聚合物驅(qū)后油藏內(nèi)源微生物驅(qū)油研究與試驗

樂建君，柏璐璐，王蕊，郭盟華，張繼元，侯兆偉，伍曉林

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聚合物驅(qū)后油藏內(nèi)源微生物驅(qū)油研究與試驗

樂建君，柏璐璐，王蕊，郭盟華，張繼元，侯兆偉，伍曉林

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

樂建君, 柏璐璐, 王蕊, 等. 聚合物驅(qū)后油藏內(nèi)源微生物驅(qū)油研究與試驗. 生物工程學(xué)報, 2015, 31(7): 1129–1138.Le JJ, Bai LL, Wang R, et al. Laboratory evaluation and field trial of activation indigenous microbial displacements in the reservoirs after polymer flooding. Chin J Biotech, 2015, 31(7): 1129–1138.

我國大多數(shù)陸上主力油田已進入“雙高” (高含水、高采出程度) 開采階段。為進一步提高聚合物驅(qū)后油藏的石油采收率，本研究發(fā)現(xiàn)了一種促進油藏內(nèi)源微生物生長代謝的高效激活劑，且該激活劑已通過室內(nèi)產(chǎn)氣和物理模擬驅(qū)油實驗及巖心電鏡觀察和454 (Pyrosequencing) 焦磷酸測序方法的評價。結(jié)果表明激活劑在高壓容器中靜置培養(yǎng)60 d后產(chǎn)氣增壓達到2 MPa，用量0.35 PV，濃度為1.8% (/) 的激活劑溶液在聚合物驅(qū)后的天然巖心上石油采收率可再提高3%，并在電鏡觀察到巖心內(nèi)部激活的內(nèi)源微生物菌體及其代謝產(chǎn)物?，F(xiàn)場于2011年12月在薩南南二區(qū)東塊的1注4采井組開展了試驗，監(jiān)測到4口有效生產(chǎn)井的甲烷和二氧化碳氣體δ13C (PDB) 含量產(chǎn)生明顯變化，與薩南南二區(qū)東塊對照試驗區(qū)產(chǎn)油量增幅35.9%，含水穩(wěn)定在94%，在3年半期間階段累計增油5 957 t，為同類油藏進一步提高石油采收率提供了一條有效途徑。

內(nèi)源微生物,激活劑,聚合物驅(qū)后油藏,性能評價,現(xiàn)場應(yīng)用

我國大多數(shù)陸上主力油田已進入“雙高” (高含水、高采出程度) 開采階段，如何進一步提高油氣采收率、延長油藏開采壽命已成為石油工業(yè)界關(guān)注的熱點和難點[1-2]。為探索利用化學(xué)驅(qū)后進一步提高石油采收率技術(shù)，近年來本研究組在大慶油田聚合物驅(qū)后油藏開展了內(nèi)源微生物驅(qū)油室內(nèi)及現(xiàn)場試驗研究[3-8]。內(nèi)源微生物采油技術(shù)是利用油藏中原有的微生物群落，通過注水井供給所需的營養(yǎng)劑與空氣，同時利用殘余油作為部分營養(yǎng)物激活油藏中的微生物群落，促進其在油藏內(nèi)生長、運移，并生產(chǎn)代謝產(chǎn)物與巖石/原油/水界面相互作用，降低界面張力，改善原油流動性，達到提高原油采收率的目的[9-11]。針對特定油藏所篩選的激活劑的有效性是內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)的關(guān)鍵，因此有必要對激活劑的驅(qū)油效果進行評價[12]。

本文針對室內(nèi)篩選的聚合物驅(qū)后油藏內(nèi)源微生物激活劑[7-8]，開展了物理模擬驅(qū)油和產(chǎn)氣性能的評價實驗，運用電鏡和16S rRNA基因的焦磷酸測序方法，分析了內(nèi)源微生物的群落結(jié)構(gòu)變化，并結(jié)合現(xiàn)場試驗進一步驗證激活劑的性能和作用效果[8]。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗用油樣為大慶油田聚合物驅(qū)油層模擬油，粘度uo：8.0 mPa·s (45 ℃)；水樣為聚合物驅(qū)油層注入污水；巖心為天然巖心，橫截面D：2.5 cm，長L：10 cm，空氣滲透率kg：1 000 mD；激活劑為室內(nèi)篩選的聚合物驅(qū)油藏內(nèi)源微生物專用激活劑[8]。

