吳 波 修建龍 俞 理 黃立信 馬原棟 崔慶鋒 伊麗娜

（1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 2. 中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所， 河北廊坊 065007；3. 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院， 北京 100083）

0 引 言

大慶衛(wèi)星油田T 區(qū)塊主要開采層為葡萄花油層， 油層溫度為55 ℃， 孔隙度為23%， 滲透率為252.7×10-3μm2， 為中孔、 中滲儲(chǔ)層。 砂體厚度為13.8 m， 有效厚度為3.8 m， 水型為NaHCO3型，礦化度為8 158.1 mg／L， 綜合含水率為83.9%。 目前該區(qū)塊低效井及長(zhǎng)關(guān)井比例大， 部分油井注水不受效， 投產(chǎn)初期就一直低產(chǎn)液量、 低含水率， 嚴(yán)重供液不足， 油井產(chǎn)油量低； 部分井投產(chǎn)初期產(chǎn)液量大， 原油產(chǎn)量高， 但隨著生產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)， 油井產(chǎn)液量越來越少， 原油產(chǎn)量也越來越低； 還有部分井含水率上升快， 高含水抑制了原油滲流通道， 影響了原油產(chǎn)出。

微生物驅(qū)提高采收率技術(shù)具備改善原油物性和水驅(qū)環(huán)境等特性， 可有效解決上述油井含水率上升快、 產(chǎn)液量低等問題［1-2］。 內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)主要是利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)激活油藏內(nèi)的有益菌， 與外源微生物驅(qū)油技術(shù)相比， 技術(shù)較為簡(jiǎn)單且投入成本較低［3］。 在構(gòu)建油藏微生物驅(qū)油體系時(shí)， 可先考慮內(nèi)源微生物驅(qū)油技術(shù)， 如果油藏中內(nèi)源有益菌激活效果不佳， 再考慮補(bǔ)充驅(qū)油功能菌強(qiáng)化微生物驅(qū)，以實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)油。 本文旨在構(gòu)建適用于該區(qū)塊的微生物驅(qū)油體系， 為后續(xù)在該區(qū)域開展微生物驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供一定的參考依據(jù)。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

大慶衛(wèi)星油田T 區(qū)塊的地層水和原油、人造膠結(jié)巖心、填砂巖心、枯草芽孢桿菌SL、細(xì)菌測(cè)試瓶、試劑（ 蔗糖、 糖蜜、 酵母粉、 玉米漿干粉、（NH4）2HPO4、NaNO3、KH2PO4、Na2HPO4·12H2O、MgSO4·7H2O、CaCl2等）。

1.2 油藏微生物群落

1.2.1 群落組成檢測(cè)

取300 ～400 mL 目標(biāo)油藏地層水， 采用DNA（脫氧核糖核酸） 土壤試劑盒提取樣品的總DNA，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA 的完整性， 然后用超微量分光光度計(jì)檢測(cè)DNA 濃度，檢測(cè)完成后放置在-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆茫?-5］。 選用細(xì)菌16SrDNA 擴(kuò)增通用引物27F （5'-AG AGT TTG ATC CTG GCT CAG-3'） 和1541R （5'-AAG GAG GTG ATC CAG CC -3'） 進(jìn)行PCR （聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)） 擴(kuò)增。 反應(yīng)條件為： 94 ℃預(yù)變性5 min， 94 ℃變性45 s， 55 ℃退火45 s， 72 ℃延伸10 min， 總計(jì)30 個(gè)循環(huán)， 最后72 ℃延伸10 min， 至4 ℃停止。 PCR 產(chǎn)物用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)， 使用柱式回收試劑盒回收純化PCR 產(chǎn)物， 隨后進(jìn)行高通量測(cè)序［4］。

1.2.2 菌濃度檢測(cè)

采用平板培養(yǎng)法［6］， 檢測(cè)各樣品中的微生物濃度。 在超凈臺(tái)上將待檢測(cè)菌液進(jìn)行10 倍遞增稀釋， 從每個(gè)稀釋液中分別取出0.1 mL 均勻涂抹在瓊脂培養(yǎng)基上。 然后將涂抹好的培養(yǎng)皿倒置存放于恒溫箱， 55 ℃下培養(yǎng)48 h， 然后統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)， 計(jì)算細(xì)菌濃度。 每個(gè)濃度梯度做3 個(gè)平行樣品， 計(jì)算平均值。

1.2.3 功能菌檢測(cè)

