新型稠化缓释营养剂的优化及其驱油潜力评价

田会梅，高配科，代学成，李　彦，王燕森，王红波，李国强，马　挺

（1.南开大学生命科学学院分子微生物学与技术教育部重点实验室，天津300071；2.新疆油田实验检测研究院，新疆克拉玛依834000）

新型稠化缓释营养剂的优化及其驱油潜力评价

田会梅1，高配科1，代学成2，李彦1，王燕森1，王红波2，李国强1，马挺1

（1.南开大学生命科学学院分子微生物学与技术教育部重点实验室，天津300071；2.新疆油田实验检测研究院，新疆克拉玛依834000）

基于当前内源微生物驱油技术研发和矿场应用现状，开发能够提供并延缓释放微生物营养、调堵高渗透层双重作用的新型激活剂体系，从而解决内源微生物驱油过程中营养剂随驱替液过快采出的问题。物理模拟驱油实验表明，该稠化缓释营养剂能够显著激活内源微生物和功能菌群，使总体菌密度提升2～3个数量级，并联填砂管岩心驱油效率提高21.8%，单只岩心最大提高约53.7%，具有较强的应用潜力。该研究对內源微生物驱油技术的应用具有参考价值。

内源微生物驱油；物理模拟实验；稠化缓释营养剂；驱油效率

石油资源是一种不可再生资源，目前主要的驱油技术有注水驱油技术、化学驱油技术和微生物驱油技术，其中微生物驱油技术具有低成本性、环境友好性、高适应性等优点。内源微生物采油技术是通过激活油藏中的微生物，利用其本身及其代谢活动来提高原油采收率的一项综合性技术［1］。自从内源微生物驱油现场实施以来，油井采出液含水上升的现象得到有效抑制［2］，但仍存在营养剂随驱替液过快采出、增油量不明显等现象。激活内源微生物所用的培养基具有快速激活微生物的特点，但是由于培养基中所使用的是速效碳源，溶液的黏度很低，所以目前所用营养剂具有快速流出并且时效性较短的缺点。此外，激活剂在矿场注剂过程中迅速随采出液被采出，这表明:①油藏地下存在水驱推进速度快的大孔道或水淹层，非均质性严重［3］；②营养剂可能未波及残余油较多的低渗透层，而这部分内源微生物可能未被激活。

为此，本研究对试验油藏孔隙结构进行了具体分析，开展了新型稠化并缓释的营养剂筛选实验，以解决之前营养剂时效性短和黏度低的问题，达到长效激活内源微生物的目的。稠化缓释营养剂是稠化剂和缓释剂按一定比例配伍成的新型激活剂体系，具有提供并延缓释放微生物营养和调堵高渗透层双重作用的优点。同时，该营养剂还具有以下特点:一定的黏度；良好的假塑性；可携带颗粒状缓释激活剂进入地层；可被部分内源微生物降解，生成的还原性单糖可激活大量的内源微生物。

本研究中，笔者在优化的激活剂基础上，对稠化缓释营养剂的流变性能和溶液增黏性能进行了分析，通过对地层水中微生物激活实验和物理模拟驱油实验［4-5］，对其驱油效率和激活内源微生物机理进行研究，以期为内源微生物驱油技术的应用提供参考。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

1.1.1实验材料

原油和地层水均来自于新疆油田六中区块T6195油井，取出并密封后于4℃低温保存。六中区油藏的温度为22.6℃，原油为脱水原油，黏度33.1 mPa·s（LVDV-Ⅲ，6转，0号转子，22℃）；地层水是油水分离后去除原油的水，地层水为NaHCO3型。

1.1.2生化材料

（NH4）2HPO4、NaNO3、葡萄糖、Na2SO4、MgSO4、 NaCl，均为分析纯；蛋白胨、糖蜜粉，生化试剂；生物多糖，石油级；纤维素颗粒（75 μm），以上生化材料均为市售。

1.1.3实验设备

SBA-40C型生物传感分析仪，山东省科学院生物研究所；黏度计、Master Cycler梯度PCR仪，Eppendorf公司；Bio-Rad实时荧光定量PCR仪、GelDoc 2000凝胶成像系统，Bio-Rad公司。

1.2实验方法

1.2.1纤维素剂降解性能实验

在250 mL三角瓶中加入1%纤维素颗粒，实验组（E）中添加100 mL地层水，对照组（C）添加100 mL蒸馏水，其中实验组和对照组均设6组，每组3个平行，22℃条件下120 r/min摇床培养30 d，每隔5 d取一组，将发酵液在5 000 r/min离心10 min，去掉上清，称量并计算出平均沉淀的质量，分别将实验组和对照组设为EX和CX，通过计算EX/CX× 100%，得出纤维素的降解速率。

