微生物驅油過程中配氣對菌群結構及驅油效果的影響*

劉 濤，汪廬山，胡 婧，巴 燕，劉 方，曹嫣鑌

（1.中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院，山東 東營 257000；2.中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257001）

微生物驅油技術經過近20年的發展，目前已從室內研究逐漸擴大到現場應用，并且現場應用規模不斷擴大，試驗效果也得到有效證明［1-4］。按照微生物驅油作用方式的不同分為內源微生物驅油和外源微生物驅油。現場實施過程中主要以內源微生物驅油為主，因為內源微生物驅油直接利用油藏微生物為激活對象，相對成本較低，省去了外源微生物菌種的發酵及對油藏條件的不適應性［5-6］。內源微生物驅油激活油藏中近井地帶的好氧微生物作為主要驅油微生物的一部分，因此，供給好氧微生物生長需要的氧氣是有效激活好氧微生物的前提和基礎。宋永亭［7］研究了不同配氣量條件下微生物群落的變化，發現不同液氣比條件下微生物群落結構組成存在差異；隨著培養時間的延長（30 d），氧氣逐漸消耗，微生物群落趨向一致。孔祥平［8］研究了氧的生物學消耗和非生物消耗的影響因素，發現配注氧氣對微生物驅油能產生明顯的促進作用。針對油藏條件下微生物驅油過程中配氣時菌群的變化及對驅替效果的影響還沒有相關的詳細報道。筆者利用巖心驅替模擬實驗，研究了不同配氣量條件下微生物驅油的效果及驅替過程中微生物群落的動態變化，為現場試驗時有效配氣量的選擇提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗模擬油藏為勝利油田沾3 區塊油藏條件，物理模擬所用原油樣品為沾3 區塊脫水脫氣原油，地面原油在50℃下的黏度為1885 mPa·s；實驗水樣為沾3 區塊注入水，礦化度為9880 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：Cl-4568、HCO3-855、SO42-106、Mg2+104、Ca2+165、Na++K+4083；按照石油天然氣行業標準SY/T 6888—2012《微生物驅油技術規范》，沾3區塊油藏條件在微生物生長耐受范圍之內；葡萄糖、磷酸氫二鉀、硫酸、乙酸，分析純，天津市科密歐化學試劑開發中心；蛋白胨，北京奧博星生物技術責任有限公司；微量元素液，自制；物理模擬所用激活劑體系為：0.25%葡萄糖、0.2%磷酸氫二鉀、0.05%蛋白胨、0.05%微量元素液；石英砂，淄博中隆石油化工科技有限公司；DNA 提取試劑盒，寶生物工程有限公司。

巖心驅替模擬實驗裝置，海安石油科研儀器有限公司；GC-14B 型氣相色譜儀，日本島津公司；BX50型相差顯微鏡，奧林巴斯株式會社；高通量測序儀，美國賽默飛世爾科技公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 物理模擬驅油實驗

（1）按表1配比用石英砂填裝巖心，測定巖心滲透率；（2）抽真空飽和地層水，計算巖心孔隙體積和孔隙度；（3）飽和原油造束縛水，計算巖心的原始含水飽和度；（4）巖心60℃老化放置7 d 后，一次水驅驅替3 PV，記錄驅替過程中產出油量、產出水量及驅替壓力的變化；（5）分別將微生物營養液0.3 PV及其與空氣按不同體積比（1∶1、1∶5、1∶10）配氣后注入巖心管，培養15 d；（6）二次水驅3 PV，記錄驅替過程中產出油量、產出水量及驅替壓力的變化，計算驅油效率和含水率。巖心驅替模擬實驗裝置示意圖見圖1。

表1 填砂巖心石英砂配比

圖1 巖心驅替模擬實驗裝置示意圖

1.2.2 不同配氣量的實現

按照巖心孔隙體積計算0.3 PV 條件需要的營養液體積，根據設計的液氣比，計算常壓下需要的空氣量，按照不同巖心液氣比的設計計算的空氣量，通過中間容器配氣，下面為營養液，上面為按設計量計算的空氣，然后混合注入巖心管實現不同液氣比的配注。

1.2.3 產出液分子生物學分析測定

取物理模擬巖心管驅替時產出液的樣品20 mL置于離心管中，在4℃、10000 r/min 下離心10 min，收集菌體，棄去上清液，用DNA 提取試劑盒提取菌體DNA后用無菌去離子水溶解。DNA樣品經電泳檢測確保足量后再進行高通量測序［9-10］。

1.2.4 產出液小分子酸的測定

采用外標法［11］將待測樣品與標準樣品分別進行氣相色譜分析，得到小分子酸濃度。（1）標樣的配制：將乙酸標準品和蒸餾水混合，配制不同濃度小分子酸溶液；（2）產出液樣品的預處理：取10 mL產出液樣品靜置，待油水分離后取上層清液，用0.45 μm 微孔濾膜過濾，濾液滴加5滴1∶1 硫酸后冷藏24 h；（3）色譜分析：包括標樣色譜分析和測試樣色譜分析，將色譜分析得到的測試樣品譜圖打開，加載已經建立的標準樣品測定譜圖，得到小分子酸濃度。

2 結果與討論

2.1 不同配氣量物理模擬驅替效果

由不同液氣比物理模擬驅油效果（表2）可見，配注不同體積的空氣以后，激活微生物作用產生了明顯的驅替效果。隨著配注空氣量的增加微生物驅替效率增大，表明增加空氣的注入量有利于激活巖心中的好氧微生物，促進好氧微生物的生長代謝作用。隨著配注空氣量的增加，驅替效率增幅逐漸降低，液氣比為1∶5時的驅替效率最高（8.77%）。另外，不配氣和液氣比為1∶1、1∶5、1∶10 條件下，對應的含水降幅最大值分別為1.53%、2.67%、7.31%、6.98%。配氣量增加含水最大降幅逐漸增大，液氣比為1∶5時的含水降幅最大。這表明合適的配氣量能有效激活油藏中的好氧微生物并與油藏深部的兼性厭氧、厭氧微生物有效作用原油，從而提高驅替效率。

