田會(huì)梅，高配科，代學(xué)成，李　彥，王燕森，王紅波，李國強(qiáng)，馬　挺

（1.南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院分子微生物學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300071；2.新疆油田實(shí)驗(yàn)檢測研究院，新疆克拉瑪依834000）

新型稠化緩釋營養(yǎng)劑的優(yōu)化及其驅(qū)油潛力評(píng)價(jià)

田會(huì)梅1，高配科1，代學(xué)成2，李彥1，王燕森1，王紅波2，李國強(qiáng)1，馬挺1

（1.南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院分子微生物學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300071；2.新疆油田實(shí)驗(yàn)檢測研究院，新疆克拉瑪依834000）

基于當(dāng)前內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)研發(fā)和礦場應(yīng)用現(xiàn)狀，開發(fā)能夠提供并延緩釋放微生物營養(yǎng)、調(diào)堵高滲透層雙重作用的新型激活劑體系，從而解決內(nèi)源微生物驅(qū)油過程中營養(yǎng)劑隨驅(qū)替液過快采出的問題。物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)表明，該稠化緩釋營養(yǎng)劑能夠顯著激活內(nèi)源微生物和功能菌群，使總體菌密度提升2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，并聯(lián)填砂管巖心驅(qū)油效率提高21.8%，單只巖心最大提高約53.7%，具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。該研究對(duì)內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)的應(yīng)用具有參考價(jià)值。

內(nèi)源微生物驅(qū)油；物理模擬實(shí)驗(yàn)；稠化緩釋營養(yǎng)劑；驅(qū)油效率

石油資源是一種不可再生資源，目前主要的驅(qū)油技術(shù)有注水驅(qū)油技術(shù)、化學(xué)驅(qū)油技術(shù)和微生物驅(qū)油技術(shù)，其中微生物驅(qū)油技術(shù)具有低成本性、環(huán)境友好性、高適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)源微生物采油技術(shù)是通過激活油藏中的微生物，利用其本身及其代謝活動(dòng)來提高原油采收率的一項(xiàng)綜合性技術(shù)［1］。自從內(nèi)源微生物驅(qū)油現(xiàn)場實(shí)施以來，油井采出液含水上升的現(xiàn)象得到有效抑制［2］，但仍存在營養(yǎng)劑隨驅(qū)替液過快采出、增油量不明顯等現(xiàn)象。激活內(nèi)源微生物所用的培養(yǎng)基具有快速激活微生物的特點(diǎn)，但是由于培養(yǎng)基中所使用的是速效碳源，溶液的黏度很低，所以目前所用營養(yǎng)劑具有快速流出并且時(shí)效性較短的缺點(diǎn)。此外，激活劑在礦場注劑過程中迅速隨采出液被采出，這表明:①油藏地下存在水驅(qū)推進(jìn)速度快的大孔道或水淹層，非均質(zhì)性嚴(yán)重［3］；②營養(yǎng)劑可能未波及殘余油較多的低滲透層，而這部分內(nèi)源微生物可能未被激活。

為此，本研究對(duì)試驗(yàn)油藏孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具體分析，開展了新型稠化并緩釋的營養(yǎng)劑篩選實(shí)驗(yàn)，以解決之前營養(yǎng)劑時(shí)效性短和黏度低的問題，達(dá)到長效激活內(nèi)源微生物的目的。稠化緩釋營養(yǎng)劑是稠化劑和緩釋劑按一定比例配伍成的新型激活劑體系，具有提供并延緩釋放微生物營養(yǎng)和調(diào)堵高滲透層雙重作用的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該營養(yǎng)劑還具有以下特點(diǎn):一定的黏度；良好的假塑性；可攜帶顆粒狀緩釋激活劑進(jìn)入地層；可被部分內(nèi)源微生物降解，生成的還原性單糖可激活大量的內(nèi)源微生物。

