微生物提高采收率过程中促进原油动用的机制

佘跃惠, 舒闯闯, 付健*, 刘宇龙, 孙珊珊, 喻高明

(1.长江大学石油工程学院, 武汉 430100; 2. 非常规油气湖北省协同创新中心, 武汉 430100)

石油价格是影响提高采收率(enhanced oil recovery, EOR)筛选的经济考虑的最关键因素之一。在石油和天然气行业历史上,有几个时期的石油价格相对较低(低于50美元/桶),特别是在2010年美国页岩油的重大发现和生产期间[1]。微生物提高原油采收率(microbial enhanced oil recovery,MEOR)将生物技术应用与石油工业问题,现已证明生物表面活性剂、生物膜、生物聚合物以及生物产生的酸和有机溶剂等代谢产物可以提高原油采收率。这种方法与传统的三次采油技术相比具有优势,成本低,安全性高,易于现场应用,减少对环境的污染。油价的剧烈变化和生物工程技术的发展确保了其可持续性。目前MEOR研究主要集中于将MEOR生物活性物质原位和非原位注入油井。非原位注入方法是在井外将实验室培养或改造的外源微生物的代谢产物(如生物表面活性剂等)注入井中以提高采收率。原位方法则是通过注入营养物质刺激本源微生物的生长,使其原位产生和释放生物表面活性剂、生物酸和生物溶剂等化合物,以此提高驱油效率[2]。Liu等[3]根据秘鲁的塔拉拉油田、中国的大靖和胜利油田的数据,MEOR应用的额外成本为每桶1～8美元。这种额外的提高原油采收率的采出成本低于化学方法,如表面活性剂或聚合物驱、CO2等注气驱方法[4]。中国1955年开始对微生物提高原油采收率进行研究,近10年主要对微生物产生的多糖和生物表面活性剂进行研究[5]。开发出能够在厌氧发酵中代谢CO2、H2与小分子有机酸的菌株,在大庆油田进行采油实验,开发了4种糖脂生物活性剂,即鼠李糖脂、槐糖脂、海藻糖和多糖脂[6]。大港油田自1993年以来一直在从事微生物采油技术的研究,其研究和应用水平在国内具有代表性,到目前为止,大港油田微生物采油技术的实施使油田增加了2×104t的产油量[7]。中国已经进行4 600多口井的MEOR现场测试,大约500口井进行微生物驱采(microbial flooding recovery, MFR),在国内进行了47次MFR现场试验,在大庆油田进行了12次现场试验。MFR现场试验的增量采收率高达4.95%。MFR在中国非常接近商业应用[8]。

通过对近年来中外MEOR应用的研究发现,室内实验大多使用渗吸、填砂管和驱替方法,其中自发渗吸广泛应用且效果较好。现总结MEOR过程原油动用的机制,有助于理解微生物与原油提高采收率的关系,为阐明MEOR机制和改进实验方法提供新的认识。

1 MEOR实验方法

1.1 自发渗吸

Kowalewski等[9]通过实验研究了细菌诱导的润湿性和界面张力对原油采出的影响,报告了6项使用Amott-Harvey润湿指数的自发渗吸实验,显示MEOR和非MEOR条件之间没有显著差异。Alkan等[10]利用本特海姆露头岩心作为多孔介质,采用标准的Amott程序进行实验:干燥岩心在真空下用标准Hassler岩心夹持器饱和地层水,然后注入研究油田的死油或作为模型油的正癸烷以达到束缚水饱和度;根据实验程序,使用无菌(过滤0.2 μm)或未灭菌地层水作为水相;之后,将岩心在37 ℃的油浴中老化2 d;用湿布擦拭岩心外表面上残余的油后,将岩心放入Amott烧瓶中(图1),并用水相装满Amott烧瓶;将烧瓶放入加热室(37 ℃),并以规定的时间间隔从烧瓶顶部量筒中的刻度读取渗吸出油量。王云龙等[11]利用数字岩心技术建立孔隙网络模型,模拟低渗储层数字岩心渗吸过程,与实验室岩心自发渗吸实验对照,解释了油藏渗吸作用机理。

