聚合物产生菌FY-7对非均质油藏的调剖潜力分析

毕永强，修建龙，张康智，马 挺

(1.西安航空学院，陕西 西安 710077；2.中国科学院渗流流体力学研究所，河北 廊坊 065007； 3.南开大学，天津 300071)

0 引 言

在油田开发过程中，由于储层的非均质性较强，导致“舌进”和“指进”现象较为突出，吸水剖面和产液剖面严重失调，注水低效或无效循环的问题严重影响了开发效果[1-3]。调剖堵水技术是油田改善注水开发效果、实现油藏稳产的有效技术手段[4-8]。微生物调剖技术是近年来迅速发展起来的一项提高采收率技术，其施工工艺简单、控水增油效果好，成本低，有效期长、不污染环境[9-14]，日益受到国内外学者的广泛关注。室内实验证实，微生物可通过菌体增殖、代谢生成生物聚合物等形式对油藏形成选择性封堵，从而提高波及效率[15-18]。众多微生物调剖矿场试验证明，微生物调剖效果明显，投入产出比为1.0∶2.0～1.0∶5.5，具有很高的经济效益[19-25]。目前已筛选出一株聚合物产生菌FY-7，其在生长过程中伴有菌体量的增加和生物聚合物的生成。为进一步阐明其调剖机理，探究其调剖潜力，从微观角度出发，利用微观仿真透明模型研究了生物聚合物在多孔介质中的生成、分布及调剖特征，并通过物理模拟实验宏观上考察了微生物的调剖机理、调剖性能和提高采收率的能力，为微生物调剖技术的发展及应用提供了理论依据和技术支持。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

(1) 实验菌株。实验菌株为Enterobacter sp.FY-7，-80 ℃甘油管保存于实验室菌种库。

(2) 培养基配方。种子培养基：酵母粉5.00 g/L，蛋白胨10.00 g/L，NaCl10.00 g/L，pH值为7.2～7.4；加入2%的琼脂粉即可制成固体平板。无机盐培养基：KNO31.00 g/L，葡萄糖30.00 g/L，Na2HPO4·12H2O 1.50 g/L，MgSO4·7H2O 0.25 g/L，MnCl20.20 g/L， Na2SO40.32 g/L，酵母粉0.10 g/L，蛋白胨2.00 g/L，pH值为7.0～7.2。

(3) 油水样。实验所用原油、地层水均采自新疆克拉玛依油田七中区产油井。该区块地层温度为32 ℃；20 ℃地面脱气原油密度为0.862 g/cm3，地面脱气原油黏度为60.5 mPa·s，地层水总矿化度为15 726 mg/L。

(4) 模型材料。微观仿真透明模型的尺寸为40.0 mm×40.0 mm×2.4 mm，模型孔隙直径范围为20～200 μm；均质胶结岩心采购于新疆勘探开发研究院，岩心参数见表1。

表1 均质胶结岩心参数

1.2 仪器设备

Avanti J-E型多用途高效离心机(美国贝克曼库尔特有限公司)；XL-30型ESEM(荷兰飞利浦仪器公司)；XY-V 型大型恒温箱实验台一体机(廊坊中国石油科学技术研究院和海安鑫旺石油科研仪器联合研制)；HVE-50 型立式压力蒸汽灭菌器(上海博讯实业有限公司医疗设备机厂)；100DX型高压高精度柱塞泵(美国ISCO公司)；Axio Imager A2型顶级正置荧光显微镜(德国蔡司公司)；TY-4型岩心夹持器和活塞式中间容器(海安华达石油仪器科技有限公司)。

1.3 实验方法

(1) 种子液的制备。将甘油管保存的菌株FY-7接种至平板培养基，37 ℃静置培养24 h，对菌株进行活化，之后用接种环挑取平板菌落至种子培养基中，37 ℃摇床上按速度为180 r/min培养16 h获得种子液备用。

(2) 菌株在油藏温度下的生长代谢特征。种子液按2%接种量接种至无机盐培养基混合均匀，并分装至若干个250 mL三角瓶中，32 ℃(油藏温度)下静置培养，定期取1个三角瓶，用快速滤纸对三角瓶中培养液进行过滤，将生物纤维聚合物和菌液分离，分别测定菌浓度和生物聚合物的体积。

(3) 微观模型实验方法。实验用实验系统见文献[25]。应用微观透明玻璃模型进行微观调剖驱油机理研究。实验步骤：①将微观模型抽真空并饱和地层水；②饱和脱水脱气原油，从而建立束缚水饱和度；③水驱至油水分布稳定；④注入接种2%FY-7的无机盐培养基，并在32 ℃下封闭静置培养7 d；⑤后续水驱至油水重新分布稳定。实验过程中注入速度为0.5 mL/min，期间观察并记录实验现象。

