微生物采油

微生物采油
作者：佚名文章来源：本站原创点击数：61 更新时间：2005-12-10
微生物采油
1综述
在世界范围内,经过一次，二次采油两次常规采油之后的总采收率一般只能占地下原油的3 0%～40%。

遗留在地层的残余油仍然占60%~70%，故如何提高采收率,从地下采出更多原油,一直是世界上许多国家不断研究的课题[1] 。

直到1926年Ｂｅｅｋｍａｎ[2]提出细菌能采油至今,经过70多年的发展,微生物清蜡和降低重油粘度、微生物选择性封堵地层、微生物吞吐、微生物强化水驱等已成为一项成熟的提高采收率技术，并形成了继传统的热驱、化学驱、气驱之后的第四种提高采收率的方法----微生物提高原油采收率技术(microbili al enhanced oil recover ,MEOR)。

ＭＥＯＲ是将微生物及其营养源注入地下油层,使微生物在油层中生栖繁殖,一方面利用微生物对原油的直接作用,改善原油物性,提高原油在地层孔隙中的流动性,另一方面利用微生物在油层中生长代谢产生的气体、生物表面活性物质、有机酸、聚合物等物质,来提高原油采收率的一种方法。

微生物采油有个明显的特点。

首先,微生物以水为生长介质,以质量较次的糖蜜作为营养,实施方便,可从注水管线或油套环形空间将菌液直接注入地层,不需对管线进行改造和添加专用注入设备;由于微生物在油藏中可随地下流体自主移动,作用范围比聚合物驱大,注入井后不必加压,不损伤油层,无污染,提高采收率显著。

其次以吞吐方式可对单井进行微生物处理,解决边远井、枯竭井的生产问题,提高孤立井产量和边远油田采收率;再有选用不同的菌种,微生物可解决油井生产中多种问题,如降粘、防蜡、解堵、调剖,最后提高采收率的代谢产物在油层内产生,利用率高,且易于生物降解,具有良好的生态特性。

微生物采
油由于其成本低、效果好、无污染,愈来愈受到人们广泛的重视。

美国俄克拉何马州Payne 县东南Vrssar vertza砂岩矿区[3]、Teapot donne油田等[4]现场先导实验均使采油率有所增加，证明MEOR是行之有效的．微生物采油技术在许多油田中应用,取得了投入产出比为1∶5的好效果[5]
2微生物采油机理及数学模型
2.1微生物采油机理
微生物采油是技术含量较高的一种提高采收率技术,不但包括微生物在油层中的生长、繁殖和代谢等生物化学过程,而且包括微生物菌体、微生物营养液、微生物代谢产物在油层中的运移,以及与岩石、油、气、水的相互作用引起的岩石、油、气、水物性的改变,深入研究作用机理显得尤为重要。

武平仓等[6]对原油受实验微生物作用生成的气体进行研究，发现Ｃ6以下气态烃的含量增加幅度达90%—100%;气体中烃的总含量由28.090%增加到54.145%,增加幅度接近93%。

同时有Ｎ2、ＣＯ2、Ｈ2生成。

生成气可改善原油在地层条件下的流动性,大量气体在油藏中生成也会产生驱油效果。

大港油田、青海油田重复试验证明微生物作用后原油高碳烃密度减少,原油组成改变[7]。

Statman 等[8]等对微生物作用前后油样对比发现作用后油黏度变小。

Onyekonwu等[9]对微生物作用前后的油样进行对比分析，发现长链烃含量相对减少,短链烃或中链烃含量明显增加,从而使原油结构中轻质组分含量增加.微生物能作用芳烃可
以对芳环上的取代支链发生断链作用.,胶质分子中取代基的平均分子链长也有变化.原油受微生物作用后生成大量的可带羰基的化合物如酸、酯、酮等.这些有机物可以很好改变原油物性,使原油变得容易开采,从而提高产量.何正国等还进行了人造岩心驱替实验，微生物在水驱后的岩心中活动，作用原油，可明显观察到有产气现象出现,对收集到的生物气进行气相色谱成份分析得知,微生物作用原油能够产生短链烷烃气和二氧化碳等。