1.2 儀器

實驗儀器包括：平流泵、壓力傳感器、巖心加持器、手搖泵、中間容器、恒溫箱、不銹鋼高壓容器 (容積500 mL，壓力表2.5 MPa)和注入泵等。巖心樣品分析采用電鏡觀察和在454 Life Sciences Genome Sequencer FLX Titanium平臺上進行PCR焦磷酸測序。

1.3 方法

1.3.1 激活劑的產(chǎn)氣實驗

用聚合物驅(qū)油層注入污水配制聚合物驅(qū)油藏內(nèi)源微生物激活劑，配制好后裝入不銹鋼高壓容器，裝滿后擰緊蓋，連接壓力表，置于45 ℃恒溫箱靜置培養(yǎng)37–45 d，記錄不同時間壓力的變化。

1.3.2 激活劑驅(qū)油效果評價實驗

1) 抽真空：首先將烘干后的天然巖心稱重，再將稱重的巖心進行抽真空，在–0.1 MPa下抽真空5 h后結(jié)束。2) 飽和水：用聚合物驅(qū)油層注入水飽和巖心，測量出飽和水后的重量，計算出巖心的孔隙體積和孔隙度。飽和水的天然巖心放置恒溫室，45 ℃老化潤濕12 h。3) 飽和油：將原油經(jīng)脫水后用煤油調(diào)至粘度8.0 mPa·s，進行飽和油，驅(qū)替使飽和地層水的巖心原油飽和度達到70%左右為止。飽和后的天然巖心放置恒溫箱中老化24 h。4) 水驅(qū)：將飽和油后老化好的巖心進行水驅(qū)，水驅(qū)至2倍孔隙體積PV (Pore voleum) 的地層水，當(dāng)含水98%以上時，結(jié)束水驅(qū)。5) 聚合物驅(qū)：注入0.5 PV聚合物段塞后，進行后續(xù)水驅(qū)跟進，當(dāng)含水98%以上時，結(jié)束驅(qū)替實驗，評價聚合物驅(qū)效果。6) 注入激活劑：注入0.35 PV的激活劑后，關(guān)閉模型，放恒溫室45 ℃培養(yǎng)37–45 d。7) 后續(xù)水驅(qū)：水驅(qū)含水98%以上時結(jié)束，評價驅(qū)油效果[4]。

1.3.3 內(nèi)源微生物激活前后菌群結(jié)構(gòu)變化

用0.22 μm水系濾膜 (Ф50 mm)收集200–250 mL水樣中的微生物，濾膜被剪碎后根據(jù)FastDNA?Spin Kit for soil (MP Biomedicals)試劑盒的說明提取微生物的基因組DNA[10]。基于細菌和古菌16S rRNA基因V3–V6可變區(qū)，采用通用引物進行PCR擴增，分別構(gòu)建同一個樣品細菌和古菌焦磷酸文庫。利用百泰克多功能DNA純化回收試劑盒 (BioTeke, China) 分別回收細菌和古菌的PCR擴增產(chǎn)物。純化后的PCR擴增產(chǎn)物被送至天津南開大學(xué)、泰達生物技術(shù)研究院進行測序分析[11]，對比激活前后主要功能菌 (群) 的變化特點。

1.3.4 激活劑驅(qū)油現(xiàn)場應(yīng)用

用現(xiàn)場的注入水在攪拌罐中配制激活劑溶液，濃度1.80%。考慮到作用的有效期及經(jīng)濟成本，設(shè)計注入激活劑溶液總量為6 000 ｍ3(0.022 PＶ)。在不影響試驗區(qū)油水井正常生產(chǎn)及井組注采平衡的情況下，監(jiān)測激活劑溶液注入油層后的作用效果[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 激活劑產(chǎn)氣實驗

產(chǎn)氣是通過注入激活劑激活油藏內(nèi)源微生物驅(qū)油的重要機理之一[12]。油層中的內(nèi)源微生物利用注入的營養(yǎng)劑代謝產(chǎn)生氣體能將地層壓力升高，促使氣體在原油中進行有效增溶，形成氣泡使原油膨脹，帶動原油流動的同時還將毛細孔道中的原油驅(qū)趕出來，進一步提高油層滲透率，因此有必要對激活劑激活內(nèi)源微生物產(chǎn)氣過程的特點進行分析[7]。

