微生物封堵:通過降低滲透率提高波及效率的低成本方法

編譯:張子剛 (大慶油田第四采油廠實驗大隊)

審校:金佩強 (大慶油田勘探開發(fā)研究院)

微生物封堵:通過降低滲透率提高波及效率的低成本方法

編譯:張子剛 (大慶油田第四采油廠實驗大隊)

審校:金佩強 (大慶油田勘探開發(fā)研究院)

提出了通過微生物封堵降低滲透率來提高波及效率的低成本方法。為了了解生物膜在孔隙介質(zhì)中的生長和營養(yǎng)物消耗量、細菌生長數(shù)量和滲透率降低程度之間的關(guān)系,把培養(yǎng)物綠膿桿菌接種入貝雷砂巖巖心和玻璃珠人造巖心。通過培養(yǎng)基生長和滲透率變化趨勢來跟蹤需氧微生物生長。成像顯示生長是顆粒包層,用細胞外物質(zhì)充填孔喉和巖體,大大降低了玻璃珠的有效孔隙度。觀測到滲透率平均降低了54%。通過示蹤測試表征了生物膜生長前后玻璃珠人造巖心的流動特性。在含有粗玻璃珠層和細玻璃珠層的非均質(zhì)玻璃珠人造巖心中,使流動有效地轉(zhuǎn)向了玻璃珠人造巖心的較低滲透層。結(jié)果表明,微生物封塞是減小高滲透漏失層中流動從而提高波及效率的有效方法。

微生物封堵 生物膜 滲透率降低 提高波及效率 試驗研究

1 引言

最近證明,微生物封堵是用于封堵驅(qū)掃過儲層的可供選擇方案 (Brown等人,2002年)。這是通過促進油藏內(nèi)微生物生長來完成的,微生物可以是本源的或引入的,添加到注入水中的化學(xué)劑為微生物提供碳和其他必不可少的營養(yǎng)物以維持微生物的生長。微生物在儲集巖孔隙空間內(nèi)生長并且形成生物膜,生物膜降低滲透率,也降低漏失層的注入能力。本文介紹的微生物封堵技術(shù)與通過微生物物種活化或消耗烴組分的微生物技術(shù)有根本上的區(qū)別,它僅包括生物膜誘發(fā)的滲透率降低。

2 以前的微生物封堵試驗

Cunningham和Characklis(1991年)向各種填砂和玻璃珠人造巖心中注綠膿桿菌,巖心的滲透率為98～2127 mD。對巖心進行了接種并且關(guān)閉8 h。之后,向巖心內(nèi)輸送葡萄糖培養(yǎng)物,每隔12 h采集一次樣品,用通過巖心的壓差計算滲透率。在第2到第3天期間出現(xiàn)了大幅度滲透率降低,在第5天滲透率降低幅度較小。滲透率降低是生物膜生長的結(jié)果。滲透率降低的幅度為92%～98%。較粗顆粒人造巖心比較細顆粒玻璃珠人造巖心的滲透率降低幅度大。

Vandevivere和Baveye(1992年)在填砂巖心中進行了試驗以證明微生物降低滲透率能力方面的差別。巖心的孔隙度約為39%。他們用Arthrobacter sp.菌株AK19和SLI-微生物進行了試驗。在生物質(zhì)在巖心中保留約98%的情況下,AK19使?jié)B透率降低了約99%。這些滲透率降低出現(xiàn)在10天內(nèi)。在10～20天之間,SLI-使?jié)B透率降低了不到50%。在該填砂巖心中僅保留了由這種微生物產(chǎn)生的約40%生物質(zhì)。這些試驗清楚地把滲透率降低和在巖心中保留的生物質(zhì)量聯(lián)系了起來。

除了流動方程外,M.R.Islam(1994年)用動力學(xué)參數(shù)模擬了微生物生長。他假定微生物生長通過孔隙堵塞造成滲透率降低或者改變原油性質(zhì),例如黏度降低或者界面張力 (IFT)降低。假定孔隙堵塞依賴于細菌的增殖和聚合物的產(chǎn)生。分別模擬了以上兩種情況。把 IFT降低模擬為細菌的函數(shù),沒有模擬黏度降低。孔隙堵塞模型存在按比例增大問題,并且沒有足夠的試驗數(shù)據(jù)來驗證 IFT降低模型的精度。

