聚驱后微生物驱提高采收率室内实验研究

李凌云

(大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712)

大庆油田自1996年聚合物驱(聚驱)工业化应用以来，聚驱年产油占全油田年产油量份额越来越大，成为大庆油田延长稳产期的重要技术措施[1]。随着注聚规模不断扩大，现场应用过程中聚驱的不适应性也逐渐显露出来。一是聚合物产品自身性能与油层的配伍性，注聚后大量聚合物溶液进入高渗透层，由于聚合物的不可及孔隙体积以及吸附、滞留的影响，使得同时注聚的低渗层难以受到聚驱作用，存在较多的剩余油[2]；二是注采井网井距对聚驱效果的限制，使得聚驱后油层动用程度低，特别是位于区块边部、物性较差的河间砂和尖灭区的河道砂仍富集大量的剩余油[3]。由于聚驱后油层中仍有近一半的原油未被采出，如何挖掘聚驱后剩余油潜力是大庆油田面临的重要课题。微生物驱油是将筛选的微生物菌种注入地下油藏，通过其生长、繁殖及代谢作用，改变储油层的渗流特性或使油水之间的物化性质发生变化，从而达到提高采收率的目的[4]。在聚驱后的油层中注入微生物有两个优点：一是微生物分解聚合物的过程可以有效清除堵塞出油孔道处的聚合物，二是通过微生物的生长及产生有利于驱油的代谢产物，释放残余油，增加原油产量。由于微生物驱油成本低、注入工艺简单、经济效益显著，因此，聚驱后进行微生物驱油的技术得到了广泛重视。作者在此进行了聚驱后微生物驱油的室内研究[5，6]，拟为提高油田采收率提供依据。

1 实验

1.1 实验菌和培养基

从大庆油田各采油厂聚驱试验区块采样256个，从中初步分离出142株菌，然后用淘汰法测定其利用原油及聚合物的能力及与油层水中本源菌的配伍性，筛选得到4株以聚合物和原油为碳源的菌株作为实验菌，分别命名为P24、P150、P178、L510。经鉴定，P24为志贺氏菌(Shigellasp.)、P150为脱蜡棒杆菌(Corynebacteriumdeparraffinicum)、P178为野油菜黄单胞菌(Xanthomonascampestris)、L510为枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)。

细菌富集培养基：无机盐、微量元素、原油和聚合物。

无机盐培养液(g·L-1)：原油20，K2HPO410，NaH2PO45，(NH4)2SO42，Yeast 1，MgSO4·7H2O 0.2，CaCl2·2H2O 0.001，FeSO4·7H2O 0.001，调节pH值至7.0～7.2。

平板培养基(g·L-1)：蛋白胨10，牛肉膏3，NaCl 5，琼脂18，蒸馏水1000 mL，用碱调pH值为7.0～7.2，121 ℃(15 lb)高压灭菌20 min，储存于冷暗处备用。

1.2 材料与仪器

原油为B2-J5-P25井的采出原油，其脱水后粘度为47.2 mPa·s。

聚合物为分子量1.4×107的部分水解聚丙烯酰胺，水解度98.1%，大庆炼化公司。

Leica DM1600B型电子倒置显微镜，德国徕卡仪器有限公司；API ATB EXPRESS型菌种分析仪，法国生物梅里埃公司；GPC型凝胶色谱仪；GC-TSQ7000型气-质联用仪。

1.3 室内实验

在培养实验菌作用原油和聚合物的实验中，采用两种方法。一种是摇床振荡培养观察细菌的生长情况与乳化原油的程度，另一种是将培养液放入厌氧培养箱中观察细菌作用原油和聚合物的变化。室内实验培养温度为25～70 ℃，培养时间为7～15 d。

1.3.1 实验菌的特性研究

将菌株分别置于不同温度下培养24 h，检测存活菌体的数量，考察其耐温性。

在经发酵扩培后的菌液中分别加入定量的NaCl，将发酵液配制成不同浓度的盐溶液，室温放置24 h，检测存活菌体的数量，考察其抗盐性。

选择L510菌分别在含碳水化合物的培养基、原油与无机盐的培养基、聚合物的培养基中生长，比较不同营养条件下的生长情况，考察其对不同营养物质的适应性。

1.3.2 实验菌对聚合物溶液的影响研究

在不同浓度(100 mg·L-1、400 mg·L-1、700 mg·L-1)的聚丙烯酰胺溶液中加入菌株，定时取样测其吸光度，以不添加聚丙烯酰胺时作为对照，计算细胞相对生长量，考察聚丙烯酰胺浓度对细菌的影响，即菌株对聚合物溶液浓度的敏感性。

