高温高压条件下油藏内源微生物微观驱油机理

1、第卷第期年月石油学报文章编号：（）：吉日吉同皿同压条件下油藏内源微生物微观驱油机理朱维耀夏小雪北京；郭省学李娟宋智勇曲国辉山东东营（北京科技大学土木与环境工程学院中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司采油工艺研究院）东北石油大学石油工程学院黑龙江大庆摘要：为研究内源微生物微观驱油机理，在模拟油藏高温高压（。、）条件下，以油田提取的内源微生物群落及其代谢产物作为驱油介质，利用研制的微观仿真光刻蚀可视模型，对水驱、微生物驱油过程中剩余油形态及流动特征进行显微观察和分析；并应用测试和图像处理技术，定量考察微生物微观驱油效果。研究结果表明：高温高压油藏条件下，内源微生物具有一定活性，且驱油效果较好；微

2、生物被激活后，能有效启动不同类型剩余油，并可与代谢产物共同作用于水驱所无法波及到的盲端孔道，置换出剩余油，增强了原油的流动能力，同时可提高采收率。微生物微观驱油机理可归结为：微生物对原油的“啃噬”、降解；产生生物气溶解于原油，降低原油黏度；产生生物表面活性剂层层剥离、乳化剩余油，改变孔隙介质表面的润湿性等。关键词：高温高压；多孔介质；内源微生物；提高采收率；微观驱油机理中图分类号：文献标识码：（，。，；，）：，（。，），；，：（）；（）：；（）；：内源微生物群落是指油田注水开发过程中一定时期内在数量和种类上保持相对稳定的微生物群落，其随注入水进入油藏口，。内源微生物驱油技术就是利用地层中已经存

3、在的微生物群落，通过注水井向地层中注入适量的营养激活剂（必要时，配注一定量的空气），从而激活油藏中有益微生物群落，利用其自身在油藏中的代谢活动及代谢产物（生物表面活性剂、有机酸、有机溶剂和生物气等）与岩石、原油和水的界面相互作用，降低界面张力，改善原油的流动性质，提高原油采收率口。与外源微生物驱油技术相比，其具有更能适应油藏的极端环境，且不需要菌种保藏和菌液生产等优点，是目前较为活跃的研究方向口。内源微生物驱油技术作用机理十分复杂，涉及到很多生理、生化和物理过程，一般认为其作用机理主要包括微生物调剖和微生物提高洗油效率两方面：微生物调剖。微生物产生的生物聚合物能够增加水相基金项目：国家自然科学

4、基金重点项目（）、国家重大科技专项（）、科技创新重大项目培育资金项目（）和中国工程院学部咨询研究项目“中国陆相砂岩油田特高含水期提高采收率关键技术问题及有效开发对策研究”（）资助。第一作者及通信作者：朱维耀，男，年月生，年获大庆石油学院学士学位，年获中国科学院渗流流体力学研究所博士学位，现为北京科技大学土木与环境工程学院教授、博士生导师，主要从事渗流力学、流体力学、油气田开发研究与教学工作。：。第期朱维耀等：高温高压条件下油藏内源微生物微观驱油机理黏度，改善流度比；微生物在油藏内大量繁殖，起到选择性封堵油藏大孔道的作用；微生物产生的生物气可形成贾敏效应增加水流阻力，起到调剖作用。微生物提高洗油

5、效率。微生物可降解原油，改善原油在地层中的流动性；微生物代谢产生的生物表面活性剂可降低油水界面张力，改变岩石润湿性；微生物产生的生物气提高地层压力，溶于原油后增加体积系数、降低黏度口。”。目前，有关微生物微观驱油的实验研究多界定于常温常压条件下驱替过程中的宏观定性描述，对于模拟油藏高温高压多孔介质条件下进行内源微生物微观驱油的实验研究还未见报道，这使得许多提高采收率的机理还未被认清和量化口。”。因此，笔者立足于微观层面，通过模拟油藏高温、高压环境，采用微观仿真模型驱油实验配套设备与图像采集系统，利用激活的内源混合微生物，对微生物作用各阶段剩余油在多孔介质中的形态和变化进行跟踪观察，揭示了微生物

