油藏微生物驅(qū)反應(yīng)動力學(xué)模型及數(shù)值模擬方法

姚傳進(jìn), 孟祥祥, 曲曉歡, 詹廣賢, 李 蕾, 雷光倫

(1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國石油大學(xué)(華東)),山東青島 266580; 2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院, 山東青島 266580; 3.山東省油田化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東青島 266580)

微生物驅(qū)提高采收率技術(shù)是利用微生物的有益代謝產(chǎn)物和有益代謝活動,改變原油-巖石-水的界面性質(zhì),與油藏中的原油發(fā)生反應(yīng),提高油水流度比,增加原油在油藏孔隙中的流動能力,從而達(dá)到降水增油和提高采收率的目的,是一項(xiàng)應(yīng)用前景良好的生物采油新技術(shù)。微生物提高采收率技術(shù)與其他三次采油技術(shù)相比,具有低儲層傷害、對環(huán)境無污染、現(xiàn)場作業(yè)簡單、油藏適應(yīng)性強(qiáng)和原材料價格低的特點(diǎn)[1]。20世紀(jì)末,Islam和Chang以黑油模型為基礎(chǔ),建立了微生物采油的數(shù)學(xué)模型。自此以后,微生物采油的數(shù)值模擬理論研究在國內(nèi)外陸續(xù)展開,比較經(jīng)典的模型有Islam模型[2]、Chang模型[3]、雷光倫等[4]建立的微生物采油數(shù)學(xué)模型和谷建偉等[5]建立的微生物采油數(shù)學(xué)模型。但是,上述對微生物采油機(jī)制的描述大多是對微生物本身及其代謝產(chǎn)物的理論描述。同時,由于微生物采油機(jī)制極其復(fù)雜,數(shù)值模擬難度大,尚未形成實(shí)用的油藏微生物驅(qū)數(shù)值模擬方法。由于微生物采油數(shù)學(xué)模型涉及參數(shù)太多太復(fù)雜,求解難度極大,無法直接用于現(xiàn)場微生物采油數(shù)值模擬[6-7]。因此在現(xiàn)有商業(yè)數(shù)模軟件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)微生物采油數(shù)值模擬功能開發(fā)有望成為未來微生物采油數(shù)值模擬的發(fā)展方向。然而,目前直接用CMG數(shù)值模擬軟件進(jìn)行微生物驅(qū)數(shù)值模擬仍存在無法合理描述和表征油藏微生物驅(qū)生長代謝過程和微生物驅(qū)提高采收率機(jī)制的問題。筆者結(jié)合油藏數(shù)值模擬技術(shù),建立油藏微生物驅(qū)反應(yīng)動力學(xué)模型以及反應(yīng)動力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)的計算方法,提出微生物驅(qū)過程中原油降黏、地層水增黏、改變油水界面張力等關(guān)鍵提高采收率機(jī)制的表征方法,基于勝利油田某試驗(yàn)區(qū)油藏數(shù)據(jù),建立油藏微生物驅(qū)概念模型,開展微生物驅(qū)參數(shù)敏感性分析,對微生物驅(qū)運(yùn)移規(guī)律及驅(qū)油性能進(jìn)行分析,最終形成一種實(shí)用的微生物驅(qū)數(shù)值模擬方法。

1 微生物驅(qū)反應(yīng)動力學(xué)模型建立

1.1 模型基本假設(shè)

微生物驅(qū)油反應(yīng)是由一系列酶促反應(yīng)構(gòu)成的復(fù)雜反應(yīng)體系,參與反應(yīng)的組分繁多,反應(yīng)途徑錯綜復(fù)雜,很難用一個準(zhǔn)確的化學(xué)反應(yīng)式表示。為簡化微生物反應(yīng)動力學(xué)模型,假設(shè):①微生物驅(qū)反應(yīng)動力學(xué)模型簡化為微生物生長代謝、微生物降解原油、微生物死亡和生物聚合物降解;②油藏為均質(zhì)的且只包含油、氣、水三相;③微生物及其代謝產(chǎn)物和營養(yǎng)物完全溶于水相;④油藏流體均為微可壓縮流體;⑤考慮微生物菌體、生物聚合物和生物表面活性劑在油藏中的吸附[8]。

1.2 微生物驅(qū)反應(yīng)動力學(xué)組分確定

根據(jù)勝利油田某區(qū)塊微生物驅(qū)試驗(yàn)和文獻(xiàn)資料數(shù)據(jù),確定微生物反應(yīng)動力學(xué)組分[9],主要包括微生物、營養(yǎng)物質(zhì)、生物聚合物、生物表面活性劑、氧氣、甲烷和水。

