论文部分内容阅读
【摘 要】向地层中注入营养物质，激活油藏中的本源微生物，利用微生物的代谢物质提高注水波及系数和洗油效率是一种提高原油采收率的重要手段，在世界各国得到了越来越多的应用。但是传统的本源微生物驱油技术是采用水溶性的营养体系，并补充定量空气以实现油藏好养菌群的激活和原油的生物降解。水溶性营养物在注入油藏时会沿着高渗透区域窜流，在油藏中滞留时间短，微生物利用程度低，生物产物与油藏岩石和流体相互作用时间短，这是造成本源微生物驱油技术现场效果不明显或见效慢的主要原因。我们通过室内研究优选出了一种新的营养体系，将该营养液注入地层后，既能激活地层中的本源微生物，促进其生长和代谢，实现驱油目的，又可堵塞地层大孔道，延长作用时间，提高注入水的波及体积，达到调驱的目的，从而进一步提高原油的采收率。
【关键词】本源微生物；调驱；营养体系；采收率
1.本源微生物深部调驱的研究背景
传统的本源微生物驱油技术是采用水溶性的营养体系，如氮、磷盐体系，低糖类等体系，并补充定量空气以实现油藏好养菌群的激活和原油的生物降解[1]，这种体系主要强调“驱”的作用，而忽视了“堵”的作用。水溶性营养物在注入油藏时会沿着高渗透区域窜流，在油藏中滞留时间短，微生物利用程度低，生物产物与油藏岩石和流体相互作用时间短，这是造成本源微生物驱油技术现场效果不明显或见效慢的主要原因。
本研究的主要目的就是研究出一种合适的营养体系，将该营养液注入地层后，既能为地层中的本源微生物提供营养，激活地层中的本源微生物，促进其生长和代谢，实现驱油目的，又可堵塞地层大孔道，延长作用时间，提高注入水的波及体积，达到调驱的目的，从而进一步提高原油的采收率。
2.营养体系的优选
2.1 营养体系的优选原则
根据本研究的目的和微生物提高采收率的机理，营养体系的优选应遵循以下原则：
（1）能有效刺激油藏微生物的生长与繁殖（菌群浓度提高）。
（2）代谢产物以生物表面活性剂为主，这样才能乳化原油，提高原油的流动能力；或者是多糖，可以起到堵调作用。
（3）营养体系与地层水和地层矿物组分有较好的配伍性，不会发生物理和化学反应；在注入水中易溶解或分散，能够顺利注入地层。
（4）能很好地抑制对原油生产系统有不利影响的硫酸盐还原菌（SRB）的繁殖。
（5）廉价，来源广泛，无二次污染等。
2.2 优选出的营养体系
经过大量的室内试验，我们优选出了N-1型淀粉-纤维素基营养体系，该体系的主要成分及含量见表2-2、2-3。其中淀粉和纤维素的主要作用是提供并延缓释放微生物所需的营养物质，封堵地层中的高渗透区域。该体系几乎含有微生物生长所需的各种营养组分和生长因子，是良好的天然培养基。表2-4是目前常用营养体系和N-1营养体系的对比。
表2-2 N-1型营养体系的主要成分
水分（%） 淀粉（%） 纤维素（%） 脂肪（%） 蛋白质（%） 矿物质（%）
10 30--50 20--40 5 5--8 10
表2-3 N-1型营养体系中的主要矿物质含量（mg/100g）
钙 铁 镁 钾 钠 磷
50--80 20 100 150--300 2--10 200--600
表2-4 目前常用营养体系和N-1型营养体系对比表
对比项目 碳源 氮源 磷 无机盐 生长因子 氧需求
目前常用营养体系 石油烃 铵盐 磷酸 ―― ―― 有氧
N-1型营养体系 淀粉纤维素 蛋白质 磷脂 多种微量元素 维生素氨基酸 有氧和无氧
2.3 N-1型营养体系的特点
N-1型营养体系具有以下几个方面的特点：
（1）组分多，微生物易利用；
（2）主要组分是多糖类，可以转化为糖脂类表面活性剂；
（3）有氧和无氧条件下均可激活微生物；
（4）来源广，廉价，环保。
（5）该营养剂是经过复配、加工成不同粒径的粉体，可分散于水体，便于注入。
3.本源微生物调驱室内研究
3.1 有氧条件下菌群生长与代谢过程研究
（1）N-1营养体系对菌群生长的影响
取油田注入水进行实验，分别向其中加入相同浓度的铵盐类营养剂和N-1营养剂，在有氧条件下进行培养，检测其中的菌群变化情况，实验结果见表3-1和图3-1。
