微生物吞吐采油优化设计方法

1、微生物吞吐采油优化设计方法摘 要20世纪80年代发展起来的微生物强化采油技术，是一项利用微生物的活动及其代谢物强化采油的技术( Microbial Enhanced 0ilRecovery，简称MEOR)。因其具有较强的应用潜力，国内外对该技术越来越重视。微生物吞吐采油是指在采油井单井注入微生物，利用微生物作用，改变井眼内流体理化性能，提高单井原油产量。本文首先阐述了微生物吞吐采油的的作用机理，包括六个方面，对这些作用机理进行了全面概述。然后探讨了微生物采油的选井条件，包括一些具体参数。最后根据中原油田的条件研究了微生物采油菌种筛选的优化方法，并得到结论。关键词：MEOR；吞吐采油；作用机理；

2、菌种筛选一、微生物采油技术1.1 微生物采油技术简介目前普遍采用的采油技术主要有化学法（如表面活性剂、聚合物及其复合体系）、热采方法和气采方法，我国应用较多的是化学法。20世纪80年代发展起来的微生物强化采油技术，是一项利用微生物的活动及其代谢物强化采油的技术( Microbial Enhanced 0il Recovery，简称MEOR)。因其具有较强的应用潜力，国内外对该技术越来越重视。微生物采油技术是一项高新技术，是微生物技术与采油技术的融合，对于处理难采油井具有明显的作用。在90年代初，美国和加拿大等已进人商业化应用阶段。我国在此领域虽然起步较晚，但发展势头强劲，在室内研究和矿场试验都

3、有相当进展。微生物采油是指通过微生物作用提高油田采收率的采油方法。通过找出能够代谢产生出具有降解油层中例如沥青、石蜡、胶质等大分子物质生物酶的微生物使其进入油气层，改变油气层物性，降低油层中原油的粘度、增大其流动性，从而达到提高采收率的目的。因此,微生物采油技术具有广阔的发展空间，尤其对于高含水、特高含水的老油田具有十分重要的意义。微生物采油以其费用低、工序简单、操作方便，流动的油和不流动的油都能采出等特点，成为继水驱、化学驱、聚合物驱之后提高采收率的又一种新方法。微生物采油是生物工程在石油工业领域的开拓性应用。1.2 国内微生物强化采油技术发展现状自20世纪80年代后，我国微生物采油技术研究

4、快速发展。中科院微生物研究所、南开大学微生物中心、华东理工大学应用化学研究所、长江大学化学与环境工程学院、胜利油田采油研究院、吉林油田研究院和克拉玛依石油化工研究院等进行了实验室模拟研究，为尽快实现矿场试验起到积极的促进作用。至今已掌握了菌种培育、活化、发酵技术和单井采油工艺技术等。同期一些研究单位及油田还与国外公司合作如美国的NPC公司、日本的石油公司等进行了吞吐采油试验，有效率达70以上。目前我国的微生物采油技术研究方兴未艾，包括菌种筛选与培养、采油工艺研究、跟踪监测技术方法等，其最终目的是能够达到工业化应用规模，使该技术达到完善和成熟。在菌种开发方面除常规菌种外，还涉及耐高温、耐高矿化度

5、、耐高氯离子系列；采油工艺除单井处理外还涉及区块驱油、封堵高含水岩层及井筒防蜡处理工艺。除以上研究单位和油田进行微生物采油的技术研究和矿藏试验外，其他油田如辽河油田、大港油田、中原油田、江汉油田等也进行了类似的实验研究，也都证明了微生物强化采油技术的可行性与应用前景。表1国内几个油田微生物吞吐采油效果统计表油田吞吐井次累计增油/t单井增油/t投入产出比中原701003114331:4胜利7711000142.81:9吉林354462127.5/1.3 微生物强化采油技术主要优势和不足1.3.1 优势（1）成本低，作业简单。增产1桶原油，聚合物驱油花费58美元，表面活性剂驱油花费812美元，微生

6、物驱油花费14美元。（2）微生物和代谢产物不损害储层，无产出液后处理问题，环境友好。（3）适用范围广，对不适合聚合物驱油藏，微生物采油具有很大程度的适应性；对聚合物驱后油藏，微生物采油具有潜力。（4）可用于开采各种类型的原油，开采重质原油的效果更好。（5）注入的微生物和培养基（营养物）价格便宜，易于获得。可以针对具体的油藏，灵活调整微生物配方。（6）微生物细胞很小，且能运移，所以能够进入其他驱油工艺不能完全进入的油层中的死油区和裂缝。1.3.2 不足当然也有不足之处, 表现为:（1）不太适用于高温和高盐的油藏。（2）需要进行室内配伍性试验及适当的工艺设计。（3）需要开发能够真正预测油田生产动态