本研究中，筆者在優(yōu)化的激活劑基礎(chǔ)上，對(duì)稠化緩釋營養(yǎng)劑的流變性能和溶液增黏性能進(jìn)行了分析，通過對(duì)地層水中微生物激活實(shí)驗(yàn)和物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)［4-5］，對(duì)其驅(qū)油效率和激活內(nèi)源微生物機(jī)理進(jìn)行研究，以期為內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

1.1.1實(shí)驗(yàn)材料

原油和地層水均來自于新疆油田六中區(qū)塊T6195油井，取出并密封后于4℃低溫保存。六中區(qū)油藏的溫度為22.6℃，原油為脫水原油，黏度33.1 mPa·s（LVDV-Ⅲ，6轉(zhuǎn)，0號(hào)轉(zhuǎn)子，22℃）；地層水是油水分離后去除原油的水，地層水為NaHCO3型。

1.1.2生化材料

（NH4）2HPO4、NaNO3、葡萄糖、Na2SO4、MgSO4、 NaCl，均為分析純；蛋白胨、糖蜜粉，生化試劑；生物多糖，石油級(jí)；纖維素顆粒（75 μm），以上生化材料均為市售。

1.1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備

SBA-40C型生物傳感分析儀，山東省科學(xué)院生物研究所；黏度計(jì)、Master Cycler梯度PCR儀，Eppendorf公司；Bio-Rad實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀、GelDoc 2000凝膠成像系統(tǒng)，Bio-Rad公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1纖維素劑降解性能實(shí)驗(yàn)

在250 mL三角瓶中加入1%纖維素顆粒，實(shí)驗(yàn)組（E）中添加100 mL地層水，對(duì)照組（C）添加100 mL蒸餾水，其中實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組均設(shè)6組，每組3個(gè)平行，22℃條件下120 r/min搖床培養(yǎng)30 d，每隔5 d取一組，將發(fā)酵液在5 000 r/min離心10 min，去掉上清，稱量并計(jì)算出平均沉淀的質(zhì)量，分別將實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組設(shè)為EX和CX，通過計(jì)算EX/CX× 100%，得出纖維素的降解速率。

發(fā)酵液中葡萄糖的含量測定按照SBA-40C型生物傳感分析儀說明書進(jìn)行，每次進(jìn)樣量設(shè)為20 μL，3個(gè)平行，計(jì)算平均值。

1.2.2物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)條件

①填砂管巖心:其大小為（2.5～4.5）×（30～44 cm），其滲透率（Kg）分別為0.5、1.0和2.0 μm2。②試驗(yàn)溫度:22℃。③驅(qū)油段塞:六中區(qū)T6195井產(chǎn)出水配制。④注入速率:1 mL/min。⑤激活配方（g/L）:稠化緩釋營養(yǎng)劑5+糖蜜粉5+（NH4）2HPO41+NaNO33。

1.2.3物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)程序

測巖心氣相滲透率→巖心抽真空飽和地層水→測水相滲透率→巖心造束縛水（飽和度20%）→飽和原油→老化3 d→水驅(qū)至含水98%→注段塞→關(guān)閉模型恒溫培養(yǎng)7 d→后續(xù)水驅(qū)至含水率大于98%，同時(shí)測量出口端產(chǎn)氣量（如計(jì)量管無法計(jì)量時(shí)，分批次計(jì)量累加）。

1.2.4物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)方案

1）激活配方注入量優(yōu)化（PV，porous volum，孔隙體積）

A、注入0.2 PV激活劑，0.5 μm2和2 μm2并聯(lián)；B、注入0.4 PV激活劑，0.5 μm2和2 μm2并聯(lián)。

2）最佳注入量下的驅(qū)油效果評(píng)價(jià)

C、最佳注入量激活劑，1.0 μm2和2 μm2巖心并聯(lián)（低滲C1，高滲C2）；D、最佳注入量激活劑，1支0.5 μm2單巖心（低滲）；E、最佳注入量激活劑，1支2 μm2單巖心（高滲）。