考察菌株对聚合物溶液粘度的影响。

利用凝胶色谱考察菌株对聚合物分子量的影响。

1.3.3 实验菌对原油物化性质的影响研究

将用油田产出污水配制的培养液分装到三角瓶中，灭菌。分别接入活化的P24、P150、P178和L510，并保留一空白样，加入5%～7%原油，放入摇床于45 ℃、120 r·min-1下发酵10 d。发酵结束后，将发酵液在3000 r·min-1条件下冷冻离心20 min，进行油水分离，取上层油样进行组分分析。

用GC-MS分析菌株作用前后原油中碳数含量及分布，并对作用后原油的饱和烃成分进行色质分析，考察菌株对原油烷烃组分的作用。

将已知量的待分析原油用过量的石油醚浸泡12 h，过滤不溶的胶质和沥青质并定量；然后用硅胶-氧化铝混合层析柱，分别用正己烷、正己烷-二氯甲烷(1∶1)、乙醇-三氯甲烷(1∶1)淋洗并分离，得到原油中的饱和烃、芳烃和非烃，再分别定量。每组做3个平行样取平均值。考察菌株对原油族组成的影响。

考察菌株L510对原油含胶量、含蜡量及馏分的影响。

1.3.4 聚驱后微生物驱岩心实验

1.3.4.1 驱油实验材料及程序

(1)模型为人造非均质胶结岩心，变异系数为0.72，长31.1～31.3 cm，截面积12.38～12.46 cm2。

(2)油水样：模型饱和水按大庆油田平均地层水矿化度配制，矿化度为6778 mg·L-1；注入水为三厂聚合物注入站的注入水。

(3)菌液：配伍菌(4种菌的混合液)和单一L510菌。

(4)驱油实验程序：岩心抽空饱和地层水→饱和油→水驱至含水率达100%→注1000 mg·L-1聚合物0.57 PV(聚合物的分子量1.4×107，固含量0.88%，水解度23%，粘度50.2 mPa·s)→水驱至含水率达100%→注菌液0.2 PV(活菌数106～107个·mL-1)→45 ℃恒温培养7 d→水驱至含水率达100%。

1.3.4.2 驱油实验方案

方案一：注聚合物后直接水驱+微生物驱。为了观察单一菌和配伍菌的驱油效果及配伍菌之间的协同效应，驱油实验在4块岩心上进行，每2块为一组平行样，共做了2组模型驱油实验，菌液为配伍菌和L510单菌液2种。

方案二：注0.57 PV聚合物(粘度50.2 mPa·s)+水驱100%+注0.2 PV微生物+注0.2 PV聚合物(粘度50.2 mPa·s)保护段塞。

方案三：注0.57 PV聚合物(粘度22.4 mPa·s)+水驱100%+注0.2 PV微生物+注0.2 PV聚合物(粘度22.4 mPa·s)保护段塞。

1.4 分析检测

原油全烃组分的分析方法参照SY/T 5120-1997；原油族组成的分析方法参照SY/T 5119-1995。

2 结果与讨论

2.1 实验菌的特性

2.1.1 耐温性(图1)

图1 温度对实验菌存活率的影响

由图1可知，筛选菌株最适生长温度范围在40～55 ℃，温度超过60 ℃后，存活率降低。

2.1.2 抗盐性(表1)

表1 采出水矿化度对实验菌生长的影响

由表1可知，即使盐浓度达1×104mg·L-1，活菌数也达到了1×106个·mL-1以上，表明菌株对盐具有一定的耐受性。由于大庆油田注入水、采出水的矿化度在700～12 000 mg·L-1之间，属于低矿化度的盐水，pH值范围在7.5～9.5，水型均为NaHCO3型，水中各项离子的浓度都在微生物生长条件的范畴内，所以筛选的菌株能在油层水中生长繁殖。

