产气功能菌微观驱油机理研究

吴晓玲，孙刚正，段传慧，程建军，叶小川

（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.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司河口采油厂，山东东营257000）

产气功能菌微观驱油机理研究

吴晓玲1，孙刚正1，段传慧1，程建军2，叶小川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.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司河口采油厂，山东东营257000）

利用研制的微观仿真可视模型，对产气功能菌驱油过程中的剩余油形态及流动特征进行显微观察，定量分析产气功能菌对不同形态剩余油的微观驱替效果。结果表明:产气功能菌注入模型后，在原位产气降低了原油黏度，增强了原油流动性，对簇状和柱状剩余油的作用效果显著，最终提高采收率达22%；与常规气驱相比，产气功能菌的主动运移能够有效扩大波及体积，提高了模型过渡区和边界的驱替效率，从而获得较高的最终采收率。

产气功能菌；提高采收率；微观驱油

微生物采油技术是绿色环保、前景广阔的提高石油采收率的技术之一，近年来国内外各油田都相继开展了微生物驱油技术的研究和现场试验，取得了较大的进展。但微生物采油技术作用机理十分复杂，涉及到很多生理、生化和物理过程，不但包括微生物在油层中的生长、繁殖和代谢等生物化学过程，而且包括微生物菌体、微生物营养液、微生物代谢产物及生物气在油层中的运移，以及与岩石、油、气、水的相互作用引起的岩石、油、气、水物性的改变，深入研究作用机理显得尤为重要。

关于微生物代谢产生的表面活性剂提高洗油效率的研究较多，但针对微生物代谢产生的生物气驱油作用及其驱油机理研究较少。为研究微生物驱油的微观机理，笔者所在实验室自主研制了一套高温高压可视化微观驱油实验装置，该实验装置具有仿真性和可视性，可根据油藏天然岩心的孔隙结构，实现几何形态和驱替过程的仿真，并可直接观察和录制驱油过程。本文中，笔者利用这套装置进行了产气功能菌的微观驱油实验，分析产气功能菌对不同分布形态剩余油的驱替效果，以揭示产气功能菌的微观驱油机理。

1　材料与方法

1.1实验材料

所用原油来源于胜利油田沾3区块，该区块埋深1 240～1 360 m，温度为54～63℃，地下原油黏度为46.3 mPa·s，地层水矿化度为8 900 mg/L，地层水pH值为7。微观模型驱替水为除氧模拟地层水（组分）: NaCl 3.2 g/L，CaCl20.2 g/L，MgCl20.1 g/L，pH 7。

所用产气菌株:分离自油田产出液，产CO2、甲烷等气体的混合菌种，厌氧生长。

激活剂配方（g/L）:K2HPO40.348，KH2PO40.227，NH4Cl 0.5，MgCl20.5，CaCl20.25，NaCl 2.25，NaHCO30.85，酵母浸粉3，酪蛋白胨3，甲酸钠3，乙酸钠3，L-半胱氨酸盐酸盐0.5；pH 7.2，煮沸除O2。

1.2微观透明模型

实验中所使用的孔隙结构仿真地层模型是一种透明的二维平面玻璃模型，见图1。采用光化学刻蚀工艺，按照胜利油田岩心铸体薄片的真实孔隙系统，经过适当的显微方法后精密地光刻到平面光学玻璃上，然后对涂有感光材料的光学玻璃板进行曝光，用氢氟酸处理曝光后的玻璃模板，再通过高温烧结制成。模型大小为40 mm×40 mm，孔隙体积约为50 μL，孔道截面为椭圆形，具有可视性。在微观模型的两对角处分别打一小孔，模拟注入井和采出井，实现驱替过程的仿真。

