安塞油田微生物驱油提高采收率机理研究

杨剑，李斌，侯军刚，白玉军，李东旭

（中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安716000）

安塞油田微生物驱油提高采收率机理研究

杨剑，李斌，侯军刚，白玉军，李东旭

（中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安716000）

通过室内实验对安塞油田在用的微生物驱油菌种铜绿假单胞菌、枯草芽孢杆菌进行生长活动规律研究、运移能力评价、降解原油机理分析和油层解堵能力研究，分析了微生物驱油提高采收率机理。数据表明绿铜假细胞单菌、枯草芽孢杆菌在安塞油田长6油藏中具有较好的繁殖能力和运移能力，浓度3%微生物溶液可有效地改善原油物性，使原油中轻质烃组分增加，重质烃组分减少，使油藏从亲油转变为亲水，提高洗油效率。并且微生物溶液的代谢产物还可有效地解堵油层无机和有机堵塞，提高油藏渗透性。

低渗透油藏；微生物；代谢产物；降解；润湿反转；解堵

微生物提高原油采收率技术是一项利用微生物及代谢产物来提高原油采收率的综合技术，具有适用范围广、工艺简单、成本低、环境友好等优点，目前已经成为最具发展前景的三次采油技术之一［1］。美国能源部共支持了47个微生物采油项目，预计将注水开发后期油藏的采收率提高16%。俄罗斯也开展了较大规模的微生物驱油，在罗马什金、巴什克斯坦和鞑靼等老油田取得60万t的增油量，并有效延长了油藏的开发寿命。挪威的国控石油和气体公司在Norne油田开展了世界上规模最大的微生物驱油技术试验，取得巨大的成功，预计增产原油3 000万桶，该公司已将微生物提高采收率技术作为其今后研究的主要方向。

微生物采油技术在我国起步较晚，20世纪80年代，大庆油田首先开展了微生物采油矿场试验研究。此后关于微生物采油的机理研究［2，3］、实验研究［4］、数值模拟研究［5，6］以及现场试验［7，8］等才逐渐开展，并取得了良好的应用效果。2009年微生物在安塞油田开展矿场试验，至目前已实施20余口，取得了一定的效果。但由于微生物及其代谢产物的复杂性，使得微生物提高采收率机理还未被完全认识和量化，仍需进行研究。

1　试验材料及仪器

1.1试验材料

绿铜假单胞菌溶液，枯草芽孢杆菌溶液（见表1），地面脱气脱水原油（密度：0.833 g/m3，黏度：35.03 mPa·s），安塞油田地层注入水组成（见表2）。

1.2实验仪器（见表3）

表1　微生物菌株基本特征Table.1 Basic characteristics of composition of microbial strains

表2　安塞油田注入水组成成分Table.2 Injection water composition of Ansai oil field

表3　实验仪器Table.3 List of experimental instruments and apparatus

2　提高采收率机理研究方法

2.1微生物在岩心中的生长活动规律

在45℃条件下，将1.3 mL微生物溶液注入长6层岩心进行培养，每隔4 h时注入一定量0.3 mL营养液，每隔12 h取样分析岩心流出液，计算菌体个数。

2.2微生物在岩心运移能力

将岩心样品制成10 mm×5 mm平面，用生理盐水仔细漂洗观察面，悬滴3%微生物溶液，底部吸滤至无液体渗出。用2%戊二醛和1%锇酸进行固定，然后丙酮脱水，之后利用醋酸异戊酯置换残留丙酮，进而CO2临界点干燥，利用离子溅射或真空方式在观察面镀金，进行扫描电子显微镜观察。

2.3微生物代谢产物定性、定量分析

接种铜绿假单胞菌种至200 mL液体LB培养基中，37℃振荡培养48 h，收集发酵液。经5 mol/L的HCl沉淀过夜，下层沉淀烘干，用0.1%的甲醇水溶液溶解，进行液相色谱分析。

采用硫酸-蒽酮法测定鼠李糖脂的含量：分别吸取稀释500倍稀释的菌株发酵液1.0 mL于干净试管中，冰水浴中加入4 mL 0.2%的硫酸-蒽酮溶液，混匀后置于沸水浴（100℃）中15 min，取出后自然冷却。以蒸馏水做空白对照，用酶标仪测定620 nm的吸光值，根据鼠李糖脂标准曲线，计算得到鼠李糖脂含量。

取枯草芽孢杆菌菌株的发酵液，8 000 r/min离心20 min除菌体两次，上清液用浓HCl调pH至2.0，出现絮状沉淀，4℃静置过夜。10 000 r/min离心30 min收集沉淀，用pH2.0的酸水洗涤一次。随后将该沉淀溶于1 mol的NaOH溶液，始终pH值为7.0，冷冻干燥，得浅褐色疏松状固体的脂肽粗品。