1.2.5驅(qū)替液樣品采集及基因定量

收集并檢測注入前及培養(yǎng)后水驅(qū)約10 mL的驅(qū)替液，分別標(biāo)記為A、B、C1、C2、D、E、CK，提取基因組，應(yīng)用實(shí)時(shí)熒光定量PCR［6-7］的方法檢測驅(qū)替液中總菌、烴氧化菌（hydrocarbon-oxidizing bacteria，HOB）以及硫酸鹽還原菌（sulfate-reducing bacteria）的豐度變化（表1），厭氧發(fā)酵菌（fermentation bacteria，F(xiàn)MB）的豐度變化通過細(xì)菌測試瓶法檢測。測試瓶檢測是利用絕跡稀釋原理對(duì)細(xì)菌進(jìn)行定量的一種方法［8］，通過將樣品在測試瓶中進(jìn)行逐步稀釋，每個(gè)稀釋度設(shè)2個(gè)平行，并觀察在不同稀釋度下FMB的生長狀況，按照二次重復(fù)測數(shù)統(tǒng)計(jì)表計(jì)算FMB的具體數(shù)量。

表1　功能菌熒光定量所用引物、PCR擴(kuò)增體系與擴(kuò)增條件Table 1 Primers information，amplified protocols and conditions used in quantification of bacteria

圖1　纖維素降解曲線Fig.1 Curves of cellulose degrading

2　結(jié)果與討論

2.1稠化緩釋營養(yǎng)劑的性能研究

2.1.1緩釋營養(yǎng)劑的組成

新型稠化緩釋營養(yǎng)劑為粉劑制品，主要由生物多糖、纖維素顆粒（75 μm）和礦物質(zhì)（N、P）按一定比例配伍組成。生物多糖是一類由微生物代謝產(chǎn)生的多聚糖，具有高黏度以及良好的懸浮性，可同時(shí)作為懸浮劑和激活劑。纖維素是一種是由葡萄糖組成的大分子多糖，不溶于水和一般的有機(jī)溶劑，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，因此經(jīng)常被用作調(diào)剖劑［9］，選擇性封堵油藏地層的大孔道。此外，纖維素隨注入水進(jìn)入油藏地層后會(huì)被嗜纖維菌以及食酸菌等降解利用，其降解產(chǎn)物可作為碳源激活地層深處微生物，是一種理想的緩釋營養(yǎng)劑，其緩釋作用如圖1所示。由圖1可知:纖維素降解發(fā)生在第15天之后，但是葡萄糖的含量上升發(fā)生在第20天之后，而且上升的幅度相較纖維素的降解量來說很小，這主要是由于生成的單糖多被油藏內(nèi)源微生物利用，因此發(fā)酵液中檢測到的殘?zhí)橇亢艿汀?/p>

2.1.2稠化緩釋營養(yǎng)劑配伍實(shí)驗(yàn)

在100 mL的蒸餾水中加入0.50、1.00 g/L的纖維素顆粒，在0.05、0.10、0.15和0.20 g/L的生物多糖的質(zhì)量濃度下，觀察纖維素顆粒在2 h內(nèi)的沉降狀況，每組配伍比例設(shè)定3個(gè)平行，以0 h和2 h后量筒底部沉降的纖維素顆粒的平均厚度（cm）為指標(biāo)，確定兩者的最優(yōu)配伍比例，結(jié)果見表2。由表2可知，0.20 g/L的生物多糖和0.50 g/L的纖維素顆?；炫鋺腋⌒Ч詈?，經(jīng)過2 h的沉降之后，纖維素顆粒沉淀最少，因此確定該稠化緩釋營養(yǎng)劑中生物多糖和纖維素顆粒的配伍比例為（1∶2.5）。

表2　生物多糖和纖維素顆粒的混配對(duì)沉降的影響Table 2 Effects of polysaccharide concentrations and cellulose particles on sedimentation