图1　微观玻璃模型及模型分区Fig.1 Microscopic glass model and model partitioning

1.3实验装置

实验装置为高温高压微观驱油实验装置，其主要由流体注入系统、模型夹持系统、环压系统、回压系统、压力温度监视采集系统、图像采集与处理系统、温控系统、油水计量系统等组成（图2）。该装置能够利用普通玻璃微观实验模型进行压力20 MPa以下、压差8 MPa以下、温度150℃以下的各种微观实验。实验将微观仿真玻璃模型置于高温高压耐腐蚀圆柱形容器中后，再进行微观观察和驱替。

图2　高温高压微生物驱油微观实验装置Fig.2 HPHT microbial flooding microscopic experimental device

实验所获微观渗流图像由显微设备直接拍摄得到，文章中图片放大倍数为15倍。为得到剩余油量变化的定量数据，采用图像处理技术对图片进行了分析。图像处理技术主要是利用计算机对图像取样、量化以产生数字图像，对数字图像做各种变换等预处理操作，得到清晰有效的图像以方便处理，进而对图像进行分割，在此基础上进行相关渗流参数的计算。对微观渗流图像进行处理的过程包括图像预处理、分割图像以及渗流参数的计算。

1.4产气功能菌实验步骤

模型恒温60℃、注入速率0.05 mL/min，观察并记录实验过程。具体过程:①微观模型抽真空饱和地层水；②模型饱和原油；③升压至10 MPa，一次水驱1.5 PV（PV为孔隙体积）；④注入产气功能菌及其培养基1.0 PV，培养15 d；空白对照实验以1.0 PV无菌培养基代替菌液，并直接二次水驱；⑤二次水驱1.5 PV，观察并拍摄剩余油状态；⑥分析实验图片及数据。

2　结果与讨论

2.1产气功能菌提高采收率定量分析

考察注菌前后模型剩余油变化情况，将模型分为主通道、过渡区和边界3个区域，分别计算采收率，结果见表1。由表1可知:一次水驱1.5PV，模型中剩余54.2%原油，主要以簇状、柱状和膜状剩余油为主，部分盲端内原油未被驱动。注入产气功能菌液1.0 PV后，剩余油为40.8%，提高采收率7.9%；产气功能菌在模型中培养15 d，二次水驱1.5 PV可提高采收率14.6%，最终提高采收率达28%。

表1　产气功能菌微观驱油效果定量分析Table 1 Quantitative analysis of micro displacement effect on gas producing capabilities bacteria

一次水驱后，模型中剩余油饱和度在主通道最低，边界最高。注入产气功能菌后，边界处的剩余油驱替效率高于主通道和过渡区的驱替效率。这是由于一次水驱时主通道内易被驱替的原油已被驱走，注入的菌液因菌体的主动运移向边界扩散并生长代谢，扩大了波及体积，在原位产气降低了原油黏度，使原油流动性增强，有效动用了边界剩余油，从而获得较高的最终采收率。

2.2产气功能菌对剩余油的作用分析

水驱后剩余油的形式多种多样，取决于模型孔隙的结构、物理特性及驱油剂的波及效果，根据其所占孔隙空间的大小和分布状态，将剩余油分为簇状剩余油、柱状剩余油、膜状剩余油及盲端内的剩余油。表2为产气菌驱替后不同形态剩余油变化情况。

表2　不同形态剩余油的变化Table 2 Changes of remaining oil in different forms

2.2.1簇状剩余油

图3为产气功能菌作用后簇状剩余油变化情况。由图3可知:产气功能菌培养过程中产生的气体溶解在原油中，降低原油黏度，从而能驱替部分剩余油。结合表2数据分析可知，一次水驱后，模型中簇状剩余油占21.7%，注入产气功能菌并培养，二次水驱可提高采收率13.1%，是对采收率贡献最大的类型。由于产气功能菌在模型中的主动运移，包围了簇状剩余油，并在原位产生生物气溶于簇状剩余油，降低了原油黏度，在后续水驱时，这种降黏簇状剩余油大大减少甚至被完全驱走。