图1 自发渗吸实验装置图[10]Fig.1 Spontaneous imbibition experimental device diagram[10]

1.2 填砂管模型

Alkan等[12]采用干式填料色谱玻璃柱(直径为5 cm,长度为30 cm;YMC,德国)制备,如图2所示。步骤如下:将一层压碎的储层岩石(1～1 000 μm)倒入柱中并用研杵手动压实;重复此过程,直到达到所需的长度;填砂管的内侧和出口由烧结玻璃熔块(孔径40～100 μm)固定到位,这也提供了毛细管连续性,以减少毛细管末端效应。在注射示踪剂期间观察生产概况,测试了填砂模型的均匀性。Kögler等[13]建立了玻璃珠、石英砂和原始储层岩石等各种材料的厌氧填砂管,通过刺激Halanaerobiales发酵性嗜盐菌的生长来研究MEOR。

图2 填砂管模型装置图[12]Fig.2 Sandpack device diagram[12]

为了将细菌污染的风险降至最低,填砂模型被包装在本生灯气氛下,以最大限度地降低空气污染的风险。使用前,所有需要的设备都经过高压灭菌(121 ℃,30 min)或热灭菌(180 ℃,3 h),包括未固结的多孔介质,石英砂、玻璃柱等。在实验前,其余的装置(即阀门和管道)用异丙醇消毒,并用无菌过滤的氮气吹扫。液体分别使用活塞泵或液相色谱泵注入填砂模型和岩心。在流体注入期间连续监测压力变化。

1.3 驱替实验

Afrapoli等[14]在具有水湿和油湿的玻璃微模型中进行可视化驱替实验,如图3所示。观测结果表明,在水湿模型中油主要作为独立的液滴存在,在油湿模型中剩余的油时连续相,细菌有能力驱替微模型中残留的油。然而,Armstrong等[15]认为,就驱油效率而言,MEOR驱油过程在中性润湿玻璃珠柱中比水湿系统更有效。这种差异是由于细菌和生物膜表面特性的变化引起的。但人们普遍认为,在驱油过程中,储层较强的非均质性会导致较差的波及效率。当岩石性质不均匀时,驱替流体将主要流经高渗区,而低渗区将不被波及。通过提高流度比或减少岩石渗透率的变化,可以避免这种较差的波及效率。

图3 用于驱替实验的微模型装置示意图[14]Fig.3 Schematic diagram of microfluidics device for flooding experiments[14]

1.4 数学建模

鲜见有学者尝试对多孔介质中的MEOR机制进行建模,包括对细菌寿命的预测。Islam[16]提出了一个三维模型,将细菌的运输模拟为水相中细胞的浓度,还考虑了营养物质对岩石表面的吸附。细菌生长对营养物质浓度和时间的依赖性用Monod方程表示。渗透率降低是由于堵塞造成的,并提供了经验相关性。该模型用于模拟具有细菌堵塞、界面张力(interfacial tension, IFT)还原和CO2生成的MEOR应用。Chang等[17]发展了一个三维、三相、多组分的数值模型,并通过实验室的研究来描述多孔介质中的微生物输运现象。建立的微生物传输公式考虑了微生物在水相中的分散、对流、堵塞和注采生产。Desouky等[18]提出了模拟微生物强化采油过程的一维模型,该模型涉及5个因素(油、水、细菌、营养物质和代谢物),细菌在岩石表面的吸附符合Langmuir等温吸附模型。Tiwari[19]的工作主要集中在模拟生物膜,从而模拟孔隙度和渗透率的变化对水动力的影响。Martin等[20]建立了包括堵塞在内的地下水反应运移模型。以具有二维流场的流动池中的堵漏实验结果作为数据库,对模型的模拟结果进行验证。Kim[21]提出了描述饱和多孔介质中细菌运移的数学模型,模型中考虑了细菌可逆/不可逆性附着和生长/衰变、细菌沉积和生长引起的孔隙度和渗透率变化。Nielsen等[22]建立了描述含有细菌、培养基和代谢产物的水相对原油驱替的MEOR过程的数值模型。谢昆等[23]基于Logistic方程、Luedeking-Piret方程和物质守恒方程建立了铜绿假单胞菌在油藏环境中的菌体生长、产物合成和营养基质消耗动力学模型。

