高溫高鹽油藏內源微生物室內模擬激活

段傳慧，林軍章，丁明山，劉 濤，宋 欣

(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)

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高溫高鹽油藏內源微生物室內模擬激活

段傳慧，林軍章，丁明山，劉 濤，宋 欣

(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)

勝利油田永8區(qū)塊原油黏度高、水驅效果差，而且受該區(qū)塊高溫高鹽油藏條件影響，常規(guī)化學驅技術難以有效提高水驅效率，針對此類問題，筆者開展內源微生物驅油技術研究。內源菌群分析表明，該區(qū)塊油藏具備了產生物乳化劑、產甲烷氣等幾種主要功能菌群的條件。篩選并優(yōu)化出能有效激活內源菌群的激活劑配方。經過激活后微生物的有效濃度達到108個/mL以上，產氣壓力達到0.088 MPa，最大產氣速率達到0.2 L/(g·d)(以1 g激活劑計)，柴油乳化指數(shù)達到100%，乳化效果48 h內穩(wěn)定。室內物模驅油評價表明，注入該激活劑配方0.3 PV(孔隙體積)后可提高采收率9%以上，含水率由95.1%下降到81.4%，表現(xiàn)出了良好的應用潛力，為下一步在高溫高鹽油藏開展微生物驅提供了依據(jù)。

高溫高鹽油藏；內源微生物驅；激活劑；乳化；提高采收率

自2014年下半年以來，國際油價持續(xù)走低，油氣行業(yè)進入寒冬，油田公司面臨嚴峻考驗。要破解這一難題，必須持續(xù)攻關油田開發(fā)方法技術，通過方法和技術的進步解決生產難題，降低生產成本，提高采收率，實現(xiàn) “降本增效”。近年來，提高采收率技術已經取得顯著進步，但伴隨著開發(fā)過程中日益出現(xiàn)的復雜挑戰(zhàn)，老油田儲采失衡現(xiàn)象仍然十分嚴重，“低產、低效、高含水”現(xiàn)象不斷加劇，油田產量呈現(xiàn)加快遞減的趨勢。為解決這一問題，亟須技術攻關，以提高開發(fā)效果和經濟效益。微生物采油技術是繼熱采、化學驅和氣驅之后第四大類提高采收率方法，也是一種經濟、環(huán)保的采油技術。內源微生物驅是微生物采油的一種重要方式，其優(yōu)點是操作簡單、成本低和油藏適應性強，適用于高溫高鹽油藏[1-2]。

勝利油田東辛采油廠永8區(qū)塊油藏平均埋深2 000 m以上，油藏溫度達到85 ℃，平均礦化度高于50 g/L，平均地面原油黏度高達4 000 mPa·S[3]。由于埋藏深、壓力高，注蒸汽開采成本高，目前主要以水驅開發(fā)為主。由于油水流度比大，指進現(xiàn)象嚴重，目前綜合含水率達到90.2%，采出程度僅為19.1%，亟須新的低成本、高效率提高采收率替代技術。內源微生物驅油技術通過激活油藏中特定的功能菌群，利用菌群及其代謝產物對原油和儲層的作用，降低油水流度比，提高采收率[4]。目前，該技術已在勝利油田沾3區(qū)塊水驅稠油油藏成功應用，并取得了較好開發(fā)效果[5-9]。

本研究中，筆者針對永8區(qū)塊油藏特征，開展內源微生物驅油技術研究。考察油藏內源微生物菌群結構，篩選能有效激活內源微生物的激活劑，評價激活后發(fā)酵液的乳化性能，檢測內源菌群的產氣功能。通過室內物模實驗評價激活劑的驅油效果，以期為該技術現(xiàn)場試驗提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 油水樣采集

實驗用油水樣品均取自勝利油田東辛采油廠永8區(qū)塊，包括油井P8井和X140井產出液及一口注水井P115井的注入水。使用經消毒后充N2的樣品桶(5 L)取樣，采集樣品后立刻密封，樣品取回后置于5 ℃冰箱保存，48 h內完成樣品DNA提取和激活實驗。

