產(chǎn)氣功能菌微觀驅油機理研究

吳曉玲，孫剛正，段傳慧，程建軍，葉小川

（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研究院，山東東營257000；2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司河口采油廠，山東東營257000）

產(chǎn)氣功能菌微觀驅油機理研究

吳曉玲1，孫剛正1，段傳慧1，程建軍2，葉小川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研究院，山東東營257000；2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司河口采油廠，山東東營257000）

利用研制的微觀仿真可視模型，對產(chǎn)氣功能菌驅油過程中的剩余油形態(tài)及流動特征進行顯微觀察，定量分析產(chǎn)氣功能菌對不同形態(tài)剩余油的微觀驅替效果。結果表明:產(chǎn)氣功能菌注入模型后，在原位產(chǎn)氣降低了原油黏度，增強了原油流動性，對簇狀和柱狀剩余油的作用效果顯著，最終提高采收率達22%；與常規(guī)氣驅相比，產(chǎn)氣功能菌的主動運移能夠有效擴大波及體積，提高了模型過渡區(qū)和邊界的驅替效率，從而獲得較高的最終采收率。

產(chǎn)氣功能菌；提高采收率；微觀驅油

微生物采油技術是綠色環(huán)保、前景廣闊的提高石油采收率的技術之一，近年來國內外各油田都相繼開展了微生物驅油技術的研究和現(xiàn)場試驗，取得了較大的進展。但微生物采油技術作用機理十分復雜，涉及到很多生理、生化和物理過程，不但包括微生物在油層中的生長、繁殖和代謝等生物化學過程，而且包括微生物菌體、微生物營養(yǎng)液、微生物代謝產(chǎn)物及生物氣在油層中的運移，以及與巖石、油、氣、水的相互作用引起的巖石、油、氣、水物性的改變，深入研究作用機理顯得尤為重要。

關于微生物代謝產(chǎn)生的表面活性劑提高洗油效率的研究較多，但針對微生物代謝產(chǎn)生的生物氣驅油作用及其驅油機理研究較少。為研究微生物驅油的微觀機理，筆者所在實驗室自主研制了一套高溫高壓可視化微觀驅油實驗裝置，該實驗裝置具有仿真性和可視性，可根據(jù)油藏天然巖心的孔隙結構，實現(xiàn)幾何形態(tài)和驅替過程的仿真，并可直接觀察和錄制驅油過程。本文中，筆者利用這套裝置進行了產(chǎn)氣功能菌的微觀驅油實驗，分析產(chǎn)氣功能菌對不同分布形態(tài)剩余油的驅替效果，以揭示產(chǎn)氣功能菌的微觀驅油機理。

1　材料與方法

1.1實驗材料

所用原油來源于勝利油田沾3區(qū)塊，該區(qū)塊埋深1 240～1 360 m，溫度為54～63℃，地下原油黏度為46.3 mPa·s，地層水礦化度為8 900 mg/L，地層水pH值為7。微觀模型驅替水為除氧模擬地層水（組分）: NaCl 3.2 g/L，CaCl20.2 g/L，MgCl20.1 g/L，pH 7。

所用產(chǎn)氣菌株:分離自油田產(chǎn)出液，產(chǎn)CO2、甲烷等氣體的混合菌種，厭氧生長。

激活劑配方（g/L）:K2HPO40.348，KH2PO40.227，NH4Cl 0.5，MgCl20.5，CaCl20.25，NaCl 2.25，NaHCO30.85，酵母浸粉3，酪蛋白胨3，甲酸鈉3，乙酸鈉3，L-半胱氨酸鹽酸鹽0.5；pH 7.2，煮沸除O2。

1.2微觀透明模型

實驗中所使用的孔隙結構仿真地層模型是一種透明的二維平面玻璃模型，見圖1。采用光化學刻蝕工藝，按照勝利油田巖心鑄體薄片的真實孔隙系統(tǒng)，經(jīng)過適當?shù)娘@微方法后精密地光刻到平面光學玻璃上，然后對涂有感光材料的光學玻璃板進行曝光，用氫氟酸處理曝光后的玻璃模板，再通過高溫燒結制成。模型大小為40 mm×40 mm，孔隙體積約為50 μL，孔道截面為橢圓形，具有可視性。在微觀模型的兩對角處分別打一小孔，模擬注入井和采出井，實現(xiàn)驅替過程的仿真。

圖1　微觀玻璃模型及模型分區(qū)Fig.1 Microscopic glass model and model partitioning

1.3實驗裝置

實驗裝置為高溫高壓微觀驅油實驗裝置，其主要由流體注入系統(tǒng)、模型夾持系統(tǒng)、環(huán)壓系統(tǒng)、回壓系統(tǒng)、壓力溫度監(jiān)視采集系統(tǒng)、圖像采集與處理系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、油水計量系統(tǒng)等組成（圖2）。該裝置能夠利用普通玻璃微觀實驗模型進行壓力20 MPa以下、壓差8 MPa以下、溫度150℃以下的各種微觀實驗。實驗將微觀仿真玻璃模型置于高溫高壓耐腐蝕圓柱形容器中后，再進行微觀觀察和驅替。