6、在油藏条件下的驱油特征，阐明了微生物微观驱油机理，为微生物驱油现场试验提供参考。埋深为，温度为，渗透率为，孔隙度约为，地下原油黏度为，地层水矿化度为，地层水实验所用菌种来自胜利油田沾区块地层水中的值为，”。内源混合微生物，经过鉴定主要含芽孢杆菌属、链霉菌属、埃希氏菌属、假单胞菌属和志贺菌属等，其群落结构比较丰富，具有可激活性，激活后微生物群落总数达到×个，且可代谢产生生物气和生物表面活性物质。”。实验驱替水采用自来水，实验用油为脱水脱气原油添加适当比例煤油配制成的模拟油。实验试剂与装置实验试剂为：石油醚、乙醇、变色硅胶、葡萄糖和蛋白胨（均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司生产）。实验

7、装置为高温高压微观驱油实验装置，其主要由微量注入泵、模型夹持器、驱替系统、回压系统、环压系统、压力监视系统和图像采集系统等组成（图）。该装置能够利用普通玻璃微观实验模型进行压力在实验以下、压差在以下、温度在以下实验材料实验所用原油来源于胜利油田沾区块，该油藏的各种微观实验。实验将微观仿真玻璃模型置于高温高压耐腐蚀圆柱形容器中后，再进行微观观察和驱替。图高温高压微生物微观驱油实验装置微观透明模型实验中所使用的孔隙结构仿真地层模型是一种透明的二维平面玻璃模型。采用光化学刻蚀工艺，按照胜利油田岩心铸体薄片的真实孔隙系统，经过适当的显微放大后精密地光刻到平面光学玻璃上，然后对涂有感光材料的光学玻璃板进

8、行曝光，用氢氟酸处理曝光后的玻璃模板，再通过高温烧结制成。模型大小为×，孔隙体积约为肚，平均孔径为扯，孔道截面为椭圆形，具有可视性。在微观模型的两对角处分别打一小孔，模拟注入井和采出井，实现驱替过程的仿真。激活剂配方为提高微生物活性，激活剂除应包含地层水中所缺乏的、和源，同时还应试图抑制硫酸盐还原菌活性，并提高初期的好氧菌活性。因此，在兼顾低成本的原则下，设计了如下配方：淀粉水解液的体积分数为，磷酸氢二铵的质量浓度为，尿素的质量浓度为，硝酸铵的质量浓度为。石油学报年第卷实验步骤及方法微观驱油实验具体步骤为：将微观模型抽真空后，安装到夹持器内，同时关闭放空阀；向模型中注水，同时调整环压

9、和回压，对模型加热、加压；将模型饱和原油；一次水驱，注入含有微生物及营养物质的地层水，驱替速度为，水驱后结束，对剩余油分布、剩余油形态以及标注的重点区域拍照；关闭进、出阀门，在设定的温度和压力（、低；且与高温、常压条件相比，油藏高温、高压条件下微生物仍具有一定活性，但其生长与衰减缓慢，说明高温、高压培养过程中能适应油藏极端环境的细菌较少。，西皇铡擗蝈岳罄）下恒温培养，每天观察记录剩余油状态；后续水驱，注入自来水，驱替方法和速度与微生物注入时保持一致，水驱结束后，对剩余油分布、剩余油形态以及标注的重点区域拍照，实验结束；观察记录实验现象，并用同样方法进行一组空白对照实验。实验结果与分析微生物生长

10、特性图不同培养条件下多子介质中活细菌浓度为保证驱油过程中一定数量微生物的存在，采用玻璃微珠来模拟多孔介质，将菌液放入含有玻璃微珠的中问容器中，分别在高温、常压和高温、高压条件下培养，并定期对不同培养条件下的菌液取样，进行微生物染色镜检观察，查看其中活细菌的数量。由实验结果可知（图），油藏内源微生物被激活后，混合细菌的生长先后经历了的适应期、第的对数增长期和的稳定期过程。随着稳定期过后，部分分裂增微生物作用前后不同类型剩余油变化微生物作用对不同类型剩余油形态的影响从一次水驱后微观模型内剩余油的分布形态可以看出（图），模型中剩余油以孤岛状、柱状、膜状、簇状和盲端等形式存在，其中膜状和孤岛状剩余油主

11、要分布在大孔道内，而小孔道内剩余油以柱状和簇状为主，同时还存在少量的盲端剩余油。殖的微生物逐渐死亡，但死亡率远比单细菌的死亡率！；图一次水驱后剩余油形态从微生物作用一段时问后微观模型内剩余油的分布形态可以看出（图），微生物作用后模型中不同类型剩余油均发生了不同程度的变化。通过与一次水驱后的微观剩余油分布形态对比发现，模型中孤岛状剩余油变小，柱状剩余油被截断变短，膜状剩余油被剥离变薄，盲端处剩余油略有减少，同时孔道中还出现了大量的小油滴，可知微生物代谢产生了生物表面活性物质，破坏了剩余油表面坚固的水膜，将其剥离成自由的小油滴分散在水相中。微生物对不同类型剩余油作用效果微生物作用后，能有效启动不同