圖1給出了密閉容器中加入激活劑靜置培養(yǎng)60 d后，產(chǎn)氣增壓幅度達到2 MPa。從升壓曲線變化可以看出內(nèi)源微生物產(chǎn)氣分成兩個階段。第一階段初期 (7 d內(nèi))，此時壓力快速升高，期間內(nèi)源微生物中的好氧菌先被激活，產(chǎn)生大量的CO2氣體，注入水中攜帶的溶解氧被迅速消耗殆盡。7 d后壓力值上升開始平穩(wěn)，只有很小的波動，厭氧發(fā)酵菌群處于穩(wěn)定的漸增期，利用激活劑中剩余的營養(yǎng)物質(zhì)以及好氧菌產(chǎn)生的有機酸等代謝產(chǎn)物繼續(xù)產(chǎn)生CO2、H2等氣體。第二個階段為激活后的第57天，經(jīng)過長時間緩慢上升后壓力值迅速升高，分析認為是油藏中的產(chǎn)甲烷菌被激活，它利用好氧菌、厭氧發(fā)酵菌等代謝積累產(chǎn)生的甲酸、乙酸、甲醇等物質(zhì)快速厭氧代謝產(chǎn)生CH4的結(jié)果[7,14]。上述產(chǎn)氣增壓曲線變化表明：激活劑在激活內(nèi)源微生物過程中具有好氧-厭氧兩階段的產(chǎn)氣特點[15]。

圖1 內(nèi)源微生物激活后密閉容器壓力變化

2.2 激活劑激活內(nèi)源微生物驅(qū)油的效果評價

為驗證激活劑激活內(nèi)源微生物的驅(qū)油效果及作用機理，開展了天然巖心驅(qū)油的物理模擬實驗[4]。實驗油樣為聚合物驅(qū)油層模擬油，水樣為聚合物驅(qū)油層注入污水，采用天然均質(zhì)巖心。按照驅(qū)油的物理模擬實驗流程操作，當(dāng)聚合物驅(qū)替結(jié)束后，注入0.35 PV的激活劑溶液后關(guān)閉模型，在溫度45 ℃條件下靜置培養(yǎng)37–55 d后，進行后續(xù)水驅(qū)至驅(qū)替實驗結(jié)束，結(jié)果見表1。

表1給出了激活劑在質(zhì)量濃度為1.8%、用量0.35 PV的條件下，天然巖心物理模擬驅(qū)油可在聚合物驅(qū)油后的基礎(chǔ)上再提高采收率3.0%以上，且在靜置培養(yǎng)過程中有明顯的產(chǎn)氣增壓效果。這表明該激活劑不僅能夠激活聚驅(qū)后油藏內(nèi)源微生物，而且由微生物代謝產(chǎn)生有利于驅(qū)油的物質(zhì)，用于進一步提高采收率是可行的。

將物理模擬驅(qū)油實驗結(jié)束后的天然巖心從夾套中取出，用鑷子在不同截面處夾取碎片，然后用電子掃描電鏡進行觀察，見圖2。在天然巖心注入激活劑后，觀察到巖心孔隙中的內(nèi)源微生物生長繁殖的菌體及其代謝產(chǎn)物[16]。其中大量菌體均勻地充填在巖石的孔道中，致使巖心從注入到采出各端處沒有明顯差異。這種在油藏巖石孔隙中“原位”擴增的微生物菌體局部聚集，并產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，起到封堵高滲透條帶、擴大波及體積的作用和效果，是其他常規(guī)的物理化學(xué)驅(qū)油方法所不具備的[17]。

通過掃描電鏡還觀察到在不同巖石礦物的表面和孔隙中的微生物及其代謝產(chǎn)物吸附滯留量存在一定差異。其中長石表面的吸附滯留量最多，石英表面幾乎沒有菌體吸附，而粘土礦物中高嶺石表面的吸附滯留量較大，伊利石表面覆蓋的多是微生物的代謝產(chǎn)物，菌體稀少[18-20]。因此，可根據(jù)不同區(qū)塊的油藏物性及內(nèi)源微生物群落結(jié)構(gòu)和組成, 選擇性激活優(yōu)勢菌群，形成有特色的激活劑配方，這一研究思路可能是利用油藏自身微生物驅(qū)油技術(shù)發(fā)展的主要方向[21-22]。

2.3 激活劑激活內(nèi)源微生物的菌群結(jié)構(gòu)變化

利用16S rRNA基因的焦磷酸測序方法[10]，對獲得的原始序列經(jīng)過如下步驟進行優(yōu)化：1) 目標(biāo)序列長度為200–1 000 bp；2) 模糊堿基數(shù)量低于6 bp；3) 必須有質(zhì)量文件且序列長度大于25 bp；4) 堿基同聚體的數(shù)量低于6 bp；5) 引物沒有錯配堿基。序列進行比對分析，按照相似性分為不同的門、綱、目、科和屬，按照97%的相似性定為一個OTU0.03?；贠TU0.03水平分別計算各樣品細菌和古菌群落的香農(nóng)威納指數(shù) (Shannon-Weiner Index)、辛普森指數(shù) (Simpson Index)、Chao 1和Good’s Coverage指數(shù)。以此對比分析天然巖心油藏物理模擬驅(qū)油的驅(qū)替液中加入激活劑前后內(nèi)源微生物群落的變化[23]，其特點主要表現(xiàn)為以下3個方面。