表3-1兩种体系的最终菌浓度对比
菌类类别 TGB FB HOB SRB
N-1营养体系 n×105 n×102 n×108 0
铵盐营养体系 n×104 n×102 n×102 n×102
图3-1 加入N-1营养剂后菌群的生长曲线
从表3-1和图3-1可以看出，在氧气存在条件下，菌群被激活后的优势菌群是HOB，被N-1营养剂激活后体系中的HOB、TGB菌群浓度明显高于被铵盐类营养体系激活后体系中的菌群浓度，N-1营养剂激活后的体系中不产生对石油生产不利的SRB。
（2）两种营养体系对氧气的消耗速率
取油田注入水做实验，实验方法和流程见图3-2和图3-3。
在油田注入水中补充N、P营养盐和空气后，HOB对原油的氧化降解速度很慢，而且低效；而N-1体系在2d内消耗完氧气，实验结果见图3-4。
3.2 无氧条件下菌群的生长与代谢过程研究
（1）N-1营养体系对菌群生长的影响
取油田注入水进行实验，向其中加入N-1营养剂，在无氧条件下进行培养，检测其中的菌群变化情况，实验结果见图3-5。
从图3-5可以看出，在无氧条件下，菌群被激活后的优势菌群是FMB和SRB。
菌群类别 TGB FB HOB SRB
有氧条件 n×105 n×102 n×108 0
无氧条件 n×106 n×107 n×101 n×106 表3-2 两种实验条件下的优势菌群对比
菌群类别 TGB FB HOB SRB
有氧条件 n×105 n×102 n×108 0
无氧条件 n×106 n×107 n×101 n×106
对比有氧和无氧两种实验条件下的优势菌群（见表3-2），发现无论在有氧还是无氧条件下，N-1营养体系均能有效刺激本源微生物的繁殖，但优势菌群不同。细菌代谢速率远大于利用原油N、P营养体系的代谢速率。
（2）无氧条件下的生物气量
取同样体积的油田采出水，分别向其中加入不同浓度的N-1营养剂，在无氧条件下进行培养，检测产生的生物气量，实验结果见图3-6。
实验结果表明，培养的前4天产生的气量最多，生物气的主要组分是CO2和CH4，总气量达培养液体积的2-8倍。
营养剂注入和空气注入后，油藏微生物首先进行有氧代谢过程，这一阶段优势菌群是HOB，表面活性剂是其最主要代谢产物，这一阶段需要2～4d。
空气中的氧气被消耗完后进入无氧代谢时期，此时厌氧菌（FMB,SRB,MPB等）逐渐成为优势菌群，低级脂肪酸等成为主要产物，同时也产生CO2和CH4，这一阶段需要更长时间，约5～10d。
以上两个过程构成了N-1营养体系在油藏被微生物利用产生对驱油有用物质，并最终转化为CO2和CH4的全过程。因此N-1营养体系无论在理论上还是在实践中都要优于目前的N、P体系。
3.4 生物表面活性剂的提取与分析
（1）两种营养体系对原油的乳化效果对比实验
将油样分成相同体积的两份，分别向其中加入相同浓度的铵盐型营养剂和N-1型营养剂，在有氧条件下进行培养，观察两个油样的乳化情况，实验结果见图3-7。从图3-7可以看出，N-1型营养剂刺激微生物代谢产生大量的表面活性物质，对原油起到乳化、增溶作用，而铵盐型营养剂不能有效刺激微生物对原油的代谢。
（2）生物表面活性剂提取和分析
提取生物表面活性剂，通过扫描电镜等手段分析得出微生物代谢淀粉类物质产生的表面活性剂属于鼠李糖脂，糖脂中共含有21 种同系物，都由1~2分子的鼠李糖和1~2个含β-羟基的碳链长度为8~12的脂肪酸组成。其中，含量最高的两种组分分别为2-O-α-L-吡喃鼠李糖苷-α-L-吡喃鼠李糖苷-β-羟基癸酰-β-羟基癸酸和α-L-吡喃鼠李糖苷-β-羟基癸酰-β-羟基癸酸，其含量分别达19.26%和14.56%。
3.5 硫酸盐还原菌的抑制试验
在油藏环境中，SRB和DNB都是以低级脂肪酸作为碳源，同时也以H或低级脂肪酸作为电子供体还原硫酸盐和硝酸盐的，在对电子供体的争夺过程中，DNB优先得到电子供体，从而使得SRB始终处于被抑制状态。其反应过程如下：