1.2 DNA提取

高速離心(12 000 r/min)15 min收集油藏油水樣品中的菌體，離心后油水分離，細菌沉積于離心杯底。菌體DNA的提取利用AxyPrep基因組提取試劑盒。提取的DNA利用nanodrop進行濃度檢測后用于細菌16S擴增。樣品DNA保存在-70 ℃冰箱。

1.3 PCR擴增與高通量測序分析

細菌和古菌16S v4區(qū)擴增利用通用引物515F和806R序列分別為515F-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA和806R-GGACTACHVGGGTWTCTAAT。深圳華大基因公司在進行Illumina高通量測序(Miseq)時采用設計的測序接頭融合引物。測序完成后進行相應的生物信息學分析，首先進行序列質量篩選，去除低質量的序列，剩余高質量的序列通過之間的重疊關系，對序列進行拼接，然后將拼接的序列聚為OUT，通過OUT與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行比對，再對OUT進行物種注釋，從而解析每個樣品的微生物群落結構多樣性。

1.4 內源微生物激活方法

選擇不同的激活劑在油藏溫度和兼性條件下激活樣品中的內源微生物。這些激活劑包括1號(無機鹽)、2號(玉米漿為主)、3號(玉米漿加無機鹽)、4號(糖蜜為主)、5號(糖蜜加無機鹽)、6號(葡萄糖為主)、7號(葡萄糖加無機鹽)和8號(淀粉類激活劑)8個激活配方，用于激活樣品中的內源微生物。三口井水各取1 200 mL，各自分裝入8個250 mL的厭氧瓶中，每個瓶中150 mL井水，對應加入以上8種激活劑。隨后密封厭氧瓶口，置于85 ℃搖床中培養(yǎng)，以不加營養(yǎng)劑的樣品作為對照。

1.5 激活后菌密度檢測

激活后的菌密度利用顯微鏡(奧林巴斯D50)檢測，取激活后溶液滴在血球計數(shù)板上進行計數(shù)。

1.6 功能菌分析方法

根據(jù)產脂肽菌及產甲烷菌的代謝功能，選擇相應的功能基因最為檢測目標，產脂肽菌選擇srfA基因，產甲烷菌選擇mcrA基因。構建標準質粒的細菌選取普遍存在于勝利油藏的芽孢桿菌屬和甲烷嗜熱桿菌屬的細菌，分別為筆者所在實驗室在勝利油藏篩選的枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)和熱自養(yǎng)甲烷桿菌(Methanothermobacterthermautotrophicus)，其中srfA基因的擴增引物為SrfA-F-5′CAAAAKCGCAKCATACCACKTTGAG3′和SrfAR 5′-TCATARAGCGGCAYATATTGATGC-3′，mcrA的擴增引物為McrA-F-5′RCGTTCATBGCGTAGTTVGGRT3′和McrA-R-5′GGTGGTGTMGGDTTCACMCARTA3′，所有引物委托TaKaRa公司合成。擴增程序：預變性98 ℃ 5 min；98 ℃ 15 s 、60 ℃ 30 s、72 ℃ 30 s，該步驟循環(huán)35次；72 ℃延伸10 min。擴增后的標準質粒構建委托TaKaRa公司進行。

1.7 乳化性能評價

內源激活完成后，取適量發(fā)酵液于試管內，加入等體積柴油，利用微型旋渦混合儀高速振蕩2 min，然后測量乳化液和油相的體積，其比值即是乳化系數(shù)E(emulsification index)，用這一數(shù)值評估發(fā)酵液的乳化性能。

1.8 樣品產氣量檢測

在激活內源微生物過程中，會產生一定量氣體。樣品的產氣量情況利用厭氧瓶上部頂空的氣體壓力為指標來檢測。

1.9 物理模擬驅油

開展室內物理模擬實驗，考察內源微生物激活后的驅油效率。填裝與實驗區(qū)塊滲透率相同的填砂巖心，對巖心抽真空、分巖心飽和實驗區(qū)塊的地層水或注入水，計算巖心的孔隙體積(PV)。飽和實驗區(qū)塊的脫水脫氣原油，計算巖心的原始含油量，靜置老化7 d。巖心一次水驅，一次水驅至巖心產出液含水率與實驗區(qū)塊油井平均含水率一致。注入0.3 PV對應最適激活劑，在85 ℃下恒溫培養(yǎng)15 d。注地層水開展二次水驅，待巖心出口含水率與區(qū)塊油井平均含水率一致時停止水驅，計算驅油效率。

