高鹽低滲油藏內源微生物驅油潛力實驗研究

李文宏，王 閃，張永強，宋 浩，向忠遠，張忠智,徐飛艷

(1.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西 西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西 西安 710018；3.中國石油大學(北京)化學工程學院，北京 102249)

油藏內源微生物群落是在油田開發注水過程中隨注水進入油藏，并且在一定時期內在數量和種類上都能夠保持相對穩定的微生物群落，這些微生物不僅代謝類型多，而且變異性大，在微生物生態系統中占有非常重要的位置。大多數油藏環境是典型的極端環境，具有厭氧、高溫、高壓和高礦化度等特點，極端的儲層環境造就了獨特的油藏微生物生態系統，形成了豐富且有特色的油藏極端微生物資源和基因資源[1-2]。由于菌種的來源不同，內源微生物采油技術同外源微生物采油技術相比不僅不存在菌種適應性的問題，而且工藝簡單、投資少、微生物代謝活性高[3-7]，具有較大的優勢。激活油藏中的內源微生物是進行內源微生物采油的關鍵環節，也是進行內源微生物采油的基礎，因而利用合適的激活體系選擇性地激活油藏中有益的采油功能菌、抑制有害菌，是內源微生物采油研究的重要課題[8]，其中激活體系的選擇對于激活效果至關重要。

由于油藏中氮、磷等營養元素一般極度缺乏，國外通常采用向地層注入添加了氮、磷等的注入水的方法來激活內源微生物。然而研究表明，在油藏的極端環境下僅補充氮、磷是不夠的，適當補充以糖類為主的外加碳源是提高微生物驅油效果的重要方法[9]。目前已報道的常用碳源有糖蜜、玉米糖、玉米發酵廢水、麥芽糊精、乳酸生產廢水[10-11]等。

作者在此針對靖安油田五里灣一區油藏高鹽和低滲透的特點，對其內源微生物進行普查和分析，在初步篩選營養成分的基礎上進行碳源、氮源、磷源的篩選，然后進一步優化它們的用量，旨在篩選出適合五里灣一區高鹽低滲儲層的激活體系，從產氣量、菌濃和有益菌數量的變化等方面評價五里灣一區油藏內源微生物驅油提高原油采收率的潛力。

1 實驗

1.1 實驗區塊概況

靖安油田五里灣一區含油層系為三疊系延長組6油層組，油層埋深1 210 m，平均孔隙度為13%，平均滲透率為1.81 mD，油層溫度54 ℃。地層水礦化度為80 506 mg·L-1，水型為CaCl2，地層原油黏度2.0 mPa·s，屬于低滲透、高鹽油藏。1996年投入開發，1997年采用反九點法面積注水井網開發。該區平均單井產油量為4.6 t·d-1。該區所有生產井均為壓裂后投產，但是壓裂后的油層含水率上升較快，難以保持穩產。開發過程的主要矛盾為水驅儲量動用程度呈下降趨勢和見水油井含水上升較快，需要新的技術保持穩產。

1.2 材料與儀器

樣品來源：靖安油田五里灣一區油井的采出液。

高壓滅菌鍋、恒溫搖床、超凈工作臺、分析天平、張力儀、離心機等。

1.3 方法

1.3.1 油藏內源微生物分布的調查

油藏內源微生物群落結構的調查采用中石油廊坊分院推薦的“油藏本源菌常規檢測推薦方法試劑瓶法”。根據油藏井網和生產特點，在油藏內選取有代表性的10口油井取樣營養物質，分析產出液中內源微生物群落結構和數量。

1.3.2 激活體系的碳源、氮源、磷源的單因素實驗篩選

碳源包括糖蜜和玉米漿干粉；氮源包括NaNO3、KNO3、NH4NO3和蛋白胨；磷源包括酵母粉、KH2PO4和NaH2PO4。

碳源篩選實驗中，碳源的添加量為0.5%，氮源為0.2%NaNO3，磷源為0.1%酵母粉；氮源篩選實驗中，碳源為1%糖蜜，磷源為0.1%酵母粉；因油層采出液為CaCl2水型，其中含有大量的Ca2+，在進行磷源的篩選時必須考慮是否會產生沉淀，為此，設置了加入螯合劑(EDTANa2)的對照組；磷源篩選實驗中碳源為1%糖蜜，氮源為0.2%NaNO3。