(4) 封堵率评价实验方法。封堵率是评价调剖性能的重要参数，其体现的是封堵前后岩心水测渗透率的降低程度，计算方法见文献[26]。应用均质胶结岩心对封堵能力进行评价。实验步骤：①挑选3种不同渗透率均质胶结岩心，分别置于岩心夹持器中并固定；②将岩心抽真空4h后饱和地层水，并计算孔隙度，浸泡12 h后待用；③注入地层水，并记录注入压力，计算堵前水相渗透率；④注入接种2% FY-7的发酵培养基0.5倍孔隙体积，32 ℃下封闭静置培养7 d；⑤注入地层水，并记录注入压力，计算堵后水相渗透率；⑥计算封堵率，并分析实验结果。

(5) 物理模拟驱油实验方法。通过将不同渗透率的胶结岩心并联模拟非均质油藏条件，评价FY-7的调剖驱油能力，体现的是FY-7通过封堵作用进一步提高原油采收率的能力。实验步骤：①挑选2块不同渗透率的均质胶结岩心，分别置于岩心夹持器中固定；②将岩心抽真空4 h后饱和地层水，并计算孔隙度；③饱和脱水、脱气原油，建立束缚水，计算初始含油饱和度(Soi)；④水驱至综合含水率为98%；⑤注入接种2%FY-7的发酵培养基0.5倍孔隙体积，32 ℃下封闭静置培养7 d；⑥后续水驱至含水率达98%以上，计算驱油效率，并分析实验结果。实验过程中注入速度为1.0 mL/min，期间分别记录注入压力及2块岩心的出液量和出油量。

2 结果与讨论

2.1 菌株描述及其生长代谢特征

聚合物产生菌FY-7为阴沟肠杆菌，兼性厌氧。在LB平板上，菌落呈圆形，边缘整齐，表面光滑不透明(图1a)。单个菌体呈短杆状，大小为(0.5～0.6)μm×(1.3～1.6)μm(图1b)。在24～39 ℃下，FY-7能通过生长代谢生成大量生物纤维聚合物。代谢生成的生物聚合物能交联在一起，呈冻胶状(图1c)。

图1 菌株FY-7及生物聚合物的表观特征

FY-7在新疆七中区油藏温度下，无机盐培养基中的生长代谢情况见图2。由图2可知，FY-7菌在14 h达到最大菌浓度，为1.8×108cfu/mL。代谢生成的生物聚合物的最大生成量时间相对滞后，在17 h达到最大生成量，占总体积的55%。当菌体生长至衰亡期后，生物聚合物的体积占比下降不明显，仍可呈稳定的胶体状态。因此，FY-7能封堵大孔道，具备良好的调剖潜力。

图2 FY-7的生长代谢过程

2.2 FY-7的微观调剖作用

微观模型的孔隙直径为20～200 μm，远大于菌体大小，菌体难以发挥封堵作用，主要应用微观模型研究生物聚合物的调剖驱油作用(图3)。

一次水驱后，微观模型残余油的分布状态主要包括孤岛状、柱状、膜状、簇状和盲端等形式[27](图3a)。由于大孔隙的驱替阻力小于小孔隙，注入水优先流经大孔隙，从而使大孔隙中的原油被大量采出，残余油主要以膜状形式存在，而小孔隙中的残余油较多，主要以柱状和簇状为主。由于残余油和多孔介质间的相互作用，导致水驱无法有效驱替剩余原油，造成无效水驱循环。注入调剖功能菌FY-7段塞后，微观模型剩余油的分布状态发生变化(图3b)，由图3b可知，在微生物段塞的作用下，微观模型其他部位(主要以小孔隙残余油为主)的残余油被驱赶至大孔隙，并形成新的残存状态，此时微生物菌体主要分布在多孔介质水相中和油水界面。7 d后，FY-7在微观模型多孔介质中生长繁殖，生物聚合物在大孔道生成并聚集，从而形成对大孔隙的封堵(图3c)。说明大孔隙为FY-7提供了足够的生长空间，降低了菌内竞争，从而使生物聚合物优先在大孔道生成聚集，具有选择性调剖的作用。在FY-7对大孔隙形成稳定封堵后，进行后续水驱油。由图3d可知，大量残余油被采出。说明由于生物聚合物的封堵作用，在整体上调整了吸水剖面，改善了水驱效果，从而提高了注水波及体积和原油采收率。

