新型稠化緩釋營養(yǎng)劑的優(yōu)化及其驅油潛力評價

田會梅，高配科，代學成，李　彥，王燕森，王紅波，李國強，馬　挺

（1.南開大學生命科學學院分子微生物學與技術教育部重點實驗室，天津300071；2.新疆油田實驗檢測研究院，新疆克拉瑪依834000）

新型稠化緩釋營養(yǎng)劑的優(yōu)化及其驅油潛力評價

田會梅1，高配科1，代學成2，李彥1，王燕森1，王紅波2，李國強1，馬挺1

（1.南開大學生命科學學院分子微生物學與技術教育部重點實驗室，天津300071；2.新疆油田實驗檢測研究院，新疆克拉瑪依834000）

基于當前內源微生物驅油技術研發(fā)和礦場應用現(xiàn)狀，開發(fā)能夠提供并延緩釋放微生物營養(yǎng)、調堵高滲透層雙重作用的新型激活劑體系，從而解決內源微生物驅油過程中營養(yǎng)劑隨驅替液過快采出的問題。物理模擬驅油實驗表明，該稠化緩釋營養(yǎng)劑能夠顯著激活內源微生物和功能菌群，使總體菌密度提升2～3個數(shù)量級，并聯(lián)填砂管巖心驅油效率提高21.8%，單只巖心最大提高約53.7%，具有較強的應用潛力。該研究對內源微生物驅油技術的應用具有參考價值。

內源微生物驅油；物理模擬實驗；稠化緩釋營養(yǎng)劑；驅油效率

石油資源是一種不可再生資源，目前主要的驅油技術有注水驅油技術、化學驅油技術和微生物驅油技術，其中微生物驅油技術具有低成本性、環(huán)境友好性、高適應性等優(yōu)點。內源微生物采油技術是通過激活油藏中的微生物，利用其本身及其代謝活動來提高原油采收率的一項綜合性技術［1］。自從內源微生物驅油現(xiàn)場實施以來，油井采出液含水上升的現(xiàn)象得到有效抑制［2］，但仍存在營養(yǎng)劑隨驅替液過快采出、增油量不明顯等現(xiàn)象。激活內源微生物所用的培養(yǎng)基具有快速激活微生物的特點，但是由于培養(yǎng)基中所使用的是速效碳源，溶液的黏度很低，所以目前所用營養(yǎng)劑具有快速流出并且時效性較短的缺點。此外，激活劑在礦場注劑過程中迅速隨采出液被采出，這表明:①油藏地下存在水驅推進速度快的大孔道或水淹層，非均質性嚴重［3］；②營養(yǎng)劑可能未波及殘余油較多的低滲透層，而這部分內源微生物可能未被激活。

為此，本研究對試驗油藏孔隙結構進行了具體分析，開展了新型稠化并緩釋的營養(yǎng)劑篩選實驗，以解決之前營養(yǎng)劑時效性短和黏度低的問題，達到長效激活內源微生物的目的。稠化緩釋營養(yǎng)劑是稠化劑和緩釋劑按一定比例配伍成的新型激活劑體系，具有提供并延緩釋放微生物營養(yǎng)和調堵高滲透層雙重作用的優(yōu)點。同時，該營養(yǎng)劑還具有以下特點:一定的黏度；良好的假塑性；可攜帶顆粒狀緩釋激活劑進入地層；可被部分內源微生物降解，生成的還原性單糖可激活大量的內源微生物。

本研究中，筆者在優(yōu)化的激活劑基礎上，對稠化緩釋營養(yǎng)劑的流變性能和溶液增黏性能進行了分析，通過對地層水中微生物激活實驗和物理模擬驅油實驗［4-5］，對其驅油效率和激活內源微生物機理進行研究，以期為內源微生物驅油技術的應用提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