微生物組分的確定:試驗(yàn)和微生物成分元素分析證明,驅(qū)油用微生物細(xì)胞元素組成穩(wěn)定,化學(xué)式可表示為C4-7H7-10O1-3N,相對分子質(zhì)量為85～156[10-12]。

營養(yǎng)物質(zhì)組分的確定:營養(yǎng)物質(zhì)由碳源和氮源組成,碳源由調(diào)和油(C18-60H30-116O2-15)、葡萄糖(C6H12O6)、果糖(C6H12O6)、蔗糖(C12H22O11)、麥芽糖(C12H22O11·H2O)和淀粉((C5H10O5)n)組成,復(fù)雜的有機(jī)碳源沒有固定分子式。氮源分為無機(jī)氮和有機(jī)氮,無機(jī)氮用NH3·H2O代替,有機(jī)氮由氨基酸組成[13]。

生物聚合物組分的確定:驅(qū)油用生物聚合物主要指黃原膠(單體化學(xué)式C67H99O56)、硬葡聚糖(單體化學(xué)式C24H40O20)和韋蘭膠(單體化學(xué)式C30H48O24)。通常生物聚合物由上述物質(zhì)混合組成,其化學(xué)式為C24-67H40-99O20-56,相對分子質(zhì)量為648～1 799[14-19]。

生物表面活性劑組分的確定:驅(qū)油用表面活性劑主要指鼠李糖脂、槐脂和甘露醇脂,其化學(xué)式為C16-32H30-58O7-13,相對分子質(zhì)量為334～650[20-21]。

針對微生物采油現(xiàn)場應(yīng)用,可用元素分析方法確定上述各組分的元素組成,從而得到其化學(xué)式和相對分子質(zhì)量。在實(shí)際計算過程中,由于微生物驅(qū)各組分不是單一的化學(xué)組成和相對分子質(zhì)量,且化學(xué)式和相對分子質(zhì)量主要影響反應(yīng)方程系數(shù)的配平關(guān)系,而對微生物驅(qū)提高采收率效果的影響較小[22]。因此為簡化模型,取平均值作為各組分的化學(xué)式和相對分子質(zhì)量。

1.3 微生物驅(qū)反應(yīng)動力學(xué)方程建立

根據(jù)質(zhì)量守恒和元素守恒原理以及確定的微生物驅(qū)反應(yīng)動力學(xué)組分,建立微生物驅(qū)反應(yīng)動力學(xué)方程[11]。由于生物聚合物降解和微生物死亡過程不是微生物驅(qū)提高采收率的主要機(jī)制,故借鑒CMG聚合物驅(qū)模塊的處理方法,建立聚合物降解反應(yīng)動力學(xué)方程和微生物死亡反應(yīng)動力學(xué)方程。

(1)微生物生長代謝反應(yīng)動力學(xué)方程為

(1)

其中

(2)聚合物降解反應(yīng)動力學(xué)方程。根據(jù)CMG聚合物驅(qū)模塊[22],建立聚合物降解反應(yīng)動力學(xué)方程為

(2)

(3)微生物死亡反應(yīng)動力學(xué)方程。類比聚合物降解反應(yīng)動力學(xué)方程,建立微生物死亡反應(yīng)動力學(xué)方程為

(3)

(4)微生物降解原油反應(yīng)動力學(xué)方程。由于原油成分復(fù)雜多變,這里不用具體的化學(xué)元素表征其元素組成,用X1、X2代替高黏、低黏油相,根據(jù)質(zhì)量守恒配平反應(yīng)方程式,

(4)

式中,X1為高黏油相;X2為低黏油相。

1.4 微生物驅(qū)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)確定

微生物驅(qū)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)包括反應(yīng)級數(shù)n、反應(yīng)頻率因子k0和活化能Ea,確定方法如下。

(1)微生物生長代謝反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的確定。根據(jù)莫諾方程,如圖1所示。當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)量濃度較低時,微生物生長繁殖代謝受營養(yǎng)物質(zhì)量濃度制約,近似遵循一級反應(yīng)規(guī)律,反應(yīng)級數(shù)n=1。

圖1 莫諾方程示意圖

(5)

式中,μ為微生物比生長速度,t-1;μmax為微生物最大比生長速度,t-1;Ks為半飽和常數(shù),mol/L;S為營養(yǎng)物濃度,mol/L。

反應(yīng)頻率因子k0根據(jù)阿倫尼烏斯方程確定為

(6)

其中

k=ln2/t1/2.