1.5 数值模拟

目前不存在商业油藏模拟器可以直接模拟MEOR过程,其主要原因是在一个标准的油藏建模[24]方案下对细菌及其生长行为建模困难,其次是将单个机制从实验室工作中分离出来并校准所提模型的经验参数的困难。Büeltemeier等[25]利用CMG油藏模拟器的EOR模块STARS进行数值计算。STARS是行业标准软件,用于对涉及蒸汽、溶剂、空气和化学品的强化采油过程进行先进的三相多组分建模。MEOR的所有成分都被建模为水相和油相中的示踪剂,提高采收率的作用被模拟为产生代谢产物的作用,利用这一概念成功地模拟了主要的MEOR效应:生成的CO2降低原油黏度,生物表面活性剂降低界面张力,生物聚合物提高水的黏度,另外利用了STARS吸附选项模拟了生物质产生的选择性封堵效应。Alkan等[26]在研究的现场试点项目框架内,MEOR通过使用STARS的化学动力选项进行建模。两位学者都使用来自静态和动态实验(填砂管和岩心驱替实验)的实验室数据对新的模型进行了适应性分析及其校准工作。

低渗透岩心利用自发渗吸实验和驱替实验能够有效地提高采收率,但是Amott瓶只能在常压条件下使用,模拟地层条件下的高温高压渗吸实验需要结合核磁共振等方法;其中,微观驱替实验能够很好地观察油水渗流和分布规律,以及细菌的繁殖情况,这需要在精密的仪器和严格的无菌条件下进行。填砂管模型制作简单,操作方便,但无法准确模拟真实储层条件。数学模型和数值模拟能的预测微生物生长和储层产量,但由于各类微生物在不同环境下的繁殖速度、生长周期、代谢产物等存在较大差异,需要综合考虑储层条件、流体力学、微生物生长、原油物性等因素的影响,建模和模拟工作较为困难。

2 MEOR促进原油动用机制

2.1 细菌/细菌群落

细菌是用于MEOR的唯一微生物[27],其体积小,产生大量有用的代谢物,如气体、酸、有机溶剂、生物表面活性剂、生物聚合物等,并且它们能够承受储层下各类恶劣环境。大量学者对各种细菌进行MEOR研究。

表1揭示了生物堵塞在MEOR中的重要性,细菌的代谢产物会引起生物封堵,使岩石渗透率发生改变,其可以选择性地封堵高渗区,使液相分流至低渗区驱替出原油,提高原油采收率。

通过MEOR改变润湿性的研究较多(表2),细菌的代谢产物可以改变储层岩石的润湿性,通过静态、动态渗吸,微观可视化驱替实验证明,岩石由中性/油湿变为水湿,并发现润湿性的改变是由于细菌的存在以及生物膜的形成造成的。

细菌通过或外源微生物异地产生的生物表面活性剂,其可以降低界面张力,界面张力的减少可以解释为氮的有机物含量影响[38-44]。MEOR中代表性的界面张力数据如表3所示。

表3 研究报告MEOR过程中界面张力降低Table 3 Studies on MEOR IFT reduction

细菌在储层适宜环境下繁殖生长,微生物将碳水化合物代谢产生的CO2等气体,CO2溶解于原油中使黏度降低,增加原油体积(表4)。原油黏度的变化主要归因于油的生物降解,生物降解可定义为由微生物活动产生的一系列自然过程,通过这些过程,有机物(油、较重组分)转化为较简单的化合物(油、较轻组分)。

表4 通过MEOR产生CO2降低原油黏度的研究Table 4 Studies on the decrease of oil viscosity through CO2 generation by MEOR