12、类型剩余油。通过对不同类型剩余油的变化情况进行定量分析的结果第期朱维耀等：高温高压条件下油藏内源微生物微观驱油机理图微生物作用后剩余油形态可知（图）：微生物作用前，不同类型剩余油占总剩余油的比例由大到小分别为簇状剩余油、柱状剩余油、盲端剩余油、膜状剩余油、孤岛状剩余油；微生物作用后，社帝蕾鞋牡帮曲曩拽聋袖岛辅卅盘袖盲螬盘曲不同类型剩余油均发生了变化，通过计算得出微生物对不同类型剩余油的作用效果依次为孤岛状剩余油、膜状剩余油、柱状剩余油、盲端剩余油、簇状剩余油。微生物作用各阶段盲端处残余油变化盲端处残余油变化过程模拟油藏条件静态培养，观察微生物作用于微观盲端处残余油的变化情况（图）。封闭培养观察

13、前，盲端处残余油无明显变化；随着微生物作用时问的延长，微生物对原油降解并代谢产生生物气和生物表面活性物质，逐渐作用于盲端处残余油，使盲端处残余油量降低；培养观察第时，种因素共同作用辞暮仲蕾嚣如碧柚橇精墓前。匀时，于盲端处残余油，导致残余油内聚力下降，逐渐从大块的残余油表面剥离出大量细小的小油滴，并随着附着在表面微生物的运动离开盲端，随机分散在孔隙介质中，此时盲端处残余油减少幅度最明显。图微生物作用前后不同类型剩余油变化，嵛一辑？吲，：龋钉；）黼蜘：弛。州川随裙。图高温高压条件下模型盲端子道内残余油状态盲端处残余油量变化过程中，微生物生长代谢旺盛，盲端处残余油量大幅降低，经过培养后，发现盲端处残

14、余油量降低了。微生物微观驱油效果采用微观仿真模型驱油实验配套设备，利用图像采集系统，将驱替过程中的图像转化为计算机的数值通过对微生物作用各阶段微观盲端处残余油量变化进行定量分析可知（图），随着培养时问的增加，盲端处残余油量均呈下降趋势；培养前，微生物生长代谢缓慢，盲端处残余油量降低幅度小，在第至第的培养石油学报年第卷表微生物提高采收率结果昌擎鲫量磺餐舳微生物微观驱油机理苣聋微生物啃噬、降解作用微生物的化学趋向性使其逐渐向原油（微生物生长所需的有机碳源）表面富集。附着于油水界面生长，通过在位降解、分解原油，为自身提供原料和能量。在常温、常压条件微生物微观驱油实验中，微生物对原油的降解通常表现为剩

15、余油颜色变浅口；但在高温、高压条件微生物微观驱油实验中，经过微生物作用后，发现剩余油表面还出现了不光滑的油斑，且微生物作用时问越长，“油斑”现象越明显（图），说明微生物对原油有“啃噬”作用。培舴封倜，图微生物作用各阶段盲端处残余油量变化信号，并应用图像处理技术，对微生物提高的采收率进行了定量分析（表）。注入微生物后，模型中存在，的原油，而经过微生物作用后，后续水驱时发现模型中还残留的原油。因此，该条件下微生物提高的采收率为。黼一袖：川）蒲【：物：（，蓿盘枸；“惜拖：图微生物对原油啃噬、降解，微生物产气溶解、降黏作用对饱和油的模型一次水驱，由于注入水中存在溶解氧，微生物进行好氧呼吸作用，生成。，

16、微孔道中形成了油、气、水三相。随着压力的升高，气泡逐渐减小，由于形成油包气现象，根据相似相容原理，。在油中的溶解度高于在水中的溶解度，因此，当达到一定压力时，。呈超临界状态，气泡消失溶解在原油中成为混相（图）。气体溶于原油后，增加了油气混合液的气油比，降低了原油黏度心，从而改善了原油的流动能力，这与常温、常压条件下微生物微观驱油实验中微生物产气形成贾敏效应，增加水流阻力，提高采收率的机理截然不同口”。僚岫中，气泡朝盛，）衄饷、弛陆小）叭汕叫？泡端舸消俄图生物气溶解过程第期朱维耀等：高温高压条件下油藏内源微生物微观驱油机理微生物产表面活性剂改变润湿性、乳化剥离作用微生物产生的表面活性剂吸附在孔隙

