聚合物微球与本源微生物的协同驱油效果*

2019-10-10韩作为王晓锋

油田化学 2019年3期

韩作为，曹丽，王晓锋，苏明

（中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安716000）

鄂尔多斯盆地延长组长6 储层普遍具有低渗透、低孔、低压以及高毛管压力和高有效应力的“三低两高”特征［1］，同时天然裂缝发育广泛，具有强烈的非均质性，使得注水开发后极易出现窜流现象，含水上升快，原油采收率低，稳油控水的难度极大［2］。聚合物微球具有注入能力强、耐温抗盐和膨胀性可控等优点，尤其是近年来聚合物纳米微球调驱体系已被广泛应用在油藏水驱后的调驱作业［3-7］。微生物采油利用微生物自身的活动和微生物代谢产物（生物表面活性物质、生物聚合物及生物气体等）来促使原油增产，具有适用范围广、施工工艺简便、无污染、投入产出比高等特点［8-11］。考虑外界影响因素下的微生物驱油模型也证实了微生物驱油的可行性［12-13］。2009年于安塞油田低渗透裂缝储层进行了先导试验，验证了微生物驱油技术提高采收率的潜力［14-15］。但是，单一微生物驱技术难以减少水流优势通道横截面积、降低高渗通道的水窜能力，造成了微生物驱油体系注入后的低效性［16-17］。目前国内对聚合物微球与微生物驱的复合技术研究较少，聚合物微球与微生物驱相互影响及协同作用鲜有深入。因此，本研究针对安塞油田王窑区块目前的开发特征以及面临的主要开发矛盾，采用“聚合物微球+微生物”复合驱油技术，对聚合物微球与复合微生物菌群的相互作用进行研究，利用聚合物微球调剖段塞、封堵主要渗流通道，改变后续注入流体的方向，扩大水驱波及体积，保证后续注入的微生物菌种在地层中的繁殖时间和代谢强度；然后再利用微生物驱替段塞分解原油中的蜡质，降低油水界面张力，最终提高原油采收率，以期对安塞油田王窑区块低渗裂缝油藏的现场进一步调驱作业提供理论基础。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

聚合物微球YG-370，由丙烯酸、丙烯酰胺和AMPS疏水单体三元共聚反应而成，初始粒径50数800 nm；微生物菌种筛选自安塞油田井口油水、污水、污泥等，进行一系列富化、分离、提纯并评价，最终选取适合该油藏的4 种菌株的复合菌群体系，所培养复合菌群体系主要由1 株地衣芽孢杆菌属（YL-1）、2株假单胞杆菌属（YL-2和YL-3）和1株短小杆菌属（YL-4）构成，均属于兼性厌氧菌，在30数60℃、pH=7.0数 8.0、矿化度小于105mg/L 条件下均可正常生长繁殖；实验用水取自安塞油田长6 油层地层水，矿化度约75000 mg/L，其中Ca2+、Mg2+质量浓度高达18500 mg/L，CaC12水型；实验用原油取自井口，地面原油黏度14.65 mPa·s，地下原油黏度（45.3℃、60 r/min）1.96 mPa·s；地下温度条件下，原油含蜡量12%，沥青质含量3%，凝固点20.0℃。岩心取自安塞油田天然裂缝岩心，长度3.8数5 cm、直径2.5 cm，气测渗透率1.2×10-3数 24.2×10-3μm2，孔隙度11%数16%。

Texas-500型旋转界面张力仪，美国科诺工业有限公司；TS-W型粒度分布仪，上海盈诺精密仪器有限公司；DS-200 型组织粉碎机，金坛市万华实验仪器厂；岩心驱替装置，自组装，包括恒温箱，TELEDYNE ISCO泵，岩心夹持器，精密压力传感器，高压中间容器，气体流量计，压力表，六通阀，回压控制阀，高压管线等。

1.2 实验方法

1.2.1 聚合物微球岩心封堵实验

连接好岩心封堵实验装置流程。在45℃下，岩心加环压3数5 MPa，在0.4 mL/min 泵速下将质量浓度2000 mg/L 的聚合物微球溶液注入岩心，同时记录累计注入量以及注入压力；并以岩心注入微球后的时间记为微球膨胀时间，注入微球前的水相渗透率为K0，注入微球后随着膨胀时间改变的岩心水相渗透率记为Ki（i=1，2，3，……），按式（1）计算封堵效率P：

