产气产酸菌提高低渗透油藏原油采收率的应用基础研究

2013-08-14孙珊珊张忠智曹思远万云洋董汉平

化学与生物工程 2013年9期

孙珊珊，董浩，张忠智，曹思远，万云洋，董汉平，俞理

（1．中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，北京102249；2．中国石油大学（北京）CNPC物探重点实验室，北京102249；3．中国石油大学（北京）地球科学学院油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；4．中国石油勘探开发研究院廊坊分院渗流所，河北廊坊065007）

随着世界油气工业的发展及后石油经济时代的到来，容易勘探与开采的优质油气资源逐渐减少，低品质油气资源中的低渗透油气资源将逐渐成为常规油气资源的接替者和保障世界油气资源供应的主角［1］。

提高低渗透油藏采收率的方法包括注气法、微生物采油法、化学驱、“层内爆炸”增产技术、电动力学法、震动波法等［2］。其中微生物采油法因具有投资费用低、化学剂和能源消耗少等优点而被越来越广泛地应用。近10多年来，我国微生物采油技术得到了快速发展，目前已在吉林、辽宁、新疆、山东、内蒙古等油田的低渗透区块进行现场应用并基本达到预期目标［3－10］。

低渗透油藏在长期的注水开发过程中注水井近井及远井地带地层物性发生改变，引起粘土膨胀和微利运移，造成地层堵塞，进而开采过程中注水压力居高不下且逐年上升［11］。引起低渗透油藏堵塞的胶结物中通常含有碳酸盐沉淀物，或者部分岩层为碳酸盐岩，而有研究表明乙酸与碳酸盐岩反应缓和、作用时间长、进入地层较深，可以达到深层解堵的目的［12］。

针对低渗透油藏的堵塞问题筛选产气产酸菌，菌株产生的气体可以降低油粘度、产生的酸类物质可以溶蚀岩层和地层内的胶结物清理岩石孔道，从而提高低渗透油藏的孔隙度和渗透率。为满足低渗油层应用的需要，作者利用饥饿处理法，对筛选的产气产酸菌KB进行超小处理，以考察其提高低渗透油藏原油采收率的应用潜力。

1 实验

1．1 样品、菌株和培养基

水样：长庆地层水；油样：长庆未经处理的原始油样。

菌株：产气产酸菌KB，已鉴定为地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）。

糖蜜培养基：糖蜜4%（体积分数），（NH4）2HPO40．1%（质量浓度），NaCl 10g·L－1，pH 值7．2～7．4。

1．2 方法

1．2．1 KB菌代谢产物分析

产气产酸：在装有40mL糖蜜培养基的100mL发酵瓶中按接种量5%（体积分数）接种KB菌，分别于37℃、55℃、60℃不完全供氧静置培养，3d后测量菌株产生的气体量及发酵液的pH值。

有机酸：在糖蜜培养基中按5%接种量接种KB菌，于60℃厌氧培养3d后，发酵液离心，取10mL上清液，测总挥发性脂肪酸（Total volatile fatty acid，TVFA）。

1．2．2 超小KB菌的制备

为减小低渗透油藏对菌株的阻滞作用，利用饥饿处理法将KB菌制备为超小微生物。具体步骤为：取2mL培养至对数生长期的KB菌液，离心后加入2mL 0．85%的生理盐水，吹打混匀后置于4℃冰箱放置28d。将制备的超小KB菌简单染色，观察其与未经过饥饿处理菌株的区别，并稀释梯度平板计数，观察其复壮情况。

1．2．3 微观模型实验

（1）将微观仿真透明模型抽真空、饱和已灭菌的长庆地层水；（2）于60℃恒温箱中饱和长庆原油，恒温老化2d；（3）以地层水驱模型，注含5%（体积分数）KB菌发酵液的糖蜜培养基，观察水驱前后油分布形态；（4）于60℃恒温放置4d，利用倒置显微镜观察残余油的分布形态、菌体的生长情况。

1．2．4 低渗岩芯物理模拟实验

（1）将模型抽真空、饱和已灭菌的长庆地层水，计算孔隙度φ，以长庆地层水驱模型至压力不变；（2）于60℃恒温箱中将模型饱和油至束缚水饱和，然后老化2d；（3）于60℃恒温箱中水驱至含水率98%，注入含5%（体积分数）菌液的糖蜜培养基，静置培养4d；（4）培养结束后进行后续水驱，记录整个过程的压力变化以及驱替出的油和水的体积。