17、介质表面，由于表面活性剂两性基团的作用，改变了孔隙介质表面的亲油性质，使聚集在盲端处的剩余油和吸附在孔隙介质表面的油膜由于毛管力作用产生聚并现象，最终以油滴的形式存在于模型内部图（）；同时，由于微生物的迁移作用以及代谢产生表面活性剂的作用，使剩余油乳化，形成胶束或微乳液，在后续水驱过程中改善了模型中油、水两相的流度比，扩大了水驱波及体积图（）；此外，微生物附着油水界面生长代谢，降低了油水界面张力，使界面被软化、增强了剩余油的流动能力，后续水驱时在水动力的携带作用下，较大的剩余油被拉成丝状、蝌蚪状，最终被截断成小油滴，随水的驱动被带出孔隙介质图（）。（一）捐攫性改变川乾扯聪挚图微生物产表面活性剂

18、对原油的作用翱盘；醯抖，龋蝈÷对流现象增强流动性作用中，随着微生物的生长代谢，不断产生表面活性物质，使界面处的表面活性剂浓度增加，产生了表面张力梯度，由于高温条件下的对流、加上微生物的迁移作用和高压条件下的扰动作用，使孔隙介质内的小油滴位置发生变化，增强了原油的流动性（图）。微生物产生的表面活性剂存在于油水界面处，引起了一个表面张力梯度瞳钆，当表面张力梯度超过黏滞力时，将会导致自发的界面变形和界面运动，这种现象称为对流嘲。在高温高压培养过程融也袖柞翩【）落巾糟门吲图小油滴动态变化过程】街，卿相谓】主要微生物微观驱油机理根据以上研究成果，微生物微观驱油机理可归结物代谢产生的表面活性物质

19、，能降低油水界面张力，乳化原油，改善油、水流度比，同时可吸附在孔隙介质表面发生润湿反转，增强原油的流动性。由此可知，微生物驱具有调堵、降黏、提高驱油效果等多重作用，其对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义。“。为个方面：微生物可吸附在原油表面，以原油为碳源，对原油“啃噬”、降解原油；微生物代谢产生的。等物质溶解于原油，成为混相，可增加油气混合液的气油比，降低原油黏度，改善原油的流动能力；微生石油学报年第卷结论（）在高温、高压油藏条件下，内源微生物具有一定活性，且驱油效果较好，能使剩余油的形态及位置重新分布，并能显著降低盲端处残余油量。（）经微生物作用后，模型中大量的膜状剩余油、

20、柱状剩余油、盲端剩余油、簇状剩余油及孤岛状剩余油，均被有效启动，分析得出微生物对这类剩余油的启动效果是：孤岛状剩余油膜状剩余油柱状剩余油盲端剩余油簇状剩余油。（）微生物微观驱油机理可归结为微生物对原油的啃噬、降解；产生生物气溶解于原油，降低原油黏度；产生生物表面活性剂改变孔隙介质表面润湿性，同时乳化、剥离剩余油，增强原油流动能力个方面。（）微生物菌体自身的生长代谢及向油水界面吸附扩散、剥离剩余油的能力，能显著改善原油的流动性，提高采收率，且不会对地层造成伤害。参宋智勇，郭辽原，袁书文，等高温油藏内源微生物的调堵及种群分布石油学报，（）：，。，（）：蒋焱，徐登霆，陈健斌，等微生物单井处理技术及其

21、现场应用效果分析石油勘探与开发，（）：，（）：，。，。，（）：，（）：，郭万奎，石成方，万新德，等大庆油田聚合物驱后微生物调剖先导性现场试验研究石油学报，（增刊）：考文献，程杰成，王德民，李群，等大庆油田三元复合驱矿场试验动态特征石油学报，（）：，（）：，修建龙，俞理，郭英本源微生物驱油渗流场微生物场耦合数学模型石油学报，（）：，。，（）：王修垣俄罗斯利用微生物提高石油采收率的新进展微生物学通报，（）：。，（）：汪卫东我国微生物采油技术现状及发展前景石油勘探与开发，（）：，（）：杨振宇，石梅，王大威，等大庆油田本源微生物群落分布及采油机理研究石油学报，（增刊）：，。，。，（）：马继业，郭省学，

