油藏微生物驱反应动力学模型及数值模拟方法

姚传进, 孟祥祥, 曲晓欢, 詹广贤, 李 蕾, 雷光伦

(1.非常规油气开发教育部重点实验室(中国石油大学(华东)),山东青岛 266580; 2.中国石油大学(华东)石油工程学院, 山东青岛 266580; 3.山东省油田化学重点实验室, 山东青岛 266580)

微生物驱提高采收率技术是利用微生物的有益代谢产物和有益代谢活动,改变原油-岩石-水的界面性质,与油藏中的原油发生反应,提高油水流度比,增加原油在油藏孔隙中的流动能力,从而达到降水增油和提高采收率的目的,是一项应用前景良好的生物采油新技术。微生物提高采收率技术与其他三次采油技术相比,具有低储层伤害、对环境无污染、现场作业简单、油藏适应性强和原材料价格低的特点[1]。20世纪末,Islam和Chang以黑油模型为基础,建立了微生物采油的数学模型。自此以后,微生物采油的数值模拟理论研究在国内外陆续展开,比较经典的模型有Islam模型[2]、Chang模型[3]、雷光伦等[4]建立的微生物采油数学模型和谷建伟等[5]建立的微生物采油数学模型。但是,上述对微生物采油机制的描述大多是对微生物本身及其代谢产物的理论描述。同时,由于微生物采油机制极其复杂,数值模拟难度大,尚未形成实用的油藏微生物驱数值模拟方法。由于微生物采油数学模型涉及参数太多太复杂,求解难度极大,无法直接用于现场微生物采油数值模拟[6-7]。因此在现有商业数模软件基础上实现微生物采油数值模拟功能开发有望成为未来微生物采油数值模拟的发展方向。然而,目前直接用CMG数值模拟软件进行微生物驱数值模拟仍存在无法合理描述和表征油藏微生物驱生长代谢过程和微生物驱提高采收率机制的问题。笔者结合油藏数值模拟技术,建立油藏微生物驱反应动力学模型以及反应动力学关键参数的计算方法,提出微生物驱过程中原油降黏、地层水增黏、改变油水界面张力等关键提高采收率机制的表征方法,基于胜利油田某试验区油藏数据,建立油藏微生物驱概念模型,开展微生物驱参数敏感性分析,对微生物驱运移规律及驱油性能进行分析,最终形成一种实用的微生物驱数值模拟方法。

1 微生物驱反应动力学模型建立

1.1 模型基本假设

微生物驱油反应是由一系列酶促反应构成的复杂反应体系,参与反应的组分繁多,反应途径错综复杂,很难用一个准确的化学反应式表示。为简化微生物反应动力学模型,假设:①微生物驱反应动力学模型简化为微生物生长代谢、微生物降解原油、微生物死亡和生物聚合物降解;②油藏为均质的且只包含油、气、水三相;③微生物及其代谢产物和营养物完全溶于水相;④油藏流体均为微可压缩流体;⑤考虑微生物菌体、生物聚合物和生物表面活性剂在油藏中的吸附[8]。

1.2 微生物驱反应动力学组分确定

根据胜利油田某区块微生物驱试验和文献资料数据,确定微生物反应动力学组分[9],主要包括微生物、营养物质、生物聚合物、生物表面活性剂、氧气、甲烷和水。

微生物组分的确定:试验和微生物成分元素分析证明,驱油用微生物细胞元素组成稳定,化学式可表示为C4-7H7-10O1-3N,相对分子质量为85～156[10-12]。

营养物质组分的确定:营养物质由碳源和氮源组成,碳源由调和油(C18-60H30-116O2-15)、葡萄糖(C6H12O6)、果糖(C6H12O6)、蔗糖(C12H22O11)、麦芽糖(C12H22O11·H2O)和淀粉((C5H10O5)n)组成,复杂的有机碳源没有固定分子式。氮源分为无机氮和有机氮,无机氮用NH3·H2O代替,有机氮由氨基酸组成[13]。

生物聚合物组分的确定:驱油用生物聚合物主要指黄原胶(单体化学式C67H99O56)、硬葡聚糖(单体化学式C24H40O20)和韦兰胶(单体化学式C30H48O24)。通常生物聚合物由上述物质混合组成,其化学式为C24-67H40-99O20-56,相对分子质量为648～1 799[14-19]。