式中,k為反應(yīng)速率常數(shù),d-1;k0為反應(yīng)頻率因子,d-1;Ea為活化能,kJ/mol;R為摩爾氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);T為絕對溫度,K;t1/2為營養(yǎng)物濃度半衰期,d。

在微生物生長代謝過程中,不考慮溫度對反應(yīng)速率的影響,活化能Ea=0。

(2)聚合物降解反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的確定。生物聚合物降解反應(yīng)為一級反應(yīng),反應(yīng)級數(shù)n=1,不考慮溫度對降解速率的影響,Ea=0,反應(yīng)頻率因子k0=k,如式(6)所示。

(3)微生物死亡反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的確定。微生物死亡反應(yīng)為一級反應(yīng),反應(yīng)級數(shù)n=1,不考慮溫度對微生物死亡速率的影響,Ea=0,反應(yīng)頻率因子k0=k,如式(6)所示。

(4)微生物降解原油反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的確定。微生物降解原油反應(yīng)符合一級反應(yīng)規(guī)律,反應(yīng)級數(shù)n=1,不考慮溫度變化對反應(yīng)速率的影響,Ea=0,反應(yīng)頻率因子k0=k,反應(yīng)速率常數(shù)與高黏原油質(zhì)量濃度關(guān)系為

-dC/dt=kC.

(7)

對時間積分得:

ln(C0/C)=kt.

(8)

式中,C0和C分別為初始時刻和任意時刻培養(yǎng)液中高黏原油質(zhì)量濃度,g/L。

2 微生物組分運(yùn)移過程及提高采收率機(jī)制的表征方法

2.1 微生物及其代謝產(chǎn)物運(yùn)移過程的表征方法

在CMG數(shù)值模擬軟件中,將微生物自催化反應(yīng)方程得到的微生物及其代謝產(chǎn)物分別定義為溶于水的組分,考慮生長、運(yùn)移、擴(kuò)散、吸附等特性(模型中采取CMG缺省值或試驗(yàn)測定值),即可實(shí)現(xiàn)對微生物及其代謝產(chǎn)物運(yùn)移的模擬計算。

2.2 微生物提高采收率機(jī)制的表征方法

本模型中主要考慮微生物降解原油、生物聚合物和生物表面活性劑對提高采收率的影響[23-24]。

(1)微生物降解原油表征方法:在油藏數(shù)值模擬軟件中,導(dǎo)入微生物降解原油反應(yīng)動力學(xué)方程,并設(shè)置反應(yīng)級數(shù)、反應(yīng)頻率因子和反應(yīng)活化能,控制微生物降解原油速率;根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)資料,確定出微生物降解原油前后所對應(yīng)高黏原油和低黏原油的物性參數(shù),輸入數(shù)值模擬器中,即可實(shí)現(xiàn)對微生物降解原油過程的表征。

(2)生物聚合物提高采收率表征方法:在油藏數(shù)值模擬軟件中,利用聚合物驅(qū)過程向?qū)?輸入生物聚合物的物性參數(shù),包括吸附性、降解性以及生物聚合物的黏濃關(guān)系曲線;導(dǎo)入微生物生長代謝反應(yīng)動力學(xué)方程,并設(shè)置反應(yīng)級數(shù)、反應(yīng)頻率因子和反應(yīng)活化能,控制生物聚合物生成速度和質(zhì)量分?jǐn)?shù),即可實(shí)現(xiàn)對生物聚合物提高采收率的表征。

(3)生物表面活性劑提高采收率表征方法:在油藏數(shù)值模擬軟件中,利用表面活性劑驅(qū)過程向?qū)?輸入生物表面活性劑的物性參數(shù),包括吸附性和生物表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)-界面張力曲線;導(dǎo)入微生物生長代謝反應(yīng)動力學(xué)方程,并設(shè)置反應(yīng)級數(shù)、反應(yīng)頻率因子和反應(yīng)活化能,控制生物表面活性劑生成速度和質(zhì)量分?jǐn)?shù),即可實(shí)現(xiàn)對生物表面活性劑提高采收率的表征。

3 微生物驅(qū)實(shí)例應(yīng)用及驗(yàn)證

3.1 微生物驅(qū)模型建立

基于勝利油田某試驗(yàn)區(qū)油藏數(shù)據(jù),利用CMG數(shù)值模擬軟件,建立一注一采的地質(zhì)概念模型,采用15×15×10的網(wǎng)格系統(tǒng),如圖2所示。

