采油微生物激活產氣實驗研究及在大慶油田的應用

劉 洋

(中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

采油微生物激活產氣實驗研究及在大慶油田的應用

劉 洋

(中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

為解決微生物采油室內實驗科研需求，設計了一種新式物理模擬產氣裝置，該裝置解決了原有方法難以填裝天然巖心來模擬油藏條件下微生物產氣的問題，以及微生物作用原油產氣過程中氣體壓力難以實時監(jiān)測與采集的問題。應用該裝置對設計的內源微生物激活劑激活培養(yǎng)，所產氣體壓力最高可達到1.1 MPa，其中甲烷的含量達到77.79%。所篩選出的激活配方應用到礦場實驗后取得了良好效果，激活劑注入后，井口注入壓力迅速升高，兩輪注入后注入壓力累計升高3.5 MPa，試驗期間增油3 593 t，提高采收率2.26%。

大慶油田；微生物采油；內源激活劑；生物氣

微生物采油是利用微生物在油層中生長代謝產生的氣體、生物表面活性物質、有機酸、聚合物等來提高原油采收率。絕大多數微生物在代謝過程中都會產生如CO2、H2、N2、 CH4等氣體，這些氣體被稱為油藏生物氣。油藏生物氣能夠增大油藏壓力、降低原油黏度，是微生物采油非常重要的因素[1]。從另一個角度來看，我國已開發(fā)的油田經過二次或三次采油后，仍有大量殘余油資源。若把油藏視為一個巨大的生物地質反應器，其中富含大量的具有厭氧發(fā)酵功能的細菌和產甲烷功能的古菌[2-5]。若能通過微生物作用，將油藏殘余油原位降解并轉換成天然氣進行氣態(tài)開采或者作為常規(guī)能源進行儲備，對于油田開發(fā)和壽命延長具有十分重要的實際意義[6-7]。因此對生物氣的研究具有特殊的意義。

油田生物氣轉化技術的室內實驗研究方法的不斷改進是推動這一技術不斷取得進展的前提。目前生物氣的室內研究手段單一、方法簡單，多以厭氧玻璃瓶培養(yǎng)法為主。此方法便捷簡單，但存在較多缺點：①普通玻璃容器內無法填裝天然巖心來模擬油藏條件下微生物產氣的過程；②無法對容器內所產氣體壓力變化進行實時監(jiān)測；③難以對容器內所產氣體進行連續(xù)性采集與測量。針對上述缺點，需要對微生物產氣裝置進行改進，設計出一套特殊裝置。

1 實驗裝置簡介

產氣裝置為帶壓力計數表的不銹鋼壓力容器罐，采氣裝置為玻璃瓶，二者之間是通過橡膠軟管與控制閥上的尖嘴接頭相連。打開容器罐與壓力表之間的控制閥，所產的氣體通過橡膠軟管排入到充滿碳酸氫鈉飽和溶液的氣體收集瓶里，同時相同體積的溶液被排出到排水瓶里，并可通過測量排除液體的體積來推算所收集氣體的體積。將得到氣體的收集瓶取下，即可用色譜專用取樣針插入瓶口膠塞內，抽取瓶內氣體進行氣體組分以及其它分析。若要采集下一容器罐中的氣體，只需要將另一瓶充滿碳酸氫鈉飽和溶液的收集瓶與橡膠軟管(通過針頭)連接即可。

該裝置不僅應用于微生物降解原油產天然氣的實驗中，也可應用于所有研究微生物發(fā)酵產氣的實驗中，應用壓力范圍為0～20 MPa?？筛鶕嶋H需要更換不同精度與量程的壓力表與不同體積大小的氣體收集瓶，也可同時進行多個容器罐產氣實驗與收集。所產氣體既可以單獨收集或者混合收集，也可以在不中斷實驗進程的條件下將所產的天然氣體完全或部分收集到集氣瓶。排放后的容器罐經過一段時間的培養(yǎng)，產氣體系繼續(xù)運轉，可再收集再培養(yǎng)，使微生物產氣過程的監(jiān)測可控性和實驗連續(xù)性大大提高。

2 實驗裝置的應用

內源微生物采油是利用地層中原有的微生物群落通過注入井向油層中注入適量的營養(yǎng)激活劑激活不同微生物種群，使其產生代謝活動及其代謝產物來提高原油采收率[8-9]。注入激活劑使微生物產氣也是微生物驅油的機理之一，內源微生物代謝產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趕出來[10-11]。其中微生物所產的天然氣，主要通過降低原油黏度和界面張力以達到改變驅替相和被驅替相的流度比和驅替流態(tài)，發(fā)生一次接觸混相或者多次接觸混相，從而提高原油的采出程度[12]。因此產氣能力是評價和篩選內源激活劑的重要指標之一。該裝置可用來對激活體系的產氣能力進行模擬和對比，對內源微生物激活劑進行篩選。

不同內源微生物在整個油藏厭氧降解產甲烷體系中的作用有所不同。內源微生物一般可以分為6個種群，按照其生長所需氧化還原電位由高向低排列為：腐生菌(TGB)、烴氧化菌(HOB)、硝酸鹽還原菌(NRB)、硫酸鹽還原菌(SRB)、厭氧發(fā)酵菌(FMB)、產甲烷菌(PMB)[13-14]。許多厭氧微生物長時間與空氣中的氧接觸會導致其自身的消亡或抑制，所以從現場采集回來的樣品，應在第一時間內進行內源微生物種群的檢測和分離。本實驗以大慶油田四廠聚驅后采油井的采出液為樣本，采用測試瓶法進行內源微生物檢測，其內源微生物種類和數量見表1?？梢钥吹?，激活前的采出液樣品中無論是TGB還是HOB，NRB，SRB，FMB，APB，PMB，均有一定數量的存在，但是數量均低于103(個/mL)數量級。