发酵液中葡萄糖的含量测定按照SBA-40C型生物传感分析仪说明书进行，每次进样量设为20 μL，3个平行，计算平均值。

1.2.2物理模拟驱油实验条件

①填砂管岩心:其大小为（2.5～4.5）×（30～44 cm），其渗透率（Kg）分别为0.5、1.0和2.0 μm2。②试验温度:22℃。③驱油段塞:六中区T6195井产出水配制。④注入速率:1 mL/min。⑤激活配方（g/L）:稠化缓释营养剂5+糖蜜粉5+（NH4）2HPO41+NaNO33。

1.2.3物理模拟驱油实验程序

测岩心气相渗透率→岩心抽真空饱和地层水→测水相渗透率→岩心造束缚水（饱和度20%）→饱和原油→老化3 d→水驱至含水98%→注段塞→关闭模型恒温培养7 d→后续水驱至含水率大于98%，同时测量出口端产气量（如计量管无法计量时，分批次计量累加）。

1.2.4物理模拟驱油实验方案

1）激活配方注入量优化（PV，porous volum，孔隙体积）

A、注入0.2 PV激活剂，0.5 μm2和2 μm2并联；B、注入0.4 PV激活剂，0.5 μm2和2 μm2并联。

2）最佳注入量下的驱油效果评价

C、最佳注入量激活剂，1.0 μm2和2 μm2岩心并联（低渗C1，高渗C2）；D、最佳注入量激活剂，1支0.5 μm2单岩心（低渗）；E、最佳注入量激活剂，1支2 μm2单岩心（高渗）。

1.2.5驱替液样品采集及基因定量

收集并检测注入前及培养后水驱约10 mL的驱替液，分别标记为A、B、C1、C2、D、E、CK，提取基因组，应用实时荧光定量PCR［6-7］的方法检测驱替液中总菌、烃氧化菌（hydrocarbon-oxidizing bacteria，HOB）以及硫酸盐还原菌（sulfate-reducing bacteria）的丰度变化（表1），厌氧发酵菌（fermentation bacteria，FMB）的丰度变化通过细菌测试瓶法检测。测试瓶检测是利用绝迹稀释原理对细菌进行定量的一种方法［8］，通过将样品在测试瓶中进行逐步稀释，每个稀释度设2个平行，并观察在不同稀释度下FMB的生长状况，按照二次重复测数统计表计算FMB的具体数量。

表1　功能菌荧光定量所用引物、PCR扩增体系与扩增条件Table 1 Primers information，amplified protocols and conditions used in quantification of bacteria

图1　纤维素降解曲线Fig.1 Curves of cellulose degrading

2　结果与讨论

2.1稠化缓释营养剂的性能研究

2.1.1缓释营养剂的组成

新型稠化缓释营养剂为粉剂制品，主要由生物多糖、纤维素颗粒（75 μm）和矿物质（N、P）按一定比例配伍组成。生物多糖是一类由微生物代谢产生的多聚糖，具有高黏度以及良好的悬浮性，可同时作为悬浮剂和激活剂。纤维素是一种是由葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水和一般的有机溶剂，具有较强的稳定性，因此经常被用作调剖剂［9］，选择性封堵油藏地层的大孔道。此外，纤维素随注入水进入油藏地层后会被嗜纤维菌以及食酸菌等降解利用，其降解产物可作为碳源激活地层深处微生物，是一种理想的缓释营养剂，其缓释作用如图1所示。由图1可知:纤维素降解发生在第15天之后，但是葡萄糖的含量上升发生在第20天之后，而且上升的幅度相较纤维素的降解量来说很小，这主要是由于生成的单糖多被油藏内源微生物利用，因此发酵液中检测到的残糖量很低。

2.1.2稠化缓释营养剂配伍实验

在100 mL的蒸馏水中加入0.50、1.00 g/L的纤维素颗粒，在0.05、0.10、0.15和0.20 g/L的生物多糖的质量浓度下，观察纤维素颗粒在2 h内的沉降状况，每组配伍比例设定3个平行，以0 h和2 h后量筒底部沉降的纤维素颗粒的平均厚度（cm）为指标，确定两者的最优配伍比例，结果见表2。由表2可知，0.20 g/L的生物多糖和0.50 g/L的纤维素颗粒混配悬浮效果最好，经过2 h的沉降之后，纤维素颗粒沉淀最少，因此确定该稠化缓释营养剂中生物多糖和纤维素颗粒的配伍比例为（1∶2.5）。

表2　生物多糖和纤维素颗粒的混配对沉降的影响Table 2 Effects of polysaccharide concentrations and cellulose particles on sedimentation