表1 內(nèi)源微生物物理模擬驅(qū)油實驗結(jié)果

1) 在添加激活劑后，微生物群落的多樣性明顯降低，如激活后細菌NGF1-B的OTU0.03數(shù)量為65，明顯低于激活前細菌N-DQW-B的數(shù)量413；激活后古菌NGF1-A的OTU0.03數(shù)量為28，明顯低于激活前古菌N-DQW-A的數(shù)量131；激活后細菌和古菌的多樣性指數(shù) (香農(nóng)威納指數(shù)和辛普森指數(shù)) 均比現(xiàn)場激活前要低 (表2)。但所有微生物群落的Good’s Coverage指數(shù)均高于0.95，表明本次樣品測序深度能夠代表完整的微生物群落。

2) 比較激活前后細菌群落的變化趨勢，激活前樣品中富含大量的梭狀芽胞桿菌綱Clostridia、β-變形菌綱Betaproteobacteria、ε-變形菌綱Epsilonproteobacteria和γ-變形菌綱Gammaproteobacteria (圖3A和B)，其中不動桿菌屬和產(chǎn)堿桿菌科Alcaligenaceae中的無色桿菌屬為已報道具有烷烴降解功能的微生物[24]。而添加富營養(yǎng)的激活劑后，發(fā)酵菌Clostridia中的棲熱糞桿菌屬增長較多，得到富集。

3) 比較激活前后古菌群落的變化趨勢，激活前樣品中的優(yōu)勢古菌為甲烷微菌綱Methanomicrobia中嗜乙酸的甲烷鬃菌屬，而激活后甲烷桿菌綱Methanobacteria中嗜氫的甲烷熱桿菌屬成為絕對優(yōu)勢菌[25](圖3C和D)，推測該現(xiàn)象可能由于激活出的細菌Clostridia中的棲熱糞桿菌屬發(fā)酵產(chǎn)生較多的氫氣。

圖2 注激活劑后內(nèi)源微生物在巖心中的生長情況

表2 細菌和古菌焦磷酸測序序列和多樣性信息

圖3 天然巖心注激活劑前后細菌和古菌群落堆積圖(A和B分別基于class和genus (relative abundance高于4%) 水平的細菌群落；C和D分別基于class和genus (Relative abundance高于4%) 水平的古菌群落)

2.4 激活劑現(xiàn)場應(yīng)用

為了驗證篩選激活劑的有效性，研究團隊在大慶油田聚合物驅(qū)油后的薩南南二區(qū)東塊開展了1注4采井組激活內(nèi)源微生物驅(qū)油的現(xiàn)場試驗[8]?，F(xiàn)場觀察到激活劑在注入期間注入壓力由11.3 MPa上升到13.5 MPa，累計升高幅度為2.2 MPa。改為后續(xù)水驅(qū)140 d后，壓力降至注激活劑前的初始壓力11.0 MPa，后續(xù)注水至280 d時，壓力逐漸回升到12.5 MPa，隨后壓力又降為低于試驗前的10.5 MPa，至此注激活劑全過程試驗結(jié)束。從現(xiàn)場注入壓力的變化可以看出，在激活油藏內(nèi)源微生物過程中，隨地下培養(yǎng)時間的延續(xù)，產(chǎn)氣過程具有明顯的兩個不同階段特征，前一階段產(chǎn)氣增壓幅度高，周期短；后一階段厭氧產(chǎn)氣周期長，產(chǎn)氣增壓緩慢，壓力升高需有一個較長時間的積聚過程[7]。

在注入了微生物激活劑后，油藏體系內(nèi)部發(fā)生了產(chǎn)氣作用，現(xiàn)場監(jiān)測的3口見效采油井N2-2-P140、N2-D2-P40和N2-D3-P40井的氣樣中甲烷和二氧化碳含量變化趨于相同，甲烷含量先高后低，二氧化碳含量先低后高。同樣甲烷和二氧化碳的δ13C (PDB) 碳同位素含量變化在–45‰?–54‰和7‰?12‰之間波動，激活劑加入促進油藏內(nèi)源微生物微氧和無氧代謝的交替進行，此現(xiàn)場試驗結(jié)果與激活劑在室內(nèi)條件下獲得的產(chǎn)氣實驗結(jié)果相印證[7-8]。