7、的油藏模拟软件。二、微生物吞吐采油技术微生物采油技术是利用微生物提高采收率的技术的总称。按照驱替方式来分，微生物采油技术可以分为微生物驱油技术和微生物吞吐采油技术。微生物驱油是指将微生物从注水井注入，随注入水一起对油层进行驱替，按照微生物源又可以分为外源微生物采油技术和本源微生物采油技术；微生物吞吐采油是指在采油井单井注入微生物，利用微生物作用，改变井眼内流体理化性能，提高单井原油产量。与微生物驱油技术相比，微生物吞吐采油技术风险更小、更易于操作、施工更加简单。因此，是微生物采油技术的主要发展方向。2.1 微生物吞吐采油技术作用机理微生物吞吐采油技术提高采收率的作用机理主要为以下几点。（1）微

8、生物在岩石表面繁殖占据孔隙空间而驱出原油。（2）微生物在生长繁殖过程中能够产生可以降解原油中重组分的酶,从而降低原油的粘度、临界压力、临界温度以及凝固点,增大原油的流动性能。（3）微生物通过代谢产生出的各种无机酸和有机酸,能够溶解岩石中的碳酸盐,清理岩石孔道,增大孔隙度,提高地层的渗透率。（4）微生物代谢可以产生二氧化碳、甲烷等气体,从而增大地层压力,降低地层流体粘度,提高原油的流动性。（5）微生物代谢产生的各种醇、糖、脂肪酸等,可以降低油水界面表面张力,改善岩石润湿性,且可以溶解原油,改善地层流体流动性能。（6）某些微生物(例如地衣芽孢杆菌)能够代谢产生对原油中稠化物质水解性良好酶,破除原油

9、残渣中的冻胶物质,提高原油流动性能。图1 微生物吞吐采油示意图2.2 微生物采油的选井条件由于MEOR技术是将细菌应用于井下或地层，而地层的物化环境对细菌的生长有很大影响，这将直接影响试验效果。因此，在选择试验井时，尽可能选择对细菌较温和的井下条件。前期的室内研究和大量的试验表明微生物单井吞吐技术适合油藏范围见表2。表2 微生物单井吞吐技术适合油藏范围油藏参数适合范围最佳范围温度（）12080矿化度（mg/L透率（m2）50×10-3100×10-3原油粘度（mPa·s）300010000具体到试验单井, 要求的矿场施工选井条件如下:（1

10、）油井具备正常的生产条件, 生产正常或基本正常。（2）管柱合理, 处理层油层上部没有封隔器, 防砂井不是化学防砂。（3）原油粘度低于4000mPa·s，地层水矿化度低于150000mg/L，pH值5一9之间。（4）井底温度最高不超过120，渗透率高于50×10-3m2。（5）含水低于70%，若高于70%则产液量最好低于20t/d。（6）含蜡量高于3%，油井近期(30d内)无降粘、清防蜡等化学处理。2.3 微生物吞吐采油在各油田的应用微生物吞吐采油技术在国内外各油田已经多次采用，均收到良好效果。目前，在我国东部老油田，单井吞吐采油实验已达800口井以上，平均增产量达56%，含

11、水降低达15%27%，增产效果非常明显。2.3.1 大庆油田在大庆油田储层含水5%95%之间、地层压力50MPa以下、原油含蜡量3%以上、地层温度120以下、矿化度15×104mg/L的葡北地区筛选出12株微生物菌种选择15口井进行微生物吞吐采油实验，进行吞吐采油后油井产油量和产液量均有增加。实验前15口井日产油34t，日产液量131t，含水率为74.0%，试验后油井日产油58t，日产液量为194t，含水率为70.1%；生产3月后，油井日产油42t，日产液量145t，含水率为71.0%；增产效果明显。2.3.2 川北油田在川北油田cs47井进行微生物吞吐采油实验，以川北水样和注入水为

12、对象筛选出3株菌种，采用套管挤注法注入，实验前日产油量为15.54t，日产气量为1.70 ×104m3；试验后日产油量为15.71t，日产气量1.823× 104m3；对比原油增产1.1%，天然气增产量7.1%，增产效果并不明显。2.3.3 青海七个泉和狮子沟油田5口井施工后，最长生产天数为97d，最短的44d；5口井平均日增液量4133m3， 日增油1133t，最高日增油2112t，最低019t；含水率平均下降6.08%，最高下降10%，最低下降4%；单井平均日增油1133t，累计增油473125t。三、中原油田微生物采油菌种筛选优化3.1 菌种的筛选原则MEOR的菌种筛

