全 文 :第 14卷第 3期
2016年 5月
生 物 加 工 过 程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol 14 No 3
May 2016
doi:10 3969 / j issn 1672-3678 2016 03 002
收稿日期:2016-03-18
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(2013AA064401)
作者简介:胡 婧(1980—),女,河南许昌人,博士,研究方向:微生物采油,E⁃mail:tomatohu@ 163.com
激活剂用量对油藏内源微生物群落的影响
胡 婧,刘 涛
(中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司 石油工程技术研究院,山东 东营 257000)
摘 要:为了明确激活剂用量对油藏内源微生物群落的影响,在沾 3内源微生物试验区块细菌密度达到平台期后,
在激活剂注入阶段实施了一个周期的寡营养期(2013 年 10 月—11 月)和一个周期的富营养期(2014 年 1 月—2
月)。 结果发现:该措施实施后,沾 3区块内源微生物群落结构发生了明显改变。 寡营养期后,油井产出液的细菌
密度略有降低,同时群落多样性明显升高,富营养期后,细菌密度出现反弹,突破实施前的平台期达到 106 个 / mL
以上,而油藏微生物多样性明显降低。 本研究还发现,激活剂用量对油藏内源微生物群落结构的影响会进一步对
现场生产动态产生影响,降低激活剂浓度可以改善现场生产动态。
关键词:激活剂用量;内源微生物群落;细菌浓度;群落多样性
中图分类号:TE357 9 文献标志码:A 文章编号:1672-3678(2016)03-0007-05
Effect of activator amount on endogenous microbial community in reservoirs
HU Jing,LIU Tao
(Research Institute of Petroleum Engineering Technology,Shengli Oilfield Company,Sinopec,Dongying 257000,China)
Abstract:In order to determine the effect of activator amount on the endogenous microbial community in
reservoirs,we implemented a program with one period of little nutrition (2013⁃10⁃2013⁃11) continued
with one period of rich nutrition (2014⁃01⁃2014⁃02) when the bacterial concentration of endogenous
microbial reached to a platform stage.This program was carried out in Zhan 3 block of Shengli Oilfield.
After the implementation of the program,the microbial community structure in the Zhan 3 block changed
obviously.The bacteria concentration of the oil well production fluid decreased slightly and community
diversity increased in the little nutrition stage significantly. While the concentration of bacteria broke
through the platform reached above 106 cell / mL and the microbial diversity began to decrease in the rich
nutrition stage.We also found that the regulation of activator amount will further affect the production of
the field.Decrease of the concentration of activator will improve the production of oil in a certain extent.
Keywords:activator amount;endogenous;bacterial concentration;community diversity
内源微生物驱油技术是通过向油藏内注入合
适的激活剂,选择性地激活油藏内源微生物,利用
激活后的微生物及其产生的代谢产物来提高原油
采收率,激活剂在内源微生物驱油过程中的作用至
关重要。 到目前为止,微生物驱油技术的大部分研
究都集中在如何筛选有效的激活剂配方,考察不同
配方对内源微生物的影响[1-4],关于激活剂用量对
油藏内源微生物的影响研究较少。
有研究证实油藏内源微生物长期处于寡营养
状态,若外界注入大量营养物质反而会抑制这些微
生物的生长[5]。 同时激活剂注入一段时间后,地层
中细菌增殖到一定程度后,细菌密度加大的同时也
加剧了不同微生物之间营养和空间的相互竞争,进
而造成地层菌量及细菌代谢活性的下降。 1992 年,
Sheehy等[6]研究表明内源微生物在有限的营养物
条件下反而可以增强其代谢活动。 这是因为细胞
处于饥饿状态的时候表现出疏水性,微生物的细胞
壁物质能作为表面活性物质来提高原油采收率。