硝酸盐的还原过程所需自由能小于硫酸盐还原所需自由能，因此DNB在对电子供体争夺过程中，优先得到电子供体。硝酸盐对SRB生长的影响见图3-8和图3-9。
4.结论与建议
本源微生物深部调驱技术是一种“调”与“驱”结合的微生物采油新技术。该技术所使用的营养体系是利用多种天然产物为原料进行复配而成的，是一种新型粉体或颗粒状的营养体系（主要成分为纤维素、淀粉多糖等）。淀粉-纤维素基营养体系是一种廉价、易得的天然多糖类营养剂，其组分丰富、对本源菌群激活效率高，易悬浮于水体。该体系有效克服了常规氮、磷盐体系组分单一、易流失的缺点，体系不仅具有提高洗油效率的作用，同时由于营养剂为颗粒物，具有明显的地层滞留作用，有效扩大微生物发酵作用范围，现场见效快，延缓递减，可以大幅度提高驱油效率。
该技术利用颗粒营养剂在地层中的封堵作用（或多孔介质对营养剂的截留作用），大大延长营养剂在地层中的滞留时间，使微生物充分利用营养剂产生表面活性物质及生物气等产物，这些产物在油藏条件下对原油有较好的乳化作用，可以提高“驱”的作用；同时，由于营养剂在地层中的滞留作用，使得微生物細胞体可以附着在营养颗粒表面进行繁殖和生长，在颗粒表面产生大量生物膜（包括细胞体聚集体及胞外多糖类代谢产物等），生物膜的形成对于之后微生物的继续繁殖与体系的封堵作用有重要的强化作用，从而可以有效改善水驱波及体积。
该技术适合于常规注水开发油藏，高温、高盐油藏，其应用油藏范围广，不受油藏温度和水质（矿化度）限制，应用成本比常规化学调驱技术有大幅度降低。
生物深部调驱技术的特点是在地层中扩大发酵作用的波及体积作用明显，对油藏微生物激活效果显著，不受油藏温度及地层水性质影响，营养剂来源广、易得，成本低廉，环境友好、无二次污染。参考文献
[1]吴超,黄立信等.本源微生物激活体系优选与优化方法研究.石油天然气学报(江汉石油学院学报）.2007年12月第29卷第6期
[2]罗强,蒲万芬,罗敏,赵金洲等.微生物调剖机理及应用[J].地质科技情报.2005年02期
[3]贾振岐,覃生高,田利等.低渗透油藏微生物的调剖驱油[J].大庆石油学院学报;2006年01期
[4]赵丽娟.微生物采油技术在低渗透油田的应用[J].石油钻探技术.2005年03期
[5]韩建华,李占省,巨登峰,宋义伟等.提高微生物驱油效果的物模试验研究[J].钻采工艺,2003年06期
【关键词】本源微生物；调驱；营养体系；采收率
1.本源微生物深部调驱的研究背景
传统的本源微生物驱油技术是采用水溶性的营养体系，如氮、磷盐体系，低糖类等体系，并补充定量空气以实现油藏好养菌群的激活和原油的生物降解[1]，这种体系主要强调“驱”的作用，而忽视了“堵”的作用。水溶性营养物在注入油藏时会沿着高渗透区域窜流，在油藏中滞留时间短，微生物利用程度低，生物产物与油藏岩石和流体相互作用时间短，这是造成本源微生物驱油技术现场效果不明显或见效慢的主要原因。
本研究的主要目的就是研究出一种合适的营养体系，将该营养液注入地层后，既能为地层中的本源微生物提供营养，激活地层中的本源微生物，促进其生长和代谢，实现驱油目的，又可堵塞地层大孔道，延长作用时间，提高注入水的波及体积，达到调驱的目的，从而进一步提高原油的采收率。
2.营养体系的优选
2.1 营养体系的优选原则
根据本研究的目的和微生物提高采收率的机理，营养体系的优选应遵循以下原则：
（1）能有效刺激油藏微生物的生长与繁殖（菌群浓度提高）。
（2）代谢产物以生物表面活性剂为主，这样才能乳化原油，提高原油的流动能力；或者是多糖，可以起到堵调作用。
（3）营养体系与地层水和地层矿物组分有较好的配伍性，不会发生物理和化学反应；在注入水中易溶解或分散，能够顺利注入地层。
（4）能很好地抑制对原油生产系统有不利影响的硫酸盐还原菌（SRB）的繁殖。
（5）廉价，来源广泛，无二次污染等。
2.2 优选出的营养体系