圖2 地質(zhì)概念模型

儲層及流體參數(shù)數(shù)據(jù):油藏尺寸為150 m×150 m×10 m、油藏溫度為60 ℃、油藏頂面深度為1 300 m、地層孔隙度為30%、初始含油飽和度為70%、原油密度為976 kg/m3、油相黏度為84 mPa·s、水相黏度為0.740 7 mPa·s、水平滲透率為400×10-3μm2、垂向滲透率為40×10-3μm2,其他數(shù)據(jù)默認(rèn)CMG缺省值。油水相對滲透率曲線如圖3所示。

圖3 油水相對滲透率曲線

微生物驅(qū)組分?jǐn)?shù)據(jù)包括分子式、相對分子質(zhì)量和產(chǎn)率系數(shù),其具體參數(shù)如表1所示。

表1 微生物驅(qū)組分?jǐn)?shù)據(jù)

微生物反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)包括反應(yīng)級數(shù)、反應(yīng)頻率因子和活化能,其具體參數(shù)如表2所示。

表2 反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)

3.2 微生物驅(qū)參數(shù)敏感性分析

基于所建立的油藏概念模型和微生物反應(yīng)動力學(xué)模型,采用水驅(qū)轉(zhuǎn)微生物驅(qū)轉(zhuǎn)水驅(qū)的驅(qū)替方式,開展微生物驅(qū)提高采收率參數(shù)敏感性研究,包括生物表面活性劑降低界面張力程度、生物聚合物增黏地層水程度、微生物初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物降解原油黏度和微生物驅(qū)注入時機(jī)對提高采收率的影響。

3.2.1 生物表面活性劑降低界面張力程度

研究生物表面活性劑降低油水界面張力至不同值時對微生物驅(qū)提高采收率的影響,結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?當(dāng)油水界面張力大于0.01 mN/m時,隨著油水界面張力的降低,微生物驅(qū)提高采收率的效果明顯。這是由于降低油水界面張力,微生物驅(qū)的洗油效率增大,地層中的殘余油更容易從巖石壁面上被剝離下來,微生物驅(qū)提高采收率的效果越明顯。當(dāng)油水界面張力小于0.01 mN/m時,隨著油水界面張力的降低,微生物驅(qū)提高原油采收率的幅度逐漸減小。這是由于當(dāng)油水界面張力降低到極低時,注入井的近井地帶和主流通道上的高黏度原油幾乎被完全驅(qū)替出來,這加劇了油藏中層內(nèi)矛盾,使后續(xù)水驅(qū)的突進(jìn)現(xiàn)象明顯,大大降低了后續(xù)水驅(qū)的波及系數(shù)。

3.2.2 生物聚合物增黏地層水程度

研究生物聚合物增黏地層水至不同時對微生物驅(qū)提高采收率的影響,模擬結(jié)果如圖5所示。可以看出,隨著生物聚合物增黏地層水的程度增加,微生物驅(qū)提高采收率幅度逐漸增大。這是因?yàn)殡S著地層水的黏度增加,可以有效減小地層水的突進(jìn),動用更多非主流線上未被波及到的剩余油,體積波及系數(shù)增大,微生物驅(qū)提高采收率的幅度逐漸增大。

圖5 地層水增黏與提高采收率關(guān)系

3.2.3 微生物初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)

研究不同微生物初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)對微生物驅(qū)提高采收率的影響,模擬結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?微生物初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在臨界值,當(dāng)初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于臨界值時,微生物死亡速度大于其生長繁殖速度,有益代謝活動和有益代謝產(chǎn)物都極其有限,提高采收率效果不明顯;當(dāng)初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于臨界值時,微生物生長繁殖速度大于其死亡速度,微生物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠在相對短的時間內(nèi)迅速增加,產(chǎn)生豐富的有益代謝產(chǎn)物和劇烈的有益代謝活動,提高采收率效果明顯。但隨著初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加,提高采收率程度不再變化,這是因?yàn)樽罱K的微生物量取決于所注入的營養(yǎng)物和氧氣量的多少,故微生物初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加,其提高采收率程度也不再增加。

圖6 微生物初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)與提高采收率關(guān)系

3.2.4 微生物降解原油黏度

研究微生物降解原油黏度對微生物驅(qū)提高采收率的影響,模擬結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?隨著微生物降解原油黏度程度增大,微生物驅(qū)提高采收率程度逐漸增大,基本呈正相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)殡S著原油黏度的降低,原油的流動能力逐漸增強(qiáng),水油流度比逐漸減小,地層水突進(jìn)現(xiàn)象得到抑制,體積波及系數(shù)增大,提高采收率程度逐漸增大。

