塞169低滲透油藏微生物活化水驅(qū)機(jī)理及群落分布規(guī)律

莊 建，陸燦陽，張 旭，楊文軍，袁維彬

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 西安 710200；2.重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

0 引 言

目前，中國(guó)大部分油田處于高含水階段，含水率達(dá)到80%以上，采出程度為30.00%～50.00%[1-2]，而低滲透水驅(qū)油藏平均采收率僅為20.5%[3]，具有提高采收率的潛力，微生物驅(qū)就是提高低滲透油藏采收率的一種重要方法。針對(duì)微生物驅(qū)油的機(jī)理，相關(guān)學(xué)者主要從微生物的生長(zhǎng)機(jī)制、代謝活動(dòng)和代謝產(chǎn)物方面來進(jìn)行了研究，目前公認(rèn)的機(jī)理包括降低原油黏度、溶解巖心和降低巖心滲透率等[5-6]，但不同油藏的地質(zhì)特征、流體性質(zhì)等存在差異，微生物驅(qū)油的機(jī)理可能不同，每種機(jī)理作用程度也可能不同。美國(guó)能源部和俄羅斯國(guó)家科學(xué)院生物研究所提出適合微生物驅(qū)油技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，在滲透率方面均要求滲透率超過50.00 mD，最優(yōu)應(yīng)超過150.00 mD[7]；黃立信等[8]分析認(rèn)為大慶外圍低滲透油藏(8.00～600.00 mD)水驅(qū)和聚合物驅(qū)后還有大量的具有潛力的微生物群落；徐婷[9]、韓春春等[10]認(rèn)為不同的油藏中存在不同的微生物菌群。因此，針對(duì)長(zhǎng)慶油田塞169非均質(zhì)低滲透油藏，通過研究微生物活化水驅(qū)過程中微生物的代謝產(chǎn)物、驅(qū)油效率、群落分布規(guī)律，探索滲透率低于50.00 mD的非均質(zhì)油藏微生物活化水驅(qū)油機(jī)理及微生物群落分布規(guī)律。

1 油藏概況

塞169區(qū)塊位于陜西省延安市安塞縣境內(nèi)，為典型構(gòu)造-巖性油藏，通過老井復(fù)產(chǎn)逐年滾動(dòng)開發(fā)，目前動(dòng)用含油面積為12.51 km2，石油地質(zhì)儲(chǔ)量為809.32×104t。主要開發(fā)延82、延91、延92層，沉積微相為三角洲前緣水下分流河道，油層平均厚度為7.6 m，儲(chǔ)層孔隙度為18.0%，滲透率主要為0.34～132.80 mD，平均為19.00 mD，非均質(zhì)性強(qiáng)。

塞169區(qū)塊于2001年投入開發(fā)，2001年至2003年4月依靠自然能量開采，2003年5月開始實(shí)施注水開發(fā)，采用不規(guī)則反七點(diǎn)面積井網(wǎng)，井網(wǎng)密度為14.6口/km2，單井控制可采儲(chǔ)量約為1.62×104t/口，平均井距約為200 m。試驗(yàn)區(qū)位于塞169區(qū)中部，油井共68口，開井65口，日產(chǎn)液為312.0 m3/d，日產(chǎn)油為85.0 t/d，綜合含水為71.1%；注水井共26口，開井24口，日注水為308.0 m3/d，平均單井日注水為13.0 m3/d，月注采比為0.71。采油速度為1.38%，采出程度為16.97%。

塞169區(qū)塊目前水驅(qū)開發(fā)的主要問題：①區(qū)塊進(jìn)入高含水開發(fā)期，67%的井單井日產(chǎn)油量小于1.5 t/d，55%的井含水率大于60.0%，水驅(qū)開發(fā)穩(wěn)產(chǎn)難度大；②縱向滲透率非均質(zhì)性強(qiáng)，中、高水淹層相間分布，厚度較薄，常規(guī)改造措施不能提高洗油效率，水驅(qū)挖潛調(diào)整難度大，預(yù)測(cè)水驅(qū)采收率僅為27.5%。

