宋社民 任付平 游靖 余吉良 谷溢 鞏紅雨

1.中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院；2.中國石油華北油田分公司工程技術研究院；3.中國石油華北油田分公司第三采油廠

微生物提高采收率(MEOR)概念是Beckman在1926年提出的，1940年Zobell進行了一系列微生物化學實驗，證實微生物確實能夠產生類似于化學驅提高采收率的代謝物質，為微生物提高石油采收率奠定了理論基礎［1-2］。微生物采油與化學驅的區(qū)別在于，微生物提高采收率的驅油劑是在油藏內產生的，而化學驅的化學劑是由外部注入地層的。Steven L.Bryant在油藏工程中引入了反應工程的概念，如微生物在發(fā)酵區(qū)的停留時間、發(fā)酵動力和選擇性、極限代謝產物等，對微生物在油藏內的反應進行了量化研究［3］。目前國內外微生物采油主要原理是原油的生物降解、原油的乳化、原油及水流動性的改變和儲油層巖石物性的改變，其中生物表面活性劑是提高采收率的主要影響因素［4-9］。微生物采油有2種不同的工藝，一種是將地面分離培育的微生物和營養(yǎng)液注入油層，一種是單純注入營養(yǎng)液激活油層內源微生物。2種方法都是通過微生物在油藏內的的生長繁殖，產生有利于提高采收率的代謝產物或直接作用于原油改善原油物性，以提高油田采收率［10-11］。但是，高含水期多數油藏形成高滲透條帶，注入水利用率降低，影響微生物驅的采收率。因此，微生物采油提高采收率的幅度大小與微生物在油藏內代謝產物的多少和微生物菌液的波及體積有關，在微生物采油過程中引入微生物化學驅和水驅調整的工藝，通過在油藏內形成目標優(yōu)勢菌群微生物場來提高有益菌群的代謝產物數量和擴大微生物菌液的驅替波及體積，達到提高采收率的目的。

1 目標優(yōu)勢菌群微生物場理論基礎

Steven L.Bryant在《MEOR 的油藏工程分析》中提出，油藏中微生物代謝產物濃度的積累需要一定的時間，遵循微生物的生長規(guī)律，營養(yǎng)物到達油藏中微生物所在的區(qū)域才能保證微生物的生長繁殖，當代謝產物濃度達到一定量時，才具有提高采收率的目的。代謝產物濃度高低，決定提高油藏采收率幅度的大小。通過有效的手段使篩選的有益菌成為油藏中數量最多，活性最強的菌群，并將其稱為目標優(yōu)勢菌群，目標優(yōu)勢菌群利用原油和外部碳源等營養(yǎng)物質合成的代謝產物其最高濃度C，其計算公式為［12］

式中，C為微生物合成的代謝產物總質量，g；vn為原油轉化效率，%；S為油藏原油飽和度，%；α為原油消耗率，即微生物利用的原油質量/原油飽和度為S時的質量，%；ρo為原油密度，g/cm3；ve為外部碳源轉化效率，%；β為外部碳源消耗率，即微生物消耗的外部碳源質量/注入時的外部碳源質量，%；ρe為油層中外部碳源的密度，g/cm3；ρw為油層水密度，g/cm3。

在油藏環(huán)境下微生物生長代謝主要受含氧量、壓力、溫度、礦化度和PH值等因素影響，直接在油藏內提高微生物及其代謝產物的濃度可控性差、成本高［13-14］。通過引入化學驅的工藝，利用產出水處理回注系統(tǒng)在地面激活油藏目標優(yōu)勢菌群，促進表面活性劑等代謝產物的產量，然后再注入地層，彌補微生物在油藏內代謝有益產物的不足。提高油藏采收率有2個途徑，一是提高驅替液的驅油效率，二是擴大驅替液的波及體積，尤其陸相沉積地層具有較強的非均質性，高含水后期開發(fā)的油藏優(yōu)勢通道更加明顯，擴大驅替液驅油波及體積是提高油藏采收率的有效手段［15］。微生物采油提高的采收率R為