激活實驗是在100 mL醫用小瓶中加入設計好的激活體系成分，再加入2%的原油，121 ℃高溫高壓滅菌后加入50 mL采出液，用已滅菌的膠塞密封(限氧-厭氧)，置于45 ℃(產出水溫度)的恒溫搖床150 r·min-1培養3 d。發酵液10 000 r·min-1、4 ℃下離心10 min，去除上清液，用等體積的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)重懸，以PBS緩沖溶液作為對照，測定其OD600值，以3 d產氣量和菌濃OD600值作為評價指標。每組實驗做3個平行。

1.3.3 激活體系的優化

1.3.3.1 PB實驗

為了防止其它因素造成的顯著性影響，Plackett-Burman(PB)實驗設計[12]中，兩水平間的差值不能過大[13]。基于單因素實驗結果，利用Design Expert 8.0.7設計軟件，以1.5倍步長設計PB實驗，以產氣量作為響應值。利用設計Design expert 8.0.7設計軟件進行實驗結果的方差、顯著性等分析，找出對產氣量影響最為顯著的因素。

1.3.3.2 最陡爬坡實驗

針對PB實驗確定的顯著因素，設計合適步長進行最陡爬坡實驗以得到最大響應值，以作為響應面實驗中中心組合設計的中心點。

1.3.3.3 響應面實驗

通過PB實驗得到了激活體系中影響顯著的因素，為了分析各因素之間的交互作用，得到最優激活體系配方并建立其應用模型，利用Design Expert 8.0.7設計軟件設計了響應面實驗。在中心組合實驗(central composite experiment,CCD)中同樣取一個低水平和一個高水平，盡量使最陡爬坡實驗中最佳組合的因素的含量處于響應面設計中高低水平的中心。

2 結果與討論

2.1 油藏內源微生物的分布(表1)

表1油藏內源微生物的類型與數量/(CFU·mL-1)

Tab.1 The type and number of indigenous microorganisms in reservoir/(CFU·mL-1)

注：NRB為硝酸鹽還原菌；FMB為發酵菌；HOB為烴氧化菌；SRB為硫酸鹽還原菌；TGB為腐生菌。

由表1可見，靖安油田五里灣一區10口油井的油藏中有不同類型且數量較多的微生物，生物潛力較大。只要添加合適的激活劑，最大限度地激活油藏中的有益菌，抑制有害菌，就具有實施內源微生物驅油的可能。

2.2 碳源、氮源、磷源的篩選和優化

微生物的代謝產氣是一個相當復雜的生物化學過程，產氣量的多少和氣體成分不僅與細菌種類有關，還與培養基營養成分密切相關。營養成分篩選的單因素實驗方案和結果見表2。

表2營養成分的單因素實驗篩選方案及結果

Tab.2 The program and results of single factor experiment for screening of nutritional components

2.2.1 碳源的篩選與優化

由表2可見，糖蜜的產氣效果及對地層微生物激活效果要好于玉米漿干粉。實驗發現以玉米漿干粉為碳源進行激活時產生了大量的硫化氫氣體，推測玉米漿干粉激活了硫酸鹽還原菌，故玉米漿干粉不可用。確定糖蜜為激活體系的適宜碳源。

進一步以0.2%NaNO3為氮源、0.1%酵母粉為磷源，測定不同濃度糖蜜為碳源時的3 d產氣量和OD600值，結果見圖1。

圖1 碳源濃度優化結果Fig.1 The results of optimization of carbon source concentration

由圖1可見，不加糖蜜時產氣量和OD600值都很低，隨著糖蜜濃度的增大，產氣量和OD600值均相應上升，當糖蜜的濃度達到1.2%時，產氣量達到94 mL、OD600值也達到最高；此后再增大糖蜜濃度，產氣量和OD600值反而下降。這說明營養過度缺乏或過剩都會抑制微生物的生長，進而影響到產氣量，因此，將糖蜜的濃度初步定為1.2%。