2.1.3稠化緩釋營養(yǎng)劑的黏度性能

常溫下，以六中區(qū)地層水配制不同濃度的稠化緩釋營養(yǎng)劑，在22℃、61號(hào)轉(zhuǎn)子下，轉(zhuǎn)速為50 r/min的條件下檢測不同濃度稠化緩釋營養(yǎng)劑的黏度變化，結(jié)果見圖2。由圖2可知:稠化緩釋營養(yǎng)劑濃度與溶液黏度成正相關(guān)性，當(dāng)稠化營養(yǎng)劑質(zhì)量濃度為6 g/L時(shí)，溶液黏度接近200 mPa·s，并且隨濃度的升高呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。稠化緩釋營養(yǎng)劑在油田注水開發(fā)中作為驅(qū)替相，其黏度升高可以顯著降低油水相流度比，從而提高驅(qū)替相的波及體積，使得營養(yǎng)劑能夠滲透到油藏儲(chǔ)層中的低滲層，有效地激活這部分儲(chǔ)層中的微生物，解決了營養(yǎng)劑隨注入水迅速流出的難題，在提高原油采收率過程中具有重要意義。

圖2　稠化緩釋營養(yǎng)劑含量與溶液黏度關(guān)系Fig.2 Relationship between gelled slow-release nutritional agent concentration and viscosity of liquor

2.2稠化緩釋營養(yǎng)劑驅(qū)油潛力評(píng)價(jià)

2.2.1激活配方最優(yōu)注入量優(yōu)化

根據(jù)六中區(qū)地層水的營養(yǎng)特征，組成適合六中區(qū)油藏內(nèi)源微生物生長的激活劑（g/L）:稠化緩釋營養(yǎng)劑5+糖蜜粉5+（NH4）2HPO41+NaNO33。高、低滲透填砂管的滲透率級(jí)差為4倍，且都是均質(zhì)巖心，并聯(lián)之后，形成非均質(zhì)巖心，脫水原油黏度33.1 mPa·s，油水黏度比為33。采用常規(guī)的水驅(qū)方法注入激活劑，在水驅(qū)之初，受油水黏度比和滲透率的影響，只是高滲透管在驅(qū)油，低滲透管沒有啟動(dòng)，隨著驅(qū)替的進(jìn)行，壓力逐漸增加，低滲透管逐漸啟動(dòng)，但是水驅(qū)油（水）少，水驅(qū)直至注入水在高滲透管突破（見水），出油量仍然不高。水驅(qū)至含水率98%時(shí)轉(zhuǎn)注稠化緩釋營養(yǎng)劑，由于濃度不高，壓力起升速度不快，隨著注入量的增加，壓力升高幅度加快。停注并放置7 d，再次水驅(qū)時(shí)，高滲透管由于稠化緩釋營養(yǎng)劑的堵塞，啟動(dòng)了低滲透管驅(qū)油。

對(duì)比0.4 PV和0.2 PV驅(qū)油效果，結(jié)果見圖3。由圖3可知:0.4 PV注入量的驅(qū)油效率比0.2 PV高2.61%，從注入的稠化緩釋營養(yǎng)劑量方面看，0.4 PV偏多，但從高滲透管注入稠化緩釋營養(yǎng)劑放置后不出油或出油少來看，這2.61%的驅(qū)油效率增量主要是微生物（產(chǎn)酸、氣體、代謝物等）的效果。從壓力變化上看，注入的稠化緩釋營養(yǎng)劑會(huì)有一部分進(jìn)入低滲透管中，盡管量少，但是會(huì)產(chǎn)生一定的堵塞效果，因而壓力下降幅度較慢，隨著注入水的沖刷和微生物的作用，壓力下降，但是注入量多的0.4 PV壓力持續(xù)的時(shí)間長。因此，稠化營養(yǎng)劑的注入首先是對(duì)高滲透部分的封堵，結(jié)果是擴(kuò)大了波及體積，使原來注入水未波及的區(qū)域被啟動(dòng)。

