內(nèi)源微生物激活劑在人造長巖心中的分布規(guī)律

孫剛正，郭繼香，曹嫣鑌，宋永亭，華世超

（1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營257000；2.中國石油大學(xué)（北京），北京102249）

研究與開發(fā)

內(nèi)源微生物激活劑在人造長巖心中的分布規(guī)律

孫剛正1，郭繼香2，曹嫣鑌1，宋永亭1，華世超2

（1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營257000；2.中國石油大學(xué)（北京），北京102249）

為了明確油藏微生物激活劑組分在油藏中的分布規(guī)律，以5 600 mm的人造巖心為物理模型，研究了沾3現(xiàn)場激活劑配方在長時(shí)間水驅(qū)過程中的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，分別在不含微生物消耗和含微生物消耗的情況下，擬合出內(nèi)源微生物激活劑組分的長距離運(yùn)移衰減方程。研究表明:長巖心運(yùn)移實(shí)驗(yàn)中，硝酸鹽、磷酸鹽、玉米漿3種組分隨運(yùn)移距離增加都呈現(xiàn)出衰減趨勢，峰值濃度和衰減速度不斷降低。長巖心對于激活劑各組分的吸附能力有一定的差別，吸附能力由小到大依次是N、P、玉米漿，微生物對于激活劑各組分的消耗比例由小到大依次是玉米漿、N、P。在開始注入階段，帶微生物消耗的激活劑運(yùn)移損耗巨大并出現(xiàn)色譜分離現(xiàn)象，當(dāng)激活劑運(yùn)移到2.5 m的位置時(shí)，基本消耗殆盡。因此，常規(guī)注入方式很難使激活劑有效進(jìn)入到油藏深處。

營養(yǎng)組分；長巖心；運(yùn)移；消耗

微生物驅(qū)油技術(shù)是一種新型的四次采油技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的特點(diǎn)［1-3］。目前，微生物驅(qū)油技術(shù)主要是分為兩個(gè)方向，一個(gè)是外源微生物驅(qū)油技術(shù)，通過注入油藏環(huán)境以外的微生物及其代謝產(chǎn)物，達(dá)到提高驅(qū)油效率的目的，該技術(shù)的特點(diǎn)是見效快，但是維持時(shí)間短，需要多次反復(fù)注入，成本高［4-6］；另外一個(gè)是內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)，主要是通過為油藏內(nèi)微生物創(chuàng)造適合生長的環(huán)境，使其在油藏內(nèi)部大量繁殖，通過代謝產(chǎn)物以及菌體本身，實(shí)現(xiàn)增油目標(biāo)。油藏中內(nèi)源微生物的激活主要是依靠通過注入水推進(jìn)到油藏中的激活劑來實(shí)現(xiàn)的。因此，激活劑在油藏中的分布規(guī)律是研究內(nèi)源微生物采油技術(shù)的基礎(chǔ)。目前，所用的激活劑多為可溶性好、激活速度快的激活劑組分，這就造成激活劑很難運(yùn)移到油藏深部［7］，導(dǎo)致深部的微生物未能有效激活，使得內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)的效果降低。關(guān)于內(nèi)源微生物激活劑的研究主要集中在激活劑配方優(yōu)化上面，致力于尋找激活效果好、成本價(jià)格低的激活劑體系［8］。在激活劑的運(yùn)移方面，主要是石英砂表面靜態(tài)的吸附實(shí)驗(yàn)［9］，與油藏內(nèi)部的運(yùn)移有著很大的差別，難以反映出激活劑在多孔介質(zhì)中的真實(shí)運(yùn)移情況。

本文中，筆者以此出發(fā)，探究激活劑在人造巖心長距離的運(yùn)移規(guī)律，以優(yōu)化激活劑的現(xiàn)場注入工藝參數(shù)，從而提高內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)的驅(qū)油效果。