式中，Ev為波及體積，%；Eη為驅油效率，%。

要實現(xiàn)大幅度提高油藏采收率的目的，需要提高微生物代謝產物濃度的同時，也要擴大微生物及其代謝產物溶液的波及體積。目標優(yōu)勢菌群微生物場就是在地面系統(tǒng)和油層內增強目標優(yōu)勢菌群表面活性劑的生產能力，提高油藏微生物代謝產物的濃度，并通過深部調驅、分層注水、分層壓裂和細分層系擴大微生物代謝產物的波及體積、降低成本、提高油藏采收率。

2 目標優(yōu)勢菌群微生物場的建立

寶力格油田位于二連盆地巴音都蘭凹陷，儲集層是白堊紀阿爾善組扇三角州沉積的巖屑長石細砂巖、粉砂巖、含礫砂巖和砂礫巖等，具有極強的非均質性，粉砂巖滲透率小于 10 ×10-3μm2，細砂巖和含礫砂巖滲透率 117 ×10-3μm2，砂礫巖滲透率 510 ×10-3μm2不等。試驗區(qū)為巴19和38斷塊；平均原始油藏壓力 13.50 MPa，原始地層溫度 58.4 ℃，地層原油密度0.832 5 g/cm3，地層原油黏度13.66 mPa·s，原始飽和壓力4.20 MPa。原油性質中等，平均地面原油相對密度0.878 3 g/cm3，黏度48.76 mPa·s，凝固點29.1 ℃，含硫量0.23%，含蠟量16.9%，膠質瀝青質27.8%。自2001年投產以來，油藏就沒有穩(wěn)產期，總遞減高達3.92%～9.42%，含水上升率達到10%以上。

2.1 目標優(yōu)勢菌乳化能力分析

2.1.1 實驗方法

(1)乳化實驗：利用自來水配置0.83%的營養(yǎng)液 100 mL，添加實驗斷塊混合油 5 g，105 ℃ 滅菌15 min，然后接種 1% 菌液，55 ℃、120 r/min 恒溫搖床培養(yǎng)36 h。營養(yǎng)劑配方：葡萄糖(化學純)0.4%、糖蜜(生化試劑)0.2%、牛肉膏(生化試劑)0.06%、蛋白胨(生化試劑)0.05%、KH2PO4(分析純)0.02%、KNO3(分析純)0.1%。

(2)降黏實驗：利用自來水配置0.83%的營養(yǎng)液 100 mL，添加實驗斷塊混合油 40 g，110 ℃ 滅菌25 min，然后接種 1% 菌液，55 ℃、120 r/min 恒溫搖床培養(yǎng) 7 d。

(3)界面張力測定：取乳化實驗后的乳化液，去除其中的殘余油，用界面張力儀在 50 ℃、5 000 r/min條件下，恒溫15 min后測定樣品的界面張力。

2.1.2 實驗結果

微生物通過代謝產生生物表面活性劑使原油乳化，形成油水乳狀液，乳狀液在多孔介質驅替過程中由于賈敏效應能夠形成較好的封堵作用，可改變水相的相滲曲線，具有較好的流度控制作用，達到擴大波及體積，實現(xiàn)提高采收率的目的。因此，篩選的目標優(yōu)勢菌群不論在有氧環(huán)境，還是厭氧環(huán)境均要求有代謝表面活性的能力。從實驗室保藏菌種和寶力格油田油井產出液中共篩選出了4株功能菌，分別為HB3、JH、H、HB2，4株菌與原油具有較好的作用效果，通過產生生物表面活性劑能夠乳化原油，使原油分散于水相中。通過穿刺接種實驗確定4株菌為兼性厭氧菌，能夠適應油藏的無氧或稀氧環(huán)境。4株菌與原油作用評價結果見表1，界面張力降低73.0%～89.5%，降黏率35.7%～43.5%。

