高溫高壓條件下油藏內源微生物微觀驅油機理

1、第卷第期年月石油學報文章編號：（）：吉日吉同皿同壓條件下油藏內源微生物微觀驅油機理朱維耀夏小雪北京；郭省學李娟宋智勇曲國輝山東東營（北京科技大學土木與環(huán)境工程學院中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司采油工藝研究院）東北石油大學石油工程學院黑龍江大慶摘要：為研究內源微生物微觀驅油機理，在模擬油藏高溫高壓（。、）條件下，以油田提取的內源微生物群落及其代謝產物作為驅油介質，利用研制的微觀仿真光刻蝕可視模型，對水驅、微生物驅油過程中剩余油形態(tài)及流動特征進行顯微觀察和分析；并應用測試和圖像處理技術，定量考察微生物微觀驅油效果。研究結果表明：高溫高壓油藏條件下，內源微生物具有一定活性，且驅油效果較好；微

2、生物被激活后，能有效啟動不同類型剩余油，并可與代謝產物共同作用于水驅所無法波及到的盲端孔道，置換出剩余油，增強了原油的流動能力，同時可提高采收率。微生物微觀驅油機理可歸結為：微生物對原油的“啃噬”、降解；產生生物氣溶解于原油，降低原油黏度；產生生物表面活性劑層層剝離、乳化剩余油，改變孔隙介質表面的潤濕性等。關鍵詞：高溫高壓；多孔介質；內源微生物；提高采收率；微觀驅油機理中圖分類號：文獻標識碼：（，。，；，）：，（。，），；，：（）；（）：；（）；：內源微生物群落是指油田注水開發(fā)過程中一定時期內在數量和種類上保持相對穩(wěn)定的微生物群落，其隨注入水進入油藏口，。內源微生物驅油技術就是利用地層中已經存

3、在的微生物群落，通過注水井向地層中注入適量的營養(yǎng)激活劑（必要時，配注一定量的空氣），從而激活油藏中有益微生物群落，利用其自身在油藏中的代謝活動及代謝產物（生物表面活性劑、有機酸、有機溶劑和生物氣等）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，提高原油采收率口。與外源微生物驅油技術相比，其具有更能適應油藏的極端環(huán)境，且不需要菌種保藏和菌液生產等優(yōu)點，是目前較為活躍的研究方向口。內源微生物驅油技術作用機理十分復雜，涉及到很多生理、生化和物理過程，一般認為其作用機理主要包括微生物調剖和微生物提高洗油效率兩方面：微生物調剖。微生物產生的生物聚合物能夠增加水相基金項目：國家自然科學

4、基金重點項目（）、國家重大科技專項（）、科技創(chuàng)新重大項目培育資金項目（）和中國工程院學部咨詢研究項目“中國陸相砂巖油田特高含水期提高采收率關鍵技術問題及有效開發(fā)對策研究”（）資助。第一作者及通信作者：朱維耀，男，年月生，年獲大慶石油學院學士學位，年獲中國科學院滲流流體力學研究所博士學位，現(xiàn)為北京科技大學土木與環(huán)境工程學院教授、博士生導師，主要從事滲流力學、流體力學、油氣田開發(fā)研究與教學工作。：。第期朱維耀等：高溫高壓條件下油藏內源微生物微觀驅油機理黏度，改善流度比；微生物在油藏內大量繁殖，起到選擇性封堵油藏大孔道的作用；微生物產生的生物氣可形成賈敏效應增加水流阻力，起到調剖作用。微生物提高洗油

5、效率。微生物可降解原油，改善原油在地層中的流動性；微生物代謝產生的生物表面活性劑可降低油水界面張力，改變巖石潤濕性；微生物產生的生物氣提高地層壓力，溶于原油后增加體積系數、降低黏度口?！?。目前，有關微生物微觀驅油的實驗研究多界定于常溫常壓條件下驅替過程中的宏觀定性描述，對于模擬油藏高溫高壓多孔介質條件下進行內源微生物微觀驅油的實驗研究還未見報道，這使得許多提高采收率的機理還未被認清和量化口?！薄Ｒ虼?，筆者立足于微觀層面，通過模擬油藏高溫、高壓環(huán)境，采用微觀仿真模型驅油實驗配套設備與圖像采集系統(tǒng)，利用激活的內源混合微生物，對微生物作用各階段剩余油在多孔介質中的形態(tài)和變化進行跟蹤觀察，揭示了微生物