1　材料與方法

1.1儀器與材料

滲透率測定儀，恒泰尚合能源技術(shù)（北京）有限公司；2PB-00C系列平流泵，北京星達(dá)科技發(fā)展有限公司；OLYMPUS BX50顯微鏡，日本奧林巴斯公司。

沾3區(qū)塊內(nèi)源微生物現(xiàn)場激活劑配方（3.3 g/L玉米漿、0.1 g/L NaNO3、0.1 g/L Na2HPO4·12H2O）、沾地層水和義南沾注入水、蒸餾水、不同尺寸的石英砂。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)以5 600 mm人造巖心為模型，分別研究在不帶微生物消耗和帶微生物消耗下激活劑的運(yùn)移規(guī)律。實(shí)驗(yàn)溫度為油藏溫度65℃。取樣位點(diǎn)詳見圖1。

圖1　長巖心取樣位點(diǎn)示意圖Fig.1 Sampling sites of large-scale experiments

1）不帶微生物消耗的長巖心運(yùn)移規(guī)律研究。

①配制石英砂，填制砂管；②測定滲透率，飽和蒸餾水；③高溫滅菌；④注入定量的激活劑溶液；⑤水驅(qū)至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，定時(shí)取樣。

2）帶微生物消耗的長巖心運(yùn)移規(guī)律研究。

①配制石英砂，填制砂管；②測定滲透率，飽和地層水；③注入定量的激活劑溶液；④水驅(qū)至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，定時(shí)取樣。

1.3檢測方法

總氮濃度的測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894—1989），總磷濃度的測定采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989），玉米漿濃度測定采用總有機(jī)碳測定儀（TOC）。

2　結(jié)果與討論

2.1不帶微生物消耗的長巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

激活劑組分在不含微生物的填砂巖心中運(yùn)移，主要是石英砂對于激活劑組分的吸附、脫附作用導(dǎo)致，長巖心的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。文中的PV（pore volume）為巖心的孔隙體積。

表1　不帶微生物消耗的長巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 The data of a dedicated large-scale sand-pack column

圖2為不同取樣口玉米漿（以TOC計(jì)）、硝酸鹽、磷酸鹽組分隨水驅(qū)PV的變化（不含微生物）趨勢。從圖2可以看出:硝酸鹽、磷酸鹽、玉米漿隨運(yùn)移距離增加都呈現(xiàn)出衰減趨勢，峰值濃度不斷降低，衰減速度不斷降低，彌散程度不斷增加。在運(yùn)移的過程中，三組分都呈現(xiàn)出雙峰值，第一個(gè)峰值的出現(xiàn)是三組分的吸附-解吸產(chǎn)生［7-11］，第二個(gè)峰值應(yīng)該是由于三組分在多孔介質(zhì)某些水力難以波及的地方的物理滯留被長時(shí)間的水驅(qū)帶出引起。隨著運(yùn)移距離的增加，三組分的濃度不斷降低，吸附-解吸速度變慢，波動(dòng)范圍減小，彌散程度增強(qiáng)。

圖2　不同取樣口玉米漿、硝酸鹽、磷酸鹽組分隨水驅(qū)PV的變化（不含微生物）Fig.2 Changes of the nutrients content for corn starch powder，nitrate，phosphate（no microbial condition）

激活劑在巖心中的運(yùn)移過程中，由于吸附、孔道阻礙等原因，會引起激活劑含量的衰減［8-12］。通過對于不同取樣口激活劑運(yùn)移曲線的面積積分，可以得出激活劑在不同運(yùn)移距離斷面的通過量，然后再通過神經(jīng)元的非線性作用函數(shù)擬合，可以得出激活劑在不同運(yùn)移距離的衰減曲線和對應(yīng)的衰減方程，由衰減方程就能得出激活劑組分在不同運(yùn)移距離的總量情況，從而為激活劑的深部運(yùn)移提供數(shù)據(jù)支持。圖3為玉米漿、硝酸鹽、磷酸鹽三組分隨運(yùn)移距離的衰減曲線（不含微生物）。從圖3可以看出:隨著運(yùn)移距離的增加，玉米漿、硝酸鹽和磷酸鹽都呈現(xiàn)出遞減趨勢，其中N、P的衰減比較平緩一些，隨著濃度的降低，吸附能力減弱，滯留損耗量減少［10-11］。而TOC開始衰減得比較嚴(yán)重，應(yīng)該是玉米漿的分子結(jié)構(gòu)比較大、很容易被孔喉滯留的原因。

