微生物驅(qū)油過程中配氣對(duì)菌群結(jié)構(gòu)及驅(qū)油效果的影響*

劉 濤，汪廬山，胡 婧，巴 燕，劉 方，曹嫣鑌

（1.中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東 東營 257000；2.中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257001）

微生物驅(qū)油技術(shù)經(jīng)過近20年的發(fā)展，目前已從室內(nèi)研究逐漸擴(kuò)大到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并且現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，試驗(yàn)效果也得到有效證明［1-4］。按照微生物驅(qū)油作用方式的不同分為內(nèi)源微生物驅(qū)油和外源微生物驅(qū)油?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中主要以內(nèi)源微生物驅(qū)油為主，因?yàn)閮?nèi)源微生物驅(qū)油直接利用油藏微生物為激活對(duì)象，相對(duì)成本較低，省去了外源微生物菌種的發(fā)酵及對(duì)油藏條件的不適應(yīng)性［5-6］。內(nèi)源微生物驅(qū)油激活油藏中近井地帶的好氧微生物作為主要驅(qū)油微生物的一部分，因此，供給好氧微生物生長需要的氧氣是有效激活好氧微生物的前提和基礎(chǔ)。宋永亭［7］研究了不同配氣量條件下微生物群落的變化，發(fā)現(xiàn)不同液氣比條件下微生物群落結(jié)構(gòu)組成存在差異；隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長（30 d），氧氣逐漸消耗，微生物群落趨向一致。孔祥平［8］研究了氧的生物學(xué)消耗和非生物消耗的影響因素，發(fā)現(xiàn)配注氧氣對(duì)微生物驅(qū)油能產(chǎn)生明顯的促進(jìn)作用。針對(duì)油藏條件下微生物驅(qū)油過程中配氣時(shí)菌群的變化及對(duì)驅(qū)替效果的影響還沒有相關(guān)的詳細(xì)報(bào)道。筆者利用巖心驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)，研究了不同配氣量條件下微生物驅(qū)油的效果及驅(qū)替過程中微生物群落的動(dòng)態(tài)變化，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)有效配氣量的選擇提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)?zāi)M油藏為勝利油田沾3 區(qū)塊油藏條件，物理模擬所用原油樣品為沾3 區(qū)塊脫水脫氣原油，地面原油在50℃下的黏度為1885 mPa·s；實(shí)驗(yàn)水樣為沾3 區(qū)塊注入水，礦化度為9880 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：Cl-4568、HCO3-855、SO42-106、Mg2+104、Ca2+165、Na++K+4083；按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6888—2012《微生物驅(qū)油技術(shù)規(guī)范》，沾3區(qū)塊油藏條件在微生物生長耐受范圍之內(nèi)；葡萄糖、磷酸氫二鉀、硫酸、乙酸，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心；蛋白胨，北京奧博星生物技術(shù)責(zé)任有限公司；微量元素液，自制；物理模擬所用激活劑體系為：0.25%葡萄糖、0.2%磷酸氫二鉀、0.05%蛋白胨、0.05%微量元素液；石英砂，淄博中隆石油化工科技有限公司；DNA 提取試劑盒，寶生物工程有限公司。

巖心驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)裝置，海安石油科研儀器有限公司；GC-14B 型氣相色譜儀，日本島津公司；BX50型相差顯微鏡，奧林巴斯株式會(huì)社；高通量測(cè)序儀，美國賽默飛世爾科技公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

（1）按表1配比用石英砂填裝巖心，測(cè)定巖心滲透率；（2）抽真空飽和地層水，計(jì)算巖心孔隙體積和孔隙度；（3）飽和原油造束縛水，計(jì)算巖心的原始含水飽和度；（4）巖心60℃老化放置7 d 后，一次水驅(qū)驅(qū)替3 PV，記錄驅(qū)替過程中產(chǎn)出油量、產(chǎn)出水量及驅(qū)替壓力的變化；（5）分別將微生物營養(yǎng)液0.3 PV及其與空氣按不同體積比（1∶1、1∶5、1∶10）配氣后注入巖心管，培養(yǎng)15 d；（6）二次水驅(qū)3 PV，記錄驅(qū)替過程中產(chǎn)出油量、產(chǎn)出水量及驅(qū)替壓力的變化，計(jì)算驅(qū)油效率和含水率。巖心驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖1。

表1 填砂巖心石英砂配比

圖1 巖心驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2.2 不同配氣量的實(shí)現(xiàn)

按照巖心孔隙體積計(jì)算0.3 PV 條件需要的營養(yǎng)液體積，根據(jù)設(shè)計(jì)的液氣比，計(jì)算常壓下需要的空氣量，按照不同巖心液氣比的設(shè)計(jì)計(jì)算的空氣量，通過中間容器配氣，下面為營養(yǎng)液，上面為按設(shè)計(jì)量計(jì)算的空氣，然后混合注入巖心管實(shí)現(xiàn)不同液氣比的配注。