2 結果與討論

2.1 永8區(qū)塊內源微生物菌群結構分析

通過分析永8沙二段84地層水中的微生物群落狀況，可以明確試驗區(qū)內源微生物群落組成，為內源微生物驅油技術實施的可行性、實施工藝的選擇、激活劑的篩選、實施效果的評價提供理論依據(jù)。圖1為永8區(qū)塊內源微生物菌群結構分析結果。由圖1可知：永8沙二地層內細菌種類豐富，包括假單胞菌、地衣芽孢桿菌和產甲烷菌等功能菌。古菌種類較少，主要以產甲烷古菌為主。以上結果表明，該區(qū)塊油藏溫度較高但仍具備開展內源驅的微生物基礎。注入水中微生物主要以脫鐵桿菌(Deferribacter)、海桿菌(Marinobacterium)和嗜氫菌屬(Hydrogenophilus)等為主，而油井P8和X140中微生物普遍以弓形桿菌和沙雷氏菌為主，上述結果表明弓形桿菌和沙雷氏菌屬可能更耐溫，更適合于在高溫油藏條件下生存；注入水在地面系統(tǒng)的溫度低于60 ℃，所以這導致注入水中微生物與油藏內源菌群存在較大差異性。

圖1 永8沙二地層內源菌群結構分析Fig.1 Endogenous bacteria community structure analysis of Yong 8 Sand 2 formation

2.2 內源菌群激活劑配方優(yōu)化和評價

2.2.1 激活后菌體數(shù)量分析

在確定3種激活劑主劑的基礎上，調整主劑與其他營養(yǎng)劑的配比，考察對微生物菌群數(shù)量的影響，從而優(yōu)化出適宜內源微生物的激活劑。分別開展了對永8區(qū)塊兩口油井產出液和注入水的內源微生物激活實驗，結果如圖2和圖3所示。由圖2～3可見：針對X140油井，4號配方具有最佳的激活效果，在有效激活后菌密度達到1.6×108個/mL。而對于注入水和P8油井，最佳的激活劑配方是2號，在這種激活劑作用下，菌密度達到11.8×108個/mL。對P8激活后菌群功能基因分析表明，乳化功能菌(Geb)、反硝化細菌(NirS)和甲烷菌(McrA)3種功能菌均被有效激活，而硫酸鹽還原菌(SrfA)在2號激活劑配方體系中被有效抑制。

圖2 永8-X140井(a)和永8-注入水(b)激活后微生物總量Fig.2 Microbial amount after the activation of Yong 8-X140 Well (a) and Yong 8-injection water (b)

圖3 永8-平8井激活后微生物總量(a)及其功能菌(b)的種類和數(shù)量Fig.3 Microbial amount (a) and the amount and type of functional bacteria (b) after the activation of Yong 8-Ping 8 Well

在以上研究基礎上，進一步從現(xiàn)場采集5批次油水樣，采集間隔時間為5 d。對所采集的油水樣進行內源微生物激活，考察室內激活內源微生物的穩(wěn)定性，結果見圖4。由圖4可知：不同時期5批次樣品均能被有效激活，激活后菌密度均能達到108個/mL以上，表現(xiàn)出良好的激活穩(wěn)定性。

圖4 不同時期內源激活穩(wěn)定性評價Fig.4 Endogenous active stability evaluation during different periods

2.2.2 乳化效果評價

圖5 不同激活劑對發(fā)酵液乳化柴油效果的評價Fig.5 Effects of different activator on fermented liquid emulsified diesel evaluation

考察激活后發(fā)酵液的乳化性能，結果如圖5所示。由圖5可以看出，在使用不同激活劑作為營養(yǎng)條件下，3種水樣的發(fā)酵液對柴油產生不同的乳化效果。對于X140，4號激活劑具有最佳的乳化效果，乳化指數(shù)達到90%。而對于P8和注入水，在2號激活劑條件下，發(fā)酵液對柴油的乳化指數(shù)達到100%。這一實驗結果與圖2和圖3內源激活后菌群密度的實驗結果一致，即菌密度越高，其發(fā)酵液的乳化指數(shù)越高。這是由于被激活的內源微生物包括大量的乳化功能菌(圖3(b))，因此對應的發(fā)酵液對柴油的乳化效果最好。

