内源微生物激活剂在人造长岩心中的分布规律

孙刚正，郭继香，曹嫣镔，宋永亭，华世超

（1.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东东营257000；2.中国石油大学（北京），北京102249）

研究与开发

内源微生物激活剂在人造长岩心中的分布规律

孙刚正1，郭继香2，曹嫣镔1，宋永亭1，华世超2

（1.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东东营257000；2.中国石油大学（北京），北京102249）

为了明确油藏微生物激活剂组分在油藏中的分布规律，以5 600 mm的人造岩心为物理模型，研究了沾3现场激活剂配方在长时间水驱过程中的动态变化规律，分别在不含微生物消耗和含微生物消耗的情况下，拟合出内源微生物激活剂组分的长距离运移衰减方程。研究表明:长岩心运移实验中，硝酸盐、磷酸盐、玉米浆3种组分随运移距离增加都呈现出衰减趋势，峰值浓度和衰减速度不断降低。长岩心对于激活剂各组分的吸附能力有一定的差别，吸附能力由小到大依次是N、P、玉米浆，微生物对于激活剂各组分的消耗比例由小到大依次是玉米浆、N、P。在开始注入阶段，带微生物消耗的激活剂运移损耗巨大并出现色谱分离现象，当激活剂运移到2.5 m的位置时，基本消耗殆尽。因此，常规注入方式很难使激活剂有效进入到油藏深处。

营养组分；长岩心；运移；消耗

微生物驱油技术是一种新型的四次采油技术，具有经济、高效、环保的特点［1-3］。目前，微生物驱油技术主要是分为两个方向，一个是外源微生物驱油技术，通过注入油藏环境以外的微生物及其代谢产物，达到提高驱油效率的目的，该技术的特点是见效快，但是维持时间短，需要多次反复注入，成本高［4-6］；另外一个是内源微生物驱油技术，主要是通过为油藏内微生物创造适合生长的环境，使其在油藏内部大量繁殖，通过代谢产物以及菌体本身，实现增油目标。油藏中内源微生物的激活主要是依靠通过注入水推进到油藏中的激活剂来实现的。因此，激活剂在油藏中的分布规律是研究内源微生物采油技术的基础。目前，所用的激活剂多为可溶性好、激活速度快的激活剂组分，这就造成激活剂很难运移到油藏深部［7］，导致深部的微生物未能有效激活，使得内源微生物驱油技术的效果降低。关于内源微生物激活剂的研究主要集中在激活剂配方优化上面，致力于寻找激活效果好、成本价格低的激活剂体系［8］。在激活剂的运移方面，主要是石英砂表面静态的吸附实验［9］，与油藏内部的运移有着很大的差别，难以反映出激活剂在多孔介质中的真实运移情况。

本文中，笔者以此出发，探究激活剂在人造岩心长距离的运移规律，以优化激活剂的现场注入工艺参数，从而提高内源微生物驱油技术的驱油效果。

1　材料与方法

1.1仪器与材料

渗透率测定仪，恒泰尚合能源技术（北京）有限公司；2PB-00C系列平流泵，北京星达科技发展有限公司；OLYMPUS BX50显微镜，日本奥林巴斯公司。

沾3区块内源微生物现场激活剂配方（3.3 g/L玉米浆、0.1 g/L NaNO3、0.1 g/L Na2HPO4·12H2O）、沾地层水和义南沾注入水、蒸馏水、不同尺寸的石英砂。

1.2实验方法

实验以5 600 mm人造岩心为模型，分别研究在不带微生物消耗和带微生物消耗下激活剂的运移规律。实验温度为油藏温度65℃。取样位点详见图1。

图1　长岩心取样位点示意图Fig.1 Sampling sites of large-scale experiments

1）不带微生物消耗的长岩心运移规律研究。

①配制石英砂，填制砂管；②测定渗透率，饱和蒸馏水；③高温灭菌；④注入定量的激活剂溶液；⑤水驱至实验结束，定时取样。

2）带微生物消耗的长岩心运移规律研究。

①配制石英砂，填制砂管；②测定渗透率，饱和地层水；③注入定量的激活剂溶液；④水驱至实验结束，定时取样。

1.3检测方法

总氮浓度的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB 11894—1989），总磷浓度的测定采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989），玉米浆浓度测定采用总有机碳测定仪（TOC）。