经过大量的室内试验，我们优选出了N-1型淀粉-纤维素基营养体系，该体系的主要成分及含量见表2-2、2-3。其中淀粉和纤维素的主要作用是提供并延缓释放微生物所需的营养物质，封堵地层中的高渗透区域。该体系几乎含有微生物生长所需的各种营养组分和生长因子，是良好的天然培养基。表2-4是目前常用营养体系和N-1营养体系的对比。
表2-2 N-1型营养体系的主要成分
水分（%） 淀粉（%） 纤维素（%） 脂肪（%） 蛋白质（%） 矿物质（%）
10 30--50 20--40 5 5--8 10
表2-3 N-1型营养体系中的主要矿物质含量（mg/100g）
钙 铁 镁 钾 钠 磷
50--80 20 100 150--300 2--10 200--600
表2-4 目前常用营养体系和N-1型营养体系对比表
对比项目 碳源 氮源 磷 无机盐 生长因子 氧需求
目前常用营养体系 石油烃 铵盐 磷酸 ―― ―― 有氧
N-1型营养体系 淀粉纤维素 蛋白质 磷脂 多种微量元素 维生素氨基酸 有氧和无氧
2.3 N-1型营养体系的特点
N-1型营养体系具有以下几个方面的特点：
（1）组分多，微生物易利用；
（2）主要组分是多糖类，可以转化为糖脂类表面活性剂；
（3）有氧和无氧条件下均可激活微生物；
（4）来源广，廉价，环保。
（5）该营养剂是经过复配、加工成不同粒径的粉体，可分散于水体，便于注入。
3.本源微生物调驱室内研究
3.1 有氧条件下菌群生长与代谢过程研究
（1）N-1营养体系对菌群生长的影响
取油田注入水进行实验，分别向其中加入相同浓度的铵盐类营养剂和N-1营养剂，在有氧条件下进行培养，检测其中的菌群变化情况，实验结果见表3-1和图3-1。
表3-1兩种体系的最终菌浓度对比
菌类类别 TGB FB HOB SRB
N-1营养体系 n×105 n×102 n×108 0
铵盐营养体系 n×104 n×102 n×102 n×102
图3-1 加入N-1营养剂后菌群的生长曲线
从表3-1和图3-1可以看出，在氧气存在条件下，菌群被激活后的优势菌群是HOB，被N-1营养剂激活后体系中的HOB、TGB菌群浓度明显高于被铵盐类营养体系激活后体系中的菌群浓度，N-1营养剂激活后的体系中不产生对石油生产不利的SRB。
（2）两种营养体系对氧气的消耗速率
取油田注入水做实验，实验方法和流程见图3-2和图3-3。
在油田注入水中补充N、P营养盐和空气后，HOB对原油的氧化降解速度很慢，而且低效；而N-1体系在2d内消耗完氧气，实验结果见图3-4。
3.2 无氧条件下菌群的生长与代谢过程研究
（1）N-1营养体系对菌群生长的影响
取油田注入水进行实验，向其中加入N-1营养剂，在无氧条件下进行培养，检测其中的菌群变化情况，实验结果见图3-5。
从图3-5可以看出，在无氧条件下，菌群被激活后的优势菌群是FMB和SRB。
菌群类别 TGB FB HOB SRB
有氧条件 n×105 n×102 n×108 0
无氧条件 n×106 n×107 n×101 n×106 表3-2 两种实验条件下的优势菌群对比
菌群类别 TGB FB HOB SRB
有氧条件 n×105 n×102 n×108 0
无氧条件 n×106 n×107 n×101 n×106
对比有氧和无氧两种实验条件下的优势菌群（见表3-2），发现无论在有氧还是无氧条件下，N-1营养体系均能有效刺激本源微生物的繁殖，但优势菌群不同。细菌代谢速率远大于利用原油N、P营养体系的代谢速率。
（2）无氧条件下的生物气量
取同样体积的油田采出水，分别向其中加入不同浓度的N-1营养剂，在无氧条件下进行培养，检测产生的生物气量，实验结果见图3-6。
实验结果表明，培养的前4天产生的气量最多，生物气的主要组分是CO2和CH4，总气量达培养液体积的2-8倍。
营养剂注入和空气注入后，油藏微生物首先进行有氧代谢过程，这一阶段优势菌群是HOB，表面活性剂是其最主要代谢产物，这一阶段需要2～4d。