表1 培養(yǎng)前后本源微生物種類和數量 個/mL

根據所檢測出的微生物種群數量特點，設計了兩種激活配方，分別為1#和2#，用油井采出液作為溶劑配制成激活劑。從厭氧操作箱里取兩個滅菌后的壓力容器罐，分別在罐里放置一定量的粉碎后的油砂巖心，然后分別灌入兩種激活劑至容器罐體積的十分之九，封閉容罐口，并放置在45 ℃恒溫培養(yǎng)箱里培養(yǎng)10個月。定期觀測記錄過程中所產氣體的壓力變化(圖1)。

圖1 激活培養(yǎng)產氣壓力變化曲線

從圖1可以看出，2#激活體系所產氣體的壓力不斷增大，明顯高于1#激活體系。2#激活體系培養(yǎng)120 d的時候，已經能檢測到甲烷氣體，當培養(yǎng)到300 d的時候，總體積為1 000 mL的容器罐中一共釋放800 mL氣體。天然氣組分分析表明：甲烷含量占77.79%，二氧化碳占14.44%，氮氣占7.76%(如圖2所示)，已經非常接近油田伴生氣的水平。實驗結果表明，內源激活劑2#具有良好的產氣能力。從升壓曲線變化可以看出，培養(yǎng)10個月后壓力最高可達到1.1 MPa，遠高于1#的最高值0.2 MPa。從內源微生物激活效果來看(表1)，1#激活劑和2#激活劑均能有效地激活內源微生物的數量，但從產甲烷菌的數量來看，2#激活劑的效果要優(yōu)于1#激活劑。因此選用2#作為礦場激活劑。

圖2 激活后所產氣體組分含量對比

3 激活劑的礦場試驗效果

聚驅后內源微生物激活試驗區(qū)位于大慶油田薩南二區(qū)東部，由1注4采井組構成。試驗區(qū)面積為0.12 km2，地質儲量為15.9×104t，孔隙體積為27.26×104m3。油層平均單井砂巖厚度為14.3 m，有效厚度為9.2 m；平均有效滲透率為414×10-3μm2；原始地層壓力為11.66 MPa，飽和壓力為7.5 MPa。

2#激活劑共注入兩輪，總段塞體積為0.0 785 PV，累計注入21 413 m3。第一輪激活劑注入后15～20天便開始產生明顯增壓效果，致使井口注入端壓力迅速升高，注入壓力由11.3 MPa上升到最高的12.8 MPa，上升了1.5 MPa,累計壓力升高幅度達到2.2 MPa。在注入第二個激活劑段塞后，注入壓力由11.5 MPa升到13.5 MPa，上升了2.0 MPa，累計壓力升高幅度達到2.6 MPa。

在監(jiān)測注入井壓力變化的同時，對試驗區(qū)采油井的地層壓力進行了檢測。注入井油層中部流動壓力由試驗前的22.18 MPa上升到試驗后的23.32 MPa，上升了1.14 MPa，上升幅度5.14%。注入壓力和地層壓力的同時升高說明油層壓力的升高，不是因注入激活劑溶液的黏度所造成，而是由于激活后的內源微生物在油層內大量產生氣體所導致。試驗期間累計產油20 524 t，產液量增加了78 m3/d；日產油量平均增幅為35.9%，含水降幅1.5%。試驗期間累積增油6 243 t，提高采收率3.93%；若不考慮水驅自然遞減因素，純增油3 593 t，提高采收率2.26%。

從激活劑注入后的120 d起始，對試驗區(qū)內距注入井約1 000 m的5口觀察井所產的氣體采集并進行檢測，全部監(jiān)測到CH4及CO2的出現，含量變化范圍分別為83.8%～94.7%和1.5%～8.5%。表明試驗區(qū)內被激活的產甲烷菌和厭氧發(fā)酵菌已經能在不需要激活物質的條件下，持續(xù)不斷地利用原油等有機物質產生CH4和CO2,從而達到了通過激活所產生的生物氣來增加油層驅動能量，協助提高采收率的效果。

4 結論

(1)自行設計的微生物產氣模擬裝置可以模擬油藏微生物在地下生長代謝的過程，并可以連續(xù)記錄微生物代謝所產氣體的壓力變化，并對所產氣體進行收集和測量。

(2)篩選出的2#內源激活配方，能將巖心中的殘余油轉變?yōu)樯餁?。內源激活劑模擬培養(yǎng)10個月后，所產氣體的壓力達到1.1 MPa，其中甲烷的含量可達到77.79%，非常接近油田伴生氣的水平。

(3)應用該裝置篩選出的2#內源激活配方在礦場應用中取得良好效果，可進一步提高聚驅后油藏采收率。激活劑注入后產生大量氣體，其中甲烷含量最高可達94.7%，井口注入壓力累計升高3.5 MPa，增加了油層驅動能量，最終提高采收率2.26%。

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編輯：黨俊芳

1673-8217(2017)03-0105-03

2016-12-19

劉洋，碩士，工程師，1982年生，2007年畢業(yè)于黑龍江大學應用微生物專業(yè)，現從事微生物采油技術研究。

國家高新技術研究發(fā)展計劃 (863計劃) (No. 2009AA063504)資助。

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