生物表面活性剂组分的确定:驱油用表面活性剂主要指鼠李糖脂、槐脂和甘露醇脂,其化学式为C16-32H30-58O7-13,相对分子质量为334～650[20-21]。

针对微生物采油现场应用,可用元素分析方法确定上述各组分的元素组成,从而得到其化学式和相对分子质量。在实际计算过程中,由于微生物驱各组分不是单一的化学组成和相对分子质量,且化学式和相对分子质量主要影响反应方程系数的配平关系,而对微生物驱提高采收率效果的影响较小[22]。因此为简化模型,取平均值作为各组分的化学式和相对分子质量。

1.3 微生物驱反应动力学方程建立

根据质量守恒和元素守恒原理以及确定的微生物驱反应动力学组分,建立微生物驱反应动力学方程[11]。由于生物聚合物降解和微生物死亡过程不是微生物驱提高采收率的主要机制,故借鉴CMG聚合物驱模块的处理方法,建立聚合物降解反应动力学方程和微生物死亡反应动力学方程。

(1)微生物生长代谢反应动力学方程为

(1)

其中

(2)聚合物降解反应动力学方程。根据CMG聚合物驱模块[22],建立聚合物降解反应动力学方程为

(2)

(3)微生物死亡反应动力学方程。类比聚合物降解反应动力学方程,建立微生物死亡反应动力学方程为

(3)

(4)微生物降解原油反应动力学方程。由于原油成分复杂多变,这里不用具体的化学元素表征其元素组成,用X1、X2代替高黏、低黏油相,根据质量守恒配平反应方程式,

(4)

式中,X1为高黏油相;X2为低黏油相。

1.4 微生物驱反应动力学参数确定

微生物驱反应动力学参数包括反应级数n、反应频率因子k0和活化能Ea,确定方法如下。

(1)微生物生长代谢反应动力学参数的确定。根据莫诺方程,如图1所示。当营养物质量浓度较低时,微生物生长繁殖代谢受营养物质量浓度制约,近似遵循一级反应规律,反应级数n=1。

图1 莫诺方程示意图

(5)

式中,μ为微生物比生长速度,t-1;μmax为微生物最大比生长速度,t-1;Ks为半饱和常数,mol/L;S为营养物浓度,mol/L。

反应频率因子k0根据阿伦尼乌斯方程确定为

(6)

其中

k=ln2/t1/2.

式中,k为反应速率常数,d-1;k0为反应频率因子,d-1;Ea为活化能,kJ/mol;R为摩尔气体常数,8.314 J/(mol·K);T为绝对温度,K;t1/2为营养物浓度半衰期,d。

在微生物生长代谢过程中,不考虑温度对反应速率的影响,活化能Ea=0。

(2)聚合物降解反应动力学参数的确定。生物聚合物降解反应为一级反应,反应级数n=1,不考虑温度对降解速率的影响,Ea=0,反应频率因子k0=k,如式(6)所示。

(3)微生物死亡反应动力学参数的确定。微生物死亡反应为一级反应,反应级数n=1,不考虑温度对微生物死亡速率的影响,Ea=0,反应频率因子k0=k,如式(6)所示。

(4)微生物降解原油反应动力学参数的确定。微生物降解原油反应符合一级反应规律,反应级数n=1,不考虑温度变化对反应速率的影响,Ea=0,反应频率因子k0=k,反应速率常数与高黏原油质量浓度关系为

-dC/dt=kC.

(7)

对时间积分得:

ln(C0/C)=kt.

(8)

式中,C0和C分别为初始时刻和任意时刻培养液中高黏原油质量浓度,g/L。

2 微生物组分运移过程及提高采收率机制的表征方法

2.1 微生物及其代谢产物运移过程的表征方法

在CMG数值模拟软件中,将微生物自催化反应方程得到的微生物及其代谢产物分别定义为溶于水的组分,考虑生长、运移、扩散、吸附等特性(模型中采取CMG缺省值或试验测定值),即可实现对微生物及其代谢产物运移的模拟计算。