采用Excel软件收集数据，SAS9.1.3软件进行数据统计分析。计量资料采用均数±标准差（x±s），计数资料采用χ2检验表示。由于男女生理功能的差异，对不同性别学生的形态指标、功能指标、运动素质指标、健康指标不做统计学分析。

实验中用到的各贝雷岩芯的基本参数及注入的微生物见表1，整个过程的驱替速度为0．2mL·min－1。

表1 各贝雷岩芯基本参数Tab．1 Parameters of Bailey cores

2 结果与讨论

2．1 KB菌代谢产物分析

不同温度下KB菌的产气量及发酵液pH值见表2。

表2 不同温度下KB菌的产气量及发酵液pH值Tab．2 Gas volume and pH value of the fermentation broth at different temperatures

由表2可知，KB菌的温度耐受范围广，在60℃下的产气量可达到63mL，发酵液pH值则从起始的7．0降低到了4．87。

KB菌发酵液的TVFA色谱见图1。

图1 KB菌发酵液的TVFA色谱Fig．1 TVFA Chromatogram of the fermentation broth of strain KB

由图1可知，KB菌代谢产生的有机酸主要为乙酸，发酵液中乙酸浓度达到2130．944mg·L－1。

2．2 超小KB菌大小及有效浓度

实验发现，经饥饿处理得到的超小KB菌大小（1．25μm×0．5μm）只有正常KB菌（4μm×2μm）的四分之一左右（图2），且平板计数结果证明处理后KB菌的有效浓度仍达到3．53×108个·mL－1，表明KB菌经饥饿处理后尺寸变小且仍保留较高的活性。

图2 超小KB菌（a）与正常KB菌（b）结晶紫染色Fig．2 Comparison of ultramicrobacteria KB（a）and normal strain KB（b）

2．3 微观模型观察

微观仿真透明模型［5，13，14］用于微生物采油较其它物理模拟实验的优势是其具有可视性，该模型为直观地观察菌株对原油的趋向性提供了有效的方法。

由于KB菌具有运动性，在显微观察时可通过定位移动目标清晰地观察菌株的分布以及菌体的运动趋向。显微镜观察表明：KB菌代谢活动产生的气体在残余油中形成气泡（图3a）；注入到微观仿真透明模型中的KB菌，可在油相边缘及附近水相中增殖，并以极快的速度朝着残余油的方向运动（图3b）。

图3 原油周围菌体的显微照片Fig．3 The micrographs of the bacteria around crude oil

大多数微生物在代谢过程中都产生气体，如H2、CO2、CH4等，微生物代谢产生的气体能够因气泡形成的贾敏效应而使油层部分增压，或者溶于原油降低原油粘度，提高原油流动能力。气体溶于原油后使原油膨胀，体积增大，粘度降低，有利于再次恢复水驱后被驱出，增加原油产量；同时贾敏效应还会增大水流阻力，提高注入水的波及体积，但该作用在庞大的地层中显得微乎其微，因此微生物代谢产生的气体主要通过溶于原油降低原油粘度来发挥作用。

2．4 KB菌提高原油采收率效果（图4）

图4 岩芯C3－5（a）和岩芯C3－9（b）驱替过程中的采收率、含水率及压力的变化Fig．4 Changes of recovery，moisture cut and pressure of C3－5（a）and C3－9（b）during the water flooding

由图4可知，饱和未经处理长庆原油的岩芯，由于原油中含有的大量粘稠的不明成分对其造成的堵塞作用，使得一次水驱的压力高达3MPa，注入菌液时由于岩芯的气测渗透率只有50mD，因此对菌株的阻滞作用较大，造成注入菌液后驱替压力升高，KB菌作用后后续水驱的压力比KB菌作用前明显降低，分析原因为未经处理的长庆原油中的某些成分可以被KB菌通过自身的代谢活动直接降解，或者由其代谢产生的有机酸降解，从而使渗透率增大、驱替压力降低，表明KB菌具有对低渗透油藏解堵的应用潜力。由图4还可知，注入超小KB菌液时岩芯压力升高幅度明显小于注入60℃培养3h的KB菌新鲜发酵液，这是由于新鲜培养的KB菌明显大于未经培养的超小KB菌，证明饥饿处理法得到的超小KB菌可以更好地降低低渗岩芯的阻滞作用，在应用过程中可以被推进到更深的地层，进而更有效地发挥作用。C3－5、C3－9的原油采收率分别提高了8．1%和4%，从后续水驱结束后的岩芯亦可观察到，C3－9中存留的原油要明显多于C3－5，尤其是起始端的原油量（图5），进一步证明超小微生物可以更有效地提高低渗透油藏的原油采收率。