2　结果与讨论

2.1不带微生物消耗的长岩心实验结果分析

激活剂组分在不含微生物的填砂岩心中运移，主要是石英砂对于激活剂组分的吸附、脱附作用导致，长岩心的基础数据见表1。文中的PV（pore volume）为岩心的孔隙体积。

表1　不带微生物消耗的长岩心基础数据Table 1 The data of a dedicated large-scale sand-pack column

图2为不同取样口玉米浆（以TOC计）、硝酸盐、磷酸盐组分随水驱PV的变化（不含微生物）趋势。从图2可以看出:硝酸盐、磷酸盐、玉米浆随运移距离增加都呈现出衰减趋势，峰值浓度不断降低，衰减速度不断降低，弥散程度不断增加。在运移的过程中，三组分都呈现出双峰值，第一个峰值的出现是三组分的吸附-解吸产生［7-11］，第二个峰值应该是由于三组分在多孔介质某些水力难以波及的地方的物理滞留被长时间的水驱带出引起。随着运移距离的增加，三组分的浓度不断降低，吸附-解吸速度变慢，波动范围减小，弥散程度增强。

图2　不同取样口玉米浆、硝酸盐、磷酸盐组分随水驱PV的变化（不含微生物）Fig.2 Changes of the nutrients content for corn starch powder，nitrate，phosphate（no microbial condition）

激活剂在岩心中的运移过程中，由于吸附、孔道阻碍等原因，会引起激活剂含量的衰减［8-12］。通过对于不同取样口激活剂运移曲线的面积积分，可以得出激活剂在不同运移距离断面的通过量，然后再通过神经元的非线性作用函数拟合，可以得出激活剂在不同运移距离的衰减曲线和对应的衰减方程，由衰减方程就能得出激活剂组分在不同运移距离的总量情况，从而为激活剂的深部运移提供数据支持。图3为玉米浆、硝酸盐、磷酸盐三组分随运移距离的衰减曲线（不含微生物）。从图3可以看出:随着运移距离的增加，玉米浆、硝酸盐和磷酸盐都呈现出递减趋势，其中N、P的衰减比较平缓一些，随着浓度的降低，吸附能力减弱，滞留损耗量减少［10-11］。而TOC开始衰减得比较严重，应该是玉米浆的分子结构比较大、很容易被孔喉滞留的原因。

图3　玉米浆、硝酸盐、磷酸盐组分随运移距离的衰减曲线（不含微生物）Fig.3 Trend of attenuation for corn starch powder，nitrate，phosphate（no microbial condition）

2.2含微生物消耗的激活剂长岩心运移结果

激活剂组分在含油微生物的填砂岩心中分布规律，主要是石英砂对于激活剂组分的吸附作用、微生物自身对营养组分的消耗、微生物增殖对岩心渗流孔道的改变等多方面因素造成的［6-13］，长岩心的基础数据见表2。

表2　实验基础数据表Table 2 Data of a dedicated large-scale sand-pack column

图4为不同取样口玉米浆、硝酸盐、磷酸盐三组分随水驱PV的变化（含微生物）。从图4可以看出:有了微生物消耗之后，N、P的衰减速度超过了玉米浆的衰减速度，尤其是在1号、2号、3号取样口。这是由于运移的前面部分，微生物的大量生长繁殖消耗了比较多的N、P元素，从而使得N、P含量迅速降低；运移到后面部分时，N、P被消耗掉了大部分，加上岩心深部的厌氧环境，微生物的生长速度减慢，N、P消耗趋缓。玉米浆的变化速率与不带微生物消耗的时候差不多，由此可以看出，多孔介质对玉米浆的物理滞留吸附对TOC的衰减起到主要作用。