2.2.3 微生物產氣量分析

在加入激活劑后的激活過程中，內源微生物會代謝生產氣體，如CH4和CO2，通過檢測氣體的產生量，能反映出激活劑的激活效果。檢測激活后厭氧瓶上部空間壓力，表征微生物氣產量，結果見圖6。由圖6可知，激活劑對微生物產氣量的影響較大。其中，在2號激活劑厭氧瓶內，微生物產生的氣體量最大，壓力達到0.088 MPa，通過計算得出最大產氣速率達到0.2 L/(g·d)。相對而言，其他激活劑條件下，產生的氣體量明顯低。微生物產氣能補充地層能量，稀釋原油黏度，降低原油與驅替劑的流度比，改善油藏原油的流動性，這是微生物驅提高采收率的重要機理之一。

2.3 內源驅油體系物模驅油效率評價

模擬實驗區(qū)塊油藏條件，開展內源微生物驅室內物模實驗，考察內源驅油體系的驅油效果，結果如表1所示。由表1可知：注入激活劑提高采收率值在8.3%～10.7%之間，明顯高于空白組實驗結果，驅油效果良好。驅替過程，注入激活劑的巖心產出液中含水率下降顯著，由95.1%下降到81.4%，且產出液中原油存在明顯乳化現(xiàn)象。以上結果說明，注入激活劑能有效激活內源微生物，并通過微生物作用降低原油黏度，改善原油與驅替流體的流度比，從而提高采收率。

圖6 內源菌激活后生物氣產量評價Fig.6 Endogenous bacteria biogas production evaluation after activation

表1 物理模擬驅油實驗結果

3 結論

雖然東辛永8區(qū)塊油藏內源微生物原始菌密度不高，但被激活后菌密度能夠達到108個/mL，而且具備了產生物表活劑、產甲烷氣等幾種主要的功能菌群。激活后具有較好的乳化和產生物氣作用，并通過其協(xié)同作用提高驅油效率，物模驅油效率評價平均提高采收率9%以上，表現(xiàn)出良好的應用潛力。

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(責任編輯 荀志金)

Simulation of microbial flooding in high temperature and high salinity reservoir

DUAN Chuanhui,LIN Junzhang,DING Mingshan,LIU Tao,SONG Xin

(Research Institute of Petroleum Engineering and Technology,Shengli Oilfield Company,Sinopec,Dongying 257000,China)

At present,conventional technology of chemical flooding is difficult to improve oil recovery in Yong 8 block of Shengli Oilfield because of the high viscosity of the crude oil,high temperature and high salinity of the reservoir condition.Potential application of the endogenous microbial flooding technology was thus studied.Structural analysis indicated that various functional bacteria,e.g.,emulsifier production microbes and methanogen were detected.Several nutritional formulas were then used to activate the bacteria and an optimum one was obtained.The effective concentration of the bacteria in the cultured brothreached 108cfu/mL and the pressure in the culture bottle reached to 0.088 MPa with an average gas production rate of 0.2 L per gram per day.The activated bacteria broth showed good emulsifying ability,which could emulsify diesel completely and steadily.Core flooding tests showed that the improved oil recovery reached to 9% after 0.3 PV(pore volume) of the activator was injected,and the water cut decreased from 95.1% to 81.4%.The technology of the endogenous microbial flooding might find its application in the test block.

high temperature and high salinity reservoir;endogenous microbial flooding;activator;emulsion;enhanced oil recovery

10.3969/j.issn.1672-3678.2017.03.011

2016-12-05

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(2013AA064401)

段傳慧(1979—)，女，山東東營人，工程師，研究方向：微生物采油，E-mail:duanchuanhui.slyt@sinopec.com；林軍章(聯(lián)系人)，高級工程師，E-mail:linjunzhang.slyt@sinopec.com

TE327

A

1672-3678(2017)03-0069-05