綜合來看，0.4 PV的效果好一些，這里有“調(diào)”的效果，更有“驅(qū)”的效果。

圖3　注入0.4 PV和0.2 PV稠化緩釋營養(yǎng)劑驅(qū)油效果圖Fig.3 Flushing efficiency of injecting gelled slow-release nutritional agent at volume of 0.4 PV and 0.2 PV

2.2.2最優(yōu)注入量下激活劑驅(qū)油效果評(píng)價(jià)

將新型稠化緩釋營養(yǎng)劑溶液以1 mL/min的速率注入并聯(lián)填砂管巖心1和2，同時(shí)觀察注入量和注入壓力變化，并聯(lián)填砂管巖心注入稠化緩釋營養(yǎng)劑，結(jié)果見表3。由表3可知:注入稠化緩釋營養(yǎng)劑前，水驅(qū)壓力只有0.002 MPa，由于高低滲透率差異，并聯(lián)巖心中只有1#巖心出水10 mL，2#巖心沒有出水；注入稠化營養(yǎng)劑后注水壓力由0.002 MPa快速升高到0.108 MPa，再升高到0.165 MPa，2#巖心開始出水，在注入稠化營養(yǎng)劑后水驅(qū)0.3 PV時(shí)，1#和2#的出水量是非常接近的，在此后至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，1#巖心的出水量有所增加。這說明稠化營養(yǎng)劑的注入封堵了高滲透巖心，改善了流量在高低滲透率巖心中的分配；此期間的注入壓力并沒有明顯的增加，而是趨于平穩(wěn)，也說明稠化營養(yǎng)劑具有良好的注入性能和封堵性。同時(shí)，測量出口端驅(qū)替液，計(jì)算出在并聯(lián)巖心模擬中該稠化緩釋營養(yǎng)劑提高原油采收率達(dá)到21.8%，而在單只巖心中，低滲透率的巖心相較于高滲透率的巖心采收率提高程度要高，其采收率分別提高了53.7%和13.8%。高低滲巖心采收率差異主要是由激活劑的選擇性調(diào)剖能力和滯留時(shí)間決定的，由于高低滲的差異，營養(yǎng)劑會(huì)優(yōu)先封堵大孔道，使注入水大部分流入低滲巖心，促使其中的原油被驅(qū)出。此外，部分營養(yǎng)劑會(huì)流入低滲巖心，激活其中的內(nèi)源微生物，因此其采收率提高的程度較高滲的相對(duì)要高。

表3　稠化緩釋營養(yǎng)劑填砂管巖心封堵率實(shí)驗(yàn)Table 3 Sand pack plugging experiment of gelled slow-release nutritional agent

2.3驅(qū)替液微生物激活效果評(píng)價(jià)

采用絕對(duì)定量的方法，對(duì)驅(qū)替液中的總菌、HOB、FMB和SRB進(jìn)行定量檢測?？偩拿芏却笮∧軌蚍从吵鲈摼忈尃I養(yǎng)劑的整體激活效果，HOB是油藏?zé)N降解菌，這類細(xì)菌利用烴類物質(zhì)以及原油進(jìn)行生長代謝［10］，產(chǎn)生生物表面活性劑和生物乳化劑改變?cè)偷牧鲃?dòng)性［11］，同時(shí)會(huì)將烴類物質(zhì)降解成小分子有機(jī)酸、乙醇和脂肪酸等物質(zhì)；FMB可以降解原油代謝產(chǎn)生小分子有機(jī)酸、有機(jī)溶劑以及H2和CO2等氣體［12］，部分FMB可代謝產(chǎn)生黏性物質(zhì)或者聚合物來封堵地層中的大孔道，提高注入水的波及體積；SRB是一類可以將硫酸鹽、亞硫酸鹽和硫代硫酸鹽等還原為H2S，從而在采油過程的多個(gè)方面產(chǎn)生危害的有害菌［13-14］，因此通過這幾類功能菌的豐度變化便可以看出激活劑的激活效果。定量結(jié)果如圖4所示。

