油藏物性及采出程度對內(nèi)源微生物驅(qū)油效果的影響

孫剛正，胡 婧，劉 濤，郭遼原，王小芳，吳曉玲，曹功澤，汪衛(wèi)東

（1.中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營 257000；2.中國石化勝利油田分公司河口采油廠，山東東營 257000）

內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)是利用地層已存在的微生物群落，通過注水井向地層注入激活劑，激活其中的有益微生物群落，利用其生長代謝活動及代謝產(chǎn)物與巖石、原油和水的界面相互作用，降低界面張力，改善原油的流動性質(zhì)，提高原油采收率。內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)具有油藏適應(yīng)性廣、成本低和現(xiàn)場實施工藝簡單等優(yōu)勢，中外現(xiàn)場應(yīng)用較為廣泛，并已取得較好效果［1-4］。

通過大量的室內(nèi)及現(xiàn)場研究發(fā)現(xiàn)，不同油藏在開展內(nèi)源微生物驅(qū)油后取得的效果差異較大，影響實施效果的主要因素在于不同油藏其物性及開發(fā)狀況不同，油藏溫度［5］、滲透率［6］、礦化度［7］、pH值［8］、壓力［9］、溶氧濃度、原油性質(zhì)及開發(fā)階段等關(guān)鍵因素對內(nèi)源微生物驅(qū)油的效果產(chǎn)生明顯的影響［10-11］。針對微生物驅(qū)油藏適應(yīng)性方面的研究，美國在1995 年曾對過去十年實施的322 個微生物采油技術(shù)的項目進(jìn)行了統(tǒng)計，并對有一定效果的近2 000口油井進(jìn)行研究，建立了專門用于微生物驅(qū)油技術(shù)的數(shù)據(jù)庫，對比分析增油量與油藏巖性、孔隙度、滲透率、原油密度、油藏溫度及含水率對微生物驅(qū)油效果的影響［12］。美國泰坦公司對2012 年以來成功實施微生物驅(qū)油的試驗區(qū)塊的油藏特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明油藏滲透率和含水率是影響微生物驅(qū)油效果的主要因素。目前，中外內(nèi)源微生物驅(qū)油油藏篩選標(biāo)準(zhǔn)均從現(xiàn)場試驗經(jīng)驗出發(fā)，考慮溫度、壓力、滲透率、原油黏度和礦化度等參數(shù)的適應(yīng)范圍，由于現(xiàn)場干擾因素多而復(fù)雜，無法明確單一因素對內(nèi)源微生物驅(qū)油效果的影響規(guī)律，無法在內(nèi)源微生物驅(qū)油油藏篩選方面給出科學(xué)的、有針對性的依據(jù)，影響內(nèi)源微生物驅(qū)油效果。

為此，急需開展系統(tǒng)的內(nèi)源微生物驅(qū)油油藏適應(yīng)性研究，細(xì)化內(nèi)源微生物驅(qū)油油藏篩選標(biāo)準(zhǔn)，為內(nèi)源微生物驅(qū)油油藏的選擇提供理論依據(jù)。筆者通過室內(nèi)物理模擬實驗開展油藏滲透率、原油黏度、采出程度及非均質(zhì)性對內(nèi)源微生物驅(qū)油效果的定量化研究，進(jìn)一步明確油藏物性及采出程度對內(nèi)源微生物驅(qū)油效果的影響，以期為現(xiàn)場應(yīng)用區(qū)塊的篩選及效果評價提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗所用地層水均來自于勝利油區(qū)孤東51-511 區(qū)塊，該區(qū)塊油藏埋深為1 367 m，油藏溫度為68 ℃，滲透率為867 mD，地層水礦化度為9 130 mg/L，地面原油黏度為774 mPa·s，采出程度為14.3%，綜合含水率為92%。前期利用分子生物學(xué)法對該區(qū)塊的內(nèi)源微生物種類進(jìn)行了評價，結(jié)果顯示，該區(qū)塊含有種類豐富的內(nèi)源微生物群落，初始菌濃度為2.6×102個/mL，其中包含大量與驅(qū)油相關(guān)的驅(qū)油功能菌如地芽孢桿菌、產(chǎn)脂肽菌、嗜烴菌和產(chǎn)甲烷古菌等。基于該區(qū)塊豐富的內(nèi)源微生物基礎(chǔ)，選擇其地層水作為一維物理模擬實驗用水。開展一維物理模擬研究前，針對該區(qū)塊地層水的微生物群落結(jié)構(gòu)特點，在室內(nèi)開展了內(nèi)源激活劑篩選實驗，得到針對該區(qū)塊內(nèi)源微生物的高效激活劑配方：糖蜜、磷酸氫二銨和硝酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%，0.3%和0.2%。激活后的內(nèi)源菌濃度最高達(dá)9.6×108個/mL，說明該激活劑可有效激活該區(qū)塊地層水中的內(nèi)源微生物群落。