所以在油藏内源微生物数量增殖到一定程度后,实
施寡营养期和富集营养期的交替注入可以保证激
活后细菌在油藏内增殖及其代谢活性的稳态维持,
从而进一步改善微生物驱油的效果。
激活剂用量的调整可以作为微生物内源驱油
技术的一项重要调控手段,通过对菌群的影响进而
调控现场生产动态。 本研究在室内激活剂配方筛
选及现场单井吞吐的基础上,进一步验证激活剂体
系注入量对内源微生物的激活效果,微生物群落的
变化以及对生产动态的影响,以通过激活剂用量的
调整,来提高现场的原油产量。
1 材料与方法
1 1 现场试验区块概况
沾 3 试验区位于山东省河口区境内,为义南断
裂断阶上的断鼻构造(图 1),为水驱开发稠油油
藏,该区块含油面积 0 69 km2,地质储量 2 02×106
t,油藏深度 1 240 ~ 1 360 m,油层温度 63 ℃,储层
孔隙度 30%,渗透率 0 682 μm2,原油黏度 1 885
mPa·s,地层水矿化度 8 ~ 10 g / L。 1985 年投入开
发,1989 年注水开发,微生物驱油试验前已进入高
含水开发、产量递减阶段,油藏综合含水率
93 8%,采出程度 28 2%,水驱效果差,稳产难度
大。 该区块在实施内源微生物驱油的前期,在室
内筛选了适合沾 3 内源微生物驱油的配方体系,
并进一步进行了单井吞吐实验,验证了该区块在
该激活剂的作用下具有很好的内源微生物驱油提
高采收率的潜力。
1 2 激活剂井组注入及激活剂注入量设计
在前期室内试验及现场单井吞吐的基础
上[7-9],开展了激活剂井组注入实验,并在注入过程
中考察了激活剂注入量对油藏内微生物的激活效
果、微生物群落的变化及对生产动态的影响。 激活
剂井组注入在沾 3 区块的 3 口注水井进行,分别是
沾 3 N12、义古 1、义古 14,受效油井 12 口,其中中
心受效油井有 5口,图 1中红色表示受效油井,蓝色
表示激活剂注入井。
现场试注体系为室内筛选优化的营养激活剂,
该体系包括了玉米浆干粉(3 g / L)、(NH4) 2HPO4(2
g / L)、NaNO3(4 g / L)组成。 在试验区 3 口注水井实
施激活剂体系注入。 现场施工是通过注入设备依
次向注水井中注入激活剂,完成一口井的注入以后
接着恢复正常注水,以此保证激活剂体系能够向油
藏中推进。 现场试验按照图 2的流程施工进行。
图 1 试验区油水井分布图
Fig 1 Distribution of oil and water wells in test area
8 生 物 加 工 过 程 第 14卷
图 2 现场施工方式
Fig 2 Field implemention method
按最初的方案设计,三口注入井每天的注水量
为 660 m3,激活剂的注入按照实际单井配注量的
30%(200 t / d)进行注入,实施过程中,为了考察激
活剂用量对内源微生物群落及开发效果的影响,在
现场实施内源微生物驱油水井产出液菌量达到平
台期后,激活剂注入实施了一个周期的寡营养期
(2013 年 10 月—2013 年 11 月)和一个富营养期
(2014年 1月—2014年 2 月),用量调整见图 3。 寡
营养期的激活剂注入量为 65 t / d(2013 年 10 月)和
35 t / d(2013年 11月),富营养期的激活剂注入量为
350 t / d(2014年 1月)和 250 t / d(2014年 2月)。
图 3 激活剂注入量
Fig 3 Injection amount of activitor
1 3 微生物群落结构分析
1 3 1 现场样品处理及 DNA提取
从 2013年 1月—2014年 5 月对试验区块中的
注入水(Z3 N12)及 5口见效油井(Z3 13、15、23、
26、X24)水样中的细菌密度、细菌群落结构进行季
度跟踪检测。 油水井产出液直接从井口收集到一
个无菌的容器中,每个样品采集 10 L油水样,2 h 内
运送到实验室开展后续分子生物学检测工作,在水
样进行处理前,吸取少量进行镜检确定细菌密度。
油藏水样中的微生物密度很低,而且存在原油
污染,给后续微生物分离带来了一定的难度。 为了
去除原油污染,先在样品溶液中加入少量的石油醚
萃取,搅拌静置后原油被萃取到上层有机相中,下
层水样采用 mediakap中空纤维膜过滤器(仕必纯贸
易(上海)有限公司)进行菌体收集。 每个样品收集
6 L液体。 截留在膜上的菌体用液体进行充分反复
振荡洗脱后高速离心(12 000 r / min,4 ℃,15 min)
收集。 收集到的菌体于-70 ℃冷冻保存。
1 3 2 样品 DNA提取及高通量测序
样品菌体 DNA的提取利用 AxyPrep基因组提取
试剂盒。 提取后的 DNA利用 nanodrop进行浓度检测
后,PCR反应扩增样品 DNA模板中的 16SV4区,扩增
利用通用引物 515F和 806 R,序列信息如下:515 F
GTGCCAGCMGCCGCGGTAA,806R GGACTACH⁃
VGGGTWTCTAAT。
1 3 3 高通量测序
PCR产物送至华大基因进行高通量测序及后续
生物信息学分析来解析样品中的群落结构,高通量测
序采用 Illumina 测序法;测序完成后,首先进行序列
质量筛选,去除低质量的序列,剩余高质量的序列利
用之间的重叠关系进行拼接,然后将拼接的序列聚为
OUT,最后通过 OUT与数据库的比对,对 OUT进行物
种注释,得到每个样品的微生物群落结构。
2 结果与讨论
2 1 细菌密度变化与群落多样性的变化
在激活剂井组注入后,从 2013年 1月开始对现
场注入水和油井产出液中的菌密度及群落结构进
图 4 激活剂注入不同阶段的细菌密度及菌群多样性
Fig 4 Bacterial concentrations and bacterial diversity
in different stages of activation