气体有利于产层压
力增加从而提高产量。

在注微生物于含原油岩心培养72h后,对各岩心进行水驱,没有注微生物的对照试验岩心几乎无油驱出;而注入微生物的岩心均有油驱出,采收率有明显提高,且驱出的油粘度变小.对驱出液进行镜检,有大量球菌和杆菌存在.包木太[10]等对微生物代谢产物进行分析发现采油微生物代谢过程中除了产酸、生物表面活性剂和气体等代谢产物外,还产生物聚合物和有机溶剂等,所有这些代谢产物都能在不同程度上以不同方式作用于地层原油,改善原油的性质,以利于原油的开采。

一般认为起驱油作用的是微生物产生的气体和表面活性剂,还有产酸作用、对原油的降解作用[11~14]。

微生物注入地层后,通过间隙水与临近的油滴结合之后运移,微生物吸附于油滴边界,将烃类分子转化成有机溶剂、表面活性剂、酸、醇，和气体。

有机溶剂溶解于石油,降低其粘度,并通过溶解孔喉中重质长链烃类提高有效渗透率;表面活性剂可降低油与岩石和油与水的界面张力，提高驱油效率,改变岩石润湿性,使岩石更加水湿; 消除岩石孔壁油膜,提高油相流动能力;分散乳化原油,降低原油粘度。

酸能够降低油和孔喉中碳酸盐含量,侵蚀石英和碳酸盐表面以提高有效渗透率,并通过与碳酸盐反应产生ＣＯ2降低石油粘度,引起油滴膨胀。

气体溶解于油,降低粘度,通过引起油滴膨胀起到物理驱油作用。

微生物还产生两种未知醇类,这些都是微生物在发酵原油过程中的代谢产物,它们有利于改善原油粘度,类似轻度酸化,增加岩石孔隙度,从而提高原油产量.新繁殖的细菌不断产生并连续起作用,将以前不能流动的石油变成能流动的石油,从而提高了产量。

胜利油田和大港油田都曾应用微观模型研究驱油过程,分析微生物产生的表面活性剂对残余油的增溶、乳化和互溶现象,提出孔隙胶束增溶、孔隙乳化、孔隙两相界面互溶和孔隙隧渗流等机理[15],但这些机理与化学表面活性剂驱油机理没有太大本质区别。

微生物直接驱油机理主要是:①产生的表面活性物质将水驱条件下不能流动的残余油乳化,增加原油流动性。

②改变岩石表面润湿性,使油膜从岩石表面剥离,成为流动相。

③生物气溶于原油降低其黏度;原油在生物气泡表面向前滑动而降低渗
流阻力;大孔隙中的大气泡对液流形成一定阻力,造成“贾敏效应”,具有一定“微观调剖”作用[16]。

概括起来，微生物采油的是通过是改变原油组成性质和改变原油的驱油环境，利用气泡和微生物尺寸形成的微观调剖作用，以及微生物附着在岩石表面生长形成生物沉积膜，有利于细菌在空隙中存活与延伸，扩大驱油面积等因素达到提高采油增产目的的。

根据微生物采油作用机理不同，可以对微生物采油的矿场应用类型分为：微生物强化水驱，周期注微生物采油，微生物选择性封堵地层，微生物清蜡和降低重油黏度等[17]。

从已知的采油机理可知微生物提高采油率是一种多用途的技术,应用该技术可以解决原油渗透率低、扫油效率低、流度比不利、气锥进、水锥进、圈闭渍及结蜡结垢等问题，具体到各种工艺,微生物采油的机理又有所不同,不同的工艺设计可以解决不同领域的问题,这给油田操作者提供了广泛而多样的选择。

值得一提的是[18]，不同菌种的代谢产物不尽相同,同一菌种代谢不同营养物的产物也不尽相同,故不同菌种的作用机理有所不同。

同一菌种的作用机理往往不止一种。

微生物提高原油采收率是多种因素协同作用的结果。

目前,微生物提高原油采收率的机理还不十分清楚，还需进一步的研究探讨。

2.2数学模型
微生物采油技术以其投入少、环保、施工简单等优点得到开发者的认同,但实际应用效果与室内研究结果相差较大,有的甚至没有效果,其原因是缺少对微生物在地层中运移、增产作用的数学描述以及对实施方案的详细优化。