2.2 微生物提高采收率机制的表征方法

本模型中主要考虑微生物降解原油、生物聚合物和生物表面活性剂对提高采收率的影响[23-24]。

(1)微生物降解原油表征方法:在油藏数值模拟软件中,导入微生物降解原油反应动力学方程,并设置反应级数、反应频率因子和反应活化能,控制微生物降解原油速率;根据试验数据及文献资料,确定出微生物降解原油前后所对应高黏原油和低黏原油的物性参数,输入数值模拟器中,即可实现对微生物降解原油过程的表征。

(2)生物聚合物提高采收率表征方法:在油藏数值模拟软件中,利用聚合物驱过程向导,输入生物聚合物的物性参数,包括吸附性、降解性以及生物聚合物的黏浓关系曲线;导入微生物生长代谢反应动力学方程,并设置反应级数、反应频率因子和反应活化能,控制生物聚合物生成速度和质量分数,即可实现对生物聚合物提高采收率的表征。

(3)生物表面活性剂提高采收率表征方法:在油藏数值模拟软件中,利用表面活性剂驱过程向导,输入生物表面活性剂的物性参数,包括吸附性和生物表面活性剂的质量分数-界面张力曲线;导入微生物生长代谢反应动力学方程,并设置反应级数、反应频率因子和反应活化能,控制生物表面活性剂生成速度和质量分数,即可实现对生物表面活性剂提高采收率的表征。

3 微生物驱实例应用及验证

3.1 微生物驱模型建立

基于胜利油田某试验区油藏数据,利用CMG数值模拟软件,建立一注一采的地质概念模型,采用15×15×10的网格系统,如图2所示。

图2 地质概念模型

储层及流体参数数据:油藏尺寸为150 m×150 m×10 m、油藏温度为60 ℃、油藏顶面深度为1 300 m、地层孔隙度为30%、初始含油饱和度为70%、原油密度为976 kg/m3、油相黏度为84 mPa·s、水相黏度为0.740 7 mPa·s、水平渗透率为400×10-3μm2、垂向渗透率为40×10-3μm2,其他数据默认CMG缺省值。油水相对渗透率曲线如图3所示。

图3 油水相对渗透率曲线

微生物驱组分数据包括分子式、相对分子质量和产率系数,其具体参数如表1所示。

表1 微生物驱组分数据

微生物反应动力学参数包括反应级数、反应频率因子和活化能,其具体参数如表2所示。

表2 反应动力学参数

3.2 微生物驱参数敏感性分析

基于所建立的油藏概念模型和微生物反应动力学模型,采用水驱转微生物驱转水驱的驱替方式,开展微生物驱提高采收率参数敏感性研究,包括生物表面活性剂降低界面张力程度、生物聚合物增黏地层水程度、微生物初始质量分数、微生物降解原油黏度和微生物驱注入时机对提高采收率的影响。

3.2.1 生物表面活性剂降低界面张力程度

研究生物表面活性剂降低油水界面张力至不同值时对微生物驱提高采收率的影响,结果如图4所示。可以看出,当油水界面张力大于0.01 mN/m时,随着油水界面张力的降低,微生物驱提高采收率的效果明显。这是由于降低油水界面张力,微生物驱的洗油效率增大,地层中的残余油更容易从岩石壁面上被剥离下来,微生物驱提高采收率的效果越明显。当油水界面张力小于0.01 mN/m时,随着油水界面张力的降低,微生物驱提高原油采收率的幅度逐渐减小。这是由于当油水界面张力降低到极低时,注入井的近井地带和主流通道上的高黏度原油几乎被完全驱替出来,这加剧了油藏中层内矛盾,使后续水驱的突进现象明显,大大降低了后续水驱的波及系数。

3.2.2 生物聚合物增黏地层水程度

研究生物聚合物增黏地层水至不同时对微生物驱提高采收率的影响,模拟结果如图5所示。可以看出,随着生物聚合物增黏地层水的程度增加,微生物驱提高采收率幅度逐渐增大。这是因为随着地层水的黏度增加,可以有效减小地层水的突进,动用更多非主流线上未被波及到的剩余油,体积波及系数增大,微生物驱提高采收率的幅度逐渐增大。