1.2 實驗方法

不同滲透率下的內(nèi)源驅(qū)替實驗 通過一維物理模擬實驗考察不同滲透率條件下內(nèi)源微生物的驅(qū)替效果。巖心管尺寸為Φ38 mm×600 mm，具體巖心參數(shù)如表1。一維物理模擬實驗步驟主要包括：所有巖心管按實驗設(shè)計的滲透率填砂后依次進(jìn)行抽真空、飽和地層水、飽和原油和一次水驅(qū)，一次水驅(qū)后的采出程度均達(dá)到30%，含水率約為90%；一次水驅(qū)后注入0.3 PV 室內(nèi)篩選的激活劑，注入后關(guān)閉巖心管兩端的夾持器在烘箱內(nèi)靜態(tài)培養(yǎng)15 d；培養(yǎng)結(jié)束后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，注入量為3 PV，驅(qū)替過程中監(jiān)測產(chǎn)出端的油、水、液變化，計算出不同滲透率下的內(nèi)源微生物提高采收率。每組滲透率巖心設(shè)置同樣的空白巖心，不注激活劑持續(xù)水驅(qū)。實驗溫度為孤東51-511區(qū)塊油藏溫度。

不同地面原油黏度下的內(nèi)源驅(qū)替實驗 篩選勝利油區(qū)10個不同地面原油黏度的區(qū)塊，利用室內(nèi)一維物理模擬實驗考察地面原油黏度對內(nèi)源微生物驅(qū)油效果的影響。實驗篩選的區(qū)塊包括東辛永102、營12、營8、辛68、孤島中二南、南區(qū)館1+2、孤東51-511、現(xiàn)河草4 沙四、河口羅801 及純梁正南高26，其地面原油黏度分別為：5 371，4 713，3 986，2 050，3 126，1 148，774，324，105和35 mPa·s。不同地面原油黏度的物理模擬巖心參數(shù)見表2。巖心管填砂后抽真空飽和孤東51-511區(qū)塊的地層水，然后向每根巖心飽和不同黏度的原油，封閉巖心兩端的夾持器，在油藏溫度下老化7 d；進(jìn)行一次水驅(qū)至出口含水率達(dá)到90%。注入0.3 PV 的激活劑溶液，在油藏溫度為68 ℃條件下封閉恒溫培養(yǎng)15 d 后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，后續(xù)水驅(qū)至含水率達(dá)到98%；平行設(shè)置一根不注激活劑的空白巖心，直接進(jìn)行水驅(qū)，計算不同地面原油黏度下的內(nèi)源微生物提高采收率。

表1 不同滲透率物理模擬巖心參數(shù)Table1 Core parameters with different permeability in physical simulations

表2 不同地面原油黏度物理模擬巖心參數(shù)Table2 Core parameters with different crude oil viscosity in physical simulations