采用測(cè)試瓶絕跡稀釋法［7-8］分析水樣中烴氧化菌 （ HOB）、 腐生菌 （ TGB）、 厭氧發(fā)酵菌（FMB）、 硫酸鹽還原菌（SRB）、 硝酸鹽還原菌（NRB） 等菌群的數(shù)量。 所用細(xì)菌測(cè)試瓶的培養(yǎng)溫度均為55 ℃， 培養(yǎng)時(shí)間為7～21 d。

1.3 微生物驅(qū)油營(yíng)養(yǎng)配方

1.3.1 營(yíng)養(yǎng)配方篩選

利用（NH4）2HPO4、 NaNO3、 糖蜜、 玉米漿干粉激活地層水中內(nèi)源菌， 通過菌濃變化及原油乳化效果等對(duì)內(nèi)源菌激活狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。 優(yōu)選出菌體濃度較高、 乳化效果良好的配方， 作為內(nèi)源菌激活的基礎(chǔ)配方（1?！?＃配方）。 其乳化效果評(píng)價(jià)參照代學(xué)成等［9］的0～5 分制的油水乳化效果評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

枯草芽孢桿菌SL 培養(yǎng)配方為： 蔗糖30.0 g／L+NaNO33.0 g／L+KH2PO43.4 g／L+K2HPO4·H2O 4.0 g／L+MgSO4·7H2O 0.6 g／L+酵母粉1.2 g／L+微量元素液5 mL。

結(jié)合枯草芽孢桿菌SL 培養(yǎng)配方及得到的內(nèi)源菌激活基礎(chǔ)配方（1?！?＃配方）， 構(gòu)建了功能菌強(qiáng)化驅(qū)油營(yíng)養(yǎng)配方（表1）。同時(shí)為了降低驅(qū)油藥劑成本， 又對(duì)營(yíng)養(yǎng)配方進(jìn)行了優(yōu)化（6＃—12＃配方），其中6＃—9＃為激活優(yōu)化配方， 10?！?2＃為發(fā)酵優(yōu)化配方。

表1 微生物營(yíng)養(yǎng)配方Table 1 Nutrition formulations of the microbe

1.3.2 搖瓶實(shí)驗(yàn)

采用未滅菌的地層水配制上述配方， 調(diào)pH 值到7.0 左右， 地層水與配方溶液各取100 mL， 分別裝入250 mL 無(wú)菌錐形瓶中， 加入體積分?jǐn)?shù)為5%的原油， 6?！?2＃配方需加入5%的外源菌種子液， 用封口膜封住瓶口， 置于恒溫?fù)u床中培養(yǎng)7 d，溫度為55 ℃， 轉(zhuǎn)速為180 r／min。 培養(yǎng)過程中根據(jù)需要進(jìn)行取樣， 對(duì)比觀察乳化效果， 用平板計(jì)數(shù)法測(cè)定樣品中細(xì)菌數(shù)量， 旋滴式界面張力儀測(cè)定樣品表面張力， 旋轉(zhuǎn)黏度儀測(cè)定樣品黏度。

1.4 物理模擬實(shí)驗(yàn)

物理模擬技術(shù)是連接室內(nèi)研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的必備手段， 模擬微生物在油藏中的驅(qū)油過程， 可研究微生物在多孔介質(zhì)中的生長(zhǎng)、 繁殖及運(yùn)移規(guī)律， 評(píng)價(jià)微生物激活后的驅(qū)油效果， 為現(xiàn)場(chǎng)注入工藝設(shè)計(jì)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)微生物驅(qū)油過程微生物代謝規(guī)律， 烴氧化型微生物除了需要攝取碳、 氮、 磷源外， 還需要攝取水相中的電子受體（O2以溶解氧形式存在于水相中）， 氧濃度對(duì)該類微生物生長(zhǎng)代謝影響明顯。相關(guān)研究表明， 枯草芽孢桿菌在有氧條件下產(chǎn)生的脂肽類生物表面活性劑濃度遠(yuǎn)高于在限氧或無(wú)氧條件時(shí)產(chǎn)生的脂肽類生物表面活性劑濃度［10］。

本文利用物理模擬實(shí)驗(yàn)， 評(píng)價(jià)了優(yōu)化后的微生物驅(qū)油體系在不注空氣及注入空氣時(shí)的驅(qū)油效果。實(shí)驗(yàn)步驟為：