2.2.2 氮源的篩選與優化

由表2可見，以NaNO3、KNO3、NH4NO3為氮源時，產氣量相近，其中以NaNO3為氮源時菌濃最大，OD600值達到1.933；相比其它3種氮源，蛋白胨的產氣量和OD600值均不理想。故確定NaNO3作為激活體系的適宜氮源。進一步以1%糖蜜為碳源、0.1%酵母粉為磷源，測定不同濃度NaNO3為氮源時的3 d產氣量和OD600值，結果見圖2。

圖2 氮源濃度優化結果Fig.2 The results of optimization of nitrogen source concentration

由圖2可見，在NaNO3濃度很低時，隨著NaNO3濃度的增大，產氣量和OD600值均上升；當NaNO3濃度達到0.25%時，產氣量和OD600值同時達到最大；此后再增大NaNO3濃度，產氣量和OD600值反而下降。因此，將NaNO3的濃度初步定為0.25%。

2.2.3 磷源的篩選與優化

由表2可見，以有機磷源酵母粉為磷源時，產氣量和OD600值與無機磷源KH2PO4、NaH2PO4相差不大。但是由于該油藏采出液中含有大量Ca2+，加入無機磷源會有沉淀生成，雖然加入螯合劑EDTANa2后，沉淀大大減少，但是其產氣量和OD600值卻不理想，推測是由于EDTANa2抑制了微生物的生長。因此，確定酵母粉作為激活體系的適宜磷源。

進一步以1%糖蜜為碳源、0.2%NaNO3為氮源，測定不同濃度酵母粉為磷源時的3 d產氣量和OD600值，結果見圖3。

圖3 磷源濃度優化結果Fig.3 The results of optimization of phosphorous source concentration

由圖3可見，不添加酵母粉時，產氣量和OD600值都很低；隨著酵母粉濃度的增大，產氣量和OD600值均明顯上升；當酵母粉濃度達到0.08%時，產氣量和OD600值同時達到最大；此后繼續增大酵母粉的濃度，產氣量明顯下降，而OD600值變化不大。可見酵母粉對于微生物的生長是必需的，但是只要微量的酵母粉就可以滿足微生物的需要。因此，將酵母粉的濃度初步定為0.08%。

2.3 PB實驗結果與分析

PB實驗設計及各變量的響應結果見表3，實驗結果分析見表4。

表3Plackett-Burman實驗設計及結果

Tab.3 Design and results of Plackett-Burman experiment

表4Plackett-Burman實驗結果分析

Tab.4 Analysis of Plackett-Burman experiment results

變量系數(coefficient)絕對值的大小代表了該變量對實驗結果的影響。絕對值越大，表明該變量對結果的影響越大，變量的P值代表了該變量導致實驗結果出現不符合預測情況的概率，即該變量的顯著程度。P值越小，表明該變量對預測結果的影響越顯著。由表4可見，糖蜜濃度、酵母粉濃度和FeSO4濃度3個因素對產氣量的影響最為顯著(P<0.05)，且糖蜜濃度表現為正效應，酵母粉濃度和FeSO4濃度表現為負效應，即增大糖蜜的濃度、減小酵母粉和FeSO4的濃度有利于提高激活過程中地層水中微生物的產氣量。因此，選擇糖蜜、酵母粉和FeSO43個因素進一步優化分析，通過最陡爬坡實驗確定產氣量最佳點的范圍。

2.4 最陡爬坡實驗結果(表5)

由表5可見，第5組實驗產氣量最高，且其前后兩組的產氣量也相當高，因此選擇第5組因素的濃度作為響應面優化實驗中心組合設計的中心點。

表5最陡爬坡實驗設計及結果

Tab.5Designandresultsofsteepestascentpathexperiment

實驗號糖蜜濃度/%酵母粉濃度/%FeSO4濃度/%產氣量/mL10.650.100.00403620.800.090.00355330.950.080.00306741.100.070.00258251.250.060.002010861.400.050.00159571.550.040.00108981.700.030.000588