2.1.3稠化缓释营养剂的黏度性能

常温下，以六中区地层水配制不同浓度的稠化缓释营养剂，在22℃、61号转子下，转速为50 r/min的条件下检测不同浓度稠化缓释营养剂的黏度变化，结果见图2。由图2可知:稠化缓释营养剂浓度与溶液黏度成正相关性，当稠化营养剂质量浓度为6 g/L时，溶液黏度接近200 mPa·s，并且随浓度的升高呈现逐渐上升的趋势。稠化缓释营养剂在油田注水开发中作为驱替相，其黏度升高可以显著降低油水相流度比，从而提高驱替相的波及体积，使得营养剂能够渗透到油藏储层中的低渗层，有效地激活这部分储层中的微生物，解决了营养剂随注入水迅速流出的难题，在提高原油采收率过程中具有重要意义。

图2　稠化缓释营养剂含量与溶液黏度关系Fig.2 Relationship between gelled slow-release nutritional agent concentration and viscosity of liquor

2.2稠化缓释营养剂驱油潜力评价

2.2.1激活配方最优注入量优化

根据六中区地层水的营养特征，组成适合六中区油藏内源微生物生长的激活剂（g/L）:稠化缓释营养剂5+糖蜜粉5+（NH4）2HPO41+NaNO33。高、低渗透填砂管的渗透率级差为4倍，且都是均质岩心，并联之后，形成非均质岩心，脱水原油黏度33.1 mPa·s，油水黏度比为33。采用常规的水驱方法注入激活剂，在水驱之初，受油水黏度比和渗透率的影响，只是高渗透管在驱油，低渗透管没有启动，随着驱替的进行，压力逐渐增加，低渗透管逐渐启动，但是水驱油（水）少，水驱直至注入水在高渗透管突破（见水），出油量仍然不高。水驱至含水率98%时转注稠化缓释营养剂，由于浓度不高，压力起升速度不快，随着注入量的增加，压力升高幅度加快。停注并放置7 d，再次水驱时，高渗透管由于稠化缓释营养剂的堵塞，启动了低渗透管驱油。

对比0.4 PV和0.2 PV驱油效果，结果见图3。由图3可知:0.4 PV注入量的驱油效率比0.2 PV高2.61%，从注入的稠化缓释营养剂量方面看，0.4 PV偏多，但从高渗透管注入稠化缓释营养剂放置后不出油或出油少来看，这2.61%的驱油效率增量主要是微生物（产酸、气体、代谢物等）的效果。从压力变化上看，注入的稠化缓释营养剂会有一部分进入低渗透管中，尽管量少，但是会产生一定的堵塞效果，因而压力下降幅度较慢，随着注入水的冲刷和微生物的作用，压力下降，但是注入量多的0.4 PV压力持续的时间长。因此，稠化营养剂的注入首先是对高渗透部分的封堵，结果是扩大了波及体积，使原来注入水未波及的区域被启动。

综合来看，0.4 PV的效果好一些，这里有“调”的效果，更有“驱”的效果。

图3　注入0.4 PV和0.2 PV稠化缓释营养剂驱油效果图Fig.3 Flushing efficiency of injecting gelled slow-release nutritional agent at volume of 0.4 PV and 0.2 PV

2.2.2最优注入量下激活剂驱油效果评价

将新型稠化缓释营养剂溶液以1 mL/min的速率注入并联填砂管岩心1和2，同时观察注入量和注入压力变化，并联填砂管岩心注入稠化缓释营养剂，结果见表3。由表3可知:注入稠化缓释营养剂前，水驱压力只有0.002 MPa，由于高低渗透率差异，并联岩心中只有1#岩心出水10 mL，2#岩心没有出水；注入稠化营养剂后注水压力由0.002 MPa快速升高到0.108 MPa，再升高到0.165 MPa，2#岩心开始出水，在注入稠化营养剂后水驱0.3 PV时，1#和2#的出水量是非常接近的，在此后至实验结束，1#岩心的出水量有所增加。这说明稠化营养剂的注入封堵了高渗透岩心，改善了流量在高低渗透率岩心中的分配；此期间的注入压力并没有明显的增加，而是趋于平稳，也说明稠化营养剂具有良好的注入性能和封堵性。同时，测量出口端驱替液，计算出在并联岩心模拟中该稠化缓释营养剂提高原油采收率达到21.8%，而在单只岩心中，低渗透率的岩心相较于高渗透率的岩心采收率提高程度要高，其采收率分别提高了53.7%和13.8%。高低渗岩心采收率差异主要是由激活剂的选择性调剖能力和滞留时间决定的，由于高低渗的差异，营养剂会优先封堵大孔道，使注入水大部分流入低渗岩心，促使其中的原油被驱出。此外，部分营养剂会流入低渗岩心，激活其中的内源微生物，因此其采收率提高的程度较高渗的相对要高。