圖4　驅(qū)替液中功能菌的豐度測定Fig.4 Measurement of functional bacteria abundance in displacing fluids

由圖4可知:經(jīng)激活劑激活后，所有樣品的總菌密度均大于106個(gè)/mL，超出本底2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)培養(yǎng)后HOB和FMB有不同程度的提高，大約在1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，而SRB則呈現(xiàn)下降趨勢，這證明內(nèi)源微生物被激活，緩釋營養(yǎng)劑能夠有效地激活內(nèi)源微生物，達(dá)到提高石油采收率的效果。此外，通過比較高低滲透率樣品的菌密度變化發(fā)現(xiàn)，低滲透率的菌密度總體提升程度較高，與其具有較高的石油采收率相吻合，這也進(jìn)一步證實(shí)了該新型緩釋營養(yǎng)劑具有激活內(nèi)源微生物和封堵油藏大孔道的特點(diǎn)，在提高石油采收率方面具有很重要的研究意義。

3　結(jié)論

探索出一種新型的稠化緩釋營養(yǎng)劑，其組成為生物多糖和纖維素顆粒，配伍比例為1∶2.5，該營養(yǎng)劑同時(shí)具有激活和調(diào)剖的性能。

通過物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)得出該稠化緩釋營養(yǎng)劑最佳注入量為0.4 PV，此時(shí)其具有較好的激活功能以及調(diào)剖功能。

該新型的稠化緩釋營養(yǎng)劑使并聯(lián)填砂管巖心驅(qū)油效率提高21.8%，單只巖心最大提高約53.7%，具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

該稠化緩釋營養(yǎng)劑能夠有效激活內(nèi)源微生物，使總體菌密度和功能菌密度提升1～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

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（責(zé)任編輯 荀志金）

Optimization of a new viscously slow-release nutrient and oil displacement potential evaluation

TIAN Huimei1，GAO Peike1，DAI Xuecheng2，LI Yan1，WANG Yansen1，WANG Hongbo2，LI Guoqiang1，MA Ting1
（1.Key Laboratory of Molecular Microbiology and Technology of the Ministry of Education，College of Life Sciences，Nankai University，Tianjin 300071，China；2.Institute of Experiment and Detection，Xinjiang Oil Field Company，Karamay 834000，China）

Based on the indigenous microbial enhanced oil recovery（MEOR）technology research and current situation of field experimentation，in this paper，in order to solve the rapid outflow of nutritional agents in the process of endogenous microbial enhanced oil recovery，we developed a new type of stimulation system that has dual role in providing but slowly releasing nutrition and plugging high permeability layer of reservoirs.Physical simulation flooding experiments showed that the gelled slowrelease nutrition agent could significantly stimulate the endogenous microorganisms and functional microbes，increasing the overall bacterium concentration by 2 to 3 orders of magnitude.In addition，the efficiency of oil displacement was increased by 21.8%and 53.7%in parallel sand filling tube core experiments and single core experiments，respectively，suggesting that the gelled slow-release nutritional agent has a strong application potentiality in the process of MEOR.This research can provide some reference value in the development of technology for MEOR.

indigenous microbial enhanced oil recovery；physical simulation flooding experiment；viscously slow-release nutrient；oil displacement efficiency

TE357.9

A

1672-3678（2016）03-0033-06

10.3969/j.issn.1672-3678.2016.03.007

2016-02-04

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2013AA064402）；國家自然科學(xué)基金（41373074）

田會(huì)梅（1989—），女，山東臨沂人，博士研究生，研究方向:油藏微生物；馬 挺（聯(lián)系人），教授，E-mail:tingma@nankai.edu.cn