2.2 渗透率变化

Jenneman等[51]研究表明,细菌代谢产生的代谢产物选择性地堵塞了高渗区,物理堵塞导致原始渗透率降低,从而使岩心中的流量分布更加均匀,使驱替液分流到低渗区。这种效应可能会提高驱油过程的宏观波及效率。Bae等[52]研究了一种带孢子的微生物调剖(microbial profile modification, MPM)方株,通过特定配方的营养物质,使它们很容易在渗透率超过500 mD的Berea岩心中繁殖并产生生物膜,从而降低岩石的渗透性。通过不同的注入方案可以控制注入深度和渗透率降低程度。Gray等[53]针对含有轻质原油的典型北海砂岩储层进行MEOR研究。油藏中表面活性细菌的刺激可能通过产生涂有细菌的乳状油滴来影响流体的流动,油水界面处生物膜的形成改变了界面的流变性,细菌及其代谢产物堵塞裂缝降低储层原始渗透率。Klueglein等[54]对Wintershall油田的嗜盐细菌群落的细胞行为进行研究。结果表明,在多孔介质中细菌聚集和附着的生物膜的生长不仅会改变储层岩石颗粒的表面特性,还可能导致渗透性的强烈降低。其原因是在MEOR过程中细菌将在整个营养物质流动路径的区域生长,在这些区域,细胞生长繁殖后可以堵塞孔隙改变渗透率,并重新定向水流驱替原油。

2.3 润湿性变化

Zekri等[34]报道了4种不同类型原油和4种不同矿物学岩石成分的接触角测量(图4)和界面张力法。分离并鉴定了一个耐盐、产孢的嗜中温生物菌测量结果,使用了从热水流中的芽孢杆菌属(Bacillusfamily)的混合菌群,在较大范围内对微生物细胞浓度、矿化度和温度范围内进行测量。结果表明,所有体系的接触角随温度、原油硫浓度和细胞浓度的增加而增加,达到一定程度后,细胞浓度对接触角没有影响。Kowalewski等[9]通过自发渗吸实验研究了细菌诱导的润湿性和界面张力对原油生产的影响,指出在动态条件下,自发渗吸显示出润湿性从强水湿到弱水湿的变化。Polson等[55]通过环境扫描电子显微镜(environmental scanning electron microscope, ESEM)研究生物膜对石英(砂岩主要成分)润湿性的影响。结果表明,细菌/真菌生物膜可以很容易地在石英表面上生长,其具有疏水性,由于以石英为主的砂岩润湿性通常是亲水性,从而生物膜可以促进砂岩从亲水性变为疏水性。Afrapoli等[56]使用红球菌属sp 094(Rhodococcussp. 094)作为细菌进行润湿性对微生物驱油微观两相流驱替机制影响的研究。Afrapoli等[56]报道了在具有水湿和油湿表面的玻璃微模型中的可视化实验,两种微模型中的微生物驱油降低了残余油饱和度,水湿模型比油湿模型降幅更大。同年,Karimi等[57]使用阴沟肠杆菌(Enterobactercloacae)菌株,测定了细菌代谢产物、细菌粘附和含有两种不同碳源的细菌溶液不同老化期的润湿性的影响。结果表明,表面润湿性可以从中性润湿或油湿到水湿状态变化,细菌粘附和生物膜的形成似乎是润湿性改变的主要机制。Sarafzadeha等[58]为了量化润湿性改变和界面张力降低这两种机制的影响,进行了原位和非原位岩心驱替。结果表明,这两种机制对采收率都有显著影响,其中润湿性变化是主要因素。从处理过的岩心中获取的SEM图像显示,岩石孔隙表面形成了生物膜,这被认为是导致岩心表面润湿性改变的原因。Khajepour等[59]使用透明玻璃微模型中两相流的微观可视化研究了MEOR过程对润湿性和剩余油饱和度的影响。利用生物表面活性剂生产细菌菌株[阴沟肠杆菌(Enterobactercloacae)]通过测量微生物处理前后的相对渗透率,研究了生物膜和生物表面活性对微模型孔壁润湿性的影响。结果表明,孔隙的润湿性向更湿润的方向改变,这也得到了玻璃微模型中油/水相饱和度的视觉观察的支持。Hajibagheria等[60]研究了阴离子和阳离子化学表面活性剂以及细菌溶液对碳酸盐岩润湿性变化的协同效应。使用阴沟肠杆菌(Enterobactercloacae)菌株作为生物表面活性剂产生菌的细菌溶液的单独和联合效应分别与作为阴离子的SDBS和阳离子表面活性剂的C12TAB进行了比较。结果表明,细菌溶液可以改变方解石表面的润湿性,其程度与C12TAB相同,甚至比SDBS更高。