Lee和Bae(1998年)檢驗了鹽濃度和pH變化對貝雷巖心中Salton-1微生物的影響。他們發(fā)現(xiàn),在鹽濃度為2%的情況下有利于這種微生物降低滲透率,而且在堿性和中性環(huán)境中比在酸性環(huán)境中滲透率降低的幅度大。試驗還顯示,營養(yǎng)物濃度控制著生物膜生長,并且生成的生物膜穩(wěn)定時間長。

為了得到綠膿桿菌的動力學(xué)和化學(xué)計算數(shù)據(jù),Gandler等人 (2006年)進行了一系列分批試驗。每4 h采集一次樣品,在一個采集點采集兩種樣品,分析樣品的醋酸鹽濃度和微生物濃度。用回歸分析得到了微生物生長和醋酸鹽消耗的平均趨勢。然后進行流動試驗,在試驗中把相同的菌株接種入巖心和玻璃珠人造巖心。當連續(xù)向巖心中注入營養(yǎng)物時監(jiān)測滲透率變化。所有玻璃珠人造巖心都注入了0.000 7醋酸鹽。當微生物利用大量營養(yǎng)物達到指數(shù)生長時,最初監(jiān)測的醋酸鹽降低到了約0.000 5。同時,滲透率出現(xiàn)了大幅度降低。當注入營養(yǎng)物達到約6～10 PV時,流出物中的醋酸鹽濃度升高到約0.000 65,滲透率保持穩(wěn)定。顯然,在該流動試驗的后期階段,僅把醋酸鹽作為現(xiàn)有細胞的營養(yǎng)物,沒有使其生長。

示蹤測試顯示,有效孔隙度降低約20%,平均滲透率降低約60%。在注入營養(yǎng)物6 PV這段時間,9次試驗中的平均滲透率降低幅度為54%。試驗還清楚地顯示,生物膜能夠使流動從高滲透漏失層轉(zhuǎn)向較低滲透區(qū)域。把由粗和細玻璃珠各種排列組成的非均質(zhì)玻璃珠人造巖心用于巖心驅(qū)替試驗,粗和細玻璃珠不同排列形成了兩個高和低滲透層。然后把細菌培養(yǎng)物接種到巖心中并且連續(xù)注入醋酸鹽。測量流出物中的醋酸鹽濃度。試驗前后的示蹤測試顯示,生物膜生長后,粗玻璃珠層的滲透率比細玻璃珠層降低了20倍。

總之,分批試驗有助于研究微生物的生長和醋酸鹽吸收情況,它們是獲得動力學(xué)表達式的標準試驗。巖心驅(qū)替試驗?zāi)軌蛏钊肓私馕⑸锶绾卧诳紫督橘|(zhì)中非常有限的孔隙空間中生長。特別是,在孔隙中出現(xiàn)的形成生物膜的適應(yīng)響應(yīng)與在分批試驗中不同。巖心驅(qū)替中的示蹤劑試驗是推斷微生物生長分布的簡單卻有價值的方法。

3 試驗室儀器和分批試驗

3.1 流動系統(tǒng)

為了提供非常低的流率,特別設(shè)計使流動通過一個系統(tǒng)。在低流率的情況下,能夠用小直徑孔隙巖石或玻璃珠人造巖心模擬礦場規(guī)模水驅(qū)速度。泵是FMC 6 RPM活塞泵,泵送量為0～20 mL/h。系統(tǒng)的所有管子都是直徑?8in(1 in=25.4 mm)PTFE聚四氟乙烯管材。為與巖心內(nèi)孔隙體積相當,需用小直徑管以保持管線內(nèi)小的流量。選擇聚四氟乙烯材料,因為該材料提供了惰性表面并且減少了微生物細胞的黏附。系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)管路和接頭完全由Swagelok管件組成,這些管件是用惰性不銹鋼和聚四氟乙烯制成的。該系統(tǒng)的總體積 (包括管線、聯(lián)接件、壓力傳感器和巖心本身)為16 mL。