1.1.1實驗材料

原油和地層水均來自于新疆油田六中區(qū)塊T6195油井，取出并密封后于4℃低溫保存。六中區(qū)油藏的溫度為22.6℃，原油為脫水原油，黏度33.1 mPa·s（LVDV-Ⅲ，6轉，0號轉子，22℃）；地層水是油水分離后去除原油的水，地層水為NaHCO3型。

1.1.2生化材料

（NH4）2HPO4、NaNO3、葡萄糖、Na2SO4、MgSO4、 NaCl，均為分析純；蛋白胨、糖蜜粉，生化試劑；生物多糖，石油級；纖維素顆粒（75 μm），以上生化材料均為市售。

1.1.3實驗設備

SBA-40C型生物傳感分析儀，山東省科學院生物研究所；黏度計、Master Cycler梯度PCR儀，Eppendorf公司；Bio-Rad實時熒光定量PCR儀、GelDoc 2000凝膠成像系統(tǒng)，Bio-Rad公司。

1.2實驗方法

1.2.1纖維素劑降解性能實驗

在250 mL三角瓶中加入1%纖維素顆粒，實驗組（E）中添加100 mL地層水，對照組（C）添加100 mL蒸餾水，其中實驗組和對照組均設6組，每組3個平行，22℃條件下120 r/min搖床培養(yǎng)30 d，每隔5 d取一組，將發(fā)酵液在5 000 r/min離心10 min，去掉上清，稱量并計算出平均沉淀的質量，分別將實驗組和對照組設為EX和CX，通過計算EX/CX× 100%，得出纖維素的降解速率。

發(fā)酵液中葡萄糖的含量測定按照SBA-40C型生物傳感分析儀說明書進行，每次進樣量設為20 μL，3個平行，計算平均值。

1.2.2物理模擬驅油實驗條件

①填砂管巖心:其大小為（2.5～4.5）×（30～44 cm），其滲透率（Kg）分別為0.5、1.0和2.0 μm2。②試驗溫度:22℃。③驅油段塞:六中區(qū)T6195井產(chǎn)出水配制。④注入速率:1 mL/min。⑤激活配方（g/L）:稠化緩釋營養(yǎng)劑5+糖蜜粉5+（NH4）2HPO41+NaNO33。

1.2.3物理模擬驅油實驗程序

測巖心氣相滲透率→巖心抽真空飽和地層水→測水相滲透率→巖心造束縛水（飽和度20%）→飽和原油→老化3 d→水驅至含水98%→注段塞→關閉模型恒溫培養(yǎng)7 d→后續(xù)水驅至含水率大于98%，同時測量出口端產(chǎn)氣量（如計量管無法計量時，分批次計量累加）。

1.2.4物理模擬驅油實驗方案

1）激活配方注入量優(yōu)化（PV，porous volum，孔隙體積）

A、注入0.2 PV激活劑，0.5 μm2和2 μm2并聯(lián)；B、注入0.4 PV激活劑，0.5 μm2和2 μm2并聯(lián)。

2）最佳注入量下的驅油效果評價

C、最佳注入量激活劑，1.0 μm2和2 μm2巖心并聯(lián)（低滲C1，高滲C2）；D、最佳注入量激活劑，1支0.5 μm2單巖心（低滲）；E、最佳注入量激活劑，1支2 μm2單巖心（高滲）。

1.2.5驅替液樣品采集及基因定量

收集并檢測注入前及培養(yǎng)后水驅約10 mL的驅替液，分別標記為A、B、C1、C2、D、E、CK，提取基因組，應用實時熒光定量PCR［6-7］的方法檢測驅替液中總菌、烴氧化菌（hydrocarbon-oxidizing bacteria，HOB）以及硫酸鹽還原菌（sulfate-reducing bacteria）的豐度變化（表1），厭氧發(fā)酵菌（fermentation bacteria，F(xiàn)MB）的豐度變化通過細菌測試瓶法檢測。測試瓶檢測是利用絕跡稀釋原理對細菌進行定量的一種方法［8］，通過將樣品在測試瓶中進行逐步稀釋，每個稀釋度設2個平行，并觀察在不同稀釋度下FMB的生長狀況，按照二次重復測數(shù)統(tǒng)計表計算FMB的具體數(shù)量。

