產氣產酸菌提高低滲透油藏原油采收率的應用基礎研究

2013-08-14 09:08:44孫珊珊張忠智曹思遠萬云洋董漢平

化學與生物工程 2013年9期

孫珊珊，董浩，張忠智，曹思遠，萬云洋，董漢平，俞理

（1．中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室，北京102249；2．中國石油大學（北京）CNPC物探重點實驗室，北京102249；3．中國石油大學（北京）地球科學學院油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249；4．中國石油勘探開發研究院廊坊分院滲流所，河北廊坊065007）

隨著世界油氣工業的發展及后石油經濟時代的到來，容易勘探與開采的優質油氣資源逐漸減少，低品質油氣資源中的低滲透油氣資源將逐漸成為常規油氣資源的接替者和保障世界油氣資源供應的主角［1］。

提高低滲透油藏采收率的方法包括注氣法、微生物采油法、化學驅、“層內爆炸”增產技術、電動力學法、震動波法等［2］。其中微生物采油法因具有投資費用低、化學劑和能源消耗少等優點而被越來越廣泛地應用。近10多年來，我國微生物采油技術得到了快速發展，目前已在吉林、遼寧、新疆、山東、內蒙古等油田的低滲透區塊進行現場應用并基本達到預期目標［3－10］。

低滲透油藏在長期的注水開發過程中注水井近井及遠井地帶地層物性發生改變，引起粘土膨脹和微利運移，造成地層堵塞，進而開采過程中注水壓力居高不下且逐年上升［11］。引起低滲透油藏堵塞的膠結物中通常含有碳酸鹽沉淀物，或者部分巖層為碳酸鹽巖，而有研究表明乙酸與碳酸鹽巖反應緩和、作用時間長、進入地層較深，可以達到深層解堵的目的［12］。

針對低滲透油藏的堵塞問題篩選產氣產酸菌，菌株產生的氣體可以降低油粘度、產生的酸類物質可以溶蝕巖層和地層內的膠結物清理巖石孔道，從而提高低滲透油藏的孔隙度和滲透率。為滿足低滲油層應用的需要，作者利用饑餓處理法，對篩選的產氣產酸菌KB進行超小處理，以考察其提高低滲透油藏原油采收率的應用潛力。

1 實驗

1．1 樣品、菌株和培養基

水樣：長慶地層水；油樣：長慶未經處理的原始油樣。

菌株：產氣產酸菌KB，已鑒定為地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）。

糖蜜培養基：糖蜜4%（體積分數），（NH4）2HPO40．1%（質量濃度），NaCl 10g·L－1，pH 值7．2～7．4。

1．2 方法

1．2．1 KB菌代謝產物分析

產氣產酸：在裝有40mL糖蜜培養基的100mL發酵瓶中按接種量5%（體積分數）接種KB菌，分別于37℃、55℃、60℃不完全供氧靜置培養，3d后測量菌株產生的氣體量及發酵液的pH值。

有機酸：在糖蜜培養基中按5%接種量接種KB菌，于60℃厭氧培養3d后，發酵液離心，取10mL上清液，測總揮發性脂肪酸（Total volatile fatty acid，TVFA）。

1．2．2 超小KB菌的制備

為減小低滲透油藏對菌株的阻滯作用，利用饑餓處理法將KB菌制備為超小微生物。具體步驟為：取2mL培養至對數生長期的KB菌液，離心后加入2mL 0．85%的生理鹽水，吹打混勻后置于4℃冰箱放置28d。將制備的超小KB菌簡單染色，觀察其與未經過饑餓處理菌株的區別，并稀釋梯度平板計數，觀察其復壯情況。

1．2．3 微觀模型實驗

（1）將微觀仿真透明模型抽真空、飽和已滅菌的長慶地層水；（2）于60℃恒溫箱中飽和長慶原油，恒溫老化2d；（3）以地層水驅模型，注含5%（體積分數）KB菌發酵液的糖蜜培養基，觀察水驅前后油分布形態；（4）于60℃恒溫放置4d，利用倒置顯微鏡觀察殘余油的分布形態、菌體的生長情況。

1．2．4 低滲巖芯物理模擬實驗

（1）將模型抽真空、飽和已滅菌的長慶地層水，計算孔隙度φ，以長慶地層水驅模型至壓力不變；（2）于60℃恒溫箱中將模型飽和油至束縛水飽和，然后老化2d；（3）于60℃恒溫箱中水驅至含水率98%，注入含5%（體積分數）菌液的糖蜜培養基，靜置培養4d；（4）培養結束后進行后續水驅，記錄整個過程的壓力變化以及驅替出的油和水的體積。