2.1.3 对不同营养物的适应性

实验发现，L510菌在含碳水化合物的培养基中，繁殖速率很快，培养1 d后活菌数达106～108个·mL-1；在原油与无机盐的培养基中生长繁殖3 d后，活菌数达到106～108个·mL-1；在聚合物的培养基中生长速度较慢，3 d后活菌数达到106～107个·mL-1，放置50 d后，活菌数达到106～107个·mL-1，说明菌株在聚合物培养基中没有营养的条件下还可存活。将菌株重新用原油激活，活菌数又达到108～1010个·mL-1。表明油藏中的微生物以聚合物为碳源时，将聚合物利用完全直到不能再降解利用为止，也就是说当微生物营养不足时，它们会转向新的食物源原油，继续繁殖生长。

2.2 实验菌对聚合物溶液的影响

2.2.1 对聚合物溶液浓度的敏感性(图2)

图2 聚合物浓度对实验菌生长的影响

由图2可知，当聚合物溶液浓度在400 mg·L-1以下时，实验菌的生长不受聚丙烯酰胺溶液浓度变化影响；但当聚合物溶液浓度在400 mg·L-1以上时，微生物的生长、运移及代谢活动在一定程度上受到聚丙烯酰胺溶液浓度和粘度变化的影响，聚合物浓度太高时会产生抑制效应，细菌繁殖缓慢，但是仍能分解聚合物。

2.2.2 对聚合物溶液粘度的影响(图3)

图3 不同实验菌对聚合物溶液粘度的影响

由图3可知，P24、P150、P178和L510均将聚合物溶液的粘度由初始的18.6 mPa·s降至35 d后的1.0 mPa·s。此外，通过显微镜观察发现，未加菌之前，溶解的聚丙烯酰胺分子在水溶液中呈舒展的条带状，而加菌之后呈碎解的松枝状，有序的链状结构消失。这是因为，实验菌能以聚合物为食物链，将高分子结构破坏，使链分解断开，从而使得粘度下降。

2.2.3 对聚合物分子量的影响(图4)

图4 实验菌对聚合物相对分子量分布的影响

由图4可以看出，加入微生物后，聚合物中大分子的相对分子量明显降低，分布范围也相对变窄，从106～108变为106～107，峰值向相对低分子量方向偏移。这主要是因为，微生物加快了聚丙烯酰胺的酰胺基水解，使聚合物分子、链段间的排斥力增大，侧基上的酰胺基水解为羧酸，这同时导致溶液的pH值降低，微生物作用后聚合物溶液pH值从9.62降至7.35。

2.3 实验菌对原油物化性质的影响

2.3.1 对原油烷烃组分的作用

L510作用前后原油的碳数含量及分布见图5。

图5 L510作用前后原油碳数含量及分布变化曲线

由图5可知，L510作用后原油的主碳峰向前移动，C10以内的轻组分范围变宽，C10～C30之间的烷烃组分含量变化明显。L510作用后原油的饱和烃的GC-MS分析见图6。

图6 L510作用后原油饱和烃的GC-MS分析

由图6可知，L510作用后原油结构发生了改变，饱和烃发生了氧化降解，产生了丙醇二酸、十六烷酸等，∑C21/∑C22比值增加了61.7%，(C21+C22)/(C28+C29)比值增加了60.8%。

2.3.2 对原油族组成的影响(图7)

图7 实验菌作用后原油族组成变化

由图7可知，实验菌作用后原油族组成发生了变化，其中饱和烃含量平均增加11.37%，芳烃含量降低，非烃和沥青质含量分别减少6.6%和2.9%，这表明微生物对原油中不同组分的生物降解作用具有明显的选择性。

2.3.3 对原油含蜡量、含胶量的影响(表2)

由表2可知，L510菌作用后，实验油样的含蜡量与含胶量变化明显，特别是对粘度大于80 mPa·s、含蜡量大于20%、含胶量大于30%的油样作用效果突出，其中含蜡量降低了17.56%、含胶量降低了26.54%，而且平行实验结果的重复稳定性较好。

表2 L510作用后原油的含蜡量与含胶量

2.3.4 对原油馏分的影响(图8)

由图8可知，实验菌作用前，当流程的温度在100～160 ℃时，原油没有馏分蒸馏出来；当温度升到180 ℃时， 才有0.4%(体积)的馏分蒸馏出来。而实验菌作用后，原油从100 ℃开始就有0.6%(体积)的馏分蒸馏出来，初始蒸馏温度降低80 ℃，说明实验菌作用后原油的轻组分增加。测试发现，原油的凝固点也由41 ℃降至28 ℃。