圖2　高溫高壓微生物驅油微觀實驗裝置Fig.2 HPHT microbial flooding microscopic experimental device

實驗所獲微觀滲流圖像由顯微設備直接拍攝得到，文章中圖片放大倍數(shù)為15倍。為得到剩余油量變化的定量數(shù)據(jù)，采用圖像處理技術對圖片進行了分析。圖像處理技術主要是利用計算機對圖像取樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像，對數(shù)字圖像做各種變換等預處理操作，得到清晰有效的圖像以方便處理，進而對圖像進行分割，在此基礎上進行相關滲流參數(shù)的計算。對微觀滲流圖像進行處理的過程包括圖像預處理、分割圖像以及滲流參數(shù)的計算。

1.4產(chǎn)氣功能菌實驗步驟

模型恒溫60℃、注入速率0.05 mL/min，觀察并記錄實驗過程。具體過程:①微觀模型抽真空飽和地層水；②模型飽和原油；③升壓至10 MPa，一次水驅1.5 PV（PV為孔隙體積）；④注入產(chǎn)氣功能菌及其培養(yǎng)基1.0 PV，培養(yǎng)15 d；空白對照實驗以1.0 PV無菌培養(yǎng)基代替菌液，并直接二次水驅；⑤二次水驅1.5 PV，觀察并拍攝剩余油狀態(tài)；⑥分析實驗圖片及數(shù)據(jù)。

2　結果與討論

2.1產(chǎn)氣功能菌提高采收率定量分析

考察注菌前后模型剩余油變化情況，將模型分為主通道、過渡區(qū)和邊界3個區(qū)域，分別計算采收率，結果見表1。由表1可知:一次水驅1.5PV，模型中剩余54.2%原油，主要以簇狀、柱狀和膜狀剩余油為主，部分盲端內原油未被驅動。注入產(chǎn)氣功能菌液1.0 PV后，剩余油為40.8%，提高采收率7.9%；產(chǎn)氣功能菌在模型中培養(yǎng)15 d，二次水驅1.5 PV可提高采收率14.6%，最終提高采收率達28%。

表1　產(chǎn)氣功能菌微觀驅油效果定量分析Table 1 Quantitative analysis of micro displacement effect on gas producing capabilities bacteria

一次水驅后，模型中剩余油飽和度在主通道最低，邊界最高。注入產(chǎn)氣功能菌后，邊界處的剩余油驅替效率高于主通道和過渡區(qū)的驅替效率。這是由于一次水驅時主通道內易被驅替的原油已被驅走，注入的菌液因菌體的主動運移向邊界擴散并生長代謝，擴大了波及體積，在原位產(chǎn)氣降低了原油黏度，使原油流動性增強，有效動用了邊界剩余油，從而獲得較高的最終采收率。

2.2產(chǎn)氣功能菌對剩余油的作用分析

水驅后剩余油的形式多種多樣，取決于模型孔隙的結構、物理特性及驅油劑的波及效果，根據(jù)其所占孔隙空間的大小和分布狀態(tài)，將剩余油分為簇狀剩余油、柱狀剩余油、膜狀剩余油及盲端內的剩余油。表2為產(chǎn)氣菌驅替后不同形態(tài)剩余油變化情況。

表2　不同形態(tài)剩余油的變化Table 2 Changes of remaining oil in different forms

2.2.1簇狀剩余油

圖3為產(chǎn)氣功能菌作用后簇狀剩余油變化情況。由圖3可知:產(chǎn)氣功能菌培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的氣體溶解在原油中，降低原油黏度，從而能驅替部分剩余油。結合表2數(shù)據(jù)分析可知，一次水驅后，模型中簇狀剩余油占21.7%，注入產(chǎn)氣功能菌并培養(yǎng)，二次水驅可提高采收率13.1%，是對采收率貢獻最大的類型。由于產(chǎn)氣功能菌在模型中的主動運移，包圍了簇狀剩余油，并在原位產(chǎn)生生物氣溶于簇狀剩余油，降低了原油黏度，在后續(xù)水驅時，這種降黏簇狀剩余油大大減少甚至被完全驅走。

2.2.2柱狀剩余油

圖4為產(chǎn)氣功能菌作用后柱狀剩余油變化情況，柱狀剩余油主要存在于連通孔隙的喉道處，特別是在細長的喉道中更加明顯。結合表2數(shù)據(jù)和圖4分析可知，一次水驅后模型中柱狀剩余油占16.1%，產(chǎn)氣功能菌可提高采收率9.2%。產(chǎn)氣功能菌對柱狀剩余油的作用與簇狀類似，菌體擴散運移到細孔道后生長代謝產(chǎn)生的氣體溶于剩余油，使原油黏度降低，更易通過細孔道，在后續(xù)水驅時能驅替出更多的柱狀剩余油。

圖3　產(chǎn)氣功能菌作用后簇狀剩余油變化情況Fig.3 Changes of cluster residual oil after the injection of gas producing capabilities bacteria