空气中的氧气被消耗完后进入无氧代谢时期，此时厌氧菌（FMB,SRB,MPB等）逐渐成为优势菌群，低级脂肪酸等成为主要产物，同时也产生CO2和CH4，这一阶段需要更长时间，约5～10d。
以上两个过程构成了N-1营养体系在油藏被微生物利用产生对驱油有用物质，并最终转化为CO2和CH4的全过程。因此N-1营养体系无论在理论上还是在实践中都要优于目前的N、P体系。
3.4 生物表面活性剂的提取与分析
（1）两种营养体系对原油的乳化效果对比实验
将油样分成相同体积的两份，分别向其中加入相同浓度的铵盐型营养剂和N-1型营养剂，在有氧条件下进行培养，观察两个油样的乳化情况，实验结果见图3-7。从图3-7可以看出，N-1型营养剂刺激微生物代谢产生大量的表面活性物质，对原油起到乳化、增溶作用，而铵盐型营养剂不能有效刺激微生物对原油的代谢。
（2）生物表面活性剂提取和分析
提取生物表面活性剂，通过扫描电镜等手段分析得出微生物代谢淀粉类物质产生的表面活性剂属于鼠李糖脂，糖脂中共含有21 种同系物，都由1~2分子的鼠李糖和1~2个含β-羟基的碳链长度为8~12的脂肪酸组成。其中，含量最高的两种组分分别为2-O-α-L-吡喃鼠李糖苷-α-L-吡喃鼠李糖苷-β-羟基癸酰-β-羟基癸酸和α-L-吡喃鼠李糖苷-β-羟基癸酰-β-羟基癸酸，其含量分别达19.26%和14.56%。
3.5 硫酸盐还原菌的抑制试验
在油藏环境中，SRB和DNB都是以低级脂肪酸作为碳源，同时也以H或低级脂肪酸作为电子供体还原硫酸盐和硝酸盐的，在对电子供体的争夺过程中，DNB优先得到电子供体，从而使得SRB始终处于被抑制状态。其反应过程如下：
硝酸盐的还原过程所需自由能小于硫酸盐还原所需自由能，因此DNB在对电子供体争夺过程中，优先得到电子供体。硝酸盐对SRB生长的影响见图3-8和图3-9。
4.结论与建议
本源微生物深部调驱技术是一种“调”与“驱”结合的微生物采油新技术。该技术所使用的营养体系是利用多种天然产物为原料进行复配而成的，是一种新型粉体或颗粒状的营养体系（主要成分为纤维素、淀粉多糖等）。淀粉-纤维素基营养体系是一种廉价、易得的天然多糖类营养剂，其组分丰富、对本源菌群激活效率高，易悬浮于水体。该体系有效克服了常规氮、磷盐体系组分单一、易流失的缺点，体系不仅具有提高洗油效率的作用，同时由于营养剂为颗粒物，具有明显的地层滞留作用，有效扩大微生物发酵作用范围，现场见效快，延缓递减，可以大幅度提高驱油效率。
该技术利用颗粒营养剂在地层中的封堵作用（或多孔介质对营养剂的截留作用），大大延长营养剂在地层中的滞留时间，使微生物充分利用营养剂产生表面活性物质及生物气等产物，这些产物在油藏条件下对原油有较好的乳化作用，可以提高“驱”的作用；同时，由于营养剂在地层中的滞留作用，使得微生物細胞体可以附着在营养颗粒表面进行繁殖和生长，在颗粒表面产生大量生物膜（包括细胞体聚集体及胞外多糖类代谢产物等），生物膜的形成对于之后微生物的继续繁殖与体系的封堵作用有重要的强化作用，从而可以有效改善水驱波及体积。
该技术适合于常规注水开发油藏，高温、高盐油藏，其应用油藏范围广，不受油藏温度和水质（矿化度）限制，应用成本比常规化学调驱技术有大幅度降低。
生物深部调驱技术的特点是在地层中扩大发酵作用的波及体积作用明显，对油藏微生物激活效果显著，不受油藏温度及地层水性质影响，营养剂来源广、易得，成本低廉，环境友好、无二次污染。参考文献
[1]吴超,黄立信等.本源微生物激活体系优选与优化方法研究.石油天然气学报(江汉石油学院学报）.2007年12月第29卷第6期
[2]罗强,蒲万芬,罗敏,赵金洲等.微生物调剖机理及应用[J].地质科技情报.2005年02期
[3]贾振岐,覃生高,田利等.低渗透油藏微生物的调剖驱油[J].大庆石油学院学报;2006年01期
[4]赵丽娟.微生物采油技术在低渗透油田的应用[J].石油钻探技术.2005年03期
[5]韩建华,李占省,巨登峰,宋义伟等.提高微生物驱油效果的物模试验研究[J].钻采工艺,2003年06期