6、在油藏條件下的驅油特征，闡明了微生物微觀驅油機理，為微生物驅油現(xiàn)場試驗提供參考。埋深為，溫度為，滲透率為，孔隙度約為，地下原油黏度為，地層水礦化度為，地層水實驗所用菌種來自勝利油田沾區(qū)塊地層水中的值為，”。內源混合微生物，經過鑒定主要含芽孢桿菌屬、鏈霉菌屬、埃希氏菌屬、假單胞菌屬和志賀菌屬等，其群落結構比較豐富，具有可激活性，激活后微生物群落總數達到×個，且可代謝產生生物氣和生物表面活性物質?！薄嶒烌屘嫠捎米詠硭?，實驗用油為脫水脫氣原油添加適當比例煤油配制成的模擬油。實驗試劑與裝置實驗試劑為：石油醚、乙醇、變色硅膠、葡萄糖和蛋白胨（均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司生產）。實驗

7、裝置為高溫高壓微觀驅油實驗裝置，其主要由微量注入泵、模型夾持器、驅替系統(tǒng)、回壓系統(tǒng)、環(huán)壓系統(tǒng)、壓力監(jiān)視系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)等組成（圖）。該裝置能夠利用普通玻璃微觀實驗模型進行壓力在實驗以下、壓差在以下、溫度在以下實驗材料實驗所用原油來源于勝利油田沾區(qū)塊，該油藏的各種微觀實驗。實驗將微觀仿真玻璃模型置于高溫高壓耐腐蝕圓柱形容器中后，再進行微觀觀察和驅替。圖高溫高壓微生物微觀驅油實驗裝置微觀透明模型實驗中所使用的孔隙結構仿真地層模型是一種透明的二維平面玻璃模型。采用光化學刻蝕工藝，按照勝利油田巖心鑄體薄片的真實孔隙系統(tǒng)，經過適當的顯微放大后精密地光刻到平面光學玻璃上，然后對涂有感光材料的光學玻璃板進

8、行曝光，用氫氟酸處理曝光后的玻璃模板，再通過高溫燒結制成。模型大小為×，孔隙體積約為肚，平均孔徑為扯，孔道截面為橢圓形，具有可視性。在微觀模型的兩對角處分別打一小孔，模擬注入井和采出井，實現(xiàn)驅替過程的仿真。激活劑配方為提高微生物活性，激活劑除應包含地層水中所缺乏的、和源，同時還應試圖抑制硫酸鹽還原菌活性，并提高初期的好氧菌活性。因此，在兼顧低成本的原則下，設計了如下配方：淀粉水解液的體積分數為，磷酸氫二銨的質量濃度為，尿素的質量濃度為，硝酸銨的質量濃度為。石油學報年第卷實驗步驟及方法微觀驅油實驗具體步驟為：將微觀模型抽真空后，安裝到夾持器內，同時關閉放空閥；向模型中注水，同時調整環(huán)壓

9、和回壓，對模型加熱、加壓；將模型飽和原油；一次水驅，注入含有微生物及營養(yǎng)物質的地層水，驅替速度為，水驅后結束，對剩余油分布、剩余油形態(tài)以及標注的重點區(qū)域拍照；關閉進、出閥門，在設定的溫度和壓力（、低；且與高溫、常壓條件相比，油藏高溫、高壓條件下微生物仍具有一定活性，但其生長與衰減緩慢，說明高溫、高壓培養(yǎng)過程中能適應油藏極端環(huán)境的細菌較少。，西皇鍘擗蟈岳罄）下恒溫培養(yǎng)，每天觀察記錄剩余油狀態(tài)；后續(xù)水驅，注入自來水，驅替方法和速度與微生物注入時保持一致，水驅結束后，對剩余油分布、剩余油形態(tài)以及標注的重點區(qū)域拍照，實驗結束；觀察記錄實驗現(xiàn)象，并用同樣方法進行一組空白對照實驗。實驗結果與分析微生物生長