图8 实验菌作用前后原油馏分含量的变化

2.4 聚驱后微生物驱油实验结果与分析(表3)

表3 聚驱后微生物驱油模型实验数据

由表3可知，方案一中，配伍菌的2个平行样采收率4.80%～5.51%，L510菌采收率3.03%～4.18%；方案二的聚驱和微生物驱的采收率高于方案三(扣除空白驱油采收率0.68%，方案三的微生物驱采收率为6.27%～6.67%)。这可能是因为方案二聚合物溶液的注入粘度大于方案三的粘度。

方案一中，聚驱后配伍菌1#模型和L510菌4#模型的驱油效果曲线见图9。

由图9可知，聚驱含水率由100%下降至80%、微生物驱含水率由100%下降至90%左右。当模型后续水驱时，观察了菌株在模型中的生长状态。结果发现，模型末端产出液10 mL(0.11 PV)时活菌数为108个·mL-1，模型末端产出液45 mL(0.5 PV)时活菌数为109个·mL-1，模型末端产出液90 mL(1 PV)时活菌数为108个·mL-1。这说明细菌迁移至整个岩心，因为模型注菌液为0.2 PV时，实际上菌液仅进入模型入口的1/5处，当菌株消耗掉附近的营养物后会移向新的食物聚合物碳源进行生长代谢。

实验过程中检测了注入模型前后聚合物溶液的粘度，方案二模型注入前的聚合物溶液粘度为50.2 mPa·s，段塞为0.57 PV，检测驱出0.5 PV时聚合物的粘度为16.5 mPa·s，聚合物溶液通过多孔介质过滤后粘度下降了3倍多，当驱出1 PV时聚合物粘度为2.0 mPa·s，继续驱出1.5～2.0 PV时，聚合物粘度值为0。

图9 聚驱后配伍菌1#(a)和L510菌4#(b)模型的驱油效果曲线

这表明聚合物在油层中已被岩石和孔喉产生了吸附和滞留。

三种方案相比较，方案二和三的驱油效果好于方案一，其原因主要是方案二和三在注入微生物后加了聚合物保护段塞， 使得微生物作用后的原油能被聚合物均匀推进，从而富积集中驱出，增大了波及体积而提高了驱替效率。实验观察到方案一驱油过程中，微生物作用后的原油是被水驱出的分散液滴。通过显微镜观察到的水驱、聚驱和微生物驱的采出液中原油状态见图10。

图10 采出液中原油的微观形态及分布

由图10可知，水驱采出液中的原油呈连续分布，为油膜状或大液滴状；聚驱采出液中原油与驱替液混合成团粒状；微生物驱采出液中的原油形成稳定分散的小液滴。

3 结论

(1)从大庆油田聚驱后的试验区块中分离筛选出可利用聚合物和原油作为营养物的4株菌，分别命名为P24、P150、P178和L510。油层温度和采出液矿化度对菌株的生长影响不大，菌株可耐70 ℃高温和1×104mg·L-1的矿化度。

(2)筛选菌株在聚合物条件下生长，活菌数达106～107个·mL-1，聚合物溶液粘度由18.6 mPa·s降至1.0 mPa·s，加入微生物后聚合物的相对分子量明显降低，分布范围也相对变窄，由106～108变为106～107，峰值向相对低分子量方向偏移。

(3)在模拟油层条件下，筛选菌株作用后原油的主碳峰向前移动，C10以内的轻组分范围变宽，C10～C30之间的烷烃组分被利用；含蜡量降低了17.56%，含胶量降低了26.54%；恩氏蒸馏的初馏点下降了80 ℃；凝固点由41 ℃降至28 ℃；原油的∑C21/∑C22比值增加了61.7%，(C21+C22)/(C28+C29)比值增加了60.8%，饱和烃含量平均增加11.37%，芳烃含量降低，非烃和沥青质含量分别减少6.6%和2.9%。

(4)物理模拟驱油实验表明，聚驱后微生物驱的方式可比聚驱提高采收率3%～5%(OOIP)，聚驱后微生物驱再加后续聚驱保护段塞的方式可比聚驱提高采收率7%(OOIP)以上，模型实验的重复性较好。

参考文献：

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