（1） 裝填巖心， 氣測(cè)滲透率及巖心干質(zhì)量；

（2） 抽真空后飽和地層水， 測(cè)量巖心濕質(zhì)量，計(jì)算巖心孔隙度；

（3） 飽和原油， 計(jì)算原油飽和度；

（4） 一次水驅(qū)至含水率為98%， 計(jì)算水驅(qū)采收率；

（5） 按照設(shè)計(jì)注微生物菌液0.5 PV；

（6） 關(guān)閉出口端， 連接空的中間容器， 通過液壓向巖心中注入空氣， 55 ℃下恒溫靜置7 d；

（7） 二次水驅(qū)至含水率為98%， 計(jì)算最終采收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物激活體系構(gòu)建方法

本文調(diào)研了近些年來國(guó)內(nèi)有關(guān)微生物驅(qū)油的文章［9，11-40］， 并對(duì)微生物激活后的菌體濃度及液體表面張力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究（圖1）。 發(fā)現(xiàn)內(nèi)源微生物激活后， 烴氧化菌濃度會(huì)提高2 ～4 個(gè)數(shù)量級(jí)， 一般保持在106個(gè)／mL 以上； 此外不管是內(nèi)源還是外源微生物驅(qū)油， 微生物激活后總菌濃一般大于108個(gè)／mL；內(nèi)源菌激活后液體表面張力一般為35 ～45 mN／m，而外源菌激活降低表面張力效果明顯較好， 一般為25～35 mN／m。

圖1 微生物激活后菌體濃度、液體表面張力Fig.1 Bacterial concentrations and liquid surface tensions after activating the microbe

因此， 微生物驅(qū)油體系構(gòu)建需要滿足3 個(gè)條件， 即油藏中存在烴氧化菌時(shí)， 微生物激活后烴氧化菌濃度大于 106個(gè)／mL， 總菌濃度大于108個(gè)／mL，激活后表面張力小于45 mN／m。

微生物驅(qū)油體系構(gòu)建應(yīng)優(yōu)先考慮內(nèi)源微生物驅(qū)， 通過對(duì)激活后烴氧化菌濃度、 總菌濃度、 表面張力、 乳化效果等參數(shù)來考量?jī)?nèi)源微生物驅(qū)是否可行， 如不滿足上述3 個(gè)條件， 再考慮采用外源菌進(jìn)行微生物強(qiáng)化驅(qū)油。

2.2 油藏微生物群落組成

油藏微生物檢測(cè)主要用于微生物驅(qū)油潛力分析評(píng)價(jià)， 其技術(shù)手段包括培養(yǎng)技術(shù)和非培養(yǎng)技術(shù)。 培養(yǎng)技術(shù)是利用常規(guī)培養(yǎng)條件及培養(yǎng)基對(duì)菌株進(jìn)行分類、 計(jì)數(shù)等， 常用手段有平板計(jì)數(shù)、 試劑瓶絕跡稀釋法等， 能夠反映某些微生物在油藏條件下的生長(zhǎng)繁殖狀態(tài)。 但由于該技術(shù)受可培養(yǎng)性的限制， 僅能檢測(cè)到油藏中不足1%的菌， 難以準(zhǔn)確反映油藏微生物群落構(gòu)成真實(shí)情況［41］。 非培養(yǎng)技術(shù)主要通過分析微生物遺傳物質(zhì)中較為穩(wěn)定的16SrDNA 及特定功能基因等來揭示不同油藏環(huán)境中微生物群落組成， 該技術(shù)不受微生物可培養(yǎng)性的限制， 可以更加準(zhǔn)確、 直觀、 全面地反映油藏微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性［42］。

從衛(wèi)星油田取得4 份地層水樣品， 利用平板計(jì)數(shù)法、 試劑瓶絕跡稀釋法檢測(cè)細(xì)菌濃度。 從檢測(cè)結(jié)果（表2） 看出， 平板計(jì)數(shù)菌濃度能夠達(dá)到102～103個(gè)／mL， 具有較好的激活物質(zhì)基礎(chǔ)； 檢測(cè)出有害菌硫酸鹽還原菌，在選擇激活配方時(shí)，可選擇硝酸鹽及亞硝酸鹽等刺激硝酸鹽還原菌的生長(zhǎng)，利用硝酸鹽還原菌與硫酸鹽還原菌的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系， 提高硝酸鹽還原菌的生態(tài)位， 抑制硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng)［43］。

表2 油藏微生物菌濃度檢測(cè)結(jié)果Table 2 Tested results of the microbial concentration in the reservoir