10、特性圖不同培養(yǎng)條件下多子介質中活細菌濃度為保證驅油過程中一定數量微生物的存在，采用玻璃微珠來模擬多孔介質，將菌液放入含有玻璃微珠的中問容器中，分別在高溫、常壓和高溫、高壓條件下培養(yǎng)，并定期對不同培養(yǎng)條件下的菌液取樣，進行微生物染色鏡檢觀察，查看其中活細菌的數量。由實驗結果可知（圖），油藏內源微生物被激活后，混合細菌的生長先后經歷了的適應期、第的對數增長期和的穩(wěn)定期過程。隨著穩(wěn)定期過后，部分分裂增微生物作用前后不同類型剩余油變化微生物作用對不同類型剩余油形態(tài)的影響從一次水驅后微觀模型內剩余油的分布形態(tài)可以看出（圖），模型中剩余油以孤島狀、柱狀、膜狀、簇狀和盲端等形式存在，其中膜狀和孤島狀剩余油主

11、要分布在大孔道內，而小孔道內剩余油以柱狀和簇狀為主，同時還存在少量的盲端剩余油。殖的微生物逐漸死亡，但死亡率遠比單細菌的死亡率??；圖一次水驅后剩余油形態(tài)從微生物作用一段時問后微觀模型內剩余油的分布形態(tài)可以看出（圖），微生物作用后模型中不同類型剩余油均發(fā)生了不同程度的變化。通過與一次水驅后的微觀剩余油分布形態(tài)對比發(fā)現(xiàn)，模型中孤島狀剩余油變小，柱狀剩余油被截斷變短，膜狀剩余油被剝離變薄，盲端處剩余油略有減少，同時孔道中還出現(xiàn)了大量的小油滴，可知微生物代謝產生了生物表面活性物質，破壞了剩余油表面堅固的水膜，將其剝離成自由的小油滴分散在水相中。微生物對不同類型剩余油作用效果微生物作用后，能有效啟動不同

12、類型剩余油。通過對不同類型剩余油的變化情況進行定量分析的結果第期朱維耀等：高溫高壓條件下油藏內源微生物微觀驅油機理圖微生物作用后剩余油形態(tài)可知（圖）：微生物作用前，不同類型剩余油占總剩余油的比例由大到小分別為簇狀剩余油、柱狀剩余油、盲端剩余油、膜狀剩余油、孤島狀剩余油；微生物作用后，社帝蕾鞋牡幫曲曩拽聾袖島輔卅盤袖盲螬盤曲不同類型剩余油均發(fā)生了變化，通過計算得出微生物對不同類型剩余油的作用效果依次為孤島狀剩余油、膜狀剩余油、柱狀剩余油、盲端剩余油、簇狀剩余油。微生物作用各階段盲端處殘余油變化盲端處殘余油變化過程模擬油藏條件靜態(tài)培養(yǎng)，觀察微生物作用于微觀盲端處殘余油的變化情況（圖）。封閉培養(yǎng)觀察

13、前，盲端處殘余油無明顯變化；隨著微生物作用時問的延長，微生物對原油降解并代謝產生生物氣和生物表面活性物質，逐漸作用于盲端處殘余油，使盲端處殘余油量降低；培養(yǎng)觀察第時，種因素共同作用辭暮仲蕾囂如碧柚橇精墓前。勻時，于盲端處殘余油，導致殘余油內聚力下降，逐漸從大塊的殘余油表面剝離出大量細小的小油滴，并隨著附著在表面微生物的運動離開盲端，隨機分散在孔隙介質中，此時盲端處殘余油減少幅度最明顯。圖微生物作用前后不同類型剩余油變化，崳一輯？吲，：齲釘；）黼蜘：弛。州川隨裙。圖高溫高壓條件下模型盲端子道內殘余油狀態(tài)盲端處殘余油量變化過程中，微生物生長代謝旺盛，盲端處殘余油量大幅降低，經過培養(yǎng)后，發(fā)現(xiàn)盲端處殘