不同采出程度下的內(nèi)源驅(qū)替實驗 利用物理模擬實驗考察采出程度對內(nèi)源微生物驅(qū)油效果的影響，設(shè)置6 組巖心，滲透率均約為1 000 mD，其中第1 組為空白巖心，不同采出程度物理模擬巖心參數(shù)見表3。所有巖心抽真空后飽和孤東51-511區(qū)塊的地層水，計算每根巖心的孔隙體積，飽和研究區(qū)塊的脫水脫氣原油，空白巖心一次水驅(qū)直至出口的含水率達(dá)到98%為止，其他5 根巖心一次水驅(qū)控制采出程度分別達(dá)到10%，20%，30%，40%和50%，然后注入0.3 PV 激活劑溶液，封閉培養(yǎng)15 d。培養(yǎng)結(jié)束后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，后續(xù)水驅(qū)至采出液含水率達(dá)到98%，計算不同采出程度下的內(nèi)源微生物提高采收率。

表3 不同采出程度物理模擬巖心參數(shù)Table3 Core parameters with different recoveries in physical simulations

不同非均質(zhì)性下的內(nèi)源驅(qū)替實驗 利用雙管巖心開展不同滲透率級差下的內(nèi)源微生物驅(qū)油實驗，5 組內(nèi)源微生物驅(qū)油雙管物理模擬巖心滲透率級差分別為2，5，10，15 和20，具體物理模擬巖心參數(shù)如表4 所示。除了實驗組，每種滲透率級差還設(shè)置了空白實驗。實驗過程與物理模擬實驗一致，飽和水、飽和油、一次水驅(qū)，雙管巖心綜合采出程度達(dá)到30%，注入0.3 PV 的激活劑溶液，封閉培養(yǎng)15 d，培養(yǎng)結(jié)束后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，后續(xù)水驅(qū)至采出液含水率達(dá)到98%，計算不同滲透率級差下的內(nèi)源微生物提高采收率。

表4 不同非均質(zhì)性物理模擬巖心參數(shù)Table4 Core parameters with different heterogeneity in physical simulations

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)源微生物驅(qū)油效果的影響因素

2.1.1 油藏滲透率

油藏滲透率對內(nèi)源微生物滲流特征影響較大，美國能源部公布的微生物技術(shù)適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中提出該技術(shù)需應(yīng)用在滲透率大于50 mD 的油藏中，滲透率超低不利于微生物在油藏中的運(yùn)移及生長代謝［12-13］。2006 年楊鵬等開展了滲透率為0.37～74.5 mD 條件下的微生物運(yùn)移及驅(qū)油效果實驗，研究發(fā)現(xiàn)，滲透率低于18.8 mD 時，注入的外源微生物提高的采收率低于4.22%，其原因主要在于微生物的大小與巖心的平均孔喉半徑不匹配［14］。2013 年陳曄等開展了巖心滲透率為39～500 mD條件下的內(nèi)源微生物驅(qū)油效果實驗，研究結(jié)果表明，在該滲透率范圍內(nèi)，隨著巖心滲透率的增加，微生物提高采收率從0.71%升至5.42%，說明高滲透率有利于內(nèi)源微生物驅(qū)油［15］。

研究進(jìn)一步擴(kuò)大巖心滲透率范圍的上限，考察滲透率為50～4 000 mD 時的內(nèi)源微生物驅(qū)油效果。從圖1 可以看出，滲透率為50～1 000 mD 時，隨著滲透率的增加，內(nèi)源微生物逐漸提高，其中滲透率為500 mD 時的內(nèi)源微生物驅(qū)油效果最好，提高采收率達(dá)到6.6%，含水率最大降幅達(dá)到5.13%。此外，與之前研究成果不同的是，滲透率超過1 000 mD 后，內(nèi)源微生物提高采收率并沒有繼續(xù)升高而是呈明顯的下降趨勢。內(nèi)源微生物在滲透率小于100 mD 和滲透率大于1 500 mD 時驅(qū)油效果不明顯，提高采收率低于4%。