2 微生物驅(qū)油機(jī)理

對(duì)比塞169區(qū)塊油藏條件與國(guó)內(nèi)外相關(guān)微生物驅(qū)標(biāo)準(zhǔn)(表1)可知，塞169區(qū)塊油藏溫度、地層水pH值、地層水礦化度等參數(shù)均符合微生物驅(qū)推薦標(biāo)準(zhǔn)[4,11]，但油藏平均滲透率遠(yuǎn)低于推薦的50.00 mD。因此，需要通過代謝產(chǎn)物、驅(qū)油效果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證塞169區(qū)塊微生物驅(qū)的適應(yīng)性。

表1 塞169區(qū)塊油藏微生物驅(qū)油參數(shù)對(duì)比

采出水經(jīng)過地面裝置后進(jìn)入擴(kuò)培池，加入微生物進(jìn)行微生物繁殖擴(kuò)培，產(chǎn)生微生物活化水。該擴(kuò)培池內(nèi)菌液的物質(zhì)含量隨著培養(yǎng)時(shí)間、菌種濃度等條件發(fā)生改變。分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)注水站3個(gè)微生物擴(kuò)培池注入水進(jìn)行2次取樣(間隔1個(gè)月)，采用平板計(jì)數(shù)法測(cè)得菌液含量為1.87×106～4.47×106個(gè)/mL。在此基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲取擴(kuò)培池中微生物代謝產(chǎn)物的種類和質(zhì)量濃度，分析潛在的有利驅(qū)油因素，并結(jié)合巖心和微觀薄片觀察，分析微生物活化水驅(qū)油效果。

2.1 代謝產(chǎn)生生物表面活性劑

脂類具有乳化原油和降低油水界面張力的能力，包括糖脂、脂肽等[12]。分別將3個(gè)微生物擴(kuò)培池中的菌液樣品中加入乙酸酐，先利用二氯甲烷萃取，再用甲苯萃取菌液中的脂類化合物。通過氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析可知，3個(gè)擴(kuò)培池中含有苯甲酸甲酯、鄰苯二甲酸二丁酯等5種脂類化合物，質(zhì)量濃度為1.57～4.98 mg/L(表2)，表明微生物活化水中產(chǎn)生了一定量的酯類化合物，對(duì)驅(qū)油具有積極的作用。

表2 各擴(kuò)培池脂類質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)

第1次取樣擴(kuò)培池前后端油水界面張力分別為0.54、0.16 mN/m，第2次調(diào)整加藥質(zhì)量濃度后，取樣擴(kuò)培池前后端油水界面張力分別為0.47、0.33 mN/m，油水界面張力分別降低了70%和30%，表明微生物驅(qū)降低表面張力作用明顯。

2.2 代謝產(chǎn)生有機(jī)酸

酸類包括無機(jī)酸(硫酸、硝酸等)、短鏈有機(jī)酸(甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等)、長(zhǎng)鏈有機(jī)酸，由于微生物活化水中無機(jī)酸含量極少，此次研究不考慮無機(jī)酸。短鏈有機(jī)酸采用氣相色譜法分析[13]，而長(zhǎng)鏈有機(jī)酸是將菌液樣品離心過濾后，加入衍生化試劑進(jìn)行衍生化處理，再進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜分析。3個(gè)擴(kuò)培池中共檢測(cè)出23種長(zhǎng)鏈、短鏈有機(jī)酸，質(zhì)量濃度為108.34～133.61 mg/L(表3、4)。說明微生物活化水中產(chǎn)生了大量的酸類化合物，對(duì)改善剩余油的流動(dòng)性具有積極的作用。

表3 各擴(kuò)培池短鏈有機(jī)酸分析統(tǒng)計(jì)

表4 各擴(kuò)培池長(zhǎng)鏈有機(jī)酸分析統(tǒng)計(jì)

第1次檢測(cè)擴(kuò)培池系統(tǒng)前后端水樣pH值分別為8.23、7.85，第2次檢測(cè)前后端水樣pH值分別為8.50、8.27，表明加入微生物后的溶液pH值降低，溶液酸性增強(qiáng)，可以溶解油藏多孔介質(zhì)中大量沉淀的碳酸鹽，增加孔隙度，提高滲透率，有助于改善地層原油的流動(dòng)環(huán)境。

