石油是當(dāng)今世界能源和化學(xué)工業(yè)最重要的原料,有“現(xiàn)代化工業(yè)的血液”之稱[1]。目前常規(guī)的石油開采技術(shù)只能采出石油儲(chǔ)量的30%~40%,三次采油技術(shù)(亦稱強(qiáng)化采油技術(shù),有熱驅(qū)法、化學(xué)驅(qū)法和混相驅(qū)法)的石油平均采收率也很難超過(guò)50%[2]。微生物提高石油采收率技術(shù)(Microbial enhanced oil recovery,MEOR)是繼三次采油技術(shù)后提出的四次采油技術(shù),是通過(guò)注入或激活在油藏內(nèi)能存活的微生物以提高原油的采收率[2,3],其關(guān)鍵取決于選用的微生物能否在油藏條件下進(jìn)行繁殖和有效的代謝,從而改善原油性質(zhì)。
微生物采油菌種的性能評(píng)價(jià)分為菌種室內(nèi)性能評(píng)價(jià)、室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和礦場(chǎng)試驗(yàn)階段評(píng)價(jià)三部分。室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)是菌種油田評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的預(yù)實(shí)驗(yàn),能夠進(jìn)一步驗(yàn)證菌種的應(yīng)用潛力,具有相當(dāng)重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外微生物驅(qū)油室內(nèi)模型研究呈兩種趨勢(shì),一類使用從油藏開采的天然巖心試驗(yàn),試驗(yàn)效果較好,但是成本較高,研究者很少使用[4];另一類使用較多的是采用樹脂或石英砂或石英砂與石灰?guī)r的混合物燒結(jié)而成的人造巖心試驗(yàn),此類巖心制作相對(duì)麻煩,容易引起孔隙不均勻等情況,提高采收率一般在6%~15%之間,極少數(shù)能達(dá)到20%[5~8]??紫槠降萚9]設(shè)計(jì)的鋼管填砂模型結(jié)實(shí)耐用,但在實(shí)際操作過(guò)程中需要滅菌,兩輪驅(qū)替實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)達(dá)77 d,石油采收率僅提高8.3%。
獸疫鏈球菌C型(Streptococcuszooepidemicus)為兼性厭氧菌,耐鹽度高、生長(zhǎng)速度快[10],其代謝物有利于原油乳化降粘,對(duì)提高石油采收率有很大幫助[11]。
作者為驗(yàn)證獸疫鏈球菌在實(shí)際油田中的應(yīng)用潛力,結(jié)合當(dāng)前室內(nèi)模型研究狀況設(shè)計(jì)了一套沙土管模型,系統(tǒng)探討了溫度、含油量、注入菌液濃度、閉井時(shí)間對(duì)微生物驅(qū)提高石油采收率的影響。
原油為新疆克拉瑪依油田出廠重質(zhì)稠油。
獸疫鏈球菌C型(Streptococcuszooepidemicus),菌落為白色透明,濕潤(rùn),直徑1.0~5.0 mm,細(xì)胞為圓球狀或鏈球狀,細(xì)胞周圍帶莢膜;革蘭氏染色為陽(yáng)性,無(wú)毒;自行篩選保藏。
斜面培養(yǎng)基:酵母粉3 g,蛋白胨10 g,蔗糖10 g,MgSO40.5 g,KH2PO41 g,Na2HPO41 g,瓊脂15 g,去離子水1 L,pH值自然,1×105Pa滅菌20 min。
發(fā)酵培養(yǎng)基:酵母粉3 g,蛋白胨10 g,蔗糖20 g,MgSO40.5 g,KH2PO41 g,Na2HPO41 g,去離子水1 L,pH值自然,1×105Pa滅菌20 min。
Cary 50型紫外可見分光光度計(jì),美國(guó)瓦里安公司;NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì),上海恒平科學(xué)儀器有限公司;HZQ-F型恒溫振蕩培養(yǎng)箱,哈尓濱市東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司;HW·SY11-K2C型電熱恒溫水浴鍋,北京市長(zhǎng)風(fēng)儀器儀表公司;BT01-100型蠕動(dòng)泵,保定蘭格恒流泵有限公司。
1.4.1 菌株培養(yǎng)
以甘油管種子液按5%接種量接種到發(fā)酵培養(yǎng)基,于35℃、170 r·min-1搖瓶培養(yǎng)12 h。
1.4.2 菌株對(duì)原油作用
對(duì)石油膜平板作用:固體培養(yǎng)基溶化后倒平板,待水分揮發(fā)完畢、培養(yǎng)基凝固,用涂布棒在培養(yǎng)基表面涂布重質(zhì)稠油油膜,然后將斜面上的獸疫鏈球菌株接種到制得的平板上,30℃下培養(yǎng)箱中放置12 h。
降粘作用:將石油和水按80∶20比例混合裝入250 mL三角瓶,接入1 mL菌種發(fā)酵液,35℃、170 r·min-1條件下?lián)u床振蕩作用14 h形成乳化物。每隔2 h取樣,在30℃、1×105Pa條件下測(cè)定粘度。