利用高通量測(cè)序技術(shù)從衛(wèi)星油田地層水中檢測(cè)出11 個(gè)不同科的菌群， 有益菌4 科， 分別為交替單胞菌科、 紅環(huán)菌科、 假單胞菌科及鹽單胞菌科。其中交替單胞菌科對(duì)多環(huán)芳烴有著較強(qiáng)的降解能力［44］； 紅環(huán)菌科能產(chǎn)生聚合物， 可起到堵水調(diào)剖的作用［45-46］； 假單胞菌科及鹽單胞菌科能降解石油烴， 產(chǎn)生表活劑， 乳化原油等［47-49］。 這些有益菌比例達(dá)到52.89%， 表明該油藏具備較好的激活潛力。

2.3 內(nèi)源菌激活體系篩選與評(píng)價(jià)

選用不同的激活配方激活地層水， 采用平板計(jì)數(shù)法測(cè)量實(shí)驗(yàn)樣品中菌體濃度變化（表3）。 1＃、3＃激活效果差， 菌體濃度無(wú)變化， 搖瓶?jī)?nèi)油水界面清晰， 并未形成穩(wěn)定的乳狀液； 2＃、 4＃激活效果較好， 激活后菌體濃度能達(dá)到106個(gè)／mL， 且未檢測(cè)出硫酸鹽還原菌。 搖晃后油水只有少量互溶， 油水分離明顯， 綜合評(píng)定為Ⅰ級(jí)。 總體來說， 內(nèi)源菌激活效果不佳， 很難有效提高油藏采收率， 故決定引入外源功能菌強(qiáng)化微生物驅(qū)油。

表3 內(nèi)源菌激活實(shí)驗(yàn)菌濃度檢測(cè)Table 3 Detection of the bacterial concentration in the endogenous bacteria activating test

2.4 功能菌強(qiáng)化驅(qū)油體系優(yōu)化

2.4.1 功能菌篩選評(píng)價(jià)

針對(duì)大慶衛(wèi)星油田試T 區(qū)塊油藏溫度、 地層水礦化度等參數(shù)， 從菌種庫(kù)中優(yōu)選出枯草芽孢桿菌SL 為目標(biāo)采油功能菌株， 該菌能夠產(chǎn)生脂肽類表面活性劑， 代謝產(chǎn)物在油藏中與原油及儲(chǔ)層巖石作用后能明顯提高驅(qū)油效率。

2.4.1.1 功能菌SL 與內(nèi)源菌的匹配性

用未滅菌的地層水配置培養(yǎng)基， 注入功能菌種子液， 在55 ℃下培養(yǎng)48 h。 平板計(jì)數(shù)法測(cè)得菌濃度為108個(gè)／mL， 較之前提升了5 ～6 個(gè)數(shù)量級(jí)， 可見該功能菌與油藏內(nèi)源菌具有良好的匹配性。

2.4.1.2 NaCl 對(duì)功能菌SL 生長(zhǎng)影響

調(diào)整LB 液體培養(yǎng)基（Luria-Bertani 培養(yǎng)基）中的NaCl 加入量， 使鹽質(zhì)量濃度調(diào)整為0 ～8 g／L，在搖床中培養(yǎng)48 h， 測(cè)OD600值（細(xì)菌培養(yǎng)液在600 nm處的吸光值） 監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)情況（圖2）。 從菌種生長(zhǎng)情況可以看出， 該菌種在礦化度10 ～40 g／L情況下生長(zhǎng)良好， 而衛(wèi)星油田油藏礦化度約10 g／L。因此， 該菌能夠適應(yīng)衛(wèi)星油田油藏條件。

圖2 不同礦化度下的OD600值Fig.2 Values of OD 600under different saturations

2.4.1.3 pH 值對(duì)功能菌SL 生長(zhǎng)影響

用濃度為1 mol／L 的NaOH、 HCl 溶液將LB 液體培養(yǎng)基的pH 值分別調(diào)至4、 5、 6、 7、 8、 9、10、 11、 12， 在搖床中培養(yǎng)48 h， 測(cè)OD600值監(jiān)測(cè)菌體生長(zhǎng)情況（圖3）。 從菌種生長(zhǎng)情況可以看出，該菌種適宜在偏酸性油藏條件下生長(zhǎng)， 但在弱堿環(huán)境中仍然能夠生長(zhǎng)。

圖3 不同 pH的 OD600值Fig.3 Values of OD600 under different pHs

2.4.2 驅(qū)油體系優(yōu)化

2.4.2.1 原油乳化效果評(píng)價(jià)

第1 組實(shí)驗(yàn)為激活優(yōu)化配方（6?！?＃配方），乳化效果最好的為8＃配方。 油水大部分混溶， 下層水為深褐色， 油相呈現(xiàn)細(xì)末狀， 搖晃后， 油水基本混溶， 分層緩慢， 綜合評(píng)級(jí)為4 級(jí)。

