與關(guān)井時間相同時長的發(fā)酵液）驅(qū)替，重新開井驅(qū)替（二次驅(qū)替）時的驅(qū)替速度按照表5中的設(shè)計進(jìn)行。當(dāng)產(chǎn)水率達(dá)到95%時停止驅(qū)替，并計算采收率提高百分點(diǎn)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果對比

驗(yàn)證試驗(yàn)和對比試驗(yàn)的結(jié)果見表6。由表6可知，驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果（采收率提高32百分點(diǎn)）比表3中第5個試驗(yàn)的結(jié)果（采收率提高30百分點(diǎn)）還要好，這表明對正交試驗(yàn)結(jié)果分析是合理的。即分段塞的注入方式比連續(xù)注入加了5%菌液的無機(jī)培養(yǎng)基效果好；注入量應(yīng)該適中，并非越大越好；關(guān)井時間應(yīng)該考慮微生物的生長周期；較高的驅(qū)替速度能夠提高采收率。

驗(yàn)證試驗(yàn)和對比試驗(yàn)重新開井驅(qū)替時的產(chǎn)水率變化對比曲線如圖1所示。從圖1可以看出，以產(chǎn)水率95%為開采極限，驗(yàn)證試驗(yàn)重新開井生產(chǎn)時，相對于對比試驗(yàn)，產(chǎn)水率顯著降低，延長了有效期，減緩了產(chǎn)量的遞減。

表6 驗(yàn)證和對比試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of validation and comparison experiments

圖1 關(guān)井后重新驅(qū)替時的產(chǎn)水率變化Fig.1 Water production rate behavior when re-flooding after shut-in

3 結(jié) 論

1）綜合研究了注入方式、注入微生物菌液體積、關(guān)井時間、重新生產(chǎn)時的驅(qū)替速度等施工因素對微生物采油效果的影響。結(jié)果表明，上述因素對微生物采油效果有著較大影響，對上述因素優(yōu)化后可以明顯提高微生物采油的效果。建議在進(jìn)行微生物采油施工前對施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以便更好地提高微生物采油效果。

2）綜合考慮了注入方式、注入微生物菌液體積、關(guān)井時間、重新生產(chǎn)時的驅(qū)替速度等施工因素對微生物采油效果的影響，較前人對部分影響因素的研究更為全面。

3）雖然通過優(yōu)化初步得到了相關(guān)施工參數(shù)的最佳值，但是試驗(yàn)中各因素值需進(jìn)一步細(xì)化，試驗(yàn)方案也有待優(yōu)化。

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