微生物采油效果的好坏与多种因素有关。

如何根据微生物采油特点,较好地预测利用微生物采油时的单井产油量、区块增油量以及含水率变化,对微生物采油方案设计和经济效益预测有重要的理论与实际意义。

从20世纪80年代末就开始有对微生物采油数学模型和数值模拟研究。

比较典型的有国外的Ｉｓｌａｍ、Ｚｈａｎｇ和Ｃｈａｎｇ模型[18~20]。

其中Islam模型由于缺少实验数据,在模型中没有对微生物的增产机理进行考虑,所以该模型只适用于理论研究和室内计算岩心中微生物和营养物的
分布。

而Ｚｈａｎｇ模型虽然描述了微生物在地层中的活动,但同样由于缺少实验数据,对产物的形成只能利用经验公式描述,无法对增产作用做深入描述。

此外,由于是一维岩心模型,所以难以用于现场的微生物驱油模拟，至于Ｃｈａｎｇ模型为美国国家石油和能源研究院推出的微生物数值模拟模型,遗憾的是在模型中没有对微生物的产物形成和油藏增产机理做描述。

在借鉴国外模型的基础之上,国内的石油工程师对微生物驱油的数学模型进行了改进和提高,中科院渗流所的朱维耀、杨正明和石油大学的雷光伦同志在这方面也进行了很多研究工作。

建立了描述微生物生物行为的数学模型,并在此基础上,采用经验公式对微生物增产机理和产物形成进行了描述,但是由于涉及的参数种类太多,难以应用于现场[21～23]。

姜汉桥[24]等通过分析国内外微生物驱油数学模型的适用范围和发展现状。

指出目前影响微生物驱油数模发展的关键是相关参数的获取,并对需要的参数进行了分类,指出了获取的难易程度。

建立了一套描述微生物驱油的数学模型,提出了一套获取相关参数的程序和方法。

陈月明[25]在分析微生物采油机理及微生物作用前后渗流阻力变化的基础上,建立了微生物吞吐和微生物驱油的产油量、产液量、增油量和含水率变化的数学模型。

该模型简单应用微生物与原油作用前后粘度及相对渗透率的变化数据和微生物处理前区块(油井)的生产数据,即可预测出利用微生物采油时的采油量、增油量和含水率。

应用实例表明,所建模型的预测结果与实际结果有很高的一致性。

为便于油田现场应用, 陈月明在Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下开发编制了层系间窜流解释和分析软件。

并利用该软件对大庆油田杏2 3 23井(报废井)和对应的更新井杏2 3 更23井的现场测试结果进行了计算和分析,得到了对油田生产有用的结论。

3采油微生物和油藏选择
3.1采油微生物筛选
菌种筛选是微生物采油技术的关键。

筛选ＭＥＯＲ菌种所遵循的原则,是所选择的微生物应
能适应油层环境条件。

首先,所选菌种能在油藏条件下生存、运移并能产生大量对驱油有利的代谢产物;其次,从经济角度出发,所选菌种能以原油为营养源。

不同的生物工程目的所需的微生物代谢产物有所不同。

ＭＥＯＲ菌种的选择可参考表1[26]。

目前菌种筛选主要向两方面发展[27],一是提高菌种耐温性,以适合更广的油藏范围;二是只提供部分无机营养物,希望以原油为碳源,降低注入营养物成本。

还有的筛选希望得到耐矿化度的菌种。

目前已报道的菌种最高可适应85～95℃的油藏条件,耐矿化度高达17ｇ/Ｌ[28],但此条件下活性如何尚无明确报道。

大部分油田筛选和应用的菌种是烃类氧化菌系,可降解部分正构烷烃,对原油有一定降黏作用,适合30～60℃温度[29];也有些工艺不需要筛选菌种,如内源微生物驱油[30]和活性污泥驱油。

