高盐低渗油藏内源微生物驱油潜力实验研究

李文宏，王 闪，张永强，宋 浩，向忠远，张忠智,徐飞艳

(1.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018；3.中国石油大学(北京)化学工程学院，北京 102249)

油藏内源微生物群落是在油田开发注水过程中随注水进入油藏，并且在一定时期内在数量和种类上都能够保持相对稳定的微生物群落，这些微生物不仅代谢类型多，而且变异性大，在微生物生态系统中占有非常重要的位置。大多数油藏环境是典型的极端环境，具有厌氧、高温、高压和高矿化度等特点，极端的储层环境造就了独特的油藏微生物生态系统，形成了丰富且有特色的油藏极端微生物资源和基因资源[1-2]。由于菌种的来源不同，内源微生物采油技术同外源微生物采油技术相比不仅不存在菌种适应性的问题，而且工艺简单、投资少、微生物代谢活性高[3-7]，具有较大的优势。激活油藏中的内源微生物是进行内源微生物采油的关键环节，也是进行内源微生物采油的基础，因而利用合适的激活体系选择性地激活油藏中有益的采油功能菌、抑制有害菌，是内源微生物采油研究的重要课题[8]，其中激活体系的选择对于激活效果至关重要。

由于油藏中氮、磷等营养元素一般极度缺乏，国外通常采用向地层注入添加了氮、磷等的注入水的方法来激活内源微生物。然而研究表明，在油藏的极端环境下仅补充氮、磷是不够的，适当补充以糖类为主的外加碳源是提高微生物驱油效果的重要方法[9]。目前已报道的常用碳源有糖蜜、玉米糖、玉米发酵废水、麦芽糊精、乳酸生产废水[10-11]等。

作者在此针对靖安油田五里湾一区油藏高盐和低渗透的特点，对其内源微生物进行普查和分析，在初步筛选营养成分的基础上进行碳源、氮源、磷源的筛选，然后进一步优化它们的用量，旨在筛选出适合五里湾一区高盐低渗储层的激活体系，从产气量、菌浓和有益菌数量的变化等方面评价五里湾一区油藏内源微生物驱油提高原油采收率的潜力。

1 实验

1.1 实验区块概况

靖安油田五里湾一区含油层系为三叠系延长组6油层组，油层埋深1 210 m，平均孔隙度为13%，平均渗透率为1.81 mD，油层温度54 ℃。地层水矿化度为80 506 mg·L-1，水型为CaCl2，地层原油黏度2.0 mPa·s，属于低渗透、高盐油藏。1996年投入开发，1997年采用反九点法面积注水井网开发。该区平均单井产油量为4.6 t·d-1。该区所有生产井均为压裂后投产，但是压裂后的油层含水率上升较快，难以保持稳产。开发过程的主要矛盾为水驱储量动用程度呈下降趋势和见水油井含水上升较快，需要新的技术保持稳产。

1.2 材料与仪器

样品来源：靖安油田五里湾一区油井的采出液。

高压灭菌锅、恒温摇床、超净工作台、分析天平、张力仪、离心机等。

1.3 方法

1.3.1 油藏内源微生物分布的调查

油藏内源微生物群落结构的调查采用中石油廊坊分院推荐的“油藏本源菌常规检测推荐方法试剂瓶法”。根据油藏井网和生产特点，在油藏内选取有代表性的10口油井取样营养物质，分析产出液中内源微生物群落结构和数量。

1.3.2 激活体系的碳源、氮源、磷源的单因素实验筛选

碳源包括糖蜜和玉米浆干粉；氮源包括NaNO3、KNO3、NH4NO3和蛋白胨；磷源包括酵母粉、KH2PO4和NaH2PO4。

碳源筛选实验中，碳源的添加量为0.5%，氮源为0.2%NaNO3，磷源为0.1%酵母粉；氮源筛选实验中，碳源为1%糖蜜，磷源为0.1%酵母粉；因油层采出液为CaCl2水型，其中含有大量的Ca2+，在进行磷源的筛选时必须考虑是否会产生沉淀，为此，设置了加入螯合剂(EDTANa2)的对照组；磷源筛选实验中碳源为1%糖蜜，氮源为0.2%NaNO3。