表1 菌種的評價結果Table 1 Evaluation results on strains

為了提高菌種在油藏內的作用效果，開展了4株菌之間的復配實驗，以確定菌株之間的最適添加比例。通過與原油作用的乳化、降黏以及物模實驗，根據實驗結果確定了4株菌最適復配比例為1∶1∶1∶1，復配菌作用后原油降黏率為 45.7%，物模試驗提高采收率9.3%。

2.2 注入方式

外源目標優(yōu)勢菌群的注入菌濃與提高采收率幅度正相關，以現(xiàn)場1%的菌液和0.81%的激活劑開展微生物驅物模實驗，實驗結果如圖1所示。注入液菌體濃度越大，提高采收率幅度就越大，當注入液菌體濃度大于104個/mL后對提高采收率有明顯貢獻，達到105個/mL菌濃，提高采收率增幅最大，以后菌濃數量越高，提高采收率幅度呈近似線性關系。

為了確定不同注入方式對采出液菌體濃度的影響，開展了營養(yǎng)液+菌液連續(xù)驅、0.5 PV菌液段塞+水驅、0.5 PV菌液段塞+營養(yǎng)液驅3種驅替方式對采出液菌濃影響的物模實驗，實驗結果如圖2所示。在采用營養(yǎng)液+菌液連續(xù)驅替的注入方式時，采出端的菌濃最高只能升到107個/mL。0.5 PV菌液段塞+水驅、0.5 PV菌液段塞+營養(yǎng)液驅采出端最高菌濃在104個/mL以下，因此，后2種段塞注入方式提高采收率幅度在2%左右。目前現(xiàn)場通過持續(xù)的微驅，采出液菌濃維持在105個/mL，進一步提高采收率必須進一步提高采出液菌濃的數量，改變注入方式是關鍵。

圖1 菌濃與采收率關系Fig.1 Relationship between bacterial concentration and recovery factor

圖2 不同驅替方式與采出菌濃的關系Fig.2 Relationship between the displacement mode and the bacterial concentration of produced fluid

2.3 高效地面發(fā)酵工藝

菌液和營養(yǎng)液連續(xù)注入，能夠確保菌濃達到106個/mL。為了在現(xiàn)場實現(xiàn)這個目標，充分利用產出液中的有益菌群，采用地面發(fā)酵工藝，使微生物及其代謝產物在地面增殖擴大后再注入油層，增加驅油劑總量。寶力格油田微生物驅采出液統(tǒng)一輸送到聯(lián)合站內，經過三相分離脫油、一二級沉降脫油、過濾等工藝后再回注到油藏。污水處理時間為8～12 h、處理溫度45～50 ℃，非常適合微生物的生長繁殖。利用寶力格油田聯(lián)合站污水處理系統(tǒng)提出了微驅采出液地面發(fā)酵循環(huán)驅技術，將一級沉降罐作為發(fā)酵罐，通過管道泵將菌液和營養(yǎng)液注入一級沉降罐，使目標優(yōu)勢菌群在地面進行生長繁殖，以達到增加菌濃及提高有益代謝產物濃度的目的，然后再回注入油藏。地面發(fā)酵前后目標優(yōu)勢菌群檢測結果見表2，地面發(fā)酵前后現(xiàn)場實施效果見表3。

表2 發(fā)酵前后菌群種類檢測結果Table 2 Detection results of microflora species before and after the fermentation

表3 微驅采出液地面發(fā)酵技術評價結果Table 3 Evaluation results on the ground fermentation technology of produced fluid by microbial flooding

現(xiàn)場檢測整個系統(tǒng)達到設計目標，通過地面發(fā)酵循環(huán)驅使注入液菌濃增加了2個數量級，注入液菌濃整體提高到108個/mL，表面張力降低18.6%；采出液菌濃提高一個數量級，表面張力降低10.7%。經3年運行整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)，微生物增殖發(fā)酵與地面油水、污水處理系統(tǒng)兼容性好。

