劉 洋

(中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

采油微生物激活產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)研究及在大慶油田的應(yīng)用

劉 洋

(中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

為解決微生物采油室內(nèi)實(shí)驗(yàn)科研需求，設(shè)計(jì)了一種新式物理模擬產(chǎn)氣裝置，該裝置解決了原有方法難以填裝天然巖心來(lái)模擬油藏條件下微生物產(chǎn)氣的問(wèn)題，以及微生物作用原油產(chǎn)氣過(guò)程中氣體壓力難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與采集的問(wèn)題。應(yīng)用該裝置對(duì)設(shè)計(jì)的內(nèi)源微生物激活劑激活培養(yǎng)，所產(chǎn)氣體壓力最高可達(dá)到1.1 MPa，其中甲烷的含量達(dá)到77.79%。所篩選出的激活配方應(yīng)用到礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(jì)升高3.5 MPa，試驗(yàn)期間增油3 593 t，提高采收率2.26%。

大慶油田；微生物采油；內(nèi)源激活劑；生物氣

微生物采油是利用微生物在油層中生長(zhǎng)代謝產(chǎn)生的氣體、生物表面活性物質(zhì)、有機(jī)酸、聚合物等來(lái)提高原油采收率。絕大多數(shù)微生物在代謝過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生如CO2、H2、N2、 CH4等氣體，這些氣體被稱(chēng)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(gè)角度來(lái)看，我國(guó)已開(kāi)發(fā)的油田經(jīng)過(guò)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(gè)巨大的生物地質(zhì)反應(yīng)器，其中富含大量的具有厭氧發(fā)酵功能的細(xì)菌和產(chǎn)甲烷功能的古菌[2-5]。若能通過(guò)微生物作用，將油藏殘余油原位降解并轉(zhuǎn)換成天然氣進(jìn)行氣態(tài)開(kāi)采或者作為常規(guī)能源進(jìn)行儲(chǔ)備，對(duì)于油田開(kāi)發(fā)和壽命延長(zhǎng)具有十分重要的實(shí)際意義[6-7]。因此對(duì)生物氣的研究具有特殊的意義。

油田生物氣轉(zhuǎn)化技術(shù)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究方法的不斷改進(jìn)是推動(dòng)這一技術(shù)不斷取得進(jìn)展的前提。目前生物氣的室內(nèi)研究手段單一、方法簡(jiǎn)單，多以厭氧玻璃瓶培養(yǎng)法為主。此方法便捷簡(jiǎn)單，但存在較多缺點(diǎn)：①普通玻璃容器內(nèi)無(wú)法填裝天然巖心來(lái)模擬油藏條件下微生物產(chǎn)氣的過(guò)程；②無(wú)法對(duì)容器內(nèi)所產(chǎn)氣體壓力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；③難以對(duì)容器內(nèi)所產(chǎn)氣體進(jìn)行連續(xù)性采集與測(cè)量。針對(duì)上述缺點(diǎn)，需要對(duì)微生物產(chǎn)氣裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一套特殊裝置。

1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

產(chǎn)氣裝置為帶壓力計(jì)數(shù)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(guò)橡膠軟管與控制閥上的尖嘴接頭相連。打開(kāi)容器罐與壓力表之間的控制閥，所產(chǎn)的氣體通過(guò)橡膠軟管排入到充滿(mǎn)碳酸氫鈉飽和溶液的氣體收集瓶里，同時(shí)相同體積的溶液被排出到排水瓶里，并可通過(guò)測(cè)量排除液體的體積來(lái)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(zhuān)用取樣針插入瓶口膠塞內(nèi)，抽取瓶?jī)?nèi)氣體進(jìn)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(mǎn)碳酸氫鈉飽和溶液的收集瓶與橡膠軟管(通過(guò)針頭)連接即可。

該裝置不僅應(yīng)用于微生物降解原油產(chǎn)天然氣的實(shí)驗(yàn)中，也可應(yīng)用于所有研究微生物發(fā)酵產(chǎn)氣的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用壓力范圍為0～20 MPa?？筛鶕?jù)實(shí)際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(shí)進(jìn)行多個(gè)容器罐產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)與收集。所產(chǎn)氣體既可以單獨(dú)收集或者混合收集，也可以在不中斷實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的條件下將所產(chǎn)的天然氣體完全或部分收集到集氣瓶。排放后的容器罐經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培養(yǎng)，產(chǎn)氣體系繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，可再收集再培養(yǎng)，使微生物產(chǎn)氣過(guò)程的監(jiān)測(cè)可控性和實(shí)驗(yàn)連續(xù)性大大提高。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用

內(nèi)源微生物采油是利用地層中原有的微生物群落通過(guò)注入井向油層中注入適量的營(yíng)養(yǎng)激活劑激活不同微生物種群，使其產(chǎn)生代謝活動(dòng)及其代謝產(chǎn)物來(lái)提高原油采收率[8-9]。注入激活劑使微生物產(chǎn)氣也是微生物驅(qū)油的機(jī)理之一，內(nèi)源微生物代謝產(chǎn)生氣體能將地層壓力升高，促使氣體在原油中進(jìn)行有效增溶，形成氣泡使原油膨脹，帶動(dòng)原油流動(dòng)的同時(shí)還將毛細(xì)孔道中的原油驅(qū)趕出來(lái)[10-11]。其中微生物所產(chǎn)的天然氣，主要通過(guò)降低原油黏度和界面張力以達(dá)到改變驅(qū)替相和被驅(qū)替相的流度比和驅(qū)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(chǎn)氣能力是評(píng)價(jià)和篩選內(nèi)源激活劑的重要指標(biāo)之一。該裝置可用來(lái)對(duì)激活體系的產(chǎn)氣能力進(jìn)行模擬和對(duì)比，對(duì)內(nèi)源微生物激活劑進(jìn)行篩選。