3.2 壓力測量

用Validyne P2(0～15 psi)壓力傳感器監(jiān)測該系統(tǒng)內(nèi)的壓力。把壓力傳感器放置在巖心的流入和流出兩端。每個傳感器測量絕對壓力,因此通過巖心的壓降就是兩個傳感器的讀數(shù)差。低壓傳感器適合于這些低流率試驗,精度達到0.001 5 psi(1 psi=6.895 kPa)。把壓力傳感器輸出電壓信號輸送到National Instruments(NI)數(shù)據(jù)采集板、臺式計算機和能夠以9 s時間間隔連續(xù)監(jiān)測壓力的NI數(shù)據(jù)記錄軟件。

3.3 系統(tǒng)的溫度調(diào)整

已知綠膿桿菌在室溫下生長得很好,但是當室溫超過45℃時生長情況變差。試驗前,把在瓊脂培養(yǎng)平板上的活細胞放在45℃培養(yǎng)箱內(nèi)24 h驗證了這種情況。在這一時期我們沒有觀測到微生物在平板上的生長。然后把平板從培養(yǎng)箱中取出并且在室溫下培養(yǎng)24 h。群體形成與沒有暴露在較高的45℃的控制平板上的群體形成相同,因此表明45℃阻止了生長,但是沒有殺死細胞。

因此,把巖心放在24℃下以便促進巖心內(nèi)的細胞生長,把其他液壓系統(tǒng)管路、傳感器和泵放在45℃下以便抑制細胞生長,但是不將其殺死。

3.4 玻璃珠人造巖心和貝雷巖心描述

選擇無鉛硅玻璃珠制成孔隙度非常均勻的惰性玻璃珠人造巖心。用325～400目篩子篩分玻璃珠以便得到直徑為38～43μm的玻璃珠。將這些玻璃珠充填在ID Kontes長15 cm、直徑1 cm的玻璃色譜柱內(nèi),該色譜柱證明具有能夠給出通過高滲透(1 500 mD)玻璃珠人造巖心的可測量壓降所需要的尺寸。

從一個均勻巖塊上切割下直徑1 in、長2 in的貝雷巖心并且制成柱狀,巖心的孔隙度約為19%,滲透率為50 mD。貝雷砂巖主要由石英 (約90%)組成,包含少量的長石和鐵泥礦。用Lexan(聚碳酸脂)塑料端帽蓋上巖心,端帽上有一個凹進的in頂空間以便流體接觸更多巖心表面。用環(huán)氧樹脂把頂帽固定在巖心上后,把整個巖心放在環(huán)氧樹脂內(nèi)以使巖心被約0.25 in厚環(huán)氧樹脂外層封閉起來。環(huán)氧樹脂凝固很快,保證環(huán)氧樹脂滲入巖心很少。這證明是非常有效的巖心保存方法。在端帽的外面攻出螺紋便于用直徑?8in Swagelok活接頭連接端帽。用聚四氟乙烯膠帶纏繞活接頭以防滲漏。大小頭活接頭也是聚四氟乙烯的,因為它是惰性的,可減小微生物的附著力。

4 分批生長試驗

進行了分批生長試驗以便提供生長數(shù)據(jù),來解釋巖心和玻璃珠人造巖心內(nèi)生物膜生長試驗結(jié)果。由于幾方面原因,選擇綠膿桿菌 PAO1作為唯一的試驗生物。第一,廣泛地把綠膿桿菌作為需氧生物膜生成微生物進行研究,因為其與囊性纖維化病人有關(guān),這些病人常常患有由這種生物引起的肺傳染病。第二,在封閉礦物介質(zhì)中,綠膿桿菌能夠利用簡單的碳源 (例如醋酸鹽)生長為生物膜。第三,在室溫下 (24℃),綠膿桿菌容易生長,但是在約44℃以上,它不容易生長,該溫度提供了把生長限制在巖心或玻璃珠人造巖心內(nèi)的機理。最后,即使認為這種微生物不是油藏中的本源微生物,綠膿桿菌一般存在于土壤和水中,因此對于地下菌群來說是相當?shù)湫偷纳铩?/p>