圖7 原油降黏程度與提高采收率關(guān)系

3.2.5 微生物驅(qū)注入時機(jī)

在不同含水率時進(jìn)行微生物驅(qū),分析不同注入時機(jī)對微生物驅(qū)提高采收率的影響,模擬結(jié)果如圖8所示。可以看出,越晚進(jìn)行微生物驅(qū)替,其提高采收率幅度越小。這是因?yàn)楫?dāng)含水率過高時,油藏中高滲通道已經(jīng)發(fā)育,主流線上剩余油飽和度已經(jīng)非常低,微生物降解原油、生物表面活性劑降低界面張力和生物聚合物增黏地層水的作用空間非常有限。

圖8 注入時機(jī)與提高采收率關(guān)系

3.3 微生物驅(qū)運(yùn)移規(guī)律及驅(qū)油性能

根據(jù)所建立的地質(zhì)模型和微生物反應(yīng)動力學(xué)模型,進(jìn)行微生物驅(qū)數(shù)值模擬,其微生物組分運(yùn)移及驅(qū)油效果如圖9所示。

圖9 微生物組分運(yùn)移及驅(qū)油效果

由圖9可以看出:微生物驅(qū)替0.2VP后,油藏中微生物已經(jīng)被激活,最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2.5%;油藏中產(chǎn)生大量生物表面活性劑,最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.6%,隨著后續(xù)水驅(qū)的進(jìn)行,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸被稀釋;地層中產(chǎn)生大量的生物聚合物,最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.8%,由于生物聚合物半衰期短,隨著后續(xù)水驅(qū)的進(jìn)行,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速降低;地層水增黏明顯,但由于聚合物的運(yùn)移和分解,在后續(xù)水驅(qū)過程中,黏度恢復(fù)正常;地層原油黏度下降明顯,注入井附近原油黏度降低約20%;地層中產(chǎn)生高飽和度含油帶,隨著后續(xù)水驅(qū)進(jìn)行,高飽和度含油帶聚集增大,向生產(chǎn)井推進(jìn)。

3.4 現(xiàn)場應(yīng)用

勝利油田某試驗(yàn)區(qū)塊油藏埋深1 240 m,地層孔隙度為0.30,平均滲透率為352×10-3μm2,油層溫度為63 ℃,地層水礦化度為600～1 000 mg/L,適合微生物生長、繁殖和代謝。該試驗(yàn)區(qū)塊油藏含油面積為1.5 km2,地質(zhì)儲量為202萬t,微生物驅(qū)試驗(yàn)前采出程度為21.36%,含水率高達(dá)89.1%。對該試驗(yàn)區(qū)塊5口注水井進(jìn)行微生物驅(qū)先導(dǎo)性試驗(yàn),分析油藏水樣中微生物組成及代謝產(chǎn)物的種類,基于所建立的微生物驅(qū)反應(yīng)動力學(xué)模型及數(shù)值模擬方法,進(jìn)行微生物驅(qū)方案優(yōu)化設(shè)計和效果預(yù)測,最優(yōu)注入方案為營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%、液氣比1∶12、注入量0.03VP,預(yù)測2 a累增油量為2.72萬t,實(shí)際累增油量為2.76萬t?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明,所建立的微生物驅(qū)反應(yīng)動力學(xué)模型能夠合理描述微生物驅(qū)提高采收率過程,準(zhǔn)確預(yù)測微生物驅(qū)提高采收率效果,為微生物采油現(xiàn)場方案設(shè)計和實(shí)施提供可靠的理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)微生物降解原油的程度越大,微生物驅(qū)提高采收率的程度越大;生物聚合物增黏地層水的程度越大,微生物驅(qū)提高采收率的程度越大;油藏微生物初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在臨界值,大于臨界值,微生物驅(qū)才能取得較好的提高采收率效果;微生物降低表面張力的程度存在最佳值,過高或過低均不利于發(fā)揮微生物驅(qū)油性能。

(2)建立的油藏微生物驅(qū)反應(yīng)動力學(xué)模型及數(shù)值模擬方法能夠合理描述和表征油藏微生物驅(qū)生長代謝過程和提高采收率關(guān)鍵機(jī)制,是一種實(shí)用的微生物驅(qū)數(shù)值模擬方法,可以實(shí)現(xiàn)對微生物驅(qū)油方案的優(yōu)化設(shè)計和指標(biāo)預(yù)測,從而為微生物采油現(xiàn)場方案實(shí)施提供可靠的理論依據(jù)。