微生物种类鉴定比较复杂,仅少数油田对其使用的微生物进行了属水平的鉴定和对环境的毒性鉴定。

胜利油田初步建立了石油微生物菌种库以及菌种数据库,收录了100多株菌种的微生物学特征、性能参数和应用情况。

3.1.1微生物筛选方法和步骤
ＭＥＯＲ菌种既可以是好氧菌,也可以是厌氧菌。

油藏处于缺氧状态,而在油藏处理过程中不能保持绝对无氧状态,故所用菌种最好为兼性厌氧菌。

兼性厌氧菌的优势还在于可以在好氧条件下培养,以缩短培养时间。

好氧代谢比厌氧代谢快,先进行好氧培养,后进行厌氧培养,可以加快筛选速度。

另外,混合菌种可能具有协同作用,驱油效果优于单株菌。

菌种的配伍性需通过模拟实验确定。

菌种筛选步骤如下:含菌样品富集好氧培养单株菌分离纯化穿刺接种富集厌氧培养室内初步模拟实验生化、代谢产物测试物理模拟实验确定菌种组合。

穿刺接种的目的在于初步判断菌种的需氧性,将好氧菌去除,以减轻下一步厌氧筛选的工作量。

室内初步模拟实验就是模拟目的油藏的环境条件,检验试验菌能否在该油藏环境下生存
[31]。

3.1.2菌种性能评价
菌种性能评价对菌种进行性能评价的目的在于筛选有利于微生物采油的菌种。

菌种性能研究菌种性能评价包括其生物学特征、代谢产物分析、稳定性及对油藏环境的适应性,混合菌还需要进行菌株复配实验[32]。

一般用于评价的指标是:最大菌体浓度,表面张力降低幅度,培养液ｐＨ值及粘度的变化,产生气体的量及组成,原油组成变化等。

已报道的有以下3类评价方法。

3.1.2.1分析原油被微生物发酵前后的变化
将微生物与原油共同培养后分离出原油,测试原油被发酵前后的变化,包括:①测试发酵前后的黏度、凝固点、含蜡量等物性变化。

②用恩氏蒸馏法测试组分变化,发酵后轻馏分增加越多,说明微生物作用越好。

③用色谱法分析正构烷烃组分变化,姥鲛烷/Ｃ17、植烷/Ｃ18比值反映原油流动性,发酵后其值上升说明原油流动性得到改善。

不少实验通过测定主峰碳的变化[29，33]或咔唑类化合物的变化来确认原油降解程度[34]。

④用色谱柱分离法分析各族组分相对含量变化,了解微生物对哪个族组分影响较大,多数实验证明对正构烷烃有明显影响,也有实验证明对胶质、沥青质有影响[35]。

3.1.2.2分析菌液的变化
在有原油存在的环境中培养微生物,测试菌液作用前后的酸度、界面张力变化以及产气量[3 6]。

对代谢产物中生物表面活性剂的分析研究较多,包括影响其产生的因素、对原油的作用效果以及其成分等[37],但停留在单项成分的定性或定量分析。

3.1.2.3岩心微生物驱油试验
应用人造岩心或天然岩心建立微生物驱油的Ｌａｚａｒ模型,一般试验过程是:岩心饱和水、饱和油后水驱,水驱到含水98%或100%时注入一定量配制好的菌液,放入恒温箱培养,测试
从模型中排出的液体和气体。

另一种是高压驱油模型,岩心培养之前先加压,关闭岩心两端阀门在高压条件下培养一段时间,然后再水驱,测试采收率提高情况。

岩心驱油试验还用于研究微生物驱的相对渗透率变化[38] 、微生物用量或微生物段塞与采收率的关系。

由于条件限制,多数油田最常测试的是微生物作用前后原油黏度变化。

目前国内在菌种评价方面忽视室内实验条件与现场应用条件的不同,因此偏差较大。

微生物本身和其代谢产物都受地层条件的影响,温度、压力、矿化度和岩性等因素的影响还存在一些未知的关系,需要通过室内实验了解各自影响程度。

建立完整可靠的评价方法是今后菌种性能评价重点攻关的内容之一。

3．2油藏微生物生态问题
微生物采油的方法及其优点微生物采油基本方法广义地说主要包括两大类:一类是利用微生物产品如生物聚合物和生物表面活性剂作为油田化学剂进行驱油,称为微生物地上发酵提高采油率工艺,即生物工艺法,目前该技术在国内外已趋成熟;另一类是利用微生物及其代谢产物提高采油率,主要是利用微生物地下发酵和利用油层中固有微生物的活动,称为微生物地下发酵提高采收率方法狭义地说微生物采油是指利用微生物地下发酵提高采收率方法。