表1　功能菌熒光定量所用引物、PCR擴增體系與擴增條件Table 1 Primers information，amplified protocols and conditions used in quantification of bacteria

圖1　纖維素降解曲線Fig.1 Curves of cellulose degrading

2　結果與討論

2.1稠化緩釋營養(yǎng)劑的性能研究

2.1.1緩釋營養(yǎng)劑的組成

新型稠化緩釋營養(yǎng)劑為粉劑制品，主要由生物多糖、纖維素顆粒（75 μm）和礦物質（N、P）按一定比例配伍組成。生物多糖是一類由微生物代謝產(chǎn)生的多聚糖，具有高黏度以及良好的懸浮性，可同時作為懸浮劑和激活劑。纖維素是一種是由葡萄糖組成的大分子多糖，不溶于水和一般的有機溶劑，具有較強的穩(wěn)定性，因此經(jīng)常被用作調剖劑［9］，選擇性封堵油藏地層的大孔道。此外，纖維素隨注入水進入油藏地層后會被嗜纖維菌以及食酸菌等降解利用，其降解產(chǎn)物可作為碳源激活地層深處微生物，是一種理想的緩釋營養(yǎng)劑，其緩釋作用如圖1所示。由圖1可知:纖維素降解發(fā)生在第15天之后，但是葡萄糖的含量上升發(fā)生在第20天之后，而且上升的幅度相較纖維素的降解量來說很小，這主要是由于生成的單糖多被油藏內源微生物利用，因此發(fā)酵液中檢測到的殘?zhí)橇亢艿汀?/p>

2.1.2稠化緩釋營養(yǎng)劑配伍實驗

在100 mL的蒸餾水中加入0.50、1.00 g/L的纖維素顆粒，在0.05、0.10、0.15和0.20 g/L的生物多糖的質量濃度下，觀察纖維素顆粒在2 h內的沉降狀況，每組配伍比例設定3個平行，以0 h和2 h后量筒底部沉降的纖維素顆粒的平均厚度（cm）為指標，確定兩者的最優(yōu)配伍比例，結果見表2。由表2可知，0.20 g/L的生物多糖和0.50 g/L的纖維素顆?；炫鋺腋⌒Ч詈茫?jīng)過2 h的沉降之后，纖維素顆粒沉淀最少，因此確定該稠化緩釋營養(yǎng)劑中生物多糖和纖維素顆粒的配伍比例為（1∶2.5）。

表2　生物多糖和纖維素顆粒的混配對沉降的影響Table 2 Effects of polysaccharide concentrations and cellulose particles on sedimentation

2.1.3稠化緩釋營養(yǎng)劑的黏度性能

常溫下，以六中區(qū)地層水配制不同濃度的稠化緩釋營養(yǎng)劑，在22℃、61號轉子下，轉速為50 r/min的條件下檢測不同濃度稠化緩釋營養(yǎng)劑的黏度變化，結果見圖2。由圖2可知:稠化緩釋營養(yǎng)劑濃度與溶液黏度成正相關性，當稠化營養(yǎng)劑質量濃度為6 g/L時，溶液黏度接近200 mPa·s，并且隨濃度的升高呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。稠化緩釋營養(yǎng)劑在油田注水開發(fā)中作為驅替相，其黏度升高可以顯著降低油水相流度比，從而提高驅替相的波及體積，使得營養(yǎng)劑能夠滲透到油藏儲層中的低滲層，有效地激活這部分儲層中的微生物，解決了營養(yǎng)劑隨注入水迅速流出的難題，在提高原油采收率過程中具有重要意義。

圖2　稠化緩釋營養(yǎng)劑含量與溶液黏度關系Fig.2 Relationship between gelled slow-release nutritional agent concentration and viscosity of liquor