图5 地层水增黏与提高采收率关系

3.2.3 微生物初始质量分数

研究不同微生物初始质量分数对微生物驱提高采收率的影响,模拟结果如图6所示。可以看出,微生物初始质量分数存在临界值,当初始质量分数小于临界值时,微生物死亡速度大于其生长繁殖速度,有益代谢活动和有益代谢产物都极其有限,提高采收率效果不明显;当初始质量分数大于临界值时,微生物生长繁殖速度大于其死亡速度,微生物的质量分数能够在相对短的时间内迅速增加,产生丰富的有益代谢产物和剧烈的有益代谢活动,提高采收率效果明显。但随着初始质量分数的进一步增加,提高采收率程度不再变化,这是因为最终的微生物量取决于所注入的营养物和氧气量的多少,故微生物初始质量分数进一步增加,其提高采收率程度也不再增加。

图6 微生物初始质量分数与提高采收率关系

3.2.4 微生物降解原油黏度

研究微生物降解原油黏度对微生物驱提高采收率的影响,模拟结果如图7所示。可以看出,随着微生物降解原油黏度程度增大,微生物驱提高采收率程度逐渐增大,基本呈正相关关系。这是因为随着原油黏度的降低,原油的流动能力逐渐增强,水油流度比逐渐减小,地层水突进现象得到抑制,体积波及系数增大,提高采收率程度逐渐增大。

图7 原油降黏程度与提高采收率关系

3.2.5 微生物驱注入时机

在不同含水率时进行微生物驱,分析不同注入时机对微生物驱提高采收率的影响,模拟结果如图8所示。可以看出,越晚进行微生物驱替,其提高采收率幅度越小。这是因为当含水率过高时,油藏中高渗通道已经发育,主流线上剩余油饱和度已经非常低,微生物降解原油、生物表面活性剂降低界面张力和生物聚合物增黏地层水的作用空间非常有限。

图8 注入时机与提高采收率关系

3.3 微生物驱运移规律及驱油性能

根据所建立的地质模型和微生物反应动力学模型,进行微生物驱数值模拟,其微生物组分运移及驱油效果如图9所示。

图9 微生物组分运移及驱油效果

由图9可以看出:微生物驱替0.2VP后,油藏中微生物已经被激活,最大质量分数约为2.5%;油藏中产生大量生物表面活性剂,最大质量分数约为1.6%,随着后续水驱的进行,其质量分数逐渐被稀释;地层中产生大量的生物聚合物,最大质量分数约为1.8%,由于生物聚合物半衰期短,随着后续水驱的进行,其质量分数迅速降低;地层水增黏明显,但由于聚合物的运移和分解,在后续水驱过程中,黏度恢复正常;地层原油黏度下降明显,注入井附近原油黏度降低约20%;地层中产生高饱和度含油带,随着后续水驱进行,高饱和度含油带聚集增大,向生产井推进。

3.4 现场应用

胜利油田某试验区块油藏埋深1 240 m,地层孔隙度为0.30,平均渗透率为352×10-3μm2,油层温度为63 ℃,地层水矿化度为600～1 000 mg/L,适合微生物生长、繁殖和代谢。该试验区块油藏含油面积为1.5 km2,地质储量为202万t,微生物驱试验前采出程度为21.36%,含水率高达89.1%。对该试验区块5口注水井进行微生物驱先导性试验,分析油藏水样中微生物组成及代谢产物的种类,基于所建立的微生物驱反应动力学模型及数值模拟方法,进行微生物驱方案优化设计和效果预测,最优注入方案为营养物质质量分数0.7%、液气比1∶12、注入量0.03VP,预测2 a累增油量为2.72万t,实际累增油量为2.76万t。现场应用结果表明,所建立的微生物驱反应动力学模型能够合理描述微生物驱提高采收率过程,准确预测微生物驱提高采收率效果,为微生物采油现场方案设计和实施提供可靠的理论依据。

4 结 论

(1)微生物降解原油的程度越大,微生物驱提高采收率的程度越大;生物聚合物增黏地层水的程度越大,微生物驱提高采收率的程度越大;油藏微生物初始质量分数存在临界值,大于临界值,微生物驱才能取得较好的提高采收率效果;微生物降低表面张力的程度存在最佳值,过高或过低均不利于发挥微生物驱油性能。

(2)建立的油藏微生物驱反应动力学模型及数值模拟方法能够合理描述和表征油藏微生物驱生长代谢过程和提高采收率关键机制,是一种实用的微生物驱数值模拟方法,可以实现对微生物驱油方案的优化设计和指标预测,从而为微生物采油现场方案实施提供可靠的理论依据。