圖1 不同滲透率下的內(nèi)源微生物提高采收率及含水率降幅規(guī)律Fig.1 Enhanced oil recoveries and maximum decreases in water cut of endogenous microbial oil displacement at different permeability

微生物本身具有一定體積（細(xì)菌長度為1～5 μm），不同滲透率巖心具有不同的孔喉半徑（表1），滲透率為1 000 mD 時，巖心孔喉半徑與細(xì)菌最大長度相當(dāng)，當(dāng)巖心滲透率降低時，孔喉半徑減小，微生物受到的過濾和吸附滯留阻力增大，微生物在巖心中的運(yùn)移能力降低，但在喉道壓力的作用下，一部分尺寸較小的微生物也可通過形變在喉道中運(yùn)移，進(jìn)入到巖心內(nèi)部與多孔介質(zhì)中的原油發(fā)生相互作用［16-17］，所以微生物可以耐受一定程度的低滲透率。滲透率過高時，孔喉半徑大于菌體自身長度，激活后的菌體被后續(xù)注入水快速驅(qū)出，無法在巖心中滯留，影響了微生物與原油的相互作用，提高采收率明顯降低。實驗結(jié)果證實，在物理模擬油藏條件下，內(nèi)源微生物驅(qū)油存在一定的滲透率適應(yīng)性范圍，滲透率過高或過低都不利于微生物驅(qū)油，滲透率為100～1 500 mD時具有較好的驅(qū)油效果。

2.1.2 地面原油黏度

內(nèi)源微生物驅(qū)油的主要機(jī)理是通過微生物生長代謝產(chǎn)生的生物類表面活性劑、生物氣及嗜烴作用降低地面原油黏度來提高采收率。利用一維物理模擬實驗考察不同地面原油黏度下內(nèi)源微生物的驅(qū)油效果。從圖2 可以看出，扣除空白水驅(qū)提高采收率，地面原油黏度為35 mPa·s 時，內(nèi)源微生物提高采收率僅為2.5%，其原因為空白水驅(qū)提高采收率程度高，內(nèi)源微生物驅(qū)替效果有限。隨著地面原油黏度的增加，一次水驅(qū)效果逐漸變差，內(nèi)源微生物通過乳化降黏等作用進(jìn)一步提高采收率。地面原油黏度為1 148 mPa·s 時內(nèi)源微生物提高采收率程度最高，為8.8%。地面原油黏度大于1 148 mPa·s后，內(nèi)源微生物驅(qū)油效果逐漸變差。

圖2 不同地面原油黏度下內(nèi)源微生物提高采收率及含水率最大降幅規(guī)律Fig.2 Enhanced oil recoveries and maximum decreases in water cut of endogenous microbial oil displacement at different crude oil viscosity

瀝青質(zhì)和膠質(zhì)是造成稠油高黏度的主要原因，除了微生物代謝產(chǎn)物對原油的乳化作用外，微生物還可通過瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的降解改善原油流動性，從而提高原油采收率［18-19］。通過分析地面原油黏度為1 148～5 371mPa·s 時，原油四組分在內(nèi)源微生物作用前后的變化（表5）發(fā)現(xiàn)，地面原油黏度為1 148 mPa·s時，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)初始含量為35.89%，內(nèi)源微生物作用后含量降低了9.51%，隨著地面原油黏度的升高，原油組分中的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量逐漸增大，內(nèi)源微生物對其的降解能力減弱。其原因為，地面原油黏度過大，微生物對原油的乳化作用會相應(yīng)降低，微生物無法有效地攝取原油，從而導(dǎo)致降解作用減弱。研究結(jié)果表明，內(nèi)源微生物對地面原油黏度小于3 000 mPa·s，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量小于40%的原油有較好的驅(qū)替效果。

表5 微生物作用前后原油四組分的變化Table5 Changes in four components of crude oil before and after endogenous microbial oil displacement