22、雷光伦，等高温高压条件下微生物驱油微观机理研究油田化学，（）：，（）：，贾忠伟，杨清彦，侯战捷，等油水界面张力对三元复合驱驱油效果影响的实验研究大庆石油地质与开发，（）：。，（）：，雷光伦，马继业，汪卫东，等微生物提高采收率微观机制中国石油大学学报：自然科学版，（）：，（）：，。张廷山，徐山石油微生物采油技术北京：化学工业出版社，：，。：，（）：包木太，王兵，袁长忠，等胜利油田沾区块内源微生物室内模拟激活实验研究化工学报，（）：，：，。卜，（）：曹功泽，徐登霆，张绍东，等胜利油田沾断块内源微生物现场第期朱维耀等：高温高压条件下油藏内源微生物微观驱油机理激活试验及分析石油天然气学报，（）：，（）

23、：耿宏章，秦积舜，周开学，等影响原油粘度因素的试验研究青岛大学学报：工程技术版，（）：，（）：宋智勇，郭辽原，高光军，等内源微生物驱油物模实验及其群落演变研究石油钻采工艺，（）：，：，（）：，（）：，（）：伍晓林，石梅，侯兆伟，等以烃为碳源的微生物驱油微观机理探索研究大庆石油地质与开发，（）：，（）：，：，（）：周超凡效应与其他因素对传质系数影响的研究天津：天津大学，吴伟林，张秀霞，单宝来，等技术用于石油污染土壤中微生物群落结构多样性的初步研究石油学报：石油加工，（）：。：，汪洋，陈杰，王智慧，等多相传质过程中的效应化工学报，（）：。，：，（）：，（）：，（）：，耿宏章，陈建文，孙仁远，等二氧

24、化碳溶解气对原油粘度的影响中国石油大学学报：自然科学版，（）：，（收稿日期改回日期编辑王培玺） 高温高压条件下油藏内源微生物微观驱油机理作者：作者单位：朱维耀， 夏小雪， 郭省学， 李娟， 宋智勇， 曲国辉， Zhu Weiyao， Xia Xiaoxue， Guo Shengxue ， Li Juan， Song Zhiyong， Qu Guohui朱维耀,夏小雪,李娟,宋智勇,Zhu Weiyao,Xia Xiaoxue,Li Juan,Song Zhiyong(北京科技大学土木与环境工程学院 北京 100083， 郭省学,Guo Shengxue(中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司采

25、油工艺研究院 山东东营257000， 曲国辉,Qu Guohui(东北石油大学石油工程学院 黑龙江大庆163318石油学报Acta Petrolei Sinica2014,35(3刊名：英文刊名：年，卷(期：1. 程杰成;王德民;李群 大庆油田三元复合驱矿场试验动态特征 2002(062. 王修垣 俄罗斯利用微生物提高石油采收率的新进展 1995(063. 杨振宇;石梅;王大威 大庆油田本源微生物群落分布及采油机理研究 2006(增刊14. 贾忠伟;杨清彦;侯战捷 油水界面张力对三元复合驱驱油效果影响的实验研究 2005(055. 张廷山;徐山 石油微生物采油技术 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;郭辽原;袁书文 高温油藏内源微生物的调堵及种群分布 2010(068. 蒋焱;徐登霆;陈健斌 微生物单井处理技术及其现场应用效果分析 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. 郭万奎;石成方;万新德 大庆油田聚合物驱后微生物调剖先导性现场试验研究 2006(增刊112. 修建龙;俞理;郭英 本源微生物驱油渗流场微生物场耦合数学模型 2010(0613. 汪卫东 我国微生物采油技术现状及发展前景 2002(0614. 马继业;郭省学;雷光伦 高温高压条件下微生物驱油微观机理研究 2008

28、(0415. 雷光伦;马继业;汪卫东 微生物提高采收率微观机制 2009(0316. 包木太;王兵;袁长忠 胜利油田沾3区块内源微生物室内模拟激活实验研究 2008(0917. 曹功泽;徐登霆;张绍东 胜利油田沾3断块内源微生物现场激活试验及分析 2012(0718. 宋智勇;郭辽原;高光军 内源微生物驱油物模实验及其群落演变研究 2010(0119. 伍晓林;石梅;侯兆伟 以烃为碳源的微生物驱油微观机理探索研究 2003(0420. 吴伟林;张秀霞;单宝来 PCR DGGE技术用于石油污染土壤中微生物群落结构多样性的初步研究 2010(0421. Vaningelgem F;Zamfir M;Mozzi F Biodiversity of exopolysaccharides pr