2.2稠化緩釋營養(yǎng)劑驅油潛力評價

2.2.1激活配方最優(yōu)注入量優(yōu)化

根據(jù)六中區(qū)地層水的營養(yǎng)特征，組成適合六中區(qū)油藏內源微生物生長的激活劑（g/L）:稠化緩釋營養(yǎng)劑5+糖蜜粉5+（NH4）2HPO41+NaNO33。高、低滲透填砂管的滲透率級差為4倍，且都是均質巖心，并聯(lián)之后，形成非均質巖心，脫水原油黏度33.1 mPa·s，油水黏度比為33。采用常規(guī)的水驅方法注入激活劑，在水驅之初，受油水黏度比和滲透率的影響，只是高滲透管在驅油，低滲透管沒有啟動，隨著驅替的進行，壓力逐漸增加，低滲透管逐漸啟動，但是水驅油（水）少，水驅直至注入水在高滲透管突破（見水），出油量仍然不高。水驅至含水率98%時轉注稠化緩釋營養(yǎng)劑，由于濃度不高，壓力起升速度不快，隨著注入量的增加，壓力升高幅度加快。停注并放置7 d，再次水驅時，高滲透管由于稠化緩釋營養(yǎng)劑的堵塞，啟動了低滲透管驅油。

對比0.4 PV和0.2 PV驅油效果，結果見圖3。由圖3可知:0.4 PV注入量的驅油效率比0.2 PV高2.61%，從注入的稠化緩釋營養(yǎng)劑量方面看，0.4 PV偏多，但從高滲透管注入稠化緩釋營養(yǎng)劑放置后不出油或出油少來看，這2.61%的驅油效率增量主要是微生物（產(chǎn)酸、氣體、代謝物等）的效果。從壓力變化上看，注入的稠化緩釋營養(yǎng)劑會有一部分進入低滲透管中，盡管量少，但是會產(chǎn)生一定的堵塞效果，因而壓力下降幅度較慢，隨著注入水的沖刷和微生物的作用，壓力下降，但是注入量多的0.4 PV壓力持續(xù)的時間長。因此，稠化營養(yǎng)劑的注入首先是對高滲透部分的封堵，結果是擴大了波及體積，使原來注入水未波及的區(qū)域被啟動。

綜合來看，0.4 PV的效果好一些，這里有“調”的效果，更有“驅”的效果。

圖3　注入0.4 PV和0.2 PV稠化緩釋營養(yǎng)劑驅油效果圖Fig.3 Flushing efficiency of injecting gelled slow-release nutritional agent at volume of 0.4 PV and 0.2 PV

2.2.2最優(yōu)注入量下激活劑驅油效果評價

將新型稠化緩釋營養(yǎng)劑溶液以1 mL/min的速率注入并聯(lián)填砂管巖心1和2，同時觀察注入量和注入壓力變化，并聯(lián)填砂管巖心注入稠化緩釋營養(yǎng)劑，結果見表3。由表3可知:注入稠化緩釋營養(yǎng)劑前，水驅壓力只有0.002 MPa，由于高低滲透率差異，并聯(lián)巖心中只有1#巖心出水10 mL，2#巖心沒有出水；注入稠化營養(yǎng)劑后注水壓力由0.002 MPa快速升高到0.108 MPa，再升高到0.165 MPa，2#巖心開始出水，在注入稠化營養(yǎng)劑后水驅0.3 PV時，1#和2#的出水量是非常接近的，在此后至實驗結束，1#巖心的出水量有所增加。這說明稠化營養(yǎng)劑的注入封堵了高滲透巖心，改善了流量在高低滲透率巖心中的分配；此期間的注入壓力并沒有明顯的增加，而是趨于平穩(wěn)，也說明稠化營養(yǎng)劑具有良好的注入性能和封堵性。同時，測量出口端驅替液，計算出在并聯(lián)巖心模擬中該稠化緩釋營養(yǎng)劑提高原油采收率達到21.8%，而在單只巖心中，低滲透率的巖心相較于高滲透率的巖心采收率提高程度要高，其采收率分別提高了53.7%和13.8%。高低滲巖心采收率差異主要是由激活劑的選擇性調剖能力和滯留時間決定的，由于高低滲的差異，營養(yǎng)劑會優(yōu)先封堵大孔道，使注入水大部分流入低滲巖心，促使其中的原油被驅出。此外，部分營養(yǎng)劑會流入低滲巖心，激活其中的內源微生物，因此其采收率提高的程度較高滲的相對要高。