14、余油量降低了。微生物微觀驅油效果采用微觀仿真模型驅油實驗配套設備，利用圖像采集系統(tǒng)，將驅替過程中的圖像轉化為計算機的數值通過對微生物作用各階段微觀盲端處殘余油量變化進行定量分析可知（圖），隨著培養(yǎng)時問的增加，盲端處殘余油量均呈下降趨勢；培養(yǎng)前，微生物生長代謝緩慢，盲端處殘余油量降低幅度小，在第至第的培養(yǎng)石油學報年第卷表微生物提高采收率結果昌擎鯽量磺餐舳微生物微觀驅油機理苣聾微生物啃噬、降解作用微生物的化學趨向性使其逐漸向原油（微生物生長所需的有機碳源）表面富集。附著于油水界面生長，通過在位降解、分解原油，為自身提供原料和能量。在常溫、常壓條件微生物微觀驅油實驗中，微生物對原油的降解通常表現(xiàn)為剩

15、余油顏色變淺口；但在高溫、高壓條件微生物微觀驅油實驗中，經過微生物作用后，發(fā)現(xiàn)剩余油表面還出現(xiàn)了不光滑的油斑，且微生物作用時問越長，“油斑”現(xiàn)象越明顯（圖），說明微生物對原油有“啃噬”作用。培舴封倜，圖微生物作用各階段盲端處殘余油量變化信號，并應用圖像處理技術，對微生物提高的采收率進行了定量分析（表）。注入微生物后，模型中存在，的原油，而經過微生物作用后，后續(xù)水驅時發(fā)現(xiàn)模型中還殘留的原油。因此，該條件下微生物提高的采收率為。黼一袖：川）蒲【：物：（，蓿盤枸；“惜拖：圖微生物對原油啃噬、降解，微生物產氣溶解、降黏作用對飽和油的模型一次水驅，由于注入水中存在溶解氧，微生物進行好氧呼吸作用，生成。，

16、微孔道中形成了油、氣、水三相。隨著壓力的升高，氣泡逐漸減小，由于形成油包氣現(xiàn)象，根據相似相容原理，。在油中的溶解度高于在水中的溶解度，因此，當達到一定壓力時，。呈超臨界狀態(tài)，氣泡消失溶解在原油中成為混相（圖）。氣體溶于原油后，增加了油氣混合液的氣油比，降低了原油黏度心，從而改善了原油的流動能力，這與常溫、常壓條件下微生物微觀驅油實驗中微生物產氣形成賈敏效應，增加水流阻力，提高采收率的機理截然不同口”。僚岫中，氣泡朝盛，）衄餉、弛陸小）叭汕叫？泡端舸消俄圖生物氣溶解過程第期朱維耀等：高溫高壓條件下油藏內源微生物微觀驅油機理微生物產表面活性劑改變潤濕性、乳化剝離作用微生物產生的表面活性劑吸附在孔隙

17、介質表面，由于表面活性劑兩性基團的作用，改變了孔隙介質表面的親油性質，使聚集在盲端處的剩余油和吸附在孔隙介質表面的油膜由于毛管力作用產生聚并現(xiàn)象，最終以油滴的形式存在于模型內部圖（）；同時，由于微生物的遷移作用以及代謝產生表面活性劑的作用，使剩余油乳化，形成膠束或微乳液，在后續(xù)水驅過程中改善了模型中油、水兩相的流度比，擴大了水驅波及體積圖（）；此外，微生物附著油水界面生長代謝，降低了油水界面張力，使界面被軟化、增強了剩余油的流動能力，后續(xù)水驅時在水動力的攜帶作用下，較大的剩余油被拉成絲狀、蝌蚪狀，最終被截斷成小油滴，隨水的驅動被帶出孔隙介質圖（）。（一）捐攫性改變川乾扯聰摯圖微生物產表面活性劑