图4　不同取样口玉米浆、硝酸盐、磷酸盐组分随水驱PV的变化（含微生物）Fig.4 Changes of the nutrients content for corn starch powder，nitrate，phosphate（microbial condition）

图5为玉米浆、硝酸盐、磷酸盐三组分随运移距离的衰减曲线（含微生物）。从图5可以看出:有了微生物消耗之后，N、P的衰减速度超过了玉米浆的衰减速度，尤其是在1号、2号、3号取样口。这是由于运移的前面部分，微生物的大量生长繁殖消耗了比较多的N、P元素，从而使得N、P含量迅速降低；运移到后面部分时，N、P被消耗掉了大部分，加上岩心深部的厌氧环境，微生物的生长速度减慢，N、P消耗趋缓。玉米浆的变化速率与不带微生物消耗的时候差不多，由此可以看出:多孔介质对玉米浆的物理滞留吸附对TOC的衰减起到主要作用。

图6为在不含微生物和含微生物的条件下，硝酸盐组分随运移距离的衰减曲线。从图6可以看出，含微生物的N的衰减速率要高于不含微生物的，并且在运移的初始阶段，差别最明显。运移初始阶段，微生物的大量繁殖对于N的消耗十分明显。说明由于激活剂组分的浓度比较高，而且营养组分之前的色谱分离效应还不是很明显，因此在岩心前部的微生物会对营养组分产生大量消耗，造成衰减速度增加。

图7为在不含微生物和含微生物条件下，磷酸盐组分随运移距离的衰减曲线。从图7可以看出:含微生物的P的衰减速率要大大高于不含微生物的，并且在运移的初始阶段，差别最明显。运移初始阶段，微生物的大量繁殖对于P的消耗十分明显。这与之前出现一个峰分析的原因一致。考虑到现场注入，可以利用P作为微生物繁殖的必要因素，对其进行单独注入的方式来减少其在前部的消耗，使其可以作用更长的距离。

图5　玉米浆、硝酸盐、磷酸盐组分随运移距离的衰减曲线（含微生物）Fig.5 Trend of attenuation for corn starch powder，nitrate，phosphate（microbial condition）

图6　硝酸盐组分随运移距离的衰减曲线对比Fig.6 Comparison of attenuation trend for nitrate（no microbesµbial condition）

图7　磷酸盐组分随运移距离的衰减曲线对比Fig.7 Comparison of attenuation trend for phosphate（no microbesµbial condition）

图8为在不含微生物和含微生物条件下，玉米浆组分随运移距离的衰减曲线。从图8可以看出，TOC的带微生物消耗与不带微生物的衰减速率差别不大，分析可能是因为微生物的大量繁殖使得岩心的渗透率降低，岩心的吸附滞留作用更强，并且吸附滞留作用在TOC的衰减中占据主导地位。

图8　玉米浆组分随运移距离的衰减曲线对比Fig.8 Comparison of attenuation trend for corn starch powder（no microbesµbial condition）

3　结论

内源微生物驱油技术中激活剂组分在运移过程中，岩心对于激活剂各组分的滞留能力有一定的差别，滞留能力由小到大依次是N、P、玉米浆，微生物对于激活剂各组分的消耗比例从小到大依次是玉米浆、N、P。这种能力的差别就导致了激活剂多组分的色谱分离现象产生，从而降低激活效果。同时，可以看出，在激活剂的运移过程中，初始阶段O2浓度比较高、微生物繁殖很快，尤其是随着激活剂的多轮次注入，使得微生物在初始段形成生物膜，生物膜快速消耗营养物质，这是导致内源微生物激活剂难以到达油藏深部的主要原因。因此，未来的研究中，要开发新型的激活剂运移载体，降低激活剂在初始阶段的大幅消耗。

［1］ 袁长忠，宋永亭，段传慧.微生物采油用营养物质在石英砂上的静态和动态吸附规律［J］.油气地质与采收率，2009，16（4）:74-76.