使用單一培養(yǎng)物提出了這樣一個問題,即由綠膿桿菌產(chǎn)生的生物膜生長是否代表由本源油藏微生物產(chǎn)生的生物膜。對于這一問題的回答是簡單的,即沒有有關(guān)油藏有代表性菌群的足夠信息,并且根據(jù)溫度和地球化學(xué),生長方式是不同的。單一培養(yǎng)物的優(yōu)點是能夠用其了解微生物封堵的基本原理(即營養(yǎng)物吸收、微生物增殖和滲透率降低之間的相互關(guān)系),不必區(qū)分由許多微生物物種組成的生物膜中每種微生物聚生體成員的貢獻。

用氣/液相色譜法監(jiān)測醋酸鈉的消耗量。用0.45μm PVDF或尼龍針筒式濾器過濾培養(yǎng)物樣品并且用稀釋 HCL進行酸化。色譜條件如下:0.4μL樣品、0.53 mm ×30 m Alltech ATwax毛細管柱、120℃等溫、FID。用標準曲線計算濃度,范圍為0～0.001醋酸鹽。

圖1～4示出了含有0.1%醋酸鈉的Dworkin Foster礦物介質(zhì)中綠膿桿菌 PAO1的分批生長。在22℃室溫不搖動的情況下,用250 mL Erlenmeyer細頸瓶中的生長介質(zhì)進行了這些需氧生長試驗。典型的培養(yǎng)物搖動使細胞結(jié)塊過多,這與平板計數(shù)相沖突。cfu/mL與時間的曲線顯示點分散,因為一般采用平板計數(shù)法的活細胞計數(shù)的值偏差大。靜止培養(yǎng)物仍然產(chǎn)生了細胞集合,而不是單細胞懸浮物,這導(dǎo)致指數(shù)生長期和穩(wěn)定期期間的平板計數(shù)數(shù)據(jù)不同。

圖1 4種不同培養(yǎng)物 (C1～C4)的分批試驗平板計數(shù)數(shù)據(jù),初始醋酸鹽濃度為0.000 7

圖2 3種不同培養(yǎng)物 (C5～C7)的分批試驗平板計數(shù)數(shù)據(jù),初始醋酸鹽濃度為0.000 35

確定了分批培養(yǎng)細胞的蛋白質(zhì)濃度以便建立巖心和玻璃珠人造巖心的蛋白質(zhì)濃度與這些巖心中細胞總數(shù)的關(guān)系。由于細胞緊密地附著在巖心顆粒表面上,不能采用平板計數(shù)法進行生長計算。強堿中的蛋白質(zhì)提取 (例如1N NaOH)和蛋白質(zhì)測量是測量巖心中細胞數(shù)量的替代方法。分批培養(yǎng)物中蛋白質(zhì)濃度的不同測量結(jié)果顯示,平均蛋白質(zhì)濃度為4.53×10-10μg/cfu。因此,從巖心中提取的總蛋白質(zhì)除以這個數(shù)將等于巖心上菌落形成單位 (大概等于細胞的數(shù)量)。

表1 滲透率降低和巖石物性數(shù)據(jù)

在圖3和圖4中繪制了綠膿桿菌分批培養(yǎng)物中醋酸鹽濃度與時間的曲線。在4個試驗 (圖3)中,生長介質(zhì)中0.1%醋酸鈉的初始濃度相當于～0.000 7醋酸鹽。大部分生長出現(xiàn)在10～40 h之間(圖1和圖2),這與醋酸鹽的消耗相吻合。在分批試驗C1～C4中,在穩(wěn)定期期間,醋酸鹽濃度保持在～0.000 1。但是在分批試驗C5～C7(初始醋酸鹽濃度為0.000 35(圖4)中,醋酸鹽濃度穩(wěn)定在零附近。在流動試驗期間,期望看到巖心流出物中的哪個濃度 (0或0.000 1)還不清楚。在指數(shù)生長期期間,醋酸鹽消耗量達到最大。這種情況暗含著在巖心驅(qū)替中期望什么。流出物醋酸鹽濃度會顯示最低,然后增加到最高,此時細胞達到生長的穩(wěn)定期。