表2 不同液氣比物理模擬驅油效果

2.2 物理模擬驅替過程巖心產出液菌群變化

2.2.1 產出液鏡檢菌數變化

由巖心驅替過程中不同液氣比巖心產出液鏡檢菌數變化（圖2）可見，巖心產出液中菌數大于107個/mL，表明巖心中微生物被有效激活，這是產生驅油效果的前提和基礎。配氣量不同產出液中菌數有一定差異，配氣量增加產出液中菌數相對較高，這與巖心驅替結果基本一致。當配氣比為1∶10時，好氧菌被激活，而兼性及厭氧菌有效激活數量比好氧菌低2數3個數量級，導致整體菌數降低。隨著巖心驅替的進行產出液中菌數呈現了先升高后降低，反映了微生物在巖心中逐漸向前推進的過程。驅替1數2 PV時菌數達到最高，菌數升高表明微生物被有效激活生長代謝，與原油接觸作用提高了驅替效果。

圖2 不同液氣比巖心產出液鏡檢菌濃變化

2.2.2 產出液菌群

不同配氣條件下微生物群落結構存在明顯差異，配氣量不同時激活了不同類型的功能微生物，主要優勢功能菌占到了整個菌群比例的67%以上。由不同液氣比條件下微生物激活以后的主要4類功能菌（表3）可見，芽孢桿菌（Bacillus）［12］是一類產表面活性劑與產酸的好氧、兼性厭氧微生物，在不同配氣比條件下所占比例均較高，這也是產生微生物驅油作用的主要菌屬。從激活后不同液氣比時該菌屬所占比例可見，液氣比為1∶5 時的比例最高（50.1%），這與其驅油效果最高對應。脫鐵桿菌屬（Deferribacter）［13］是兼性及厭氧類微生物，具有硝酸鹽還原和降解原油的特性，從菌群所占比例可見不配氣時其比例最高為47.14%，配氣量增加所占比例降低，這與菌屬自身的生長代謝特性對應。假單胞菌屬（Pseudomonas）［14］屬于兼性好氧類微生物，可代謝產生乳化劑降解原油，不同液氣比條件下所占比例均在10%以上，并且隨著配氣量的增加所占比例增大，說明該菌屬對氧氣具有較好的響應。共生小體菌（Symbiobacterium）［15］是一類與其他菌屬共生的微生物（產酸產氣、兼性好氧類），對于維持微生物群落的多樣性具有重要作用，液氣比為1∶10的條件下所占比例大幅提高，表明氧氣對該類菌具有明顯的激活促進作用。

表3 不同液氣比條件下微生物激活后的主要功能菌所占總菌數的比例

不配氣和液氣比為1∶1、1∶5、1∶10的條件下，微生物 shannon 多樣性指數［16-17］分別為 1.95、2.19、2.22、1.66。隨著配氣量的增加，shannon 多樣性指數升高，氧氣對促進群落中微生物的整體激活起到了促進作用。但當配氣量達到液氣比1∶10時，shannon 多樣性指數降低，這反映了進一步增加氧氣的條件下群落中好氧到兼性好氧的微生物逐漸增加，多樣性降低［18］。從整理趨勢分析，配氣量為液氣比1∶5 時微生物群落多樣性最佳，而且此條件下功能微生物主要以產表面活性劑和乳化劑的芽孢桿菌和假單胞菌為主，驅替效果最佳。分子生物學分析結果進一步說明配注一定量的空氣對驅油效果具有促進作用。

2.3 物理模擬驅替過程中產出液小分子酸的變化

物模驅替過程中不同液氣比產出液中小分子酸濃度見圖3。配氣后小分子酸濃度明顯升高，并且隨著巖心驅替的進行，小分子酸濃度呈現了先升高后降低的變化規律。配氣后好氧微生物得到激活，促進了小分子酸的產生，驅替過程中小分子酸和微生物一起被不斷驅出，因此，小分子酸可作為微生物驅油見效的重要指標。配氣量不同時產生的小分子酸差異明顯，配氣量增加小分子酸濃度升高。氧氣的增加促進了好氧微生物的激活，好氧微生物的生長代謝產生了更多的小分子酸代謝產物。馬波等［19］的研究已表明小分子酸作為微生物生長代謝的標志性產物，小分子酸濃度的變化與微生物的生長代謝密切對應。不配氣和液氣比為1∶1、1∶5、1∶10的條件下，產出液中小分子酸的平均質量濃度分別為5、23、38、41 mg/L。配氣量增加小分子酸代謝濃度升高，液氣比大于1∶5 時的小分子酸濃度增幅較大，微生物代謝活性高。

圖3 不同液氣比產出液中的小分子酸濃度

3 結論

微生物驅油過程中，配注空氣量對菌群結構及驅油效果的影響顯著。配注不同體積的空氣后，不同類型的功能微生物得到了激活，主要優勢功能菌占整個菌群比例的67%以上，功能微生物主要以產表面活性劑和乳化劑的芽孢桿菌和假單胞菌為主。配氣后小分子酸濃度明顯增加，氧氣促進了好氧微生物的激活，液氣比大于1∶5 時小分子酸濃度增幅明顯，微生物代謝活性高。隨著配注空氣量的增加，微生物驅驅替效率增加并逐漸穩定，液氣比為1∶5時的驅替效率最佳（8.77%）。