对于后一种方法，油藏微生物生态问题长期注水开发油藏的地下应存在相对稳定的原地微生物生态系统。

微生物采油过程中,注入的微生物与原地微生物能否兼容,注入的营养对原地微生物有什么影响,这些问题还没有认真研究。

这些问题是微生物采油技术研究的重要组成部分,也可能成为该项技术发展的突破口。

3.2.1微生物采油的地层环境
各种ＥＯＲ技术适用的油层条件有一定限制。

ＭＥＯＲ也不例外,油层条件有一定限制。

在此对现在的ＭＥＯＲ应用界限加以论述。

首先,油层岩质以砂岩或碳酸盐岩为对象,它对微生物没有影响[39]。

以碳酸盐岩为对象时,
可以期待代谢所产生的酸性物质对碳酸盐岩有溶解作用。

还必须考虑粘土矿物等对菌体及营养物的吸附。

ＭＥＯＲ微生物与营养源必须在岩石孔隙中移动,在油层中扩散。

在ｐＨ与离子强度适当的条件下,粘土矿物使微生物在表面上吸附,阻碍微生物在孔隙中的移动和扩散。

因此,采用目的油层的岩心,通过微生物渗透性测试进行探讨是必要的。

孔隙度与渗透率等因素对微生物的移动,增殖及代谢有影响。

微生物的形态有球菌,杆菌,螺旋菌等,长0.5—1 0μｍ,宽0.5—2.0μｍ。

细菌需要在目的油层中移动,一定程度的增殖空间是必要的,即某种程度的渗透率是必要的。

据报道,细菌可在75×10-3μｍ2以下的岩心中运移,但通常适用下限为150×10-3μｍ2左右,在300×10-3μｍ2以上则更合适。

关于油层深度界限,其实是温度及压力界限,深度是受限制的[40]。

微生物生长温度上限,最近研究热水矿场等所得到的超嗜热菌为110℃,一般的好热微生物为100℃左右。

但是,适应超过70℃油层的事例,至今几乎没有报道。

若以70℃为上限温度,深度界限大约为8000英尺(2 438.4ｍ)。

油藏中的地层水是微生物群体耐于生长和代谢的媒体，地层水的关盐度，活度，ｐＨ以及地层水的溶解的物质对微生物群体的生长和代谢起着重要的作用,超过一定上限值而存在的有好盐性、好酸性及好碱性微生物,一般微生物难适应。

以上所述的各种条件是目前水平下的限制,如果新发现特异功能微生物,有可能适应超过这些条件的更广泛的油层[4 1]。

微生物采油技术的选井条件目前在国内普遍使用的微生物菌液的适用条件为[42]:①油层温度<120℃;②地层水氯离子含量<10×104ｍｇ/Ｌ;③有毒离子含量(砷,汞,镍,硒)<0～15ｍ
ｇ/Ｌ;④油层渗透率>50×10-3μｍ2;⑤原油密度<0.900ｇ/ｃｍ3;⑥残余油饱和度>25%;⑦油藏含水率>5%。

3.2.2营养
对于微生物的营养问题涉及两个方面，一个是微生物在注入油井前培养对应的培养基的营
养成分，另一个是在井里所需要添加的营养物质。

培养基的筛选虽然在矿场应用中细菌是以原油为营养物质生存繁殖的,但是用于矿场的菌液是在室内用特殊的营养物质精心培养出来的,这些营养物质通常称为培养基,主要由有机物
质和微量元素混合而成,不同的细菌所需要的培养基不一定相同,用不同的培养基培养同一
种细菌,其具备的功能也可能不同,甚至会相差很大。