采用Megazyme乙酸检测试剂盒对浓度3%的微生物溶液中乙酸含量进行定量测定。实验方法：离心取微生物溶液上层清液，按照试剂盒说明书中要求依次加入4种反应液，反应结束后用分光光度计测定340 nm下吸光值，分别计算空白和样品的吸光度差（A1-A0）和（A2-A0），计算得到乙酸浓度。

2.4微生物降解原油能力

将浓度3%的微生物溶液与安塞原油按照1：5比例装入锥形瓶，同样在锥形瓶中装入地层水和原油混合液，比例1：5，恒温振荡培养箱中培养7 d，温度45℃，对原油粘度进行分析。

取安塞原油30 g，加入200 mL液体培养基中，置于500 mL三角瓶中120℃高压灭菌30 min，浓度10%的微生物溶液接种于上述灭菌后的原油培养基中，置于45℃恒温摇床中180 r/min振荡培养40 d，对原油组分进行气象色谱分析。

2.5微生物改变油藏润湿反转性

将微生物溶液（浓度3%）滴在正戊烷处理过的石英片上，10 min后用S-2接触角测量仪测定接触角，测定其润湿反转性能。

将2 g岩心磨成粉状颗粒，铺于培养皿底部，悬滴2 mL微生物溶液（浓度3%）于岩心粉末表面，利用倒置显微镜进行活细胞连续照相，观察微生物剥离原油的过程。

2.6微生物解堵机理研究

无机堵塞实验条件：取安塞油田无机物堵塞物W1（碳酸钙、碳酸镁类沉淀物），将其放入200 mL微生物溶液中，密封，在恒温振荡培养箱中100 r/min振荡培养7 d，每天称取固体质量W2，计算溶垢率（%）。溶垢率（%）=（W1-W2）/W1×100%。

在250 mL的锥形瓶中加入50 mL微生物溶液（浓度3%），再分别加入一定量（3 g左右）的黑蜡（固体石蜡），密封，在45℃的恒温振荡培养箱中振荡培养7 d后，称重剩余黑蜡质量（固体石蜡）。

3　实验结果及讨论

3.1生长规律

试验用浓度3%的微生物溶液注入岩心，每12 h计算菌体数目。以培养时间为横坐标，菌体数目的对数为纵座标，绘制半对数生长曲线（见图1）。菌种的生长可分为四个阶段：适应期、对数期、稳定期、衰老期。适应期菌种几乎不繁殖，对外界因素反应敏感，时间在6 h左右。之后进入对数期，此时菌种以较快的速度繁殖，数量呈几何级数增加，需消耗大量的营养液，时间在20 h左右。之后进入稳定期，此时营养液逐渐被消耗，代谢产物逐步积累，抑制了菌种的生长，新生的菌体数和死亡的菌体数几乎相当，时间在25 h。最后进入衰老期，菌种死亡数量远远大于繁殖数量，营养物质基本被消耗完毕。

图1　微生物菌种在岩心中的生长曲线Fig.1 Growth curve of microbe strain in the rock core

3.2运移规律

由扫描电子显微镜照片（见图2、图3）可以看出，菌种具有一定形态，铜绿假单胞菌菌种大小3 μm× Ф1 μm，枯草芽孢杆菌菌种大小5 μm×Ф1 μm。菌种对岩心的附着性很强，部分可以进入岩心孔喉（A为自然状态菌种，B是菌种附着在岩心表面，C是菌种进入岩心孔隙）。

3.3代谢产物分析

采用液相色谱方法对微生物溶液中的代谢产物的种类进行鉴定，确定微生物主要次级代谢产物是鼠李糖脂、脂肽、乙酸，其中鼠李糖脂和脂肽属于生物表面活性剂，可有效降低原油流动阻力、降低油水界面张力，使岩石由油湿转变为水湿，从而起到剥离固体表面的原油、解除油层有机堵塞的作用。乙酸属于小分子有机酸，可以溶蚀岩心中的碳酸钙、碳酸镁沉淀，解除油层的无机堵塞。

图2　铜绿假单胞菌在不同状态下的扫描电子显微镜照片Fig.2 Scanning electron microscope photographs of pseudomonas aeruginosa in different conditions

图3　枯草芽孢杆菌在不同状态下的扫描电子显微镜照片Fig.3 Scanning electron microscope photographs of bacillus subtilis in different conditions

经检测，浓度3%微生物溶液鼠李糖脂含量为5.281 g/L，脂肽含量为2 g/L，乙酸浓度为880 mg/L。3.4降解原油能力

对比加入微生物溶液和未加微生物溶液的原油物性，可以看出在微生物作用下原油的粘度、蜡含量、胶质含量均有所下降，结果（见表4）。

图4　微生物降解原油气相色谱图（微生物处理前）Fig.4 Gas chromatogram of microbial degradation crude oil（before microbial treatment）