2.3 代謝產(chǎn)生生物氣

微生物能以原油為唯一碳源生長(zhǎng)，并在生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生大量生物氣(二氧化碳、氫氣、氮?dú)?、甲烷、乙烷、丙烷?[9]。通過對(duì)3個(gè)擴(kuò)培池的樣品進(jìn)行血清瓶培養(yǎng)，達(dá)到生長(zhǎng)穩(wěn)定期后，抽取瓶?jī)?nèi)氣體進(jìn)行氣相色譜分析。檢測(cè)結(jié)果表明：微生物代謝產(chǎn)生了二氧化碳、乙烷和丙烷3種生物氣體，含量為18～38 mL/L(表5)。這些氣體具有增加地層壓力、促使原油體積膨脹、降低原油黏度、改變微觀波及體積等作用，可以改變油藏的滲流條件。

表5 各擴(kuò)培池產(chǎn)生生物氣統(tǒng)計(jì)

2.4 代謝產(chǎn)生生物聚合物

通過實(shí)驗(yàn)分析及塞169區(qū)塊微觀驅(qū)油鏡下顯微成像(圖1)可知，微生物代謝產(chǎn)生的生物聚合物、多糖類等物質(zhì)使得微生物驅(qū)具有乳化攜帶的拖拽作用、啟動(dòng)剩余油的海綿效應(yīng)、剝離油膜的拉絲作用，提高了驅(qū)油效率，增大了波及體積，具有良好的微觀驅(qū)油效果。

圖1 微生物代謝產(chǎn)生聚合物的驅(qū)油機(jī)理

拖拽作用的機(jī)理：隨水相運(yùn)移的菌體在油水界面處滯留聚集并在原位產(chǎn)生生物表面活性劑等代謝產(chǎn)物，降低界面張力，破壞了剩余油表面的堅(jiān)固水膜，降低殘余油內(nèi)聚力，將油滴表面向水流動(dòng)方向拉伸、變形，直至斷裂成小油滴，最終被采出。

海綿效應(yīng)的機(jī)理：微生物產(chǎn)生的生物聚合物有優(yōu)良的剪切穩(wěn)定性和剪切變稀性能，更容易通過低滲透層，使得簇狀剩余油的平衡被打破，增大了掃油面積，提高了水驅(qū)效率。微生物溶液的海綿效應(yīng)使其能在孔隙中膨脹、收縮，并將孔隙邊緣的油排出來。

拉絲作用的機(jī)理：菌體原位產(chǎn)生的生物表面活性劑使油水界面張力降低，殘余油膜流動(dòng)能力增強(qiáng)，鏡下觀察油膜變薄，剝離的油在法向應(yīng)力作用下不斷形成穩(wěn)定的“油絲”，從油膜上脫落，隨水流動(dòng)，隨驅(qū)替過程被驅(qū)出。

3 研究區(qū)微生物驅(qū)的可行性研究

對(duì)塞169區(qū)塊5塊滲透率為13.60～1 160.00 mD的巖心開展水驅(qū)轉(zhuǎn)微生物驅(qū)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)驅(qū)替效果(表6)。由表6可知，巖心水驅(qū)效率為37.18%～55.76%，水驅(qū)轉(zhuǎn)微生物驅(qū)的最終驅(qū)油效率為47.46%～66.33%，驅(qū)油效率提高5.46～11.93個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)合微生物驅(qū)的驅(qū)油機(jī)理，認(rèn)為微生物驅(qū)在塞169區(qū)塊低滲透率(小于50.00 mD)油藏具有可行性。

表6 巖心微觀驅(qū)油效率

從微生物代謝產(chǎn)物和微觀驅(qū)油效果來看，塞169井區(qū)微生物驅(qū)油的主要機(jī)理為產(chǎn)生生物表面活性劑，降低油水界面張力；產(chǎn)生有機(jī)酸，起到酸化儲(chǔ)層作用；產(chǎn)生少量生物氣，使原油膨脹更容易流動(dòng)，驅(qū)油效率提高顯著，說明微生物活化水提高局部低滲區(qū)的驅(qū)油效率效果較好，在平均滲透率為19 mD的塞169區(qū)塊是適應(yīng)的。