激活实验是在100 mL医用小瓶中加入设计好的激活体系成分，再加入2%的原油，121 ℃高温高压灭菌后加入50 mL采出液，用已灭菌的胶塞密封(限氧-厌氧)，置于45 ℃(产出水温度)的恒温摇床150 r·min-1培养3 d。发酵液10 000 r·min-1、4 ℃下离心10 min，去除上清液，用等体积的磷酸盐缓冲溶液(PBS)重悬，以PBS缓冲溶液作为对照，测定其OD600值，以3 d产气量和菌浓OD600值作为评价指标。每组实验做3个平行。

1.3.3 激活体系的优化

1.3.3.1 PB实验

为了防止其它因素造成的显著性影响，Plackett-Burman(PB)实验设计[12]中，两水平间的差值不能过大[13]。基于单因素实验结果，利用Design Expert 8.0.7设计软件，以1.5倍步长设计PB实验，以产气量作为响应值。利用设计Design expert 8.0.7设计软件进行实验结果的方差、显著性等分析，找出对产气量影响最为显著的因素。

1.3.3.2 最陡爬坡实验

针对PB实验确定的显著因素，设计合适步长进行最陡爬坡实验以得到最大响应值，以作为响应面实验中中心组合设计的中心点。

1.3.3.3 响应面实验

通过PB实验得到了激活体系中影响显著的因素，为了分析各因素之间的交互作用，得到最优激活体系配方并建立其应用模型，利用Design Expert 8.0.7设计软件设计了响应面实验。在中心组合实验(central composite experiment,CCD)中同样取一个低水平和一个高水平，尽量使最陡爬坡实验中最佳组合的因素的含量处于响应面设计中高低水平的中心。

2 结果与讨论

2.1 油藏内源微生物的分布(表1)

表1油藏内源微生物的类型与数量/(CFU·mL-1)

Tab.1 The type and number of indigenous microorganisms in reservoir/(CFU·mL-1)

注：NRB为硝酸盐还原菌；FMB为发酵菌；HOB为烃氧化菌；SRB为硫酸盐还原菌；TGB为腐生菌。

由表1可见，靖安油田五里湾一区10口油井的油藏中有不同类型且数量较多的微生物，生物潜力较大。只要添加合适的激活剂，最大限度地激活油藏中的有益菌，抑制有害菌，就具有实施内源微生物驱油的可能。

2.2 碳源、氮源、磷源的筛选和优化

微生物的代谢产气是一个相当复杂的生物化学过程，产气量的多少和气体成分不仅与细菌种类有关，还与培养基营养成分密切相关。营养成分筛选的单因素实验方案和结果见表2。

表2营养成分的单因素实验筛选方案及结果

Tab.2 The program and results of single factor experiment for screening of nutritional components

2.2.1 碳源的筛选与优化

由表2可见，糖蜜的产气效果及对地层微生物激活效果要好于玉米浆干粉。实验发现以玉米浆干粉为碳源进行激活时产生了大量的硫化氢气体，推测玉米浆干粉激活了硫酸盐还原菌，故玉米浆干粉不可用。确定糖蜜为激活体系的适宜碳源。

进一步以0.2%NaNO3为氮源、0.1%酵母粉为磷源，测定不同浓度糖蜜为碳源时的3 d产气量和OD600值，结果见图1。

图1 碳源浓度优化结果Fig.1 The results of optimization of carbon source concentration

由图1可见，不加糖蜜时产气量和OD600值都很低，随着糖蜜浓度的增大，产气量和OD600值均相应上升，当糖蜜的浓度达到1.2%时，产气量达到94 mL、OD600值也达到最高；此后再增大糖蜜浓度，产气量和OD600值反而下降。这说明营养过度缺乏或过剩都会抑制微生物的生长，进而影响到产气量，因此，将糖蜜的浓度初步定为1.2%。