18、對原油的作用翱盤；醯抖，齲蟈÷對流現(xiàn)象增強流動性作用中，隨著微生物的生長代謝，不斷產生表面活性物質，使界面處的表面活性劑濃度增加，產生了表面張力梯度，由于高溫條件下的對流、加上微生物的遷移作用和高壓條件下的擾動作用，使孔隙介質內的小油滴位置發(fā)生變化，增強了原油的流動性（圖）。微生物產生的表面活性劑存在于油水界面處，引起了一個表面張力梯度瞳釓，當表面張力梯度超過黏滯力時，將會導致自發(fā)的界面變形和界面運動，這種現(xiàn)象稱為對流嘲。在高溫高壓培養(yǎng)過程融也袖柞翩【）落巾糟門吲圖小油滴動態(tài)變化過程】街，卿相謂】主要微生物微觀驅油機理根據以上研究成果，微生物微觀驅油機理可歸結物代謝產生的表面活性物質

19、，能降低油水界面張力，乳化原油，改善油、水流度比，同時可吸附在孔隙介質表面發(fā)生潤濕反轉，增強原油的流動性。由此可知，微生物驅具有調堵、降黏、提高驅油效果等多重作用，其對高含水油田和三次采油后的油田提高采收率都具有重要意義?！?。為個方面：微生物可吸附在原油表面，以原油為碳源，對原油“啃噬”、降解原油；微生物代謝產生的。等物質溶解于原油，成為混相，可增加油氣混合液的氣油比，降低原油黏度，改善原油的流動能力；微生石油學報年第卷結論（）在高溫、高壓油藏條件下，內源微生物具有一定活性，且驅油效果較好，能使剩余油的形態(tài)及位置重新分布，并能顯著降低盲端處殘余油量。（）經微生物作用后，模型中大量的膜狀剩余油、

20、柱狀剩余油、盲端剩余油、簇狀剩余油及孤島狀剩余油，均被有效啟動，分析得出微生物對這類剩余油的啟動效果是：孤島狀剩余油膜狀剩余油柱狀剩余油盲端剩余油簇狀剩余油。（）微生物微觀驅油機理可歸結為微生物對原油的啃噬、降解；產生生物氣溶解于原油，降低原油黏度；產生生物表面活性劑改變孔隙介質表面潤濕性，同時乳化、剝離剩余油，增強原油流動能力個方面。（）微生物菌體自身的生長代謝及向油水界面吸附擴散、剝離剩余油的能力，能顯著改善原油的流動性，提高采收率，且不會對地層造成傷害。參宋智勇，郭遼原，袁書文，等高溫油藏內源微生物的調堵及種群分布石油學報，（）：，。，（）：蔣焱，徐登霆，陳健斌，等微生物單井處理技術及其

21、現(xiàn)場應用效果分析石油勘探與開發(fā)，（）：，（）：，。，。，（）：，（）：，郭萬奎，石成方，萬新德，等大慶油田聚合物驅后微生物調剖先導性現(xiàn)場試驗研究石油學報，（增刊）：考文獻，程杰成，王德民，李群，等大慶油田三元復合驅礦場試驗動態(tài)特征石油學報，（）：，（）：，修建龍，俞理，郭英本源微生物驅油滲流場微生物場耦合數學模型石油學報，（）：，。，（）：王修垣俄羅斯利用微生物提高石油采收率的新進展微生物學通報，（）：。，（）：汪衛(wèi)東我國微生物采油技術現(xiàn)狀及發(fā)展前景石油勘探與開發(fā)，（）：，（）：楊振宇，石梅，王大威，等大慶油田本源微生物群落分布及采油機理研究石油學報，（增刊）：，。，。，（）：馬繼業(yè)，郭省學，