图4 接触角测试示意图[34]Fig.4 Contact angle test diagramt[34]

2.4 界面张力变化

原油中的微生物会代谢生成生物表面活性剂(微生物生产的两亲性表面活性剂)起着关键作用,可以降低油水间的界面张力,提高原油采收率。Wang等[61]使用生产的鼠李糖脂作为提高原油采收率的工程菌进行MEOR研究。结果表明,使用铜绿假单胞菌PEER02(PseudomonasaeruginosaPEER02)菌株纯化的鼠李糖脂结构与其他铜绿假单胞菌菌株结构相似,PEER02菌生成的生物表活剂鼠李糖脂可以使界面张力减少了一个数量级,显示出提高原油采收率应用的巨大潜力。Sen[62]综述了通过使用微生物及其代谢产物来提高原油采收率的机制和进展。研究表明,微生物代谢生成的表面活性剂用于降低水、油与岩石之间的界面张力;聚合物用于增加水驱的黏度;酸、气体和溶剂用于增加多孔介质的渗透性,并增加地下油层压力。Al-Sulaimani等[63]综述了从早期阶段开始的MEOR发展情况。研究表明,生物表面活性剂是两性分子,具有亲水和疏水部分,生物表面活性剂主要有5种类型,即脂肽、磷脂、糖脂、脂肪酸和中性脂,它们能降低表面和界面张力,增加疏水性或不溶性有机物的溶解度和流动性。Maechant[64]认为目前最有前途的生物表面活性剂是糖脂类,并对白假丝酵母(Candida)产生的槐糖脂类、芽生孢子(Pseudozyma)产生的甘露糖赤藓糖醇酯 (MELs )和假单胞菌(Pseudomonas)产生的鼠李糖脂进行研究,这些生物表活剂可以很好地降低油水界面张力,并且为未来大规模商业产品的可持续性提供了良好的前景。Daryasafar等[65]研究了从伊朗Zilaei油田油样中分离出的地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)在极端条件下的生物表面活性剂生产潜力。结果表明,在温度为50 ℃、盐度为1wt%、酵母提取物浓度为1 g/L的矿物盐溶液中生长的细菌生长速率最高,在该条件下通过分离培养基的细菌获得的生物表面活性剂可以将油水的界面张力从36.8 mN/m降低到0.93 mN/m,将水的表面张力从72 mN/m降低到23.8 mN/m。Guimarães等[66]研究在高盐度油藏的极端条件下,贝莱斯芽孢杆菌H2O-1(BacillusvelezensisH2O-1)表面活性素能有效地保持其界面性质。结果表明,贝莱斯芽孢杆菌H2O-1产生5种不同的表面活性素同源物,其脂肪酸链从C11～C16,具有较高的减少表面张力(24.8 mN/m)和降低界面张力(1.5、0.88 mN/m,分别使用轻油、中油和正十六烷)的能力。Dong等[67]描述了从低渗透油藏中分离出新型的产生表面活性剂的波茨坦短芽孢杆菌YZ-2(BrevibacillusborstelensisYZ-2)菌株的性能。界面张力测试显示,在室温下YZ-2生产的生物表面活性剂能将油水界面张力从(18.51±0.1) mN/m降低到(1.32±0.09) mN/m;通过岩心驱替实验表明,YZ-2产生的生物表面活性剂能显著提高采收率;微观模型实验表明,在油湿模型中,降低界面张力,即降低作为阻力的毛细管压力,能使油更好地被液相驱替出。

