采油微生物激活产气实验研究及在大庆油田的应用

2017-06-19刘洋

石油地质与工程 2017年3期

关键词：激活剂内源产气

刘洋

(中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712)

采油微生物激活产气实验研究及在大庆油田的应用

刘洋

(中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712)

为解决微生物采油室内实验科研需求，设计了一种新式物理模拟产气装置，该装置解决了原有方法难以填装天然岩心来模拟油藏条件下微生物产气的问题，以及微生物作用原油产气过程中气体压力难以实时监测与采集的问题。应用该装置对设计的内源微生物激活剂激活培养，所产气体压力最高可达到1.1 MPa，其中甲烷的含量达到77.79%。所筛选出的激活配方应用到矿场实验后取得了良好效果，激活剂注入后，井口注入压力迅速升高，两轮注入后注入压力累计升高3.5 MPa，试验期间增油3 593 t，提高采收率2.26%。

大庆油田；微生物采油；内源激活剂；生物气

微生物采油是利用微生物在油层中生长代谢产生的气体、生物表面活性物质、有机酸、聚合物等来提高原油采收率。绝大多数微生物在代谢过程中都会产生如CO2、H2、N2、 CH4等气体，这些气体被称为油藏生物气。油藏生物气能够增大油藏压力、降低原油黏度，是微生物采油非常重要的因素[1]。从另一个角度来看，我国已开发的油田经过二次或三次采油后，仍有大量残余油资源。若把油藏视为一个巨大的生物地质反应器，其中富含大量的具有厌氧发酵功能的细菌和产甲烷功能的古菌[2-5]。若能通过微生物作用，将油藏残余油原位降解并转换成天然气进行气态开采或者作为常规能源进行储备，对于油田开发和寿命延长具有十分重要的实际意义[6-7]。因此对生物气的研究具有特殊的意义。

油田生物气转化技术的室内实验研究方法的不断改进是推动这一技术不断取得进展的前提。目前生物气的室内研究手段单一、方法简单，多以厌氧玻璃瓶培养法为主。此方法便捷简单，但存在较多缺点：①普通玻璃容器内无法填装天然岩心来模拟油藏条件下微生物产气的过程；②无法对容器内所产气体压力变化进行实时监测；③难以对容器内所产气体进行连续性采集与测量。针对上述缺点，需要对微生物产气装置进行改进，设计出一套特殊装置。

1 实验装置简介

产气装置为带压力计数表的不锈钢压力容器罐，采气装置为玻璃瓶，二者之间是通过橡胶软管与控制阀上的尖嘴接头相连。打开容器罐与压力表之间的控制阀，所产的气体通过橡胶软管排入到充满碳酸氢钠饱和溶液的气体收集瓶里，同时相同体积的溶液被排出到排水瓶里，并可通过测量排除液体的体积来推算所收集气体的体积。将得到气体的收集瓶取下，即可用色谱专用取样针插入瓶口胶塞内，抽取瓶内气体进行气体组分以及其它分析。若要采集下一容器罐中的气体，只需要将另一瓶充满碳酸氢钠饱和溶液的收集瓶与橡胶软管(通过针头)连接即可。

该装置不仅应用于微生物降解原油产天然气的实验中，也可应用于所有研究微生物发酵产气的实验中，应用压力范围为0～20 MPa。可根据实际需要更换不同精度与量程的压力表与不同体积大小的气体收集瓶，也可同时进行多个容器罐产气实验与收集。所产气体既可以单独收集或者混合收集，也可以在不中断实验进程的条件下将所产的天然气体完全或部分收集到集气瓶。排放后的容器罐经过一段时间的培养，产气体系继续运转，可再收集再培养，使微生物产气过程的监测可控性和实验连续性大大提高。

2 实验装置的应用

内源微生物采油是利用地层中原有的微生物群落通过注入井向油层中注入适量的营养激活剂激活不同微生物种群，使其产生代谢活动及其代谢产物来提高原油采收率[8-9]。注入激活剂使微生物产气也是微生物驱油的机理之一，内源微生物代谢产生气体能将地层压力升高，促使气体在原油中进行有效增溶，形成气泡使原油膨胀，带动原油流动的同时还将毛细孔道中的原油驱赶出来[10-11]。其中微生物所产的天然气，主要通过降低原油黏度和界面张力以达到改变驱替相和被驱替相的流度比和驱替流态，发生一次接触混相或者多次接触混相，从而提高原油的采出程度[12]。因此产气能力是评价和筛选内源激活剂的重要指标之一。该装置可用来对激活体系的产气能力进行模拟和对比，对内源微生物激活剂进行筛选。