1.2.3 產(chǎn)出液分子生物學(xué)分析測(cè)定

取物理模擬巖心管驅(qū)替時(shí)產(chǎn)出液的樣品20 mL置于離心管中，在4℃、10000 r/min 下離心10 min，收集菌體，棄去上清液，用DNA 提取試劑盒提取菌體DNA后用無菌去離子水溶解。DNA樣品經(jīng)電泳檢測(cè)確保足量后再進(jìn)行高通量測(cè)序［9-10］。

1.2.4 產(chǎn)出液小分子酸的測(cè)定

采用外標(biāo)法［11］將待測(cè)樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品分別進(jìn)行氣相色譜分析，得到小分子酸濃度。（1）標(biāo)樣的配制：將乙酸標(biāo)準(zhǔn)品和蒸餾水混合，配制不同濃度小分子酸溶液；（2）產(chǎn)出液樣品的預(yù)處理：取10 mL產(chǎn)出液樣品靜置，待油水分離后取上層清液，用0.45 μm 微孔濾膜過濾，濾液滴加5滴1∶1 硫酸后冷藏24 h；（3）色譜分析：包括標(biāo)樣色譜分析和測(cè)試樣色譜分析，將色譜分析得到的測(cè)試樣品譜圖打開，加載已經(jīng)建立的標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)定譜圖，得到小分子酸濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配氣量物理模擬驅(qū)替效果

由不同液氣比物理模擬驅(qū)油效果（表2）可見，配注不同體積的空氣以后，激活微生物作用產(chǎn)生了明顯的驅(qū)替效果。隨著配注空氣量的增加微生物驅(qū)替效率增大，表明增加空氣的注入量有利于激活巖心中的好氧微生物，促進(jìn)好氧微生物的生長代謝作用。隨著配注空氣量的增加，驅(qū)替效率增幅逐漸降低，液氣比為1∶5時(shí)的驅(qū)替效率最高（8.77%）。另外，不配氣和液氣比為1∶1、1∶5、1∶10 條件下，對(duì)應(yīng)的含水降幅最大值分別為1.53%、2.67%、7.31%、6.98%。配氣量增加含水最大降幅逐漸增大，液氣比為1∶5時(shí)的含水降幅最大。這表明合適的配氣量能有效激活油藏中的好氧微生物并與油藏深部的兼性厭氧、厭氧微生物有效作用原油，從而提高驅(qū)替效率。

表2 不同液氣比物理模擬驅(qū)油效果

2.2 物理模擬驅(qū)替過程巖心產(chǎn)出液菌群變化

2.2.1 產(chǎn)出液鏡檢菌數(shù)變化

由巖心驅(qū)替過程中不同液氣比巖心產(chǎn)出液鏡檢菌數(shù)變化（圖2）可見，巖心產(chǎn)出液中菌數(shù)大于107個(gè)/mL，表明巖心中微生物被有效激活，這是產(chǎn)生驅(qū)油效果的前提和基礎(chǔ)。配氣量不同產(chǎn)出液中菌數(shù)有一定差異，配氣量增加產(chǎn)出液中菌數(shù)相對(duì)較高，這與巖心驅(qū)替結(jié)果基本一致。當(dāng)配氣比為1∶10時(shí)，好氧菌被激活，而兼性及厭氧菌有效激活數(shù)量比好氧菌低2數(shù)3個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致整體菌數(shù)降低。隨著巖心驅(qū)替的進(jìn)行產(chǎn)出液中菌數(shù)呈現(xiàn)了先升高后降低，反映了微生物在巖心中逐漸向前推進(jìn)的過程。驅(qū)替1數(shù)2 PV時(shí)菌數(shù)達(dá)到最高，菌數(shù)升高表明微生物被有效激活生長代謝，與原油接觸作用提高了驅(qū)替效果。