微生物溶液混合原油，7 d内对原油组分进行气象色谱分析（见图4、图5）。标准品图谱中C14、C15、C16的出峰时间在4 min～8 min，对比微生物作用7 d后气象色谱分析，4 min～8 min后的峰高要明显低于前者，表明微生物对原油产生了降解作用，使C14、C15、C16组分降解为相对分子质量相对小的组分。随着时间延长，出峰时间8 min左右，峰值逐渐上升，说明微生物开始逐步动用重质原油烃组分，使得C14、C15、C16烃组分含量上升。

表4　微生物溶液作用后原油物性变化Table.4 Crude oil physical property change after the role of microbial fermentation liquid

图5　微生物降解原油气相色谱图（微生物处理7 d后）Fig.5 Gas chromatogram of microbial degradation crude oil（Microbial treatment after 7 days）

3.5油藏润湿反转性改变

微生物及其代谢产物对岩石表面油膜的剥离作用，岩石表面的油膜被微生物剥离之后，菌体吸附在岩石孔隙表面会引起其润湿性的转变。由表5可知，3%微生物溶液可以有效降低接触角，从而改变岩石润湿性，易于原油剥离。在初期微生物附着于岩心颗粒表面，后慢慢作用岩心中的原油成分，在岩心颗粒表面形成油膜，并逐渐向外扩散、包裹、形成小油滴，最终聚并成油滴。

表5　接触角测定结果Table.5 Contact angle measurement results

3.6解堵能力

无机物堵塞，其主要成分是粘土和机械杂质及钙（碳酸钙）、镁（碳酸镁）、铁（硫化铁和碱式碳酸铁等）的沉淀物。微生物代谢产物中的乙酸可有效溶解岩石孔隙中碳酸钙、碳酸镁沉淀，提高岩心渗透率。

图6　微生物的溶垢作用Fig.6 The scale-dissloving role of microbial metabolic

微生物代谢产物中的生物表面活性剂可以和蜡晶发生作用，改变蜡晶状态，阻止蜡晶生长，从而降低原油中石蜡、沥青、胶质等重组分的沉积。将浓度3%的微生物溶液与黑蜡（固体石蜡）振荡培养7 d，可以看到锥形瓶上附着的黑蜡（固体石蜡）呈网状，说明微生物对油层中的有机堵塞具有较强的降解作用，具体数据（见表6）。

表6　微生物降解前后黑蜡（固体石蜡）质量变化Table.6 Black wax（Paraffin）quality change before and after microbial degradation

4　结论

（1）浓度3%微生物溶液在安塞油田岩心中大量生长繁殖，最高浓度维持在108个/毫升数量级，且对数期和稳定器持续时间较长，扫描电子显微镜下微生物对岩心的附着性很强，说明该微生物在安塞油藏环境下大量生长、繁殖并存留在岩心中。

（2）微生物主要次级代谢产物是鼠李糖脂、脂肽、乙酸，可有效降低原油流动阻力、降低油水界面张力，使岩石由油湿转变为水湿，从而起到剥离固体表面的原油、解除油层有机堵塞、无机堵塞。

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Microbial oil displacement mechanism research on enhancing oil recovery of Ansai oilfield

YANG Jian，LI Bin，HOU Jungang，BAI Yujun，LI Dongxu
（Oil Production Plant 1 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yan'an Shanxi 716000，China）

Through the indoor experiment in ansai oilfield in strains of microbial oil displacement green copper fake cell single bacteria，bacillus subtilis growth law of research capability evaluation，migration，degradation mechanism analysis of crude oil and reservoir plugging ability research，analyzes the mechanism of microbial flooding to improve oil recovery.Data show that the green copper false single cell bacteria，bacillus subtilis in the Chang 6 reservoir in Ansai oilfield has a good ability to reproduce and migration ability，concentration 3%microbe solution can effectively improve the physical properties of crude oil，increase the light hydrocarbon component in crude oil，heavy hydrocarbon component decreases，the reservoir from oil wet to water，improve the efficiency of washing oil.And metabolic product of the microbial solution can also be broken down effectively reservoir inorganic and organic jams，improve the reservoir permeability.

low permeability；microbe；metabolites；degradation；wettability reversal；removing blockage

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.07.010

TE357.46

A

1673-5285（2015）07-0041-06

2015－04-13

杨剑，女（1983-），采油工程师，2013年硕士毕业于中国石油大学（北京）石油与天然气专业，现从事油田提高采收率工作，邮箱：yjian2_cq@petrochina.com.cn。