1.2.2 微生物驱油实验

微生物驱油实验具体步骤如下：①抽真空，饱和地层水，测量孔隙体积并计算含水饱和度；②将岩心放入恒温箱内，在模拟地层温度（45℃）下油驱至束缚水状态，计量出水量和原始含油饱和度，岩心在实验温度下老化24 h；③水驱油至含水98%时停止水驱，计算水驱采收率；④注入0.5 PV的5%体积分数的复合菌液，计算菌液注入过程的驱油效率；⑤继续水驱至含水98%时停止水驱，计算总驱油效率和采收率增值。

1.2.3 聚合物微球对菌种繁殖能力影响测试

微生物生长状态通常用被检测物吸收掉的光密度OD 值来表征。将微生物溶液、微生物与聚合物微球混合溶液样品置于在培养皿中，分别测试不同时间下的OD值。

1.2.4 “聚合物微球+微生物”油水界面张力测试

参照中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 5370—1999《表面及界面张力测定方法》，用界面张力仪在45℃、4000 r/min 条件下测定原始菌液与聚合物微球混合后的油水界面张力。

1.2.5 聚合物微球溶胀性能测试

利用地层水配制质量分数为0.6%的聚合物微球溶液，在45℃下静置15 d 后，利用激光粒度分布仪检测聚合物微球的粒径，计算膨胀倍数。

1.2.6 “聚合物微球+微生物”驱油实验

驱油实验步骤同1.2.2，只是在注入0.5 PV 的5%（按体积计）的复合菌液之前注入1.0 PV 的质量浓度为2000 mg/L 的聚合物微球调剖段塞，评价两者协同驱油效果。

2 结果与讨论

2.1 聚合物微球对岩心封堵性能

前期通过聚合物微球尺寸与油藏、地层水的配伍性能和稳定性能的评价，优选了YG-370 型聚合物微球为现场调剖体系。该聚合物微球样品的平均固含量为45.35%，质量浓度为2000 mg/L 的微球分散溶液中聚合物微球的粒度为46数310 nm。聚合物微球在盐水中呈自由悬浮状态，无分层现象，溶胀后的粒径范围为1.5数9 μm。经一系列剪切速率剪切后，微球外观形态未发生明显变化，仍呈近似球形，微球芯持续存在，具备一定的耐地层剪切能力。

将质量浓度2000 mg/L的聚合物微球溶液分别注入两组渗透率相差20 倍的岩心中。其中，岩心C1的气测渗透率为1.21×10-3μm2，孔隙度13.8%；岩心 C2 的气测渗透率为 24.25×10-3μm2，孔隙度16.0%。聚合物微球溶液注入过程中注入压力随注入体积的变化见图1，岩心封堵率随时间的变化见图2。由图1可知，对于渗透率较低的岩心C1，随着累计注入量的增大，聚合物微球溶液初始注入阶段压力上升较快，其后趋于平稳，注入一定量后，压力略有下降后再次上升。渗透率较大的岩心C2，其注入压力波动幅度减小，注入压力稳定时间较快。曲线之所以有一个下降的拐点，是因为聚合物微球在低渗岩心中逐步运移深入，在孔喉处产生堵塞效应，当压力升高到一定程度时，在一定压差下，聚合物微球再次发生运移，注入压力出现下降。注入压力的变化体现了聚合物微球在中低渗岩心中逐级封堵的效果。

图1 2000 mg/L聚合物微球溶液对不同渗透率岩心的注入性

图2 2000 mg/L聚合物微球溶液对不同渗透率岩心的封堵性

微球的封堵作用取决于其膨胀性能。如图2可知，当注入聚合物微球后，对于渗透率较低的岩心C1，其封堵率随着膨胀时间的增加基本逐步线性增加，第9 d 后微球基本完全膨胀，最终封堵效率在80%以上。而聚合物微球未膨胀前或者未完全膨胀时对C2 岩心封堵能力较弱，封堵率仅为26%左右。随着膨胀时间的延长，封堵率逐步增加，第10 d 以后基本稳定，封堵率为90%左右，高渗通道的渗透性得到有效地控制。该类型聚合物微球溶胀前粒径较小，在渗透率较高岩心中随注入水运移，有效封堵率低；随注入时间的延长，聚合物微球吸水量增大，体积逐渐增大并以聚集、沉淀堵塞的方式对地层产生逐级封堵作用。而对于渗流能力较弱的水窜通道，随着膨胀时间增加微球可以良好的吸水膨胀并堵塞中大孔喉，改善其渗流能力。