图3 不同微生物调驱阶段的油水分布状态

2.3 FY-7的封堵性能分析评价

实验采用表1中均质胶结岩心进行封堵实验，验证FY-7对单一渗透率层位的封堵能力。FY-7对不同渗透率岩心的封堵率略有差异，渗透率分别为 281×10-3、449×10-3、2 346×10-3μm2的岩心的封堵率分别为78%、74%、67%，平均封堵率为73%，说明FY-7有很好的封堵能力，能改善油藏非均质性，调整吸水剖面，从而改善油藏的开发效果；封堵率随着渗透率的增大而降低，说明渗透率越大，孔喉半径越大，菌体的堵塞作用将会被削弱，而此时的封堵效果主要是生物聚合物的作用。

2.4 FY-7的宏观调剖过程分析评价

调剖的主要目的是提高非均质油藏的开发效果，为了真实体现FY-7的调驱能力，实验应用不同渗透率的均质胶结岩心4号和5号，采取并联的方式来模拟非均质油藏环境。

图4为不同渗透率岩心的分流率变化情况。由图4可知：在水驱阶段，高渗岩心分流率高于低渗岩心，注入水优先进入高渗岩心，因此，高渗岩心相比于低渗岩心提前注水突破；随着注水过程的深入，高渗岩心和低渗岩心的分流率分布稳定在80%和20%；在注菌阶段，高渗岩心的分流率增大，而低渗岩心分流率减小，说明调剖微生物FY-7优先进入高渗透层，对其进行封堵；后续水驱阶段高渗岩心分流率明显降低，低渗岩心分流率显著升高，说明FY-7能明显改善油藏非均质性，发挥调剖作用。

图4 不同渗透率岩心的分流率变化

图5为含水率、采收率及驱替压力变化情况。由图5可知：注水突破后，压力逐渐下降，并趋于平稳；在注入调剖功能菌液过程中，由于菌体优先进入大孔隙，菌液主要流经高渗岩心，因此，造成压力有一定下降；后续水驱前段，压力呈跳跃式升高，说明由于菌体的生长代谢和生物聚合物的生成对高渗透带形成了封堵；在后续水驱后段，随着菌体的解吸附和驱出、残余油的大量采出，压力逐渐降低。

通过驱替过程中的含水率和采收率变化曲线分析可知，FY-7通过调剖提高了原油采收率(表2)。

图5含水率、采收率及驱替压力变化

由表2可知：水驱阶段，当驱替至综合含水率为98%时，综合采收率为39.42%，高渗透岩心的累计注入孔隙体积倍数为2.84，累计采收率为40.58%，低渗透岩心的累计注入孔隙体积倍数仅为0.60，累计采收率却达到了38.17%，略低于高渗透岩心，说明高渗透岩心的无效水驱循环现象明显；注入微生物段塞0.5倍孔隙体积，并恒温培养7 d后，高渗岩心和低渗岩心的含水率均有一定的下降(图5)，FY-7分别使高渗岩心、低渗岩心的采收率分别提高6.68、14.67个百分点(表2)，说明FY-7不仅可封堵高渗层，还可封堵高渗层的高渗部位，从而提高低渗透层的波及效率，提高原油采收率；FY-7综合提高采收率为10.54个百分点，说明FY-7能通过生长代谢生成生物聚合物发挥调剖作用，显著提高原油采收率，可应用于现场的油田开发。

表2 物理模拟调驱实验结果

3 实践指导

对于非均质油藏采收率较低的问题，实验研究发现残余油主要存在于低渗透区域，通过聚合物产生菌FY-7在高渗透区域代谢生成生物聚合物对其进行封堵，促进了低渗透残余油的采出，有效提高了非均质油藏的采收率。FY-7可作为一种提高原油采收率的接替性物质，应用于非均质油藏的开发。此外，还可考虑应用FY-7与表面活性剂复合使用，利用其提高波及效率和洗油效率的综合作用，进一步提高原油采收率。

4 结 论

(1) 通过对FY-7的生长代谢特征研究发现，菌株能在24～39 ℃下通过生长代谢生成大量交联状的生物聚合物，且呈稳定胶体状态，具备微生物调剖的工业应用潜力。

(2) 通过微观模型实验研究了FY-7的调剖驱油机理，表明FY-7优先在大孔隙生长繁殖，并生成生物聚合物形成封堵作用，在整体上调整了吸水剖面，提高了注水波及体积，改善了水驱效果，具有选择性调剖的作用。

(3) FY-7的封堵率大小为67%～78%，平均为73%，封堵性能良好；FY-7使高渗岩心、低渗岩心的采收率分别提高6.68、14.67个百分点，综合提高采收率为10.54个百分点，显著提高了原油采收率。