2.1.3 采出程度

通過一維物理模擬實驗評價不同采出程度下的內(nèi)源微生物驅(qū)油效果，從圖3 和表6 可以看出，隨著采出程度的增加，內(nèi)源微生物提高采收率及含水率最大降幅都呈明顯的降低趨勢。采出程度為10%～40%時，內(nèi)源微生物驅(qū)提高采收率為6%～12%，含水率最大降幅大于4%；采出程度為50%時，含水率最大降幅僅為1.2%，內(nèi)源微生物提高采收率僅為3.3%。

圖3 不同采出程度下內(nèi)源微生物提高采收率及含水率最大降幅規(guī)律Fig.3 Enhanced oil recoveries and maximum decreases in water cut of endogenous microbial oil displacement at different recoveries

表6 不同采出程度下的內(nèi)源微生物驅(qū)替效果Table6 Effect of endogenous microbial oil displacement at different recoveries

水驅(qū)過程中，隨著采出程度的增加，多孔介質(zhì)中的殘余油逐漸減少，逐漸形成水流優(yōu)勢通道，后期進(jìn)行內(nèi)源微生物驅(qū)油時，由于微生物自身尺寸數(shù)量級遠(yuǎn)大于水分子，所以激活的微生物不易接觸到水無法波及的區(qū)域，因此水驅(qū)后微生物驅(qū)油效果隨采出程度的升高而降低［15，20］。同時，有研究發(fā)現(xiàn)隨著水驅(qū)油藏采出程度的不斷提高，原油中的輕質(zhì)組分在水洗作用下被優(yōu)先采出，低相對分子質(zhì)量的正構(gòu)烷烴逐漸減少［11］。非烴瀝青質(zhì)和芳烴含量相對增加，原油的輕、重比值呈降低趨勢，原油平均分子量增大，地面原油黏度升高，原油密度增加，原油組分的變化也會明顯影響微生物的生長特性和作用于原油的能力［10，21］。實驗結(jié)果表明，應(yīng)在采出程度小于40%時開展內(nèi)源微生物驅(qū)油現(xiàn)場應(yīng)用，可以取得較好的實施效果。

2.1.4 非均質(zhì)性

通常情況下，油藏是具有一定孔隙度和滲透率的多孔介質(zhì)，其不僅存在滲透率的差異，而且存在大量的裂縫［22］，油藏在注水開發(fā)后，會形成更為明顯的優(yōu)勢通道導(dǎo)致油藏的非均質(zhì)性加劇。內(nèi)源微生物驅(qū)油通常在注水開發(fā)后期實施，注入的大部分激活劑溶液會優(yōu)先進(jìn)入高滲透率區(qū)域或優(yōu)勢通道，影響整個油藏的內(nèi)源微生物驅(qū)油效果，所以非均質(zhì)性是影響內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)在油藏應(yīng)用效果的主要因素［23-24］。勝利油區(qū)曾在孤島油田中一區(qū)館3塊實施內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)，該區(qū)塊非均質(zhì)性較嚴(yán)重，滲透率變異系數(shù)為0.538，大孔道發(fā)育，水線推進(jìn)速度過快，實施微生物驅(qū)油后僅4 d 即可從生產(chǎn)井檢測出激活劑組分，由于激活劑在地層中無充足的時間發(fā)揮其作用便被采出，影響了內(nèi)源微生物的驅(qū)油效果［25］。內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)只能在一定的滲透率級差范圍內(nèi)，通過菌體的生長繁殖及產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物如生物多糖、生物氣等對大孔道產(chǎn)生一定的封堵和調(diào)剖作用，改善油藏的非均質(zhì)性［26］。目前內(nèi)源微生物對油藏非均質(zhì)性的耐受范圍未開展過相關(guān)定量化的研究，本研究通過雙管并聯(lián)巖心實驗考察了巖心滲透率級差為2～20 的內(nèi)源微生物驅(qū)油效果，從表7 可以看出，隨著巖心滲透率級差的增加，內(nèi)源微生物驅(qū)油效果逐漸降低，滲透率級差為2～10的微生物提高采收率大于6%，說明在該范圍內(nèi)，微生物可在一定程度上改善油藏的非均質(zhì)性，后續(xù)水驅(qū)低滲透率巖心的提高采收率維持在15%～17%。滲透率級差達(dá)到15后，低滲透率巖心后續(xù)水驅(qū)提高采收率降為0，激活組分無法進(jìn)入低滲透率巖心，非均質(zhì)性無明顯改善。從研究結(jié)果可以看出，該區(qū)塊實施內(nèi)源微生物驅(qū)油可在滲透率級差小于10 以內(nèi)取得較好的應(yīng)用效果。