4 現(xiàn)場(chǎng)效果

優(yōu)選塞169區(qū)塊主力開發(fā)區(qū)域的33口注水井和95口生產(chǎn)井開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，覆蓋石油地質(zhì)儲(chǔ)量為547.4×104t，年產(chǎn)油規(guī)模為4.0×104t/a。方案設(shè)計(jì)為：在擴(kuò)培裝置中加入微生物及營(yíng)養(yǎng)劑，通過地面注水系統(tǒng)注入油層，設(shè)計(jì)注入量為0.2倍孔隙體積，注入周期約9 a。目前，微生物日配注量為450 m3/d，日注入量為379 m3/d，日注入營(yíng)養(yǎng)劑600 kg/d，營(yíng)養(yǎng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.13%。

自2020年8月開始注入，注入3個(gè)月內(nèi)區(qū)域整體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，含水平穩(wěn)。截至2020年12月底有5口生產(chǎn)井見效。其中，3口井主要表現(xiàn)為含水穩(wěn)定，日產(chǎn)液量上升；2口井表現(xiàn)為含水下降，產(chǎn)液量穩(wěn)定。注水井注入壓力整體呈上升趨勢(shì)，平均油壓從6.1 MPa升至6.3 MPa，其中8口井壓力上升，3口井壓力下降，初步見效。

5 微生物群落分布規(guī)律

注入地層中的微生物活化水在油藏環(huán)境中不斷繁殖生長(zhǎng)，通過微生物群落分布規(guī)律的研究可以了解微生物菌群分布特征，研究油藏中優(yōu)勢(shì)菌群的生長(zhǎng)規(guī)律，為評(píng)價(jià)微生物活化水驅(qū)油提供微生物理論依據(jù)。微生物群落的分析主要從功能基因濃度的定量分析和多樣性分析2個(gè)方面進(jìn)行。

5.1 功能基因定量檢測(cè)分析

采用相關(guān)引物，利用熒光PCR定量分析法分別對(duì)塞169區(qū)塊14口油井2次井液中的16S(細(xì)菌)、Arch(古菌)和mcrA(產(chǎn)甲烷菌)基因含量進(jìn)行定量檢測(cè)分析，檢測(cè)結(jié)果見表7。由表7可知：第1次檢測(cè)(2020年9月3日)時(shí)各井液中的細(xì)菌、古菌和產(chǎn)甲烷菌數(shù)量分布差異較大，細(xì)菌基因數(shù)量為4.92×104～3.89×108copies/g，單井平均為2.51×106copies/g；古菌基因數(shù)量為9.65×103～2.11×106copies/g，單井平均為1.17×106copies/g；產(chǎn)甲烷菌基因數(shù)量為1.05×102～3.64×104copies/g，單井平均為3.62×103copies/g。第2次檢測(cè)(10月18日)時(shí)井液中3種菌的基因數(shù)量整體明顯增大，井間差異明顯減小，細(xì)菌含量平均增加5.1倍，古菌含量平均增加70%，產(chǎn)甲烷菌含量平均增加37.5倍。分析原因?yàn)椋阂环矫骐S著菌液注入地層，各菌種在油藏環(huán)境中不斷繁殖，功能基因總體濃度增加；另一方面除個(gè)別井外，隨著菌液在儲(chǔ)層孔隙中的流動(dòng)，相互平衡，各井間功能基因濃度差異減小，并逐漸趨于一致。

表7 油井中2次功能基因檢測(cè)對(duì)比

5.2 微生物多樣性分析

基于Illumina HiSeq測(cè)序平臺(tái)，利用雙末端測(cè)序(Paired-End)方法，構(gòu)建小片段文庫進(jìn)行測(cè)序，分析微生物活化水注入油藏后微生物的群落組成，以便分析有利于驅(qū)油的菌類分布規(guī)律。由樣本DNA提取測(cè)序分析結(jié)果可知，提取運(yùn)算的分類單位(OTU)。數(shù)目最多的為新37-36井，共460個(gè)；最少的為新44-34井，共182個(gè)，平均為288個(gè)。OTU樣本中的細(xì)菌共有25門、48綱、104目、65科、286屬、316種。