要使一种培养基既能够同时满足多种微生物繁殖的要求,又能够使它们在较短的时间里繁殖达到最大密度和具有最强的活性,并且
使它们完全保持所需要的使用功能,是一项难度很大的研究工作[43]。

微生物菌种在地下需要一定量的营养物以维持其生长、繁殖和代谢。

营养物主要是碳源、氮源、磷源,其中碳源为地层原油,无须补给;其他营养成分需要添加。

通过不同类型营养剂筛选实验,选出由铵盐、磷酸盐和生长因子等组成,并用矿场注入污水配制的营养溶液。

由于地层水或注入水中含有微生物生长所需微量元素,不需要补充。

所以地层状况决定了所需要添加的营养物质[44]。

配伍、分散原油等实验结果表明,所选营养液与地层水(或污水)配伍性良好,菌的生长能力与油的乳化性也较好。

对注入地层的微生物所需的营养物质应当是在地层条件下具有热稳定性和化学稳定性的，而且不会与地层液体中的无机盐发生反应而沉淀，以免阻塞地层。

另外，在含黏土的地层中，营养液应不至于引起地层黏土膨胀和微粒运移。

为避免发生这些问题，确保工程成功，应利用地层水样和岩样进行相关这方面的室内实验。

3.2.3化学剂
油田开发的各个环节基本上都要使用化学剂,只是目的不同,使用的化学剂种类不同,如钻井、修井、完井,压裂、堵水、调剖、固砂过程使用的化学剂,生产过程中使用的缓蚀、防垢、除垢、杀菌剂等油田注入水常用处理剂,油田开发后期化学法提高采收率技术使用的大量驱油剂。

这些化学剂视浓度的不同对微生物产生不同程度的影响。

相对而言,用量较大的化学剂
如注入水处理剂和三次采油驱油剂的影响可能更大。

化学剂对微生物的影响主要有两方面。

一是化学剂对微生物细胞结构的影响,一些具有表面活性的物质可直接破坏细胞结构,使微生物死亡。

二是化学剂与微生物细胞中某些生化物质结合,使其丧失原有的生化性能,不能正常生长代谢,最终导致死亡。

无论是哪一种影响,都与化学剂浓度密切相关。

只有化学剂浓度超过一定范围,才能对微生物产生影响。

如目前油田注入污水处理多用阳离子季铵盐类以及其与氧化剂的复配物,一般加药量在9～10ｍｇ/Ｌ,当细菌数高于102个/ｍＬ时,药剂加量须加大2～3倍[45]才能控制细菌的生长。

在实施聚合物驱的区块常出现高细菌腐蚀速率现象[46],也是注入的驱油剂中聚丙烯酰胺和甲醛共同影响地层中细菌生长造成的。

当化学剂对微生物生长的抑制作用影响到微生物采油工艺的实施时,就必须消除这种抑制作用。

要从根本上消除化学剂对微生物生长的抑制作用,必须从微生物菌种筛选及微生物育种着手。

(1)在含有化学剂的地层水中,往往存在由于发生自发突变而能抵抗化学剂不利影响的微生物。

可以从产出液中筛选这些微生物,经过二次筛选得到的采油用菌种既可以满足微生物采油的需要又能抵抗化学剂的不利影响。

(2)工业菌种的培育运用遗传学原理和技术对某个用于特定生物技术目的的菌株进行多方位的改造,以增加新的性状。

通过微生物育种,可以获得在不利化学剂存在条件下生长良好的采油菌种,从而消除化学剂对微生物采油的不利影响。

用于工业菌种育种的方法主要有诱变和基因重组。

3.2.4本原微生物问题
长期注水开发油藏的地下应存在相对稳定的原地微生物生态系统。

对原地微生物生态系统中可以划分为两类[47]，一类是不利于油藏开采的细菌群落,系指消耗存在于海水中或存在于地层水或含水层水中组成能源链的硫基化合物,而又消耗存在于地层中作为细菌食物的单碳化合物的细菌群落。

细菌生长所排泄出的废物,包括硫化氢在内,不但对人有毒害,而且还会。