圖4　產(chǎn)氣功能菌作用后柱狀剩余油變化情況Fig.4 Changes of columnar remaining oil after the injection of gas producing capabilities bacteria

2.2.3膜狀剩余油

圖5為產(chǎn)氣功能菌作用后油膜變化情況，由表2可知，一次水驅后模型中膜狀剩余油占14.8%，產(chǎn)氣功能菌可提高采收率5.2%。產(chǎn)氣功能菌對膜狀剩余油的采收率較低，一方面生物氣的溶解作用會降低原油黏度，被水驅出；另一方面產(chǎn)氣菌未能改變孔隙壁的潤濕性，黏附于孔隙壁的膜狀油仍有較多殘留。

2.2.4盲端剩余油

圖5　產(chǎn)氣功能菌作用后油膜變化情況Fig.5 Oil film changes after the injection of gas producing capabilities bacteria

圖6為產(chǎn)氣功能菌作用后盲端剩余油變化情況，由表2可知，一次水驅后模型中盲端剩余油占1.6%，產(chǎn)氣功能菌可提高采收率0.5%，是4類剩余油中驅替比例最小的類型。這是由于產(chǎn)氣功能菌運移到盲端產(chǎn)氣后，能溶解原油、降低黏度，但較難運移到盲端深部，即使到達較深盲端底部，沒有氣泡的擠壓作用，對盲端剩余油的驅替作用也是較低的。

圖6　產(chǎn)氣功能菌作用后盲端剩余油變化情況Fig.6 Changes of blind end remaining oil after the action of gas producing capabilities bacteria

從不同形態(tài)剩余油定量數(shù)據(jù)來看（表2），基本符合微觀模型實驗中觀察的現(xiàn)象?？偟膩碚f，簇狀剩余油在整個模型剩余油中所占比例最大（約40%），為提高采收率做出的貢獻也是最大的，產(chǎn)氣功能菌可提高采收率13.1%，簇狀剩余油驅油效果顯著，驅替比例達63.2%；柱狀剩余油和膜狀剩余油在整個模型中所占比例相當，各約占所有剩余油的27%，產(chǎn)氣功能菌對柱狀油有較好效果，驅替比例為70.12%，膜狀剩余油驅替比例41.4%；盲端剩余油占所有剩余油比例最少，只有約3%～5%，產(chǎn)氣功能菌對該類剩余油提高采收率0.5%，驅替比例為35.97%。

本實驗的產(chǎn)氣功能菌在搖瓶培養(yǎng)中約產(chǎn)生3倍培養(yǎng)基體積的氣量，在壓力10 MPa的模型中培養(yǎng)和驅替始終未觀察到氣泡產(chǎn)生。而常規(guī)氣驅的氣體主要分布在主通道內，且存在游離氣，波及效率較差，相比常規(guī)氣驅，微生物產(chǎn)氣量較小，不存在游離氣狀態(tài)，對簇狀和柱狀剩余油的驅替效率較高，產(chǎn)氣功能菌的主動運移作用擴大了波及體積，能有效接觸并動用邊界剩余油。

3　結論

在55℃、常壓和8 MPa下，觀察產(chǎn)氣功能菌在微觀模型中對原油的作用機理，得出以下結論:

1）產(chǎn)氣功能菌能擴散到模型各處，原位產(chǎn)生生物氣降低原油黏度，同時其主動運移作用有效擴大波及體積，對模型邊界剩余油的驅替作用明顯，最終提高采收率達22%。

2）產(chǎn)氣功能菌對不同形態(tài)剩余油的驅替效率不同，實驗中觀察到對簇狀和柱狀剩余油驅替效果顯著，可分別提高采收率13.1%和9.2%。

3）產(chǎn)氣功能菌驅油在擴大波及體積的作用上優(yōu)于常規(guī)氣驅。

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（責任編輯 荀志金）

Microscopic oil displacement mechanism of gas producing bacteria

WU Xiaoling1，SUN Gangzheng1，DUAN Chuanhu1，CHENG Jianjun2，YE Xiaochuan2
（1.Research Institute of Petroleum Engineering Technology，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying 257000，China；2.Hekou Oil Production Factory，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying 257000，China）

Morphology and flow characteristic of remaining oil in the displacement process were observed with a microscopic visual simulation model.Microscopic displacement effect of various remaining oil by the gas producing bacteria was quantitatively analyzed.After the injection of gas producing bacteria into the model，crude oil viscosity was reduced and oil mobility was enhanced.The effect on the cluster and columnar remaining oil was obvious and final oil recovery was increased by 22%.Compared with conventional gas drive，the sweep volume was enlarged and the displacement efficiency was improved in the active migration of gas producing bacteria.Therefore，a higher oil recovery was obtained.

Gas producing bacteria；enhanced oil recovery；microscopic oil displacement

TE357.9；Q939.97

A

1672-3678（2016）03-0063-05

10.3969/j.issn.1672-3678.2016.03.012

2016-03-18

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）（2013AA064401）

吳曉玲（1985—），女，山東鄄城人，工程師，研究方向:微生物采油，E-mail:wxl2626@163.com