2.5 中心組合設計實驗結果及響應面分析

為考察糖蜜(A)、酵母粉(B)、FeSO4(C)3個因素間的交互作用，設計3因素3水平的中心組合實驗，共15組實驗。中心組合實驗的設計方案和結果見表6，回歸性分析見表7。

表6中心組合實驗設計方案及結果

Tab.6Designandresultsofcentralcompositeexperiment

實驗號A/%B/%C/%產氣量/mL11.00.040.00206021.50.040.00208531.00.080.00208041.50.080.00208851.00.060.00208261.50.060.00157271.00.060.00257381.50.060.00258391.250.040.001588101.250.080.001580111.250.040.002098121.250.080.002592131.250.060.0020113141.250.060.0025102151.250.060.0015108

由表7可見，在3個因素中，糖蜜濃度、FeSO4濃度對激活過程中微生物的產氣量影響是顯著的。

三維響應面和等高線圖如圖4所示。

由圖4可見，3個等高線圖均未呈橢圓形，表明3個因素間的交互作用并不顯著，這與表7所示各因素交互作用的P值大于0.05的結論相一致。

通過中心組合實驗，獲得產氣量與糖蜜濃度、酵母粉濃度和FeSO4濃度之間的關系式為：

產氣量=105.23-14.13A+10.79B+30.26C-4.25AB+2.24AC+5.63BC-24.90A2-13.44B2-15.66C2

(1)

表7中心組合實驗回歸性分析

Tab.7Regressionanalysisofcentralcompositeexperiment

項系數平方和自由度均方F值P值/Prob>FModel-2549.569283.286.070.0306A-14.13252.261252.265.400.0676B10.79167.561167.563.390.1167C30.26521.201521.2011.170.0205AB-4.2572.25172.251.550.2686BC2.2411.44111.440.250.6416AC5.6372.25172.251.550.2686A2-24.901710.8111710.8136.650.0018B2-14.44575.441575.4412.330.0171C2-15.66569.751569.7512.210.0174

通過響應面圖的凸點大致確定2個變量的優化值范圍，對式(1)求3個變量的一階偏導，得出優化值依次為：糖蜜濃度1.28%、酵母粉濃度0.058%、FeSO4濃度0.0019%。因此，確定激活體系組分為：糖蜜1.28%、NaNO30.25%、酵母粉0.058%、FeSO40.0019%、MnSO4·H2O 0.0001%。

2.6 驗證實驗

對所得激活體系優化結果進行驗證實驗，結果發現，激活培養至第4 d時，菌濃達2×108CFU·mL-1，且有害菌的數量得到有效抑制；表面張力降至50 mN·m-1以下；產氣量最高達103 mL，較未添加激活體系時的產氣量大幅提高，說明這個區塊具有較大的內源微生物驅油潛力。

3 結論

在已知靖安五里灣一區理化條件的基礎上，利用試劑瓶法對其內源微生物的群落結構進行了普查，并針對該區塊篩選出了一套激活體系，對其內源微生物驅油潛力進行了評價，研究表明：

1)靖安油田五里灣一區10口油井的油藏中含有不同類型且數量較多的有益微生物。

2)通過營養成分的篩選及優化單因素實驗，確定了適合該區塊的碳源糖蜜、氮源NaNO3、磷源酵母粉，并對其濃度進行了初步的優化。

3)采用PB實驗、最陡爬坡實驗和響應面法對影響產氣量的主要因素進行了優化，確定最佳激活體系為：糖蜜1.28%、NaNO30.25%、酵母粉0.058%、FeSO40.0019%、MnSO4·H2O 0.0001%。該激活體系能夠很好地激活油藏中的內源微生物，激活后菌濃和產氣量都有大幅度的增加，表面張力顯著降低，有害菌得到有效抑制。說明靖安油田五里灣一區油藏具有較大的內源微生物驅油的潛力。

圖4 激活體系中產氣量的響應面和等高線圖Fig.4 Response surfaces and contour lines for gas production of stimulation system

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