13、选原则是所选微生物需适应油藏环境条件( 如高温、高压、高盐、缺氧及不同渗透率和pH值等)，并在此环境中能生长代谢产生表面活性剂、酸、气、溶剂以及聚合物等物质, 能有效地乳化原油、增加压力、降低粘度，以增强原油流动性。经过国内外多年研究，认为MEOR的作用机理主要是:（1）降解作用。微生物本身具有分解石油烃的能力，经筛选的细菌，有些可以以原油的某些组份作为碳源，尤其是原油中大分子烃类，经细菌的降解作用，可将高粘度大分子烃降解成小分子量的石油组分, 从而降低粘度、改善流动性。（2）微生物代谢产物的作用。微生物在发酵过程中产生各种气体（如CH4、CO2、N2和H2等）一方面增加了地层的压力，另一方面

14、气体溶解于原油，改善其流动性，有利于采收率的提高。许多种细菌都能产生有机酸，在碳酸盐地层，或含有碳酸盐的砂岩地层中，细菌产生有机酸，可作用于岩石，溶解碳酸盐成分，可提高地层的渗透性。同时有机酸还可起到有机溶剂的作用。细菌的代谢产物中，有许多是有机醇类、醛类和酮类，这些物质相当于有机溶剂，对地层中的原油直接作用；也可降低油水界面张力，改变岩石的润湿性，帮助原油乳化。有些细菌可产生生物聚合物，细菌随含有营养的水相进人高渗区，在那里产生生物聚合物，可以对高渗区进行封堵或提高水相粘度，提高水驱效率。微生物采油技术就是要筛选那些既能适应地层环境，在地层中能生长，又具有很强的代谢性能的细菌，筛选出的细菌经

15、室内性能评价和测试后，再进行放大生产，生产出的菌液，运送到矿场进行试验。从室内细菌的筛选，到细菌的生产和矿场试验， 这整个过程都要保证细菌的活性，才有可能得到好的试验结果。这些细菌在地层或井筒中大量繁殖，可持续发挥作用。在地层中单个细菌的作用是微不足道的， 只有大量的细菌同时存在并发挥作用，才表现出明显的效果。3.2 微生物室内筛选与鉴定优化3.2.1 菌种来源样品为73个中原油田污水、炼油厂废水样和28个含油污泥样。3.2.2 培养基组成与配制 （1）分离降解石油微生物的无机盐溶液NaCl0.5%，（NH4）SO40.1%，MgSO47H2O0.025%，NaNO30.2%，KH2PO40.

16、5%，K2HPO43H2O1.0%（2）以原油为碳源的液体培养基在50ml厌氧培养瓶中加入原油0.2g，按厌氧液体培养基制备方法分装无机盐溶液10ml，120蒸汽灭菌20min，然后用无菌注射器注入2mlATS溶液和0.2ml1.0%Na2S和NaHCO3溶液。（3）以原油为碳源的固体培养基无机盐溶液添加酵母膏0.1%，原油4.0%，琼脂2.0%，调pH值为7.0-7.2，0.1MPa灭菌20min。（4）以葡萄糖为碳源的固体培养基无机盐溶液添加酵母膏0.1%，葡萄糖2.0%，琼脂2.0%，调pH值为7.0-7.2，0.7-0.8MPa灭菌20min。（5）以葡萄糖为碳源的液体培养基无机盐溶液

17、添加酵母膏0.2%，葡萄糖2.0%，调pH值为7.0-7.2，0.6-0.7MPa灭菌20min。3.2.3 厌氧菌种的富集配养与分离纯化 （1）将适量的污水或土样及原油0.2g放入厌氧培养瓶中（每个样品做0%和10%两个矿化度 ），按严格厌氧操作取适量无机盐溶液，40或60（下同），200250rpm摇床培养7天。（2）0.5ml上述培养液注入以原油为碳源的厌氧液体培养基，相同条件培养7天。（3）对1.3.2进行NO2-1离子检验，若有红色反应，则取其培养液0.5ml稀释到一定程度，在葡萄糖培养基上涂布，放入真空干燥器内，真空脂密封抽真空30min，然后充入高纯氮气，再抽真空10min，重复