行分析,结果见图 4。 从图 4 可以看出:在实施内源
微生物驱油之前,沾 3 区块油藏水样中的内源菌密
度很低,只有 102 个 / mL,激活剂注入后,地层水样
9 第 3期 胡 婧等:激活剂用量对油藏内源微生物群落的影响
中的细菌密度开始逐渐增加,2013 年 4 月和 5 月的
细菌密度接近 106 个 / mL,菌密度的增长进入了平
台期。 随着 2013年 10 月激活剂注入量的减少,细
菌密度在 2013年 11月出现了小幅度的降低。 2014
年 1月份开始进行富营养注入,在 2 月份检测发现
细菌密度没有立刻升高,而是到了 5月才明显升高,
超过了 106 个 / mL。 从该结果可以得出,激活剂的
注入可以明显地提高地层内源微生物的密度,在细
菌增殖到一定程度后,激活剂大量注入一个阶段
后,细菌密度不再会随着激活剂的注入而升高,细
菌生长进入平台期,代谢活性下降,这时降低激活
剂的用量,在一定程度上降低细菌密度,恢复细菌
的代谢生长能力后,再注入大剂量激活剂,细菌密
度会突破前期的平台继续增长。
除了菌密度,菌群多样性也呈现了一定的规律
性变化,原始油藏中的内源微生物多样性高,细菌
种类丰富。 在注入激活剂后,油藏水样中的细菌多
样性明显降低,在 2013 年 1 月,多样性指数从最初
的 1 8 降到了 0 7。 后面随着激活剂的持续注入,
多样性呈现升高的趋势,2013 年 4 月至 7 月,多样
性指数稳定在 1 1 左右,在寡营养和富营养激活剂
的交替注入结束后,群落结构的稳态被打乱,多样
性在 2014 年 5 月降低至 0 8。 可以看出,激活剂的
用量对油藏细菌群落结构多样性存在明显影响,可
以在群落多样性稳定后进一步降低菌群的多样性。
2 2 细菌群落结构的变化
由菌密度和多样性数据可知,激活剂的注入,
细菌密度明显升高的同时,生物多样性却在降低,
这说明激活剂在油藏中只是选择性地激活了某些
细菌,而不是广泛激活了油藏中的所有内源微生
物。 通过高通量测序解析了所有油水井样品中的
细菌群落结构,将不同检测时间内细菌群落结构中
含量在前 4 位的优势菌进行总结,结果见表 1。 从
表 1可以看出:激活剂注入后,菌群结构与注入前发
生了明显的变化,而且在激活剂注入过程中,油水
井产出液中的细菌群落结构也一直在动态变化,其
中 2013年 4月和 2013年 7月 2个季度的细菌群落
结构在稳定的激活剂注入量下保持稳定,4 种优势
菌相同。 2013 年 10 月开始寡营养激活剂注入后,
已建立起来的优势菌结构被打乱,以前不是优势的
脱铁杆菌成为其中的一个优势菌,假单胞菌的含量
在富营养激活剂注入后比例明显升高。 从该结果
可以看出,激活剂用量的改变可以对细菌菌群产生
明显影响,改变了菌群结构。
表 1 激活剂注入过程中群落结构中优势菌的变化
Table 1 Change of dominant bacteria in community stucture in the precess of activator injection
取样时间 群落结构中的优势菌
2011年 9月 Arcobacter(27%) Serratia(19%) Thiofaba(9%) Achromobacter(6%)
2013年 1月 Arcobacter(60%) Serratia(18%) Achromobacter(11%) Pseudomonas(4%)
2013年 4月 Serratia(45%) Arcobacter(24%) Achromobacter(15%) Thiofaba(3%)
2013年 7月 Serratia(40%) Arcobacter(21%) Achromobacter(13%) Thiofaba(11%)
2013年 11月 Achromobacter(26%) Serratia(16%) Pseudomonas(14%) Deferribacteraceae(14%)
2014年 2月 Deferribacteraceae(26%) Serratia(19%) Pseudomonas(14%) Achromobacter(13%)
2014年 5月 Pseudomonas(32%) Serratia(27%) Deferribacteraceae(18%) Achromobacter(5%)
注:括号中数据为优势菌在群落结构中的百分数。
将优势菌群结构的变化与区块日油水平的变
化进行对比分析,结果见图 5。 从图 5 可以看出,寡
营养注入后,产量快速达到峰值,在后期富营养注
入后,产量却呈现小幅度降低。 该结果证明,激活
剂稳定注入一个阶段,细菌密度达到平台期后,适
当降低激活剂的浓度反而可以快速提高现场原油
产量,而持续高浓度激活剂的注入虽然可以提高细
菌的数量,但菌群的多样性会逐渐升高,优势菌比
例下降引起现场原油产量的下降。
3 结论
激活剂是内源微生物驱油的最关键因素,除了
激活剂的配方外,激活剂的用量也是一个重要的影
响因素。 通过研究发现,激活剂用量对油藏内源微
生物群落结构有明显影响,内源细菌密度达到平台
期后,降低激活剂用量,油井产出液的细菌密度随
之降低,同时群落多样性明显升高,提高激活剂用
量后,细菌密度出现反弹,而油藏微生物多样性开
01 生 物 加 工 过 程 第 14卷
图 5 细菌优势菌群结构与区块的生产动态对比
Fig 5 comparison of the dominant bacterial
community and the oil production
始降低。 与现场生产动态进行对比发现,通过调整
激活剂用量可以有效改善内源微生物驱油生产动
态,进一步提高该技术的驱油潜力。
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(责任编辑 荀志金)
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