圖2 不同液氣比巖心產(chǎn)出液鏡檢菌濃變化

2.2.2 產(chǎn)出液菌群

不同配氣條件下微生物群落結(jié)構(gòu)存在明顯差異，配氣量不同時(shí)激活了不同類型的功能微生物，主要優(yōu)勢(shì)功能菌占到了整個(gè)菌群比例的67%以上。由不同液氣比條件下微生物激活以后的主要4類功能菌（表3）可見，芽孢桿菌（Bacillus）［12］是一類產(chǎn)表面活性劑與產(chǎn)酸的好氧、兼性厭氧微生物，在不同配氣比條件下所占比例均較高，這也是產(chǎn)生微生物驅(qū)油作用的主要菌屬。從激活后不同液氣比時(shí)該菌屬所占比例可見，液氣比為1∶5 時(shí)的比例最高（50.1%），這與其驅(qū)油效果最高對(duì)應(yīng)。脫鐵桿菌屬（Deferribacter）［13］是兼性及厭氧類微生物，具有硝酸鹽還原和降解原油的特性，從菌群所占比例可見不配氣時(shí)其比例最高為47.14%，配氣量增加所占比例降低，這與菌屬自身的生長代謝特性對(duì)應(yīng)。假單胞菌屬（Pseudomonas）［14］屬于兼性好氧類微生物，可代謝產(chǎn)生乳化劑降解原油，不同液氣比條件下所占比例均在10%以上，并且隨著配氣量的增加所占比例增大，說明該菌屬對(duì)氧氣具有較好的響應(yīng)。共生小體菌（Symbiobacterium）［15］是一類與其他菌屬共生的微生物（產(chǎn)酸產(chǎn)氣、兼性好氧類），對(duì)于維持微生物群落的多樣性具有重要作用，液氣比為1∶10的條件下所占比例大幅提高，表明氧氣對(duì)該類菌具有明顯的激活促進(jìn)作用。

表3 不同液氣比條件下微生物激活后的主要功能菌所占總菌數(shù)的比例

不配氣和液氣比為1∶1、1∶5、1∶10的條件下，微生物 shannon 多樣性指數(shù)［16-17］分別為 1.95、2.19、2.22、1.66。隨著配氣量的增加，shannon 多樣性指數(shù)升高，氧氣對(duì)促進(jìn)群落中微生物的整體激活起到了促進(jìn)作用。但當(dāng)配氣量達(dá)到液氣比1∶10時(shí)，shannon 多樣性指數(shù)降低，這反映了進(jìn)一步增加氧氣的條件下群落中好氧到兼性好氧的微生物逐漸增加，多樣性降低［18］。從整理趨勢(shì)分析，配氣量為液氣比1∶5 時(shí)微生物群落多樣性最佳，而且此條件下功能微生物主要以產(chǎn)表面活性劑和乳化劑的芽孢桿菌和假單胞菌為主，驅(qū)替效果最佳。分子生物學(xué)分析結(jié)果進(jìn)一步說明配注一定量的空氣對(duì)驅(qū)油效果具有促進(jìn)作用。

2.3 物理模擬驅(qū)替過程中產(chǎn)出液小分子酸的變化

物模驅(qū)替過程中不同液氣比產(chǎn)出液中小分子酸濃度見圖3。配氣后小分子酸濃度明顯升高，并且隨著巖心驅(qū)替的進(jìn)行，小分子酸濃度呈現(xiàn)了先升高后降低的變化規(guī)律。配氣后好氧微生物得到激活，促進(jìn)了小分子酸的產(chǎn)生，驅(qū)替過程中小分子酸和微生物一起被不斷驅(qū)出，因此，小分子酸可作為微生物驅(qū)油見效的重要指標(biāo)。配氣量不同時(shí)產(chǎn)生的小分子酸差異明顯，配氣量增加小分子酸濃度升高。氧氣的增加促進(jìn)了好氧微生物的激活，好氧微生物的生長代謝產(chǎn)生了更多的小分子酸代謝產(chǎn)物。馬波等［19］的研究已表明小分子酸作為微生物生長代謝的標(biāo)志性產(chǎn)物，小分子酸濃度的變化與微生物的生長代謝密切對(duì)應(yīng)。不配氣和液氣比為1∶1、1∶5、1∶10的條件下，產(chǎn)出液中小分子酸的平均質(zhì)量濃度分別為5、23、38、41 mg/L。配氣量增加小分子酸代謝濃度升高，液氣比大于1∶5 時(shí)的小分子酸濃度增幅較大，微生物代謝活性高。

圖3 不同液氣比產(chǎn)出液中的小分子酸濃度

3 結(jié)論

微生物驅(qū)油過程中，配注空氣量對(duì)菌群結(jié)構(gòu)及驅(qū)油效果的影響顯著。配注不同體積的空氣后，不同類型的功能微生物得到了激活，主要優(yōu)勢(shì)功能菌占整個(gè)菌群比例的67%以上，功能微生物主要以產(chǎn)表面活性劑和乳化劑的芽孢桿菌和假單胞菌為主。配氣后小分子酸濃度明顯增加，氧氣促進(jìn)了好氧微生物的激活，液氣比大于1∶5 時(shí)小分子酸濃度增幅明顯，微生物代謝活性高。隨著配注空氣量的增加，微生物驅(qū)驅(qū)替效率增加并逐漸穩(wěn)定，液氣比為1∶5時(shí)的驅(qū)替效率最佳（8.77%）。