2.2.2 氮源的筛选与优化

由表2可见，以NaNO3、KNO3、NH4NO3为氮源时，产气量相近，其中以NaNO3为氮源时菌浓最大，OD600值达到1.933；相比其它3种氮源，蛋白胨的产气量和OD600值均不理想。故确定NaNO3作为激活体系的适宜氮源。进一步以1%糖蜜为碳源、0.1%酵母粉为磷源，测定不同浓度NaNO3为氮源时的3 d产气量和OD600值，结果见图2。

图2 氮源浓度优化结果Fig.2 The results of optimization of nitrogen source concentration

由图2可见，在NaNO3浓度很低时，随着NaNO3浓度的增大，产气量和OD600值均上升；当NaNO3浓度达到0.25%时，产气量和OD600值同时达到最大；此后再增大NaNO3浓度，产气量和OD600值反而下降。因此，将NaNO3的浓度初步定为0.25%。

2.2.3 磷源的筛选与优化

由表2可见，以有机磷源酵母粉为磷源时，产气量和OD600值与无机磷源KH2PO4、NaH2PO4相差不大。但是由于该油藏采出液中含有大量Ca2+，加入无机磷源会有沉淀生成，虽然加入螯合剂EDTANa2后，沉淀大大减少，但是其产气量和OD600值却不理想，推测是由于EDTANa2抑制了微生物的生长。因此，确定酵母粉作为激活体系的适宜磷源。

进一步以1%糖蜜为碳源、0.2%NaNO3为氮源，测定不同浓度酵母粉为磷源时的3 d产气量和OD600值，结果见图3。

图3 磷源浓度优化结果Fig.3 The results of optimization of phosphorous source concentration

由图3可见，不添加酵母粉时，产气量和OD600值都很低；随着酵母粉浓度的增大，产气量和OD600值均明显上升；当酵母粉浓度达到0.08%时，产气量和OD600值同时达到最大；此后继续增大酵母粉的浓度，产气量明显下降，而OD600值变化不大。可见酵母粉对于微生物的生长是必需的，但是只要微量的酵母粉就可以满足微生物的需要。因此，将酵母粉的浓度初步定为0.08%。

2.3 PB实验结果与分析

PB实验设计及各变量的响应结果见表3，实验结果分析见表4。

表3Plackett-Burman实验设计及结果

Tab.3 Design and results of Plackett-Burman experiment

表4Plackett-Burman实验结果分析

Tab.4 Analysis of Plackett-Burman experiment results

变量系数(coefficient)绝对值的大小代表了该变量对实验结果的影响。绝对值越大，表明该变量对结果的影响越大，变量的P值代表了该变量导致实验结果出现不符合预测情况的概率，即该变量的显著程度。P值越小，表明该变量对预测结果的影响越显著。由表4可见，糖蜜浓度、酵母粉浓度和FeSO4浓度3个因素对产气量的影响最为显著(P<0.05)，且糖蜜浓度表现为正效应，酵母粉浓度和FeSO4浓度表现为负效应，即增大糖蜜的浓度、减小酵母粉和FeSO4的浓度有利于提高激活过程中地层水中微生物的产气量。因此，选择糖蜜、酵母粉和FeSO43个因素进一步优化分析，通过最陡爬坡实验确定产气量最佳点的范围。

2.4 最陡爬坡实验结果(表5)

由表5可见，第5组实验产气量最高，且其前后两组的产气量也相当高，因此选择第5组因素的浓度作为响应面优化实验中心组合设计的中心点。

表5最陡爬坡实验设计及结果

Tab.5Designandresultsofsteepestascentpathexperiment

实验号糖蜜浓度/%酵母粉浓度/%FeSO4浓度/%产气量/mL10.650.100.00403620.800.090.00355330.950.080.00306741.100.070.00258251.250.060.002010861.400.050.00159571.550.040.00108981.700.030.000588