采用Excel軟件收集數據，SAS9.1.3軟件進行數據統計分析。計量資料采用均數±標準差（x±s），計數資料采用χ2檢驗表示。由于男女生理功能的差異，對不同性別學生的形態指標、功能指標、運動素質指標、健康指標不做統計學分析。

實驗中用到的各貝雷巖芯的基本參數及注入的微生物見表1，整個過程的驅替速度為0．2mL·min－1。

表1 各貝雷巖芯基本參數Tab．1 Parameters of Bailey cores

2 結果與討論

2．1 KB菌代謝產物分析

不同溫度下KB菌的產氣量及發酵液pH值見表2。

表2 不同溫度下KB菌的產氣量及發酵液pH值Tab．2 Gas volume and pH value of the fermentation broth at different temperatures

由表2可知，KB菌的溫度耐受范圍廣，在60℃下的產氣量可達到63mL，發酵液pH值則從起始的7．0降低到了4．87。

KB菌發酵液的TVFA色譜見圖1。

圖1 KB菌發酵液的TVFA色譜Fig．1 TVFA Chromatogram of the fermentation broth of strain KB

由圖1可知，KB菌代謝產生的有機酸主要為乙酸，發酵液中乙酸濃度達到2130．944mg·L－1。

2．2 超小KB菌大小及有效濃度

實驗發現，經饑餓處理得到的超小KB菌大小（1．25μm×0．5μm）只有正常KB菌（4μm×2μm）的四分之一左右（圖2），且平板計數結果證明處理后KB菌的有效濃度仍達到3．53×108個·mL－1，表明KB菌經饑餓處理后尺寸變小且仍保留較高的活性。

圖2 超小KB菌（a）與正常KB菌（b）結晶紫染色Fig．2 Comparison of ultramicrobacteria KB（a）and normal strain KB（b）

2．3 微觀模型觀察

微觀仿真透明模型［5，13，14］用于微生物采油較其它物理模擬實驗的優勢是其具有可視性，該模型為直觀地觀察菌株對原油的趨向性提供了有效的方法。

由于KB菌具有運動性，在顯微觀察時可通過定位移動目標清晰地觀察菌株的分布以及菌體的運動趨向。顯微鏡觀察表明：KB菌代謝活動產生的氣體在殘余油中形成氣泡（圖3a）；注入到微觀仿真透明模型中的KB菌，可在油相邊緣及附近水相中增殖，并以極快的速度朝著殘余油的方向運動（圖3b）。

圖3 原油周圍菌體的顯微照片Fig．3 The micrographs of the bacteria around crude oil

大多數微生物在代謝過程中都產生氣體，如H2、CO2、CH4等，微生物代謝產生的氣體能夠因氣泡形成的賈敏效應而使油層部分增壓，或者溶于原油降低原油粘度，提高原油流動能力。氣體溶于原油后使原油膨脹，體積增大，粘度降低，有利于再次恢復水驅后被驅出，增加原油產量；同時賈敏效應還會增大水流阻力，提高注入水的波及體積，但該作用在龐大的地層中顯得微乎其微，因此微生物代謝產生的氣體主要通過溶于原油降低原油粘度來發揮作用。

2．4 KB菌提高原油采收率效果（圖4）

圖4 巖芯C3－5（a）和巖芯C3－9（b）驅替過程中的采收率、含水率及壓力的變化Fig．4 Changes of recovery，moisture cut and pressure of C3－5（a）and C3－9（b）during the water flooding

由圖4可知，飽和未經處理長慶原油的巖芯，由于原油中含有的大量粘稠的不明成分對其造成的堵塞作用，使得一次水驅的壓力高達3MPa，注入菌液時由于巖芯的氣測滲透率只有50mD，因此對菌株的阻滯作用較大，造成注入菌液后驅替壓力升高，KB菌作用后后續水驅的壓力比KB菌作用前明顯降低，分析原因為未經處理的長慶原油中的某些成分可以被KB菌通過自身的代謝活動直接降解，或者由其代謝產生的有機酸降解，從而使滲透率增大、驅替壓力降低，表明KB菌具有對低滲透油藏解堵的應用潛力。由圖4還可知，注入超小KB菌液時巖芯壓力升高幅度明顯小于注入60℃培養3h的KB菌新鮮發酵液，這是由于新鮮培養的KB菌明顯大于未經培養的超小KB菌，證明饑餓處理法得到的超小KB菌可以更好地降低低滲巖芯的阻滯作用，在應用過程中可以被推進到更深的地層，進而更有效地發揮作用。C3－5、C3－9的原油采收率分別提高了8．1%和4%，從后續水驅結束后的巖芯亦可觀察到，C3－9中存留的原油要明顯多于C3－5，尤其是起始端的原油量（圖5），進一步證明超小微生物可以更有效地提高低滲透油藏的原油采收率。