依據(jù)克拉馬依油藏特征[12]、成熟的采油原理及Suthar等[13]的研究成果,設(shè)計(jì)了沙土管模型(圖1)。該模型外部結(jié)構(gòu)由有機(jī)玻璃材料制成,內(nèi)部注入井和采出井均為不銹鋼管材,采用法蘭密封。
圖1 沙土管模型示意圖
(1)沙子的預(yù)處理:取顆粒比較均勻的河沙反復(fù)用自來(lái)水洗滌,去除其中的泥土及微小沙粒后烘干至恒重;(2)模型組裝及裝入石油、沙混合物:將石油和沙子按一定比例混合均勻后裝入沙土管模型,注入井和采出井均通過(guò)硅膠管與相應(yīng)容器(注入井連接盛裝菌液裝置,采出井連接石油收集裝置)連接,鎖定法蘭;(3)一次水驅(qū)采油:用蠕動(dòng)泵以2 mL·min-1速率水驅(qū)采油得到一次水驅(qū)采收率RW1;(4)注入菌液及關(guān)井:用蠕動(dòng)泵以0.2 mL·min-1速率向模型中注入一定量菌液(原始發(fā)酵菌液和去離子水以一定比例混合),密閉模型,恒溫放置一定時(shí)間,等待微生物發(fā)酵與原油發(fā)生作用;(5)菌液采收率測(cè)定:反應(yīng)一定時(shí)間后,用蠕動(dòng)泵以1.2 mL·min-1速率從模型中采油得到菌液采收率RM;(6)二次水驅(qū)采油:將模型恒溫放置一定時(shí)間后進(jìn)行二次水驅(qū)采油,得到水驅(qū)采收率RW2。
提高石油采收率(EOR)依下式計(jì)算:
EOR=RM+RW2
將菌株種子液以5%接種量接到50 mL液體發(fā)酵培養(yǎng)基中,于35℃、170 r·min-1搖床振蕩培養(yǎng),定時(shí)測(cè)定菌體的密度(OD600值),結(jié)果見圖2。
圖2 獸疫鏈球菌生長(zhǎng)曲線
由圖2可知,菌體在4 h開始進(jìn)入對(duì)數(shù)期,在10 h左右進(jìn)入穩(wěn)定期,說(shuō)明菌體繁殖很快,利于實(shí)際應(yīng)用。
圖3 菌株與原油作用效果
由圖3可知,菌株在石油膜平板上產(chǎn)生比較明顯的透明圈,說(shuō)明菌株對(duì)石油有一定的降粘作用,并能以石油為唯一碳源生長(zhǎng)。
圖4 石油粘度隨獸疫鏈球菌發(fā)酵液與其作用時(shí)間的變化曲線
由圖4可知,菌株作用6 h,石油粘度就下降了90%;菌株作用8~14 h,石油粘度從12 000 mPa·s下降到500 mPa·s。表明菌株與石油作用產(chǎn)生明顯效果所需時(shí)間較短,6 h就能產(chǎn)生很好的效果。
2.4.1 溫度對(duì)提高石油采收率的影響
溫度對(duì)提高石油采收率的影響有兩個(gè)方面。一方面,注入模型中的微生物生長(zhǎng)繁殖及代謝受溫度的影響;另一方面,原油粘度隨溫度升高而降低。本研究在20~70℃測(cè)定提高石油采收率及粘度(采出石油粘度測(cè)試條件均為25℃、1.01×105Pa),結(jié)果見圖5。
圖5 溫度對(duì)提高石油采收率及粘度的影響
由圖5可知,在20~40℃范圍內(nèi)EOR呈上升趨勢(shì),40℃以后EOR僅下降1%,由此判斷溫度較高時(shí)該菌活性沒(méi)有受到很大影響,與菌株STP-5等相比可應(yīng)用的油藏范圍更廣[14]。確定最佳溫度為40℃。
2.4.2 含油量對(duì)提高石油采收率的影響
油藏內(nèi)的孔隙度及結(jié)構(gòu)一定程度上代表了油層的物理性質(zhì),對(duì)驅(qū)油微生物發(fā)揮作用有一定限制[15]。本研究采用改變模型中填充沙含油量的方法模擬油藏內(nèi)孔隙率變化情況,比較不同含油量的沙與菌株作用7 d后石油采收率的變化,結(jié)果見圖6。
圖6 含油量對(duì)提高石油采收率的影響
由圖6可知,含油量為30%時(shí),EOR達(dá)最大值22.14%;含油量大于30%時(shí),EOR略微下降。這表明,含油量大(孔隙率小),微生物不能通過(guò)較小孔隙與石油發(fā)生作用;含油量小,原油從底部上升時(shí),由于石油本身的粘性,粘附在填沙孔隙中,原油不能有效采出井外。因此,確定最佳含油量為30%。
2.4.3 菌液濃度對(duì)提高石油采收率的影響
從理論上講,菌液濃度越大,菌株數(shù)量和菌株代謝產(chǎn)物數(shù)量都越多,對(duì)原油性質(zhì)的影響越大,石油粘度降低越多,最終提高石油采收率越大。在溫度為40℃、井中含油量為30%、注入井中液體體積為45 mL的條件下,菌液濃度在5.5×100~5.5×1010個(gè)·mL-1區(qū)間內(nèi)指數(shù)遞增1測(cè)試石油采收率,結(jié)果如圖7所示。
圖7 菌液濃度對(duì)提高石油采收率的影響
由圖7可知,起初EOR隨菌液濃度的增大而明顯上升;當(dāng)菌液濃度達(dá)到5.5×105個(gè)·mL-1后,EOR升幅有限。綜合考慮,菌液濃度以5.5×105個(gè)·mL-1為宜。
2.4.4 閉井時(shí)間對(duì)提高石油采收率的影響