圖3 4種不同培養(yǎng)物 (C1～C4)的分批試驗醋酸鹽消耗量

圖4 3種不同培養(yǎng)物 (C5～C7)的分批試驗醋酸鹽消耗量

5 玻璃珠人造巖心試驗結(jié)果

由 K/Ko確定滲透率降低,K為滲透率,Ko生物膜前玻璃珠人造巖心的滲透率。氣體流過Dworkin Foster礦物介質(zhì),測量巖心兩端的壓降來確定滲透率。因為對于所有測量來說,流體黏度相同,所以壓降變化僅是生物膜生長 (需氧的)的結(jié)果。在注入6 PV的平均時間內(nèi),所有玻璃珠人造巖心試驗的平均滲透率降低為54%(表1)。

6 貝雷巖心試驗結(jié)果

用貝雷巖心進行了兩個試驗以便研究在普遍使用的沉積巖石中生物膜誘發(fā)的滲透率降低。

6.1 貝雷巖心A

貝雷巖心A的總滲透率降低72%(K/Ko=0.28)。大部分滲透率降低出現(xiàn)在注入6 PV內(nèi),注入6 PV后,K/Ko值的變化范圍為0.22～0.34(滲透率降低66%～78%)。僅偶爾測量了該巖心的醋酸鹽標準濃度,因此,不能對醋酸鹽消耗做出總的結(jié)論。

6.2 貝雷巖心B

貝雷巖心B的總滲透率降低45%(K/Ko=0.55)。注入53 PV后,滲透率降低達到最高,然后保持穩(wěn)定。與玻璃珠人造巖心和貝雷巖心A相比,貝雷巖心B的總滲透率降低慢得多。流出物醋酸鹽濃度降低一直到20 PV,然后開始升高并且在試驗結(jié)束時(65 PV)達到注入醋酸鹽濃度的94%。在流動試驗前后用高分辨率CT掃描方法對貝雷巖心A進行了成像。該巖心的前后掃描結(jié)果難以區(qū)分。這些圖像顯示,細胞的鈾氧基醋酸鹽染色是不成功的,可能是因為在染色過程中損失了生物膜。

7 結(jié)論

實驗室試驗證明綠膿桿菌能夠降低玻璃珠人造巖心和貝雷砂巖巖心的滲透率。證明這些滲透率降低對流量不敏感,因為增加流量沒有阻止生物膜的形成。生物膜以顆粒包層和孔隙充填方式生長,細胞外副產(chǎn)品包圍細胞和玻璃珠。細胞外副產(chǎn)品是半滲透的,因為染色通過了它并且成功地對單個細胞進行了染色。

Bradford蛋白試劑是用于染色蛋白質(zhì) (微生物細胞)的有效試劑。TTC和NBT在染色蛋白質(zhì)方面是有效的,但是不像Bradford那么可靠。染色細胞表明,生物膜是由蛋白質(zhì)和細胞外副產(chǎn)品組成的。以高流量注入高黏聚合物將剝?nèi)ゲＡе榈纳镔|(zhì)。用HRXCT觀察原地生物膜的嘗試沒有成功,因為鈾氧基醋酸鹽沒有在生物膜和孔隙間流體之間形成足夠的密度差。

生物膜在非均質(zhì) (兩層)玻璃珠人造巖心中生長前后示蹤測試的差別證明,生物膜能夠使流體流動從高滲透漏失層轉(zhuǎn)向低滲透層。一個示蹤測試的歷史擬合表明,生物膜生長使粗玻璃珠層滲透率降低了20倍,而細玻璃珠層滲透率沒有降低,因為在該層中沒有出現(xiàn)生物膜生長。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.2.005

資料來源于美國《SPE 119023》

2009-04-24)