表3　稠化緩釋營養(yǎng)劑填砂管巖心封堵率實驗Table 3 Sand pack plugging experiment of gelled slow-release nutritional agent

2.3驅替液微生物激活效果評價

采用絕對定量的方法，對驅替液中的總菌、HOB、FMB和SRB進行定量檢測。總菌的密度大小能夠反映出該緩釋營養(yǎng)劑的整體激活效果，HOB是油藏烴降解菌，這類細菌利用烴類物質以及原油進行生長代謝［10］，產(chǎn)生生物表面活性劑和生物乳化劑改變原油的流動性［11］，同時會將烴類物質降解成小分子有機酸、乙醇和脂肪酸等物質；FMB可以降解原油代謝產(chǎn)生小分子有機酸、有機溶劑以及H2和CO2等氣體［12］，部分FMB可代謝產(chǎn)生黏性物質或者聚合物來封堵地層中的大孔道，提高注入水的波及體積；SRB是一類可以將硫酸鹽、亞硫酸鹽和硫代硫酸鹽等還原為H2S，從而在采油過程的多個方面產(chǎn)生危害的有害菌［13-14］，因此通過這幾類功能菌的豐度變化便可以看出激活劑的激活效果。定量結果如圖4所示。

圖4　驅替液中功能菌的豐度測定Fig.4 Measurement of functional bacteria abundance in displacing fluids

由圖4可知:經(jīng)激活劑激活后，所有樣品的總菌密度均大于106個/mL，超出本底2～3個數(shù)量級，同時培養(yǎng)后HOB和FMB有不同程度的提高，大約在1～3個數(shù)量級，而SRB則呈現(xiàn)下降趨勢，這證明內源微生物被激活，緩釋營養(yǎng)劑能夠有效地激活內源微生物，達到提高石油采收率的效果。此外，通過比較高低滲透率樣品的菌密度變化發(fā)現(xiàn)，低滲透率的菌密度總體提升程度較高，與其具有較高的石油采收率相吻合，這也進一步證實了該新型緩釋營養(yǎng)劑具有激活內源微生物和封堵油藏大孔道的特點，在提高石油采收率方面具有很重要的研究意義。

3　結論

探索出一種新型的稠化緩釋營養(yǎng)劑，其組成為生物多糖和纖維素顆粒，配伍比例為1∶2.5，該營養(yǎng)劑同時具有激活和調剖的性能。

通過物理模擬驅油實驗得出該稠化緩釋營養(yǎng)劑最佳注入量為0.4 PV，此時其具有較好的激活功能以及調剖功能。

該新型的稠化緩釋營養(yǎng)劑使并聯(lián)填砂管巖心驅油效率提高21.8%，單只巖心最大提高約53.7%，具有較強的應用潛力。

該稠化緩釋營養(yǎng)劑能夠有效激活內源微生物，使總體菌密度和功能菌密度提升1～3個數(shù)量級。

［1］ LAZAR I，PETRISOR I G，YEN T F.Microbial enhanced oil recovery（MEOR）［J］.Petroleum Sci Technol，2007，25（11）: 1353-1366.

［2］ 黃翔，吳曉東.微生物驅油現(xiàn)場試驗效果及油藏生態(tài)特征［J］.石油天然氣學報，2014，32（2）:319-323.

［3］ 謝峰，馬艷，鄧志展，等.下二門油田非均質大孔道油藏聚合物驅油礦場試驗［J］.石油勘探與開發(fā)，2002，28（4）:86-88.