圖3　玉米漿、硝酸鹽、磷酸鹽組分隨運(yùn)移距離的衰減曲線（不含微生物）Fig.3 Trend of attenuation for corn starch powder，nitrate，phosphate（no microbial condition）

2.2含微生物消耗的激活劑長巖心運(yùn)移結(jié)果

激活劑組分在含油微生物的填砂巖心中分布規(guī)律，主要是石英砂對于激活劑組分的吸附作用、微生物自身對營養(yǎng)組分的消耗、微生物增殖對巖心滲流孔道的改變等多方面因素造成的［6-13］，長巖心的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2。

表2　實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表Table 2 Data of a dedicated large-scale sand-pack column

圖4為不同取樣口玉米漿、硝酸鹽、磷酸鹽三組分隨水驅(qū)PV的變化（含微生物）。從圖4可以看出:有了微生物消耗之后，N、P的衰減速度超過了玉米漿的衰減速度，尤其是在1號、2號、3號取樣口。這是由于運(yùn)移的前面部分，微生物的大量生長繁殖消耗了比較多的N、P元素，從而使得N、P含量迅速降低；運(yùn)移到后面部分時(shí)，N、P被消耗掉了大部分，加上巖心深部的厭氧環(huán)境，微生物的生長速度減慢，N、P消耗趨緩。玉米漿的變化速率與不帶微生物消耗的時(shí)候差不多，由此可以看出，多孔介質(zhì)對玉米漿的物理滯留吸附對TOC的衰減起到主要作用。

圖4　不同取樣口玉米漿、硝酸鹽、磷酸鹽組分隨水驅(qū)PV的變化（含微生物）Fig.4 Changes of the nutrients content for corn starch powder，nitrate，phosphate（microbial condition）

圖5為玉米漿、硝酸鹽、磷酸鹽三組分隨運(yùn)移距離的衰減曲線（含微生物）。從圖5可以看出:有了微生物消耗之后，N、P的衰減速度超過了玉米漿的衰減速度，尤其是在1號、2號、3號取樣口。這是由于運(yùn)移的前面部分，微生物的大量生長繁殖消耗了比較多的N、P元素，從而使得N、P含量迅速降低；運(yùn)移到后面部分時(shí)，N、P被消耗掉了大部分，加上巖心深部的厭氧環(huán)境，微生物的生長速度減慢，N、P消耗趨緩。玉米漿的變化速率與不帶微生物消耗的時(shí)候差不多，由此可以看出:多孔介質(zhì)對玉米漿的物理滯留吸附對TOC的衰減起到主要作用。

圖6為在不含微生物和含微生物的條件下，硝酸鹽組分隨運(yùn)移距離的衰減曲線。從圖6可以看出，含微生物的N的衰減速率要高于不含微生物的，并且在運(yùn)移的初始階段，差別最明顯。運(yùn)移初始階段，微生物的大量繁殖對于N的消耗十分明顯。說明由于激活劑組分的濃度比較高，而且營養(yǎng)組分之前的色譜分離效應(yīng)還不是很明顯，因此在巖心前部的微生物會對營養(yǎng)組分產(chǎn)生大量消耗，造成衰減速度增加。

圖7為在不含微生物和含微生物條件下，磷酸鹽組分隨運(yùn)移距離的衰減曲線。從圖7可以看出:含微生物的P的衰減速率要大大高于不含微生物的，并且在運(yùn)移的初始階段，差別最明顯。運(yùn)移初始階段，微生物的大量繁殖對于P的消耗十分明顯。這與之前出現(xiàn)一個(gè)峰分析的原因一致?？紤]到現(xiàn)場注入，可以利用P作為微生物繁殖的必要因素，對其進(jìn)行單獨(dú)注入的方式來減少其在前部的消耗，使其可以作用更長的距離。