［2］ NERURKAR A S，SUTHAR H G，DESAI A J.Biosystem development for microbial enhanced oil recovery（MEOR）［J］. Microorg Sustain Agric Biotechnol，2012，2:711-737.

［3］ DASTGHEIB S M M，AMOOZEGAR M A，ELAHI E，et al. Bioemulsifier production by a halothermophilic Bacillus strain with potential applications in microbially enhanced oil recovery［J］.Biotechnol Lett，2008，30:263-270.

［4］ 代学成，王红波，许念，等.内源微生物驱油激活配方筛选评价指标探讨［J］.油气地质与采收率，2012，19（2）:37-40.

［5］ 宋绍富，刘菊荣，张忠智.微生物采油替代营养源的研究［J］.油气地质与采收率，2007，14（2）:96-98.

［6］ 易绍金，佘跃惠.石油与环境微生物技术［M］.武汉:中国地质大学出版社，2002:64-89.

［7］ 雷光伦，李希明，陈月明，等.微生物在油层中的运移能力及规律［J］.石油勘探与开发，2001，28（5）:75-78.

［8］ BRYANT R S，DONALDSON E C，YEN T F，et al.The in situ microbial enhanced oil recovery in fractured porous media［J］.J Petrol Sci Eng，2007，58:161-172.

［9］ SONG Z Y，GUO L Y，QU Y Y，et al.Microbial surfactantenhanced mineral oil recovery under laboratory conditions［J］. Colloids Surf B，2008，63:73-82.

［10］ AWAN A R，TEIGLAND R，KLEPPE J.A survey of North Sea enhanced-oil-recovery projects initiated during the years 1975 to 2005［J］.SPE Reservoir Eval Eng，2008，11（3）:497-512.

［11］ 汪卫东，魏斌，谭云贤，等.微生物采油需要进一步解决的问题［J］.石油勘探与开发，2004，31（6）:88-91.

［12］ 曹功泽，徐登霆，张绍东，等.胜利油田沾3断块内源微生物现场激活试验及分析［J］.石油天然气学报（江汉石油学院学报），2012，34（7）:136-140.

［13］ 徐登霆，刘涛，曹功泽，等.油田微生物驱油注入工艺研究［J］.石油天然气学报（江汉石油学院学报），2012，34（11）: 135-137.

（责任编辑 荀志金）

Distribution of activator for endogenous microbe in large-scale oil recovery experiments

SUN Gangzheng1，GUO Jixiang2，CAO Yanbin1，SONG Yongting1，HUA Shichao2
（1.Research Institute of Petroleum Engineering Technology，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying 257000，China；2.China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

We studied activator（a nutrients-containing medium for endogenous microbe）distribution in a series of flooding experiments in a large-scale sand-pack column（5 600 mm）.The distribution and transportation of the nutrients in the activator were observed by microbial consumption whereas the control was done in experiments with previously sterilized column.The nutrients in the activator including nitrate，phosphate，corn syrup decreased with the distance of migration.The components of nutrient had different adsorption capacity by the sand-pack，with the order of N＜P＜corn syrup.With the consumption of nutrients by endogenous microorganisms，the order of consumption was corn syrup＜N＜P.At the beginning of the injection with the activator，with the consumption of nutrients by microorganisms and nutrients migration，huge decrease of the nutrients appeared.When the activator migrated into 2.5 m depth，nutrients were hardly detectable.Therefore，the conventional injection of activator is difficult to enter effectively into reservoir depths.

nutrient content；large-scale column；transportation；consumption

TE357.9

A

1672-3678（2016）03-0001-06

10.3969/j.issn.1672-3678.2016.03.001

2015-03-18

国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA064401）

孙刚正（1980—），男，山东烟台人，博士，研究方向:微生物采油，E-mail:sungangzheng.slyt@sinopec.com