從注激活溶液前后采油井生產(chǎn)動態(tài)變化可以看出：2011年12月注激活溶液期間及注后，試驗區(qū)日產(chǎn)液量由482 t增加到560 t，增加了78 t/d；日產(chǎn)油由18.1 t最高增加到31.5 t，增加13.4 t/d；綜合含水由96.1%最低下降至93.9% (現(xiàn)已穩(wěn)定在94%以上)，下降了2.2%。到2014年6月止，3年半的時間內(nèi)，試驗區(qū)已階段累計產(chǎn)油16 593 t，扣除后續(xù)水驅(qū)的自然遞減及機采井因設(shè)備故障影響的產(chǎn)量外，與薩南南二區(qū)東塊未加入激活劑的采油井相比，實際增油5 957 t，產(chǎn)油量增幅35.9 %，且仍在有效期內(nèi)。

3 結(jié)論

本文通過物理模擬驅(qū)油和產(chǎn)氣性能評價實驗，闡述激活內(nèi)源微生物驅(qū)油機理和特點。室內(nèi)優(yōu)選的激活劑在高壓容器中產(chǎn)氣過程具有好氧-厭氧兩階段的產(chǎn)氣特點，產(chǎn)氣增壓達到2 MPa，經(jīng)驅(qū)油實驗效果評價，可在聚合物驅(qū)后基礎(chǔ)上石油采收率再提高3%以上。激活后的內(nèi)源微生物在巖心孔隙“原位”中大量生長繁殖，導(dǎo)致菌體及其代謝產(chǎn)物局部聚集，起到封堵高滲透條帶、擴大驅(qū)油波及體積的作用。利用16S rRNA基因的焦磷酸測序方法，對比巖心產(chǎn)出液激活前后內(nèi)源微生物的菌群變化，發(fā)現(xiàn)添加激活劑后油藏中的某些微生物被特異地激活，激活后細菌和古菌的多樣性明顯降低，初步確認參與驅(qū)油過程中的一些主要功能菌群。經(jīng)聚合物驅(qū)后的現(xiàn)場試驗井組驗證，注入激活劑后試驗區(qū)實現(xiàn)階段累計增油5 957 t，增加采油量35.9%，含水率下降2.2%，驅(qū)油增產(chǎn)效果明顯，為聚合物驅(qū)后油藏進一步提高石油采收率提供了一條有效途徑。

致謝：北京大學(xué)工學(xué)院的聶勇和趙潔玉為本實驗提供的內(nèi)源微生物激活前后菌群結(jié)構(gòu)變化的分析結(jié)果。

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(本文責(zé)編 郝麗芳)

Laboratory evaluation and field trial of activation indigenous microbial displacements in the reservoirs after polymer flooding

Jianjun Le, Lulu Bai, Rui Wang, Menghua Guo, Jiyuan Zhang, Zhaowei Hou, and Xiaolin Wu

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Most main oilfields in China have already entered a “double high” development stage (high water cut, high recovery degree). To further enhance oil recovery in reservoirs after polymer flooding (RAPFs), an efficient activator formulation for promoting metabolism of endogenous microorganism was studied by aerogenic experiments, physical simulation experiments, electron microscopy scanning and pyrophosphate sequencing. Results show that the activator could activate the endogenous microorganisms in the injected water and make the pressurized gas reach 2 MPa after 60 d static culture of the activator in a high pressure vessel. The oil recovery efficiency of natural core physical simulation flooding can be improved by more than 3.0% (OOIP) in RAPFs when injected 0.35 PV activator with 1.8% mass concentration, and a lot of growth and reproduction of activatedendogenous microorganism in the core was observed by electron microscopy scanning. Field trial with 1 injector and 4 producers was carried out in the east of south Ⅱblock of Sa Nan in December 2011. By monitoring four effective production wells, changes of carbon isotope δ13C (PDB) content of methane and carbon dioxide were –45‰ to –54‰ and 7‰ to 12‰. Compared with east Ⅱof Sa Nan block, the oil amount increased by 35.9%, water cut stabled at 94%. The incremental oil was 5 957 t during the three and a half years, which provides an alternative approach for further improving oil recovery in similar reservoirs.

indigenous microorganism, activator, typical reservoirs after polymer flooding, laboratory evaluation, field trial

December 2, 2014;

June 15, 2015

National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No. 2009AA063504).

Jianjun Le. Tel: +86-459-5508342; E-mail: lejj@petrochina.corn.cn

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃) (No. 2009AA063504) 資助。

2015-07-09

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1998.Q.20150709.1114.001.html