由優(yōu)勢(shì)菌屬分布(圖2)可知：伯克霍爾德菌屬在11口井中含量超過30%，在所有的樣品中均能檢測(cè)到；弓形桿菌屬在6口井中含量超過30%。各菌屬分布比例差異大，新35-35井中可檢測(cè)到的菌屬種類最多。微生物菌落結(jié)構(gòu)多樣性分析表明：新35-35井的微生物菌落最具有多樣性，微生物種類數(shù)量多且分布均勻；新44-34井多樣性程度最差。總體來看，塞169油藏微生物多樣性顯著，在油藏高溫、高壓、高鹽的極端環(huán)境中，各種微生物的直接驅(qū)油作用和代謝產(chǎn)物的驅(qū)油作用將有利于區(qū)塊采收率的提高。

圖2 各井樣中微生物菌屬分布

5.3 微生物群落分布差異性分析

基于Beta多樣性對(duì)樣品進(jìn)行層次聚類分析，以判斷各樣品間物種組成的相似性。樣品層次聚類樹如圖3所示，樣品越接近，枝長(zhǎng)越短，說明2個(gè)樣品的物種組成越相似。由圖3可知：新37-36、新37-37、新35-37井之間微生物菌落結(jié)構(gòu)多樣性差異最小，新40-39、新36-35、新45-35、新41-35、新38-38井結(jié)構(gòu)相似，新44-34、新36-36井相差最大。

圖3 樣品層次聚類樹

微生物群落分布的差異性與油藏局部環(huán)境(例如油藏溫度、壓力、深度、孔隙度和滲透率)有關(guān)。在塞169區(qū)塊中，取樣井的平面距離較近，油藏溫度和壓力接近，部分井的孔隙度、滲透率、油藏流體分布及射孔層段與其他井差異，可能會(huì)對(duì)微生物的運(yùn)移速度和代謝過程帶來影響。通常情況下，注入的外源微生物需要在一定大小的巖石孔隙中才能進(jìn)行有效生長(zhǎng)和繁殖，同時(shí)還需要油藏微生物在孔隙中具有合適的運(yùn)移速度，而巖石孔隙越小、滲透率越低越不利于微生物向油藏深部運(yùn)移。由前文可知，新38-35、新39-37、新45-35等7口井細(xì)菌數(shù)量小于105 copies/g，新33-34、新34-33、新36-36等6口井的細(xì)菌種類與其他井差異較大，而由塞169區(qū)塊沉積相、孔隙度和滲透率分布(圖4)

圖4 安塞油田169井區(qū)延913砂層孔隙度和滲透率分布

可知，這些井主要位于河道砂體的邊緣上孔隙度和滲透率相對(duì)較低的區(qū)域，說明在非均質(zhì)較強(qiáng)的油藏中，微生物注入后在油藏中的分布與油藏物性尤其是滲透率密切相關(guān)。因此，若在非均質(zhì)性較強(qiáng)的油藏中開展微生物驅(qū)，需要注采井之間以及采油井周圍具有較好的連通孔隙。

縱向上，微生物群落差異還與注采層位密切相關(guān)。由新33-35—新36-36注采剖面可知：新36-36、新34-33井在延913砂層射孔，新33-34井在延911—延922砂層射孔，塞169區(qū)塊其他井主要在延911—延913砂層射孔，這3口井的細(xì)菌種類與其他井差異較大，表明縱向上各層段油藏溫度壓力、物性以及地層水體分布等差異會(huì)導(dǎo)致井中微生物的種類存在較大的差異。

6 結(jié) 論

(1) 塞169低滲透油藏微生物活化水驅(qū)的代謝產(chǎn)物主要為大量的脂類表面活性劑、有機(jī)酸以及少量的生物氣，同時(shí)還代謝出部分生物聚合物，生物聚合物的微觀驅(qū)油作用主要為拖拽作用、海綿效應(yīng)和拉絲作用，水驅(qū)后微生物驅(qū)能增加驅(qū)油效率5.46%～11.93%。

(2) 隨著微生物活化水不斷注入，采油井井液中細(xì)菌、古菌和產(chǎn)甲烷菌3種菌的基因數(shù)量總體增加，各井間微生物濃度分布差異逐漸減小。

(3) 塞169低滲透油藏各井間微生物群落差異在平面上主要與油藏物性尤其是滲透率密切相關(guān)，在縱向上與注采層位存在一定的關(guān)系。

(4) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明塞169低滲透油藏微生物活化水驅(qū)后含水下降，日產(chǎn)液量上升，注入壓力整體上升，初步見效。