2.4 擴大微生物代謝產物波及體積調控技術

措施過程中將可動凝膠深部調驅技術引入微生物驅中，以進一步提高驅替液的波及體積。通過開展凝膠配方體系中的聚丙烯酰胺、交聯(lián)劑、調節(jié)劑以及三者的成膠體對微生物生長性能的影響實驗，評價了微生物菌液與凝膠體系之間是否存在相互影響，明確微生物和凝膠的注入方。不同培養(yǎng)時間內測定實驗樣品的菌體濃度，測定結果如圖3所示。

從以上測定結果可以看出，凝膠配方各物質對微生物影響最嚴重的是有機鉻交聯(lián)劑，交聯(lián)劑能夠抑制微生物的生長繁殖。同時，開展了微生物菌液對凝膠體系成膠性能的影響，將配置好的樣品放入38 ℃恒定烘箱中，觀察和記錄形成凝膠的時間，并測量樣品黏度。實驗結果如圖4所示。

圖3 凝膠體系對微生物生長性能的影響Fig.3 Effect of gel system on the bacterial growth performance

圖4 微生物菌液對凝膠成膠性能的影響Fig.4 Effect of microbial fluid on the gelling performance of gel system

由以上結果可以得出，凝膠初膠時間為4 h，完全成交時間為8 h。微生物菌液對凝膠成膠時間不產生影響，但是對成膠后的強度產生一定的影響。現(xiàn)場應用過程中可以將微生物和凝膠分段塞注入，使微生物在油藏內之和成膠體接觸，避免兩者之間產生的負面影響。

3 現(xiàn)場應用效果

寶力格油田巴19、38兩個斷塊含油面積11.9 km2，油水井數187口，其中注水井71口，采油井116口。該油田于 2014～2016年共注入工作液 0.050 6 PV，其中，微生物 0.003 9 PV、可動凝膠 0.011 PV。有效地控制力油田的產量快速遞減，截止到2016年底累計增油量為5.57×104t；含水上升速度得到控制，巴19、38兩個斷塊與常規(guī)水驅對比綜合含水率分別下降了6.91個百分點和3.46個百分點(如圖5和圖6所示)。利用甲型水驅曲線和指數遞減法預測最終采收率，與措施前2012年相比，巴19和巴38斷塊提高采收率幅度分別為6.77個百分點和6.1個百分點，投入產出比1∶2.1。通過高通量測序對油藏產出液菌群種類進行鑒定，并對菌群生物學功能進行分析，確定了產出液中有益菌群主要烴降解菌、發(fā)酵菌和產甲烷菌，在微驅過程中這些菌群的豐度總和大于80%。

圖5 巴19斷塊含水率和采出程度關系曲線Fig.5 Relationship between water cut and degree of reserve recovery of fault block Ba 19

圖6 巴38斷塊含水率和采出程度關系曲線Fig.6 Relationship between water cut and degree of reserve recovery of fault block Ba 38

4 結論

(1)油藏目標優(yōu)勢菌群微生物場提高采收率技術是以微生物化學驅和水驅調整為核心的經濟有效的驅油方式，可以實現(xiàn)降低含水率的上升速度，大幅度提高采收率的目標。

(2)微生物采油效果與菌濃成正相關的關系，菌濃越高采收率提高幅度越大；通過建立便捷、經濟的微生物驅采出液地面發(fā)酵循環(huán)驅技術，提高了注入液的菌濃及代謝產物的數量，尤其表面活性劑濃度，滿足了大幅度提高采收率的需求。

(3)油藏目標優(yōu)勢菌群微生物場驅油，輔助可動凝膠深部調驅，有效控制了高滲透層及條帶的滲流速度，保障微生物在地層中的滯留代謝作用，有效地擴大微生物工作液的波及體積，因此，微生物采油技術只有與水驅調整相結合才能進一步提高實施效果。