不同内源微生物在整个油藏厌氧降解产甲烷体系中的作用有所不同。内源微生物一般可以分为6个种群，按照其生长所需氧化还原电位由高向低排列为：腐生菌(TGB)、烃氧化菌(HOB)、硝酸盐还原菌(NRB)、硫酸盐还原菌(SRB)、厌氧发酵菌(FMB)、产甲烷菌(PMB)[13-14]。许多厌氧微生物长时间与空气中的氧接触会导致其自身的消亡或抑制，所以从现场采集回来的样品，应在第一时间内进行内源微生物种群的检测和分离。本实验以大庆油田四厂聚驱后采油井的采出液为样本，采用测试瓶法进行内源微生物检测，其内源微生物种类和数量见表1。可以看到，激活前的采出液样品中无论是TGB还是HOB，NRB，SRB，FMB，APB，PMB，均有一定数量的存在，但是数量均低于103(个/mL)数量级。

表1 培养前后本源微生物种类和数量个/mL

根据所检测出的微生物种群数量特点，设计了两种激活配方，分别为1#和2#，用油井采出液作为溶剂配制成激活剂。从厌氧操作箱里取两个灭菌后的压力容器罐，分别在罐里放置一定量的粉碎后的油砂岩心，然后分别灌入两种激活剂至容器罐体积的十分之九，封闭容罐口，并放置在45 ℃恒温培养箱里培养10个月。定期观测记录过程中所产气体的压力变化(图1)。

图1 激活培养产气压力变化曲线

从图1可以看出，2#激活体系所产气体的压力不断增大，明显高于1#激活体系。2#激活体系培养120 d的时候，已经能检测到甲烷气体，当培养到300 d的时候，总体积为1 000 mL的容器罐中一共释放800 mL气体。天然气组分分析表明：甲烷含量占77.79%，二氧化碳占14.44%，氮气占7.76%(如图2所示)，已经非常接近油田伴生气的水平。实验结果表明，内源激活剂2#具有良好的产气能力。从升压曲线变化可以看出，培养10个月后压力最高可达到1.1 MPa，远高于1#的最高值0.2 MPa。从内源微生物激活效果来看(表1)，1#激活剂和2#激活剂均能有效地激活内源微生物的数量，但从产甲烷菌的数量来看，2#激活剂的效果要优于1#激活剂。因此选用2#作为矿场激活剂。

图2 激活后所产气体组分含量对比

3 激活剂的矿场试验效果

聚驱后内源微生物激活试验区位于大庆油田萨南二区东部，由1注4采井组构成。试验区面积为0.12 km2，地质储量为15.9×104t，孔隙体积为27.26×104m3。油层平均单井砂岩厚度为14.3 m，有效厚度为9.2 m；平均有效渗透率为414×10-3μm2；原始地层压力为11.66 MPa，饱和压力为7.5 MPa。

2#激活剂共注入两轮，总段塞体积为0.0 785 PV，累计注入21 413 m3。第一轮激活剂注入后15～20天便开始产生明显增压效果，致使井口注入端压力迅速升高，注入压力由11.3 MPa上升到最高的12.8 MPa，上升了1.5 MPa,累计压力升高幅度达到2.2 MPa。在注入第二个激活剂段塞后，注入压力由11.5 MPa升到13.5 MPa，上升了2.0 MPa，累计压力升高幅度达到2.6 MPa。

在监测注入井压力变化的同时，对试验区采油井的地层压力进行了检测。注入井油层中部流动压力由试验前的22.18 MPa上升到试验后的23.32 MPa，上升了1.14 MPa，上升幅度5.14%。注入压力和地层压力的同时升高说明油层压力的升高，不是因注入激活剂溶液的黏度所造成，而是由于激活后的内源微生物在油层内大量产生气体所导致。试验期间累计产油20 524 t，产液量增加了78 m3/d；日产油量平均增幅为35.9%，含水降幅1.5%。试验期间累积增油6 243 t，提高采收率3.93%；若不考虑水驱自然递减因素，纯增油3 593 t，提高采收率2.26%。

从激活剂注入后的120 d起始，对试验区内距注入井约1 000 m的5口观察井所产的气体采集并进行检测，全部监测到CH4及CO2的出现，含量变化范围分别为83.8%～94.7%和1.5%～8.5%。表明试验区内被激活的产甲烷菌和厌氧发酵菌已经能在不需要激活物质的条件下，持续不断地利用原油等有机物质产生CH4和CO2,从而达到了通过激活所产生的生物气来增加油层驱动能量，协助提高采收率的效果。