不同內(nèi)源微生物在整個(gè)油藏厭氧降解產(chǎn)甲烷體系中的作用有所不同。內(nèi)源微生物一般可以分為6個(gè)種群，按照其生長(zhǎng)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(chǎn)甲烷菌(PMB)[13-14]。許多厭氧微生物長(zhǎng)時(shí)間與空氣中的氧接觸會(huì)導(dǎo)致其自身的消亡或抑制，所以從現(xiàn)場(chǎng)采集回來(lái)的樣品，應(yīng)在第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行內(nèi)源微生物種群的檢測(cè)和分離。本實(shí)驗(yàn)以大慶油田四廠聚驅(qū)后采油井的采出液為樣本，采用測(cè)試瓶法進(jìn)行內(nèi)源微生物檢測(cè)，其內(nèi)源微生物種類(lèi)和數(shù)量見(jiàn)表1。可以看到，激活前的采出液樣品中無(wú)論是TGB還是HOB，NRB，SRB，F(xiàn)MB，APB，PMB，均有一定數(shù)量的存在，但是數(shù)量均低于103(個(gè)/mL)數(shù)量級(jí)。

表1 培養(yǎng)前后本源微生物種類(lèi)和數(shù)量 個(gè)/mL

根據(jù)所檢測(cè)出的微生物種群數(shù)量特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)月。定期觀測(cè)記錄過(guò)程中所產(chǎn)氣體的壓力變化(圖1)。

圖1 激活培養(yǎng)產(chǎn)氣壓力變化曲線

從圖1可以看出，2#激活體系所產(chǎn)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(shí)候，已經(jīng)能檢測(cè)到甲烷氣體，當(dāng)培養(yǎng)到300 d的時(shí)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?dú)庹?.76%(如圖2所示)，已經(jīng)非常接近油田伴生氣的水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)源激活劑2#具有良好的產(chǎn)氣能力。從升壓曲線變化可以看出，培養(yǎng)10個(gè)月后壓力最高可達(dá)到1.1 MPa，遠(yuǎn)高于1#的最高值0.2 MPa。從內(nèi)源微生物激活效果來(lái)看(表1)，1#激活劑和2#激活劑均能有效地激活內(nèi)源微生物的數(shù)量，但從產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量來(lái)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(chǎng)激活劑。

圖2 激活后所產(chǎn)氣體組分含量對(duì)比

3 激活劑的礦場(chǎng)試驗(yàn)效果

聚驅(qū)后內(nèi)源微生物激活試驗(yàn)區(qū)位于大慶油田薩南二區(qū)東部，由1注4采井組構(gòu)成。試驗(yàn)區(qū)面積為0.12 km2，地質(zhì)儲(chǔ)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(jì)注入21 413 m3。第一輪激活劑注入后15～20天便開(kāi)始產(chǎn)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(jì)壓力升高幅度達(dá)到2.2 MPa。在注入第二個(gè)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(jì)壓力升高幅度達(dá)到2.6 MPa。

在監(jiān)測(cè)注入井壓力變化的同時(shí)，對(duì)試驗(yàn)區(qū)采油井的地層壓力進(jìn)行了檢測(cè)。注入井油層中部流動(dòng)壓力由試驗(yàn)前的22.18 MPa上升到試驗(yàn)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(shí)升高說(shuō)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(nèi)源微生物在油層內(nèi)大量產(chǎn)生氣體所導(dǎo)致。試驗(yàn)期間累計(jì)產(chǎn)油20 524 t，產(chǎn)液量增加了78 m3/d；日產(chǎn)油量平均增幅為35.9%，含水降幅1.5%。試驗(yàn)期間累積增油6 243 t，提高采收率3.93%；若不考慮水驅(qū)自然遞減因素，純?cè)鲇? 593 t，提高采收率2.26%。

從激活劑注入后的120 d起始，對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)距注入井約1 000 m的5口觀察井所產(chǎn)的氣體采集并進(jìn)行檢測(cè)，全部監(jiān)測(cè)到CH4及CO2的出現(xiàn)，含量變化范圍分別為83.8%～94.7%和1.5%～8.5%。表明試驗(yàn)區(qū)內(nèi)被激活的產(chǎn)甲烷菌和厭氧發(fā)酵菌已經(jīng)能在不需要激活物質(zhì)的條件下，持續(xù)不斷地利用原油等有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生CH4和CO2,從而達(dá)到了通過(guò)激活所產(chǎn)生的生物氣來(lái)增加油層驅(qū)動(dòng)能量，協(xié)助提高采收率的效果。

4 結(jié)論

(1)自行設(shè)計(jì)的微生物產(chǎn)氣模擬裝置可以模擬油藏微生物在地下生長(zhǎng)代謝的過(guò)程，并可以連續(xù)記錄微生物代謝所產(chǎn)氣體的壓力變化，并對(duì)所產(chǎn)氣體進(jìn)行收集和測(cè)量。

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

(3)應(yīng)用該裝置篩選出的2#內(nèi)源激活配方在礦場(chǎng)應(yīng)用中取得良好效果，可進(jìn)一步提高聚驅(qū)后油藏采收率。激活劑注入后產(chǎn)生大量氣體，其中甲烷含量最高可達(dá)94.7%，井口注入壓力累計(jì)升高3.5 MPa，增加了油層驅(qū)動(dòng)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(xué)應(yīng)用微生物專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事微生物采油技術(shù)研究。

國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (863計(jì)劃) (No. 2009AA063504)資助。

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