表3　稠化缓释营养剂填砂管岩心封堵率实验Table 3 Sand pack plugging experiment of gelled slow-release nutritional agent

2.3驱替液微生物激活效果评价

采用绝对定量的方法，对驱替液中的总菌、HOB、FMB和SRB进行定量检测。总菌的密度大小能够反映出该缓释营养剂的整体激活效果，HOB是油藏烃降解菌，这类细菌利用烃类物质以及原油进行生长代谢［10］，产生生物表面活性剂和生物乳化剂改变原油的流动性［11］，同时会将烃类物质降解成小分子有机酸、乙醇和脂肪酸等物质；FMB可以降解原油代谢产生小分子有机酸、有机溶剂以及H2和CO2等气体［12］，部分FMB可代谢产生黏性物质或者聚合物来封堵地层中的大孔道，提高注入水的波及体积；SRB是一类可以将硫酸盐、亚硫酸盐和硫代硫酸盐等还原为H2S，从而在采油过程的多个方面产生危害的有害菌［13-14］，因此通过这几类功能菌的丰度变化便可以看出激活剂的激活效果。定量结果如图4所示。

图4　驱替液中功能菌的丰度测定Fig.4 Measurement of functional bacteria abundance in displacing fluids

由图4可知:经激活剂激活后，所有样品的总菌密度均大于106个/mL，超出本底2～3个数量级，同时培养后HOB和FMB有不同程度的提高，大约在1～3个数量级，而SRB则呈现下降趋势，这证明内源微生物被激活，缓释营养剂能够有效地激活内源微生物，达到提高石油采收率的效果。此外，通过比较高低渗透率样品的菌密度变化发现，低渗透率的菌密度总体提升程度较高，与其具有较高的石油采收率相吻合，这也进一步证实了该新型缓释营养剂具有激活内源微生物和封堵油藏大孔道的特点，在提高石油采收率方面具有很重要的研究意义。

3　结论

探索出一种新型的稠化缓释营养剂，其组成为生物多糖和纤维素颗粒，配伍比例为1∶2.5，该营养剂同时具有激活和调剖的性能。

通过物理模拟驱油实验得出该稠化缓释营养剂最佳注入量为0.4 PV，此时其具有较好的激活功能以及调剖功能。

该新型的稠化缓释营养剂使并联填砂管岩心驱油效率提高21.8%，单只岩心最大提高约53.7%，具有较强的应用潜力。

该稠化缓释营养剂能够有效激活内源微生物，使总体菌密度和功能菌密度提升1～3个数量级。

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（责任编辑 荀志金）

Optimization of a new viscously slow-release nutrient and oil displacement potential evaluation

TIAN Huimei1，GAO Peike1，DAI Xuecheng2，LI Yan1，WANG Yansen1，WANG Hongbo2，LI Guoqiang1，MA Ting1
（1.Key Laboratory of Molecular Microbiology and Technology of the Ministry of Education，College of Life Sciences，Nankai University，Tianjin 300071，China；2.Institute of Experiment and Detection，Xinjiang Oil Field Company，Karamay 834000，China）

Based on the indigenous microbial enhanced oil recovery（MEOR）technology research and current situation of field experimentation，in this paper，in order to solve the rapid outflow of nutritional agents in the process of endogenous microbial enhanced oil recovery，we developed a new type of stimulation system that has dual role in providing but slowly releasing nutrition and plugging high permeability layer of reservoirs.Physical simulation flooding experiments showed that the gelled slowrelease nutrition agent could significantly stimulate the endogenous microorganisms and functional microbes，increasing the overall bacterium concentration by 2 to 3 orders of magnitude.In addition，the efficiency of oil displacement was increased by 21.8%and 53.7%in parallel sand filling tube core experiments and single core experiments，respectively，suggesting that the gelled slow-release nutritional agent has a strong application potentiality in the process of MEOR.This research can provide some reference value in the development of technology for MEOR.

indigenous microbial enhanced oil recovery；physical simulation flooding experiment；viscously slow-release nutrient；oil displacement efficiency

TE357.9

A

1672-3678（2016）03-0033-06

10.3969/j.issn.1672-3678.2016.03.007

2016-02-04

国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA064402）；国家自然科学基金（41373074）

田会梅（1989—），女，山东临沂人，博士研究生，研究方向:油藏微生物；马 挺（联系人），教授，E-mail:tingma@nankai.edu.cn