2.5 原油黏度变化

细菌代谢原位产生的气体会增加地下原油的压力,能降低原油黏度,从而增加原油的流动性。Guo等[68]对短芽孢杆菌属(BrevibacillusShida)进行MEOR机理研究,在大庆低渗透油藏(1～25 mD)进行微生物水驱试验。结果表明,生产液分析中得到所选择的细菌能很好地适应地层条件,并能繁殖生长,其能降解重质烃,改善原油的特性并代谢活性物质。Alkan等[69]通过渗吸、填砂管和驱替实验以及数值模拟对本特海姆砂岩进行MEOR研究。结果表明,气体(CO2)和醇作为注入营养物质与原位微生物和流体之间反应的产物,可以溶解到油中并降低油的黏度,导致油的成分及其物理性质发生变化;另外,采用标准方法建模,研究了聚合物和表面活性剂在水相中的作用以及生成的气体对原油黏度的影响。Isty等[70-71]研究评价了一种嗜热厌氧菌AR80(CaldicellulosiruptorbesciiAR80)的MEOR应用。该细菌可以在40～65 ℃和0.5%～9%盐度(最佳温度60 ℃,最佳盐度0.5%～1%)之间生长,可以优先降解原油的长链烷烃,并在60 ℃的温度和1%的盐度下培养几天后,将原油黏度降低到其原始黏度的60%。Gao等[72]从受油污染的土壤中分离出两种使用原油作为碳源的铜绿假单胞菌菌株(Gx和Fx),通过测试Gx和Fx降解纯沥青和原油沥青质的能力,评估其对原油驱替的能力。结果表明,利用含细胞发酵液降解约10%的纯沥青和59%～72%的原油沥青质,原油黏度(35 ℃)从76.5 mPa·s降低了近一半,处理后滤纸上吸附的油90%被去除。Zhao等[73]从油藏产水中分离出枯草芽孢杆菌AnPL-1(BacillussubtilisAnPL-1),在厌氧条件下培养代谢产生150 mg/L的生物表面活性剂。该生物表面活性剂的原位乳化作用使原油黏度降低了40.6%,在岩心驱替实验中提高采收率9.98%。

2.6 矿物溶解

微生物代谢产生的酸性生物气、酸和有机溶剂可以在一定程度上溶解碳酸盐岩储层中的矿物,增加岩石的孔隙度,从而增加原油的渗透性。Kögler等[13]使用纯石英砂和两种类型的储层岩石,在有无原油的动态填砂管装置中,研究了高盐度油田的不同微生物群落在提供MEOR营养物质后的代谢活化和生物群落的变化。微生物诱导的表面矿物溶解表现为比表面和表面结合的亚铁减少。赵继勇等[74]以分离自冀东油田的典型油藏微生物竿属(Bacillussp.)菌株XJ02为例,探索微生物与白云石、云母和方解石相互作用的情况。结果表明,菌株XJ02可以增大储层矿物的溶解度,增溶程度受矿物种类和矿物颗粒粒径的影响。菌株XJ02的代谢活动及其对环境理化性质的改变促进了矿物的溶解,而矿物的溶解又有效地促进了菌株XJ02的生长,影响程度云母>0.074 mm(粒径)方解石>0.900 mm方解石>白云石。

3 结论

MEOR不是一种未经测试的新技术,而是自1954年首次进行现场规模测试以来经过广泛研究的较为成熟的技术。现通过对微生物及其产物驱油技术的机制进行总结分析,发现各种细菌在不同的储层条件和营养环境下会代谢出不同的产物,生物表面活性剂的效果尤为明显。还有,微生物在代谢出不同的产物时对原油的作用机理不同,代谢产生的生物表面活性剂可以改变油和水的界面张力,也可以改变岩石表面,使亲油表面变成亲水表面;产生的气体,如CO2会增加地下原油的压力,降低原油黏度,从而增加原油的流动性,增加岩石孔隙度;产生的酸可以在一定程度上溶解储层岩石中的矿物,增加岩石的孔隙度,从而增加原油的渗透性;当微生物在高渗透地层中繁殖时,代谢的生物聚合物可以选择性地堵塞孔隙,使液相分流至低渗区域驱替原油。另外,微生物及其代谢产物可以提高水相的黏度,降低水相的流动性,提高驱油效率。通过总结发现,生物表面活性剂是微生物产生的备受推崇的化合物之一,在MEOR中具有巨大的应用潜力,因此可以针对实际现场的具体情况,通过原位或非原位的方式生成生物表面活性剂。最后,微生物驱油的机制较多,渗透率、油水界面张力、润湿性等变化背后的原因有待进一步研究,希望后续有更多新的成果来丰富人们对微生物提高采收率的认知,更加全面地了解微生物促进原油动用的机制。