2.5 中心组合设计实验结果及响应面分析

为考察糖蜜(A)、酵母粉(B)、FeSO4(C)3个因素间的交互作用，设计3因素3水平的中心组合实验，共15组实验。中心组合实验的设计方案和结果见表6，回归性分析见表7。

表6中心组合实验设计方案及结果

Tab.6Designandresultsofcentralcompositeexperiment

实验号A/%B/%C/%产气量/mL11.00.040.00206021.50.040.00208531.00.080.00208041.50.080.00208851.00.060.00208261.50.060.00157271.00.060.00257381.50.060.00258391.250.040.001588101.250.080.001580111.250.040.002098121.250.080.002592131.250.060.0020113141.250.060.0025102151.250.060.0015108

由表7可见，在3个因素中，糖蜜浓度、FeSO4浓度对激活过程中微生物的产气量影响是显著的。

三维响应面和等高线图如图4所示。

由图4可见，3个等高线图均未呈椭圆形，表明3个因素间的交互作用并不显著，这与表7所示各因素交互作用的P值大于0.05的结论相一致。

通过中心组合实验，获得产气量与糖蜜浓度、酵母粉浓度和FeSO4浓度之间的关系式为：

产气量=105.23-14.13A+10.79B+30.26C-4.25AB+2.24AC+5.63BC-24.90A2-13.44B2-15.66C2

(1)

表7中心组合实验回归性分析

Tab.7Regressionanalysisofcentralcompositeexperiment

项系数平方和自由度均方F值P值/Prob>FModel-2549.569283.286.070.0306A-14.13252.261252.265.400.0676B10.79167.561167.563.390.1167C30.26521.201521.2011.170.0205AB-4.2572.25172.251.550.2686BC2.2411.44111.440.250.6416AC5.6372.25172.251.550.2686A2-24.901710.8111710.8136.650.0018B2-14.44575.441575.4412.330.0171C2-15.66569.751569.7512.210.0174

通过响应面图的凸点大致确定2个变量的优化值范围，对式(1)求3个变量的一阶偏导，得出优化值依次为：糖蜜浓度1.28%、酵母粉浓度0.058%、FeSO4浓度0.0019%。因此，确定激活体系组分为：糖蜜1.28%、NaNO30.25%、酵母粉0.058%、FeSO40.0019%、MnSO4·H2O 0.0001%。

2.6 验证实验

对所得激活体系优化结果进行验证实验，结果发现，激活培养至第4 d时，菌浓达2×108CFU·mL-1，且有害菌的数量得到有效抑制；表面张力降至50 mN·m-1以下；产气量最高达103 mL，较未添加激活体系时的产气量大幅提高，说明这个区块具有较大的内源微生物驱油潜力。

3 结论

在已知靖安五里湾一区理化条件的基础上，利用试剂瓶法对其内源微生物的群落结构进行了普查，并针对该区块筛选出了一套激活体系，对其内源微生物驱油潜力进行了评价，研究表明：

1)靖安油田五里湾一区10口油井的油藏中含有不同类型且数量较多的有益微生物。

2)通过营养成分的筛选及优化单因素实验，确定了适合该区块的碳源糖蜜、氮源NaNO3、磷源酵母粉，并对其浓度进行了初步的优化。

3)采用PB实验、最陡爬坡实验和响应面法对影响产气量的主要因素进行了优化，确定最佳激活体系为：糖蜜1.28%、NaNO30.25%、酵母粉0.058%、FeSO40.0019%、MnSO4·H2O 0.0001%。该激活体系能够很好地激活油藏中的内源微生物，激活后菌浓和产气量都有大幅度的增加，表面张力显著降低，有害菌得到有效抑制。说明靖安油田五里湾一区油藏具有较大的内源微生物驱油的潜力。

图4 激活体系中产气量的响应面和等高线图Fig.4 Response surfaces and contour lines for gas production of stimulation system

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