在溫度為40℃、含油量為30%、菌液濃度為5.5×105個(gè)·mL-1的條件下,考察閉井時(shí)間對(duì)提高石油采收率的影響,結(jié)果見圖8。
圖8 閉井時(shí)間對(duì)提高石油采收率的影響
由圖8可知,EOR隨閉井時(shí)間的延長(zhǎng)先升高后降低,在閉井時(shí)間為7 d時(shí),EOR最大,達(dá)22.14%。因此,確定最佳閉井時(shí)間為7 d。
在明確獸疫鏈球菌生長(zhǎng)特性、代謝產(chǎn)物及其對(duì)石油作用基礎(chǔ)上,模擬克拉瑪依油藏油層地質(zhì)條件,成功設(shè)計(jì)了一套成本低廉、操作簡(jiǎn)單的室內(nèi)沙土管模型。獸疫鏈球菌的應(yīng)用溫度和含油量范圍較廣,在溫度為40℃、含油量為30%、菌液濃度為5.5×105個(gè)·mL-1、閉井時(shí)間為7 d的最優(yōu)條件下,提高石油采收率達(dá)22.14%,驗(yàn)證了該菌種的應(yīng)用潛力。
參考文獻(xiàn):
[1] 陳鴻璠.石油工業(yè)通論[M].北京:石油工業(yè)出版社,1995:1-2.
[2] Hao D H,Lin J Q,Song X,et al.Isolation,identification,and performance studies of a novel paraffin-degrading bacterium ofGordoniaamicalisLH3[J].Biotechnology and Bioprocess Engineering,2008,13(1):61-68.
[3] 王惠,盧淵,伊向藝,等.微生物采油對(duì)孔隙型和裂縫型油藏的適應(yīng)性分析[J].新疆石油地質(zhì),2004,25(4):427-428.
[4] 范永吉,張曉陽(yáng),范家慶.低產(chǎn)低效油井微生物吞吐增產(chǎn)技術(shù)研究[J].石油知識(shí),2007,(3):20-21.
[5] 宋紹富,張忠智,雷光倫,等.高效驅(qū)油菌I的選育與室內(nèi)巖心模擬驅(qū)油研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2003,16(1):31-35.
[6] Abdel-Waly A A.Laboratory study on activating indigenous microorganisms to enhance oil recovery[J].Journal of Canadian Petroleum Technology,1999,38(2):55-61.
[7] 吳慶紅,吳超,鄭承剛,等.增效微生物驅(qū)物模實(shí)驗(yàn)研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(4):47-50.
[8] 梁風(fēng)來(lái),程守強(qiáng),孫雪蓮,等.解烴細(xì)菌NX-2的特性及礦場(chǎng)試驗(yàn)[J].微生物學(xué)通報(bào),2004,31(3):70-73.
[9] 孔祥平,包木太,汪衛(wèi)東,等.內(nèi)源微生物提高原油采收率物理模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,20(1):37-42.
[10] 武盈,張淑榮,蔣博,等.一株微生物驅(qū)鏈球菌石油降粘的研究[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,36(Z1):74-77.
[11] Xu T,Chen C H,Liu C Q,et al.A novel way to enhance the oil recovery ratio byStreptococcussp.BT-003[J].Journal of Basic Microbiology,2009,49(5):477-481.
[12] 陳愛華,于娟,方新湘,等.微生物驅(qū)油提高原油采收率技術(shù)的室內(nèi)研究[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2004,41(Z1):77-80.
[13] Suthar H,Hingurao K,Desai A,et al.Evaluation of bioemulsifier mediated microbial enhanced oil recovery using sand pack column[J].Journal of Microbiological Method,2008,75(2):225-230.
[14] 黃立新,孫鐵梁,崔慶鋒,等.微生物調(diào)驅(qū)模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(4):135-138.
[15] 岳湘安,王尤富,王克亮.提高石油采收率基礎(chǔ)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007:10.