表7 不同滲透率級差下的內(nèi)源微生物驅(qū)替效果Table7 Effect of endogenous microbial oil displacement at permeability ratios

2.2 內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)油藏篩選標(biāo)準(zhǔn)

中外其他研究機(jī)構(gòu)及不同油田針對內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)也制定了油藏篩選標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)只涉及油藏物性參數(shù)，指標(biāo)的取值也多以現(xiàn)場經(jīng)驗總結(jié)為主，存在指標(biāo)片面和缺乏實驗數(shù)據(jù)支撐［27-28］等問題。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，不同油藏實施內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)的效果存在較大差異，缺乏科學(xué)的油藏篩選標(biāo)準(zhǔn)是制約內(nèi)源微生物驅(qū)油現(xiàn)場大規(guī)模推廣的瓶頸問題。本研究基于系統(tǒng)的物理模擬實驗結(jié)果，明確了滲透率、地面原油黏度、采出程度及非均質(zhì)性對內(nèi)源微生物驅(qū)油效果的影響，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合勝利油區(qū)近10年開展的微生物驅(qū)油現(xiàn)場試驗經(jīng)驗，重新制定了內(nèi)源微生物驅(qū)區(qū)塊篩選標(biāo)準(zhǔn)（表8），內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)適合溫度低于95 ℃，地面原油黏度小于3 000 mPa·s，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量小于40%，油藏滲透率為100～1 500 mD，非均質(zhì)性滲透率級差小于10的油藏，是決定能否實施內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)的基本條件；滿足油藏條件外，目標(biāo)油藏還需具備一定的物質(zhì)基礎(chǔ)，油藏初始菌濃需大于103個/mL時通過激活劑的注入才能實現(xiàn)油藏內(nèi)源微生物的高效激活，除此，油藏采出程度需低于40%，有一定的剩余油潛力時實施內(nèi)源微生物驅(qū)油可取得較好的效果。

3 結(jié)論

利用室內(nèi)一維物理模擬實驗系統(tǒng)研究了滲透率、地面原油黏度、滲透率級差及采出程度對內(nèi)源微生物驅(qū)油效果的影響，并在實驗基礎(chǔ)上結(jié)合勝利油區(qū)現(xiàn)場實施經(jīng)驗制定了內(nèi)源微生物驅(qū)油油藏篩選標(biāo)準(zhǔn)，從油藏、生物及開發(fā)等方面給出內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)油藏選區(qū)的關(guān)鍵指標(biāo)及其適用范圍，完善了現(xiàn)有只以油藏物性參數(shù)為主的內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)油藏篩選標(biāo)準(zhǔn)，為該技術(shù)的油藏篩選提供科學(xué)的理論依據(jù)，提高現(xiàn)場實施有效率。下一步將針對超出最適范圍的油藏，開展復(fù)合工藝技術(shù)研究，通過外源菌、生物代謝產(chǎn)物，壓裂、化學(xué)驅(qū)、CO2驅(qū)等技術(shù)的復(fù)合，進(jìn)一步拓展內(nèi)源微生物采油技術(shù)的油藏適應(yīng)性，提高原油采收率。

表8 內(nèi)源微生物驅(qū)油藏篩選標(biāo)準(zhǔn)Table8 Screening criteria of reservoirs with endogenous microbial oil displacement