2.2 微生物复合菌体系优化及驱油性能评价

在微生物采油的矿场应用中，将地层的温度、压力、矿化度、pH 值等作为油藏筛选的指标，这些因素都会影响微生物的生长代谢活动，其中压力对微生物的影响较小。针对目标区块储层及流体特点，对优选出的不同浓度的4 种菌株复合体系进行温度、矿化度及pH值等因素的性能评价，以微生物复合菌在营养液中生长的数量（OD 值）来表征，实验结果见图3（a数c）；将复合菌体接种于以原油为唯一碳源的标准液体培养基中，分别置于45℃的恒温摇床（135 r/min）培养5 d后，取过滤滤液测定油水界面张力，并与未接种的灭菌液体培养基对照，同时进行培养和测定滤液原油间界面张力，实验结果见图3（d）。由图3可知，复合菌株在20数65℃均可生长繁殖，且最适合生长温度均在45℃，均属于嗜温菌，其OD值在0.3数0.6间；复合菌株在pH 7.0数7.5 间的生长量明显高于其他pH 条件；随着矿化度的增加，复合菌群先增加后减小，基本在NaCl加量小于10%（即矿化度小于105mg/L）时能很好地生长繁殖。复合菌株体积分数为5%时，滤液与原油间的界面张力基本稳定不变，相对油水界面张力下降了28.4%，改善了原油在地层的流动能力。

通过评价微生物复合菌株体系的驱油实验，来确定筛选菌种是否具有提高采收率的潜力，为进一步的矿场试验提供依据。微生物驱油实验结果见表1。从表1可以看出，3组特低渗岩心相似物性的模型，实施微生物驱油后，驱油效率比水驱平均提高6.91%。

2.3 聚合物微球与菌种配伍性

2.3.1 聚合物微球对菌种繁殖能力的影响

通过检测微生物复合菌株与聚合物微球混合后的微生物数量来判定聚合物对微生物繁殖能力的影响。在45℃下，微生物OD 值随测试时间的变化情况如表2 所示。由表2 可知，加入聚合物微球前后的微生物OD 值变化不大，表明所选择的聚合物微球对微生物的繁殖能力无影响。

图3 不同环境因素及注入浓度对微生物复合菌体系的影响

表1 微生物复合菌株驱油性能评价

表2 菌液中加入聚合物微球前后的微生物繁殖能力

2.3.2 聚合物微球对微生物菌株油水界面张力的影响

在45℃下，配制一定体积的2000 mg/L 的聚合物微球溶液，并加入5%（按体积计）的微生物复合菌株体系，充分搅拌混合后测试其油水界面张力，分析聚合物对微生物代谢性能的影响以及对油水界面张力的影响。在同等条件下，未处理过的油水界面张力为35.44 mN/m，复合微生物菌群接种处理后油水界面张力为18.66 mN/m，界面张力下降了47.35%；聚合物微球与微生物混合后，其溶液与原油间的界面张力为18.75 mN/m，界面张力基本无变化，表明聚合物微球对微生物的代谢性能基本无影响。

2.3.3 微生物对聚合物微球溶胀性能的影响

配制两份等体积的2000 mg/L 聚合物微球溶液，其中一份聚合物溶液中加入5%的微生物复合菌株，显微镜下观察微球膨胀粒径。结果表明，微生物不会影响聚合物微球的膨胀性能，膨胀粒径1.5数9.0µm。说明优选的聚合物微球和微生物菌液具有很好的配伍性能，为二者之间的协同作用打下了良好的基础。

2.4 聚合物微球与微生物协同驱油效果

驱替过程为：水驱-聚合物微球驱-微生物驱-二次水驱，即在聚合物微球段塞深部调驱的基础上再微生物驱油，驱油实验结果如表3 所示。聚合物微球/微生物复合驱油室内实验结果表明，在聚合物微球调驱基础上进一步用微生物驱油，驱油效率提高了5.6%，相比于一次水驱，复合驱后平均提高采收率10.05%，充分说明微生物和聚合物微球发挥了较好的协同作用，为矿场应用提供了有效的理论依据。