第2 組實(shí)驗(yàn)為發(fā)酵優(yōu)化配方（10?！?2＃配方），乳化效果最好的為10＃配方，綜合評(píng)級(jí)也為4 級(jí)。

2.4.2.2 表面張力評(píng)價(jià)

采用旋滴式界面張力儀測(cè)量水相表面張力，6＃—12＃配方的表面張力分別為53.02、 40.46、35.23、 53.34、 30.47、 52.16、 63.44 mN／m。 激活配方中效果最好的為8＃配方， 發(fā)酵配方中效果最好的為10＃配方， 表面張力都小于40 mN／m。

2.4.2.3 黏度評(píng)價(jià)

采用旋轉(zhuǎn)黏度儀測(cè)量油相黏度， 脫水原油黏度為192 mPa·s， 8＃、 10＃配方原油黏度分別為37.2、 21.6 mPa·s。 8＃激活優(yōu)化配方、 10＃發(fā)酵優(yōu)化配方中的原油黏度均有大幅度降低， 與微生物作用前相比， 黏度分別下降了80.6%、 88.8%。

2.5 微生物驅(qū)油體系驅(qū)油效果評(píng)價(jià)

為更好地評(píng)價(jià)優(yōu)化后的微生物驅(qū)油體系的驅(qū)油效果， 分別用人造巖心和填砂巖心進(jìn)行了驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。 對(duì)比了不注空氣與注入空氣時(shí)驅(qū)替過程中的含水率、 采收率及注入壓力變化（圖4）。 在一次水驅(qū)過程中， 含水率上升， 驅(qū)替壓力逐漸降低， 為典型的水驅(qū)過程變化規(guī)律。 在注入微生物培養(yǎng)后， 驅(qū)替壓力明顯升高， 含水率降低。 其中注入空氣的巖心含水率最大降幅達(dá)到了6.76%， 而未注空氣的巖心含水率降幅為5.61%。 這表明空氣的注入能夠更好地激活巖心內(nèi)的微生物， 微生物在巖心中代謝繁殖， 對(duì)原油進(jìn)行乳化和分解， 同時(shí)注入的空氣使得驅(qū)替壓力較高， 對(duì)乳化劑分解后的油滴驅(qū)動(dòng)性更好， 在二者的共同作用下， 產(chǎn)出液含水率降低，且有更多的剩余油被驅(qū)替出來。

圖4 微生物驅(qū)油過程中含水率、采收率和壓力變化曲線Fig.4 Changed curves of the water cut ,recovery and pressure during the MEOR flooding process

優(yōu)化后的微生物驅(qū)油體系在人造巖心和填砂巖心中的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。 結(jié)果表明， 8＃配方驅(qū)油效果良好， 未注入空氣時(shí)， 在人造巖心和填砂巖心中可提高采收率6.76%～10.10%； 在注入空氣后， 可提高采收率8.22%～12.21%。

表4 8＃配方驅(qū)油效果評(píng)價(jià)Table 4 Evaluation of the oil displacement efficiency of Formulation 8＃

3 結(jié) 論

（1） 微生物驅(qū)油體系構(gòu)建的基本條件為激活后總菌濃度大于108個(gè)／mL、 烴氧化菌濃度大于106個(gè)／mL、 表面張力小于45 mN／m， 且原油乳化效果良好。

（2） 衛(wèi)星油田T 區(qū)塊油藏內(nèi)的微生物群落以交替單胞菌科為主的有益菌比例達(dá)52.89%， 此時(shí)該油藏具備較好的激活潛力。

（3） 對(duì)比內(nèi)源微生物激活和功能菌強(qiáng)化2 種方法， 優(yōu)選枯草芽孢桿菌SL 強(qiáng)化驅(qū)油作為微生物驅(qū)油體系構(gòu)建方法； 綜合原油乳化、 表面張力、 黏度等指標(biāo)， 優(yōu)化得到最佳的營(yíng)養(yǎng)劑配方為（NH4）2HPO42.0 g／L、 NaNO33.0 g／L、 糖蜜1.2 g／L、 玉米漿干粉3.0 g／L。

（4） 構(gòu)建的功能菌強(qiáng)化驅(qū)油體系能夠使表面張力降低至35.23 mN／m， 黏度降低88%， 最高可提高采收率12.21%； 在微生物驅(qū)油過程中注入一定量的空氣可提高微生物代謝活性， 進(jìn)一步提高原油采收率。