［4］ 張靜楠，董漢平，俞理，等.內源微生物驅油物理模擬實驗壓力的變化特性［J］.油氣田地面工程，2011，30（1）:15-17.

［5］ 孔祥平，包木太，汪衛(wèi)東，等.內源微生物提高原油采收率物理模擬驅油實驗研究［J］.西安石油大學學報（自然科學版），2005，20（1）:37-42.

［6］ 紀冬，辛少杰.實時熒光定量PCR的發(fā)展和數(shù)據(jù)分析［J］.生物技術通訊，2009，20（4）:598-600.

［7］ GAO P K，TIAN H M，LI G Q，et al.Microbial diversity and abundance in the Xinjiang Luliang long-term water-flooding petroleum reservoir［J］.Microbiol Open，2015，4（2）:332-342.

［8］ 易紹金.細菌瓶法用于石油烴降解菌菌數(shù)測定［J］.油田化學，2011，18（4）:372-374.

［9］ 張磊，蒲春生，楊靖，等.超細纖維素與丙烯酰胺接枝共聚物在調剖堵水中的應用［J］.油田化學，2015，32（4）:503-506.

［10］ 張潔，王衛(wèi)衛(wèi)，郭欣，等.兩株高效石油烴氧化菌的正十六烷降解特性［J］.西北大學學報，2013，43（3）:403-410.

［11］ HANG L M，LIU P W，MA C C，et al.Application of rhamnolipid and surfactin for enhanced diesel biodegradation-effects of pH and ammonium addition［J］.J Hazard Mat，2009，164:1045-1050.

［12］ 胥元剛，何延龍，張凡，等.厭氧微生物對新疆六中區(qū)稠油的降解特性［J］.西安石油大學學報，2012，27（3）:67-71.

［13］ GIEG L M，JACK T R，F(xiàn)OGHT J M.Biological souring and mitigation in oil reservoirs［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2011，92:263-282.

［14］ 莊文，初立業(yè)，邵宏波.油田硫酸鹽還原菌酸化腐蝕機制及防治研究進展［J］.生態(tài)學報，2011，31（2）:575-582.

（責任編輯 荀志金）

Optimization of a new viscously slow-release nutrient and oil displacement potential evaluation

TIAN Huimei1，GAO Peike1，DAI Xuecheng2，LI Yan1，WANG Yansen1，WANG Hongbo2，LI Guoqiang1，MA Ting1
（1.Key Laboratory of Molecular Microbiology and Technology of the Ministry of Education，College of Life Sciences，Nankai University，Tianjin 300071，China；2.Institute of Experiment and Detection，Xinjiang Oil Field Company，Karamay 834000，China）

Based on the indigenous microbial enhanced oil recovery（MEOR）technology research and current situation of field experimentation，in this paper，in order to solve the rapid outflow of nutritional agents in the process of endogenous microbial enhanced oil recovery，we developed a new type of stimulation system that has dual role in providing but slowly releasing nutrition and plugging high permeability layer of reservoirs.Physical simulation flooding experiments showed that the gelled slowrelease nutrition agent could significantly stimulate the endogenous microorganisms and functional microbes，increasing the overall bacterium concentration by 2 to 3 orders of magnitude.In addition，the efficiency of oil displacement was increased by 21.8%and 53.7%in parallel sand filling tube core experiments and single core experiments，respectively，suggesting that the gelled slow-release nutritional agent has a strong application potentiality in the process of MEOR.This research can provide some reference value in the development of technology for MEOR.

indigenous microbial enhanced oil recovery；physical simulation flooding experiment；viscously slow-release nutrient；oil displacement efficiency

TE357.9

A

1672-3678（2016）03-0033-06

10.3969/j.issn.1672-3678.2016.03.007

2016-02-04

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）（2013AA064402）；國家自然科學基金（41373074）

田會梅（1989—），女，山東臨沂人，博士研究生，研究方向:油藏微生物；馬 挺（聯(lián)系人），教授，E-mail:tingma@nankai.edu.cn