2.2.2柱状剩余油

图4为产气功能菌作用后柱状剩余油变化情况，柱状剩余油主要存在于连通孔隙的喉道处，特别是在细长的喉道中更加明显。结合表2数据和图4分析可知，一次水驱后模型中柱状剩余油占16.1%，产气功能菌可提高采收率9.2%。产气功能菌对柱状剩余油的作用与簇状类似，菌体扩散运移到细孔道后生长代谢产生的气体溶于剩余油，使原油黏度降低，更易通过细孔道，在后续水驱时能驱替出更多的柱状剩余油。

图3　产气功能菌作用后簇状剩余油变化情况Fig.3 Changes of cluster residual oil after the injection of gas producing capabilities bacteria

图4　产气功能菌作用后柱状剩余油变化情况Fig.4 Changes of columnar remaining oil after the injection of gas producing capabilities bacteria

2.2.3膜状剩余油

图5为产气功能菌作用后油膜变化情况，由表2可知，一次水驱后模型中膜状剩余油占14.8%，产气功能菌可提高采收率5.2%。产气功能菌对膜状剩余油的采收率较低，一方面生物气的溶解作用会降低原油黏度，被水驱出；另一方面产气菌未能改变孔隙壁的润湿性，黏附于孔隙壁的膜状油仍有较多残留。

2.2.4盲端剩余油

图5　产气功能菌作用后油膜变化情况Fig.5 Oil film changes after the injection of gas producing capabilities bacteria

图6为产气功能菌作用后盲端剩余油变化情况，由表2可知，一次水驱后模型中盲端剩余油占1.6%，产气功能菌可提高采收率0.5%，是4类剩余油中驱替比例最小的类型。这是由于产气功能菌运移到盲端产气后，能溶解原油、降低黏度，但较难运移到盲端深部，即使到达较深盲端底部，没有气泡的挤压作用，对盲端剩余油的驱替作用也是较低的。

图6　产气功能菌作用后盲端剩余油变化情况Fig.6 Changes of blind end remaining oil after the action of gas producing capabilities bacteria

从不同形态剩余油定量数据来看（表2），基本符合微观模型实验中观察的现象。总的来说，簇状剩余油在整个模型剩余油中所占比例最大（约40%），为提高采收率做出的贡献也是最大的，产气功能菌可提高采收率13.1%，簇状剩余油驱油效果显著，驱替比例达63.2%；柱状剩余油和膜状剩余油在整个模型中所占比例相当，各约占所有剩余油的27%，产气功能菌对柱状油有较好效果，驱替比例为70.12%，膜状剩余油驱替比例41.4%；盲端剩余油占所有剩余油比例最少，只有约3%～5%，产气功能菌对该类剩余油提高采收率0.5%，驱替比例为35.97%。

本实验的产气功能菌在摇瓶培养中约产生3倍培养基体积的气量，在压力10 MPa的模型中培养和驱替始终未观察到气泡产生。而常规气驱的气体主要分布在主通道内，且存在游离气，波及效率较差，相比常规气驱，微生物产气量较小，不存在游离气状态，对簇状和柱状剩余油的驱替效率较高，产气功能菌的主动运移作用扩大了波及体积，能有效接触并动用边界剩余油。

3　结论

在55℃、常压和8 MPa下，观察产气功能菌在微观模型中对原油的作用机理，得出以下结论:

1）产气功能菌能扩散到模型各处，原位产生生物气降低原油黏度，同时其主动运移作用有效扩大波及体积，对模型边界剩余油的驱替作用明显，最终提高采收率达22%。

2）产气功能菌对不同形态剩余油的驱替效率不同，实验中观察到对簇状和柱状剩余油驱替效果显著，可分别提高采收率13.1%和9.2%。

3）产气功能菌驱油在扩大波及体积的作用上优于常规气驱。

［1］ 宋智勇，郭辽原，高光军，等.内源微生物驱油物模实验及其群落演变研究［J］.石油钻采工艺，2010，32（1）:89-93.