22、雷光倫，等高溫高壓條件下微生物驅油微觀機理研究油田化學，（）：，（）：，賈忠偉，楊清彥，侯戰(zhàn)捷，等油水界面張力對三元復合驅驅油效果影響的實驗研究大慶石油地質與開發(fā)，（）：。，（）：，雷光倫，馬繼業(yè)，汪衛(wèi)東，等微生物提高采收率微觀機制中國石油大學學報：自然科學版，（）：，（）：，。張廷山，徐山石油微生物采油技術北京：化學工業(yè)出版社，：，。：，（）：包木太，王兵，袁長忠，等勝利油田沾區(qū)塊內源微生物室內模擬激活實驗研究化工學報，（）：，：，。卜，（）：曹功澤，徐登霆，張紹東，等勝利油田沾斷塊內源微生物現(xiàn)場第期朱維耀等：高溫高壓條件下油藏內源微生物微觀驅油機理激活試驗及分析石油天然氣學報，（）：，（）

23、：耿宏章，秦積舜，周開學，等影響原油粘度因素的試驗研究青島大學學報：工程技術版，（）：，（）：宋智勇，郭遼原，高光軍，等內源微生物驅油物模實驗及其群落演變研究石油鉆采工藝，（）：，：，（）：，（）：，（）：伍曉林，石梅，侯兆偉，等以烴為碳源的微生物驅油微觀機理探索研究大慶石油地質與開發(fā)，（）：，（）：，：，（）：周超凡效應與其他因素對傳質系數影響的研究天津：天津大學，吳偉林，張秀霞，單寶來，等技術用于石油污染土壤中微生物群落結構多樣性的初步研究石油學報：石油加工，（）：。：，汪洋，陳杰，王智慧，等多相傳質過程中的效應化工學報，（）：。，：，（）：，（）：，（）：，耿宏章，陳建文，孫仁遠，等二氧

24、化碳溶解氣對原油粘度的影響中國石油大學學報：自然科學版，（）：，（收稿日期改回日期編輯王培璽） 高溫高壓條件下油藏內源微生物微觀驅油機理作者：作者單位：朱維耀， 夏小雪， 郭省學， 李娟， 宋智勇， 曲國輝， Zhu Weiyao， Xia Xiaoxue， Guo Shengxue ， Li Juan， Song Zhiyong， Qu Guohui朱維耀,夏小雪,李娟,宋智勇,Zhu Weiyao,Xia Xiaoxue,Li Juan,Song Zhiyong(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院 北京 100083， 郭省學,Guo Shengxue(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司采

25、油工藝研究院 山東東營257000， 曲國輝,Qu Guohui(東北石油大學石油工程學院 黑龍江大慶163318石油學報Acta Petrolei Sinica2014,35(3刊名：英文刊名：年，卷(期：1. 程杰成;王德民;李群 大慶油田三元復合驅礦場試驗動態(tài)特征 2002(062. 王修垣 俄羅斯利用微生物提高石油采收率的新進展 1995(063. 楊振宇;石梅;王大威 大慶油田本源微生物群落分布及采油機理研究 2006(增刊14. 賈忠偉;楊清彥;侯戰(zhàn)捷 油水界面張力對三元復合驅驅油效果影響的實驗研究 2005(055. 張廷山;徐山 石油微生物采油技術 20096. Stepp A

26、 K;Bryant R S;Llave F M Microbial methods for improved conformance control in porous media.SPE 3535719967. 宋智勇;郭遼原;袁書文 高溫油藏內源微生物的調堵及種群分布 2010(068. 蔣焱;徐登霆;陳健斌 微生物單井處理技術及其現(xiàn)場應用效果分析 2005(029. Simpson D R;Natraj N R;McInerney M J Biosurfactantproducing bacillus are present in produced brines fromOklahoma

27、 oil reservoirs with a wide range of salinities 2011(0410. Wang Jing;Yan Guiwen;Xu Hongke Progress in microbial plugging technology 2007(0711. 郭萬奎;石成方;萬新德 大慶油田聚合物驅后微生物調剖先導性現(xiàn)場試驗研究 2006(增刊112. 修建龍;俞理;郭英 本源微生物驅油滲流場微生物場耦合數學模型 2010(0613. 汪衛(wèi)東 我國微生物采油技術現(xiàn)狀及發(fā)展前景 2002(0614. 馬繼業(yè);郭省學;雷光倫 高溫高壓條件下微生物驅油微觀機理研究 2008

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