18、四次，使干燥器保持-0.02MPa的真空度，相同温度恒温培养3天，（4）取不同形态的菌落在葡萄糖固体培养基上划线，反复抽真空充氮气，厌氧条件恒温培养。如此反复几次，直到菌落形态一致。（5）将划出的不同菌落在原油为碳源的固体培养基上划线，抽真空充氮气，厌氧培养7天，所得菌落既为纯化菌种。（6）挑取纯化的菌落分别接种在好氧、厌氧两种条件的原油液体培养基中，200250rpm摇床培养，观察其原油降解的情况，将能降解原油的菌种保存在葡萄糖斜面上。通过以上方法获得四株可降解原油的兼性厌氧菌种，分别是SDB-1、SDB-2、SDB-3、SDB-4 。 3.2.4 菌种扩大培养小试研究 (1)摇瓶实验a.培

19、养基配方的确定：采用正交实验法确定碳源、氮源、磷源的种类及浓度。b.摇瓶工艺参数的确定：固定摇瓶及装量，变换不同接种量、摇瓶转速及培养时间，进行生长曲线的测定，进而确定摇瓶最适工艺参数。(2)10L及50L发酵罐工艺参数的确定采用德国B.Braun公司生产Biostat系列微机控制自动发酵罐。10L发酵罐工艺参数参考摇瓶工艺参数，通过分批发酵实验定时取样，测定菌数及活性，确定接种量、通气量、搅拌转速、消沫剂浓度、培养时间等参数。50L发酵罐工艺是在10L发酵罐工艺参数的基础上进一步实验获得的，表3是50L发酵罐工艺参数。表3 50L发酵罐工艺参数菌号接种量通气量（v/vmin）搅拌时间（rpm

20、）消沫剂时间（hr）SDB-15%1:0.51600.320SDB-25%1:0.51600.320SDB-35%1:0.31000.320SDB-48%1:0.61800.3203.2.5 菌液活性保存研究 微生物菌液要保持其活性需作到两点，一是目的菌处于休眠状态，代谢速度缓慢；二是不能污染杂菌或即使污染杂菌也不能繁殖生长。市售多种抑菌剂均可采用，但其作用于杂菌的同时也伤害了目的菌。根据SDB-1、2、3、4具有耐高盐的性能，盐比较廉价又无污染，而普通微生物又不能适应高盐环境，设想用盐来保存菌液，并取得了成功。表2是10L罐培养所得菌液，分别添加一定浓度的保护剂（12%NaCL，0.2%Tw

21、een），密封置于室温环境保存，每隔15天取样测定活菌及降粘能力。表4 发酵液保存活性检测结果时间（天）0153045607590SDB-1活菌数（107个/ml）4.104.103.353.212.904.103.15降粘率（%）39.642.036.6038.135.231.534.6SDB-2活菌数（1010个/ml）1.301.502.101.202.081.701.63降粘率（%）41.036.041.541.834.531.833.0SDB-3活菌数（109个/ml）8.635.604.209.753.863.703.60降粘率（%）38.237.041.542.033.629.0

22、30.1SDB-4活菌数（1010个/ml）1.220.950.762.121.831.201.08降粘率（%）42.645.139.837.641.036.535.43.2.6 兼性厌氧菌的初步鉴定 (1)细菌的形态及培养特征a.SDB-1细胞杆状，半固体穿刺运动，G-。菌落为乳白色，葡萄糖固体平板培养24小时，菌落大小约1.41.7mm，圆形，半透明，表面光滑，略有凸起，边缘整齐，无色素。b.SDB-2为短杆菌，半固体穿刺，不运动，G-。菌落很小，葡萄糖固体平板培养24小时，菌落大小约1.01.2mm，形状不规则，边缘呈曲波状，平突起，表面有皱褶，无光泽，色泽淡黄，不透明，能产生绿色水溶性

23、色素。c.SDB-3为短杆菌，单个、成对或链状存在，G-。半固体穿刺运动，不运动。葡萄糖固体平板培养24小时，菌落大小约1.41.9mm，圆形，黄色，黏液状，边缘光滑，平凸起，表面平滑。d.SDB-4为短杆菌，单个、成对或链状存在，半固体穿刺不运动，G-。葡萄糖固体平板培养24小时，菌落大小约1.21.7mm，黄色，圆型，边缘光滑，平凸起，表面平滑。(2)生理生化特征SDB-1、2、3、4生理生化见表5。表5 生理生化特征生理生化特征菌种反应SDB-1SDB-2SDB-3SDB-4淀粉水解酶+-+明胶水解+过氧化氢酶+细胞色素氧化酶+柠檬酸盐利用+甲基红反应-乙酰甲基甲酸+吲哚反应+脲酶反应+