［2］ 伍晓林，石梅，侯兆伟，等.以烃为碳源的微生物驱油微观机理探索研究［J］.大庆石油地质与开发，2003，22（4）:56-60.

［3］ 朱维耀，夏小雪，郭省学，等.高温高压条件下油藏内源微生物微观驱油机理［J］.石油学报，2014，35（3）:528-535.

［4］ KOVALEWSKI E，RUESLTTEN I，STEEN K H，et al.Microbial improved oil recovery-bacterial induced wettability and interfacial tention effects on oil production［J］.J Petrol Sci Eng，2006，52: 275-286.

［5］ 黎霞，承磊，邓宇，张辉.石油烃厌氧生物降解研究进展［J］.应用与环境生物学报，2008，14（2）:283-289.

［6］ 李娟.油藏环境本源微生物与石油烃作用机理及群落结构变化分析［D］.北京:北京科技大学，2012.

［7］ 宋智勇，郝滨，赵凤敏，等.胜利油田水驱油藏内源微生物群落结构及分布规律［J］.西安石油大学学报（自然科学版），2013，28（4）:44-49.

［8］ 包木太，袁书文，宋智勇，等.不同碳源激活剂对胜利油田中一区油藏内源菌激活效果评价［J］.化工学报，2011，62（3）: 786-791.

［9］ VOORDOUW G，ARMSTRONG S M，REIMER M F，et al. Characterization of 16S rRNA genes from oil field microbial communities indicates the presence of a variety of sulfate reducing，fermentative and sulfide-oxidizing bacteria［J］.Appl Environ Microbiol，1996，62:1623-1629.

［10］ BRYANT R，LINDSEY R.World-wide applications of microbial technology for improving oil recovery［C］∥SPE/DOE Improved Oil Recovery Symposium.Tulsa:SPE Publications，1996.

［11］ VADIE A A，STEPHENS J O，BROWN L R.Utilization of indigenous microflpra in permeability profile modification of oil bearing formation［C］∥Improved Oil Recovery Symposium. Tulsa:SPE Publications，1996.

［12］ BROWN L R，VADIE A A，STEPHENS J O.Slowing production decline and extending the economic life of an oil field:new MEOR technology［C］∥SPE/DOE lmproved Oil Recovery Symposium.Tulsa:SPE Publications，2000.

［13］ 宋永亭，魏斌，赵凤敏，等.罗801区块油藏环境厌氧微生物链的形成及其对微生物驱采收率的影响［J］.油田化学，2004，21（2）:182-186.

［14］ MAGOT M，OLLIVIER B，PATEL B K C.Microbiology of petroleum reservoirs［J］.Antonie van Leeuwenhoek，2000，77（2）:103-116.

（责任编辑 荀志金）

Microscopic oil displacement mechanism of gas producing bacteria

WU Xiaoling1，SUN Gangzheng1，DUAN Chuanhu1，CHENG Jianjun2，YE Xiaochuan2
（1.Research Institute of Petroleum Engineering Technology，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying 257000，China；2.Hekou Oil Production Factory，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying 257000，China）

Morphology and flow characteristic of remaining oil in the displacement process were observed with a microscopic visual simulation model.Microscopic displacement effect of various remaining oil by the gas producing bacteria was quantitatively analyzed.After the injection of gas producing bacteria into the model，crude oil viscosity was reduced and oil mobility was enhanced.The effect on the cluster and columnar remaining oil was obvious and final oil recovery was increased by 22%.Compared with conventional gas drive，the sweep volume was enlarged and the displacement efficiency was improved in the active migration of gas producing bacteria.Therefore，a higher oil recovery was obtained.

Gas producing bacteria；enhanced oil recovery；microscopic oil displacement

TE357.9；Q939.97

A

1672-3678（2016）03-0063-05

10.3969/j.issn.1672-3678.2016.03.012

2016-03-18

国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA064401）

吴晓玲（1985—），女，山东鄄城人，工程师，研究方向:微生物采油，E-mail:wxl2626@163.com