圖5　玉米漿、硝酸鹽、磷酸鹽組分隨運(yùn)移距離的衰減曲線（含微生物）Fig.5 Trend of attenuation for corn starch powder，nitrate，phosphate（microbial condition）

圖6　硝酸鹽組分隨運(yùn)移距離的衰減曲線對比Fig.6 Comparison of attenuation trend for nitrate（no microbesµbial condition）

圖7　磷酸鹽組分隨運(yùn)移距離的衰減曲線對比Fig.7 Comparison of attenuation trend for phosphate（no microbesµbial condition）

圖8為在不含微生物和含微生物條件下，玉米漿組分隨運(yùn)移距離的衰減曲線。從圖8可以看出，TOC的帶微生物消耗與不帶微生物的衰減速率差別不大，分析可能是因?yàn)槲⑸锏拇罅糠敝呈沟脦r心的滲透率降低，巖心的吸附滯留作用更強(qiáng)，并且吸附滯留作用在TOC的衰減中占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖8　玉米漿組分隨運(yùn)移距離的衰減曲線對比Fig.8 Comparison of attenuation trend for corn starch powder（no microbesµbial condition）

3　結(jié)論

內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)中激活劑組分在運(yùn)移過程中，巖心對于激活劑各組分的滯留能力有一定的差別，滯留能力由小到大依次是N、P、玉米漿，微生物對于激活劑各組分的消耗比例從小到大依次是玉米漿、N、P。這種能力的差別就導(dǎo)致了激活劑多組分的色譜分離現(xiàn)象產(chǎn)生，從而降低激活效果。同時(shí)，可以看出，在激活劑的運(yùn)移過程中，初始階段O2濃度比較高、微生物繁殖很快，尤其是隨著激活劑的多輪次注入，使得微生物在初始段形成生物膜，生物膜快速消耗營養(yǎng)物質(zhì)，這是導(dǎo)致內(nèi)源微生物激活劑難以到達(dá)油藏深部的主要原因。因此，未來的研究中，要開發(fā)新型的激活劑運(yùn)移載體，降低激活劑在初始階段的大幅消耗。

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（責(zé)任編輯 荀志金）

Distribution of activator for endogenous microbe in large-scale oil recovery experiments

SUN Gangzheng1，GUO Jixiang2，CAO Yanbin1，SONG Yongting1，HUA Shichao2
（1.Research Institute of Petroleum Engineering Technology，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying 257000，China；2.China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

We studied activator（a nutrients-containing medium for endogenous microbe）distribution in a series of flooding experiments in a large-scale sand-pack column（5 600 mm）.The distribution and transportation of the nutrients in the activator were observed by microbial consumption whereas the control was done in experiments with previously sterilized column.The nutrients in the activator including nitrate，phosphate，corn syrup decreased with the distance of migration.The components of nutrient had different adsorption capacity by the sand-pack，with the order of N＜P＜corn syrup.With the consumption of nutrients by endogenous microorganisms，the order of consumption was corn syrup＜N＜P.At the beginning of the injection with the activator，with the consumption of nutrients by microorganisms and nutrients migration，huge decrease of the nutrients appeared.When the activator migrated into 2.5 m depth，nutrients were hardly detectable.Therefore，the conventional injection of activator is difficult to enter effectively into reservoir depths.

nutrient content；large-scale column；transportation；consumption

TE357.9

A

1672-3678（2016）03-0001-06

10.3969/j.issn.1672-3678.2016.03.001

2015-03-18

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2013AA064401）

孫剛正（1980—），男，山東煙臺人，博士，研究方向:微生物采油，E-mail:sungangzheng.slyt@sinopec.com