24、H2S气体反应-反硝化反应+碳水化合物利用只氧化只氧化只氧化只氧化甘露糖+乳糖+果糖+葡萄糖+WW+蔗糖+WW-注：“W”表示微弱产酸查伯杰氏细菌鉴定手册第八版，SDB-1、2、3、4均属于假单胞菌属。(3)菌株毒性测试经山东省卫生防疫站检测，SDB-1、2、3、4其LD50均大于10，000mg/Kg，无毒，对人体和环境无污染。3.3 与原油作用效果和油藏适应性研究3.3.1 发酵液表面张力和有机酸测定 有机酸测定采用酸碱滴定法，表面张力测定采用JzhY1-180表面张力测定仪。发酵液表面张力和有机酸测定结果见表6。表6 发酵液表面张力和有机酸测定项目菌号培养前PH培养后PH20ml培养液N

25、aOH当量数表面张力mN/mSDB-17.64.26.0×10-332.6SDB-27.64.24.7×10-335.7SDB-37.64.55.5×10-333.6SDB-47.64.36.0×10-333.1结果表明四株菌培养过程中，均能产生表面活性剂和有机酸。3.3.2 菌种耐温、耐压、耐盐实验 耐盐实验：菌种经活化后，接种子瓶，40培养一天得到种子液，接入不同盐浓度的摇瓶中，培养数天后，记数。比较不同盐浓度中菌的生长情况，结果见表7。 表7 菌种耐盐实验菌号矿化度mg/LSDB-1SDB-2SDB-3SDB-4种子液（0）0h8.0×1

26、063.2×1065.6×1068.6×10624h8.9×1087.0×1086.5×1081.2×109424h6.0×1075.4×1074.3×1077.6×107824h2.5×1078.6×1062.6×1076.5×1061024h8.8×1064.6×1068.0×1065.3×106结果说明四株菌对10万mg/L的高盐具有耐受能力。当盐浓度为8万mg/L时，菌种还能增值，盐浓度升至10万m

27、g/L时，菌种的增殖能力已很微弱了。耐温耐压实验：种子液稀释三倍，添加不同营养成分加入高压容器，排净空气密封后放入恒温水浴，调节至测定的温度和压力，比较高温、高压培养前后菌数的变化，结果见表8。表8 菌种耐温、耐压实验菌数菌种常温常压90 15MPa90 20 MPa90 28 MPa0h菌数48h活菌数48h菌数48h菌数SDB-16.0×1083.2×1081.7×1050SDB-24.2×1087.0×1074.3×1040SDB-37.8×1081.6×1086.5×1040SDB-49.0

28、15;1062.30×1063.4×1030结果说明所筛选的四株菌能耐受90高温和15MPa压力，高于这一压力活菌数将呈数量级锐减，压力升至28 MPa时，菌种全部死亡。人们一般认为微生物对压力不十分敏感，这一结果说明微生物对压力的敏感是有限度的。3.3.3 降粘性能测试 SDB-1,2,3,4对高粘度03原油和低粘度04原油的作用见表9。 表9 降粘性能测试油样指标对照SDB-1SDB-2SDB-3SDB-4高粘03平均粘度（mpa.s）2535172418767871470降粘率（%）_32266842低粘04平均粘度（mpa.s）77.574.067.571.065.

29、0降粘率（%）_4.512.98.416.1可以看出四种菌对高粘度原油有良好的降解作用，而对于低粘度原油作用不明显，这种结果可能有两方面原因，一是细菌只能利用特定链长的烃类，在高粘度原油内这种烃类较多，二是轻质烃组分对细菌具有很强的毒害作用，而低粘度原油中含有大量轻质烃，细菌在该体系的生长活动受到抑制。3.3.4 热活性检测采用2227TAM热活性检测仪，测定了SDB-1、2在不同链长烷烃为碳源的培养基中生长的热活性，结果见表10。表10 菌种热活性检测 烷烃菌种庚烷辛烷十一烷十二烷十四烷十六烷十八烷SDB-1+SDB-2+注：表中“”表示没有活性，“+”表示有活性结果说明菌种在低碳数烷烃（十一烷以下）为碳源的培养基中基本不生长，此结果与3.3.3的推断相一致。3.3.5 气相色谱分析 作用前采用氢焰离子化检测器（FID），对经过SDB-3作用前后的03号原油进行气相色谱分析，图3结果显示对应出峰时间烷烃的百分含量明显下降，说明对应