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Microscopic oil displacement mechanism of gas producing bacteria

产气功能菌微观驱油机理研究



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􀆰 012
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:吴晓玲(1985—),女,山东鄄城人,工程师,研究方向:微生物采油,E⁃mail:wxl2626@ 163.com
产气功能菌微观驱油机理研究
吴晓玲1,孙刚正1,段传慧1,程建军2,叶小川2
(1􀆰 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;
2􀆰 中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司河口采油厂,山东 东营 257000)
摘  要:利用研制的微观仿真可视模型,对产气功能菌驱油过程中的剩余油形态及流动特征进行显微观察,定量分
析产气功能菌对不同形态剩余油的微观驱替效果。 结果表明:产气功能菌注入模型后,在原位产气降低了原油黏
度,增强了原油流动性,对簇状和柱状剩余油的作用效果显著,最终提高采收率达 22%;与常规气驱相比,产气功能
菌的主动运移能够有效扩大波及体积,提高了模型过渡区和边界的驱替效率,从而获得较高的最终采收率。
关键词:产气功能菌;提高采收率;微观驱油
中图分类号:TE357􀆰 9; Q939􀆰 97        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2016)03-0063-05
Microscopic oil displacement mechanism of gas producing bacteria
WU Xiaoling1,SUN Gangzheng1,DUAN Chuanhu1,CHENG Jianjun2,YE Xiaochuan2
(1. Research Institute of Petroleum Engineering Technology,Shengli Oilfield Company,Sinopec,Dongying 257000,China;
2. Hekou Oil Production Factory,Shengli Oilfield Company,Sinopec,Dongying 257000,China)
Abstract:Morphology and flow characteristic of remaining oil in the displacement process were observed
with a microscopic visual simulation model. Microscopic displacement effect of various remaining oil by
the gas producing bacteria was quantitatively analyzed. After the injection of gas producing bacteria into
the model,crude oil viscosity was reduced and oil mobility was enhanced. The effect on the cluster and
columnar remaining oil was obvious and final oil recovery was increased by 22%. Compared with
conventional gas drive,the sweep volume was enlarged and the displacement efficiency was improved in
the active migration of gas producing bacteria. Therefore,a higher oil recovery was obtained􀆰
Keywords:Gas producing bacteria; enhanced oil recovery; microscopic oil displacement
    微生物采油技术是绿色环保、前景广阔的提高
石油采收率的技术之一,近年来国内外各油田都相
继开展了微生物驱油技术的研究和现场试验,取得
了较大的进展。 但微生物采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,不但包括
微生物在油层中的生长、繁殖和代谢等生物化学过
程,而且包括微生物菌体、微生物营养液、微生物代
谢产物及生物气在油层中的运移,以及与岩石、油、
气、水的相互作用引起的岩石、油、气、水物性的改
变,深入研究作用机理显得尤为重要。
关于微生物代谢产生的表面活性剂提高洗油
效率的研究较多,但针对微生物代谢产生的生物气
驱油作用及其驱油机理研究较少。 为研究微生物
驱油的微观机理,笔者所在实验室自主研制了一套
高温高压可视化微观驱油实验装置,该实验装置具
有仿真性和可视性,可根据油藏天然岩心的孔隙结
构,实现几何形态和驱替过程的仿真,并可直接观
察和录制驱油过程。 本文中,笔者利用这套装置进
行了产气功能菌的微观驱油实验,分析产气功能菌
对不同分布形态剩余油的驱替效果,以揭示产气功
能菌的微观驱油机理。
1  材料与方法
1􀆰 1  实验材料
所用原油来源于胜利油田沾 3区块,该区块埋深
1 240~1 360 m,温度为 54 ~ 63 ℃,地下原油黏度为
46􀆰 3 mPa·s,地层水矿化度为 8 900 mg / L,地层水 pH
值为 7。 微观模型驱替水为除氧模拟地层水(组分):
NaCl 3􀆰 2 g / L,CaCl2 0􀆰 2 g / L,MgCl2 0􀆰 1 g / L,pH 7。
所用产气菌株:分离自油田产出液,产 CO2、甲烷
等气体的混合菌种,厌氧生长。
激活剂配方 ( g / L): K2 HPO4 0􀆰 348, KH2 PO4
0􀆰 227, NH4Cl 0􀆰 5, MgCl2 0􀆰 5, CaCl2 0􀆰 25, NaCl
2􀆰 25,NaHCO3 0􀆰 85,酵母浸粉 3,酪蛋白胨 3,甲酸钠
3,乙酸钠 3,L 半胱氨酸盐酸盐 0􀆰 5;pH 7􀆰 2,煮沸
除 O2。
1􀆰 2  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,见图 1。 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,经过适当的显微方法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 40 mm×40 mm,孔隙体积
约为 50 μL,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。
图 1  微观玻璃模型及模型分区
Fig􀆰 1  Microscopic glass model and model partitioning
1􀆰 3  实验装置
实验装置为高温高压微观驱油实验装置,其
主要由流体注入系统、模型夹持系统、环压系统、
回压系统、压力温度监视采集系统、图像采集与处
理系统、温控系统、油水计量系统等组成(图 2)。
该装置能够利用普通玻璃微观实验模型进行压力
20 MPa以下、压差 8 MPa以下、温度 150 ℃以下的
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 2  高温高压微生物驱油微观实验装置
Fig􀆰 2  HPHT microbial flooding microscopic
experimental device
实验所获微观渗流图像由显微设备直接拍摄
得到,文章中图片放大倍数为 15倍。 为得到剩余油
量变化的定量数据,采用图像处理技术对图片进行
了分析。 图像处理技术主要是利用计算机对图像
取样、量化以产生数字图像,对数字图像做各种变
换等预处理操作,得到清晰有效的图像以方便处
理,进而对图像进行分割,在此基础上进行相关渗
流参数的计算。 对微观渗流图像进行处理的过程
包括图像预处理、分割图像以及渗流参数的计算。
1􀆰 4  产气功能菌实验步骤
模型恒温 60 ℃、注入速率 0􀆰 05 mL / min,观察
并记录实验过程。 具体过程:①微观模型抽真空饱
和地层水;②模型饱和原油;③升压至 10 MPa,一次
水驱 1􀆰 5 PV(PV为孔隙体积);④注入产气功能菌
及其培养基 1􀆰 0 PV,培养 15 d;空白对照实验以 1􀆰 0
PV无菌培养基代替菌液,并直接二次水驱;⑤二次
水驱 1􀆰 5 PV,观察并拍摄剩余油状态;⑥分析实验
图片及数据。
2  结果与讨论
2􀆰 1  产气功能菌提高采收率定量分析
考察注菌前后模型剩余油变化情况,将模型
分为主通道、过渡区和边界 3 个区域,分别计算采
收率,结果见表 1。 由表 1 可知:一次水驱 1􀆰 5
46 生  物  加  工  过  程    第 14卷 
PV,模型中剩余 54􀆰 2%原油,主要以簇状、柱状和
膜状剩余油为主,部分盲端内原油未被驱动。 注
入产气功能菌液 1􀆰 0 PV 后,剩余油为 40􀆰 8%,提
高采收率 7􀆰 9%;产气功能菌在模型中培养 15 d,
二次水驱 1􀆰 5 PV 可提高采收率 14􀆰 6%,最终提高
采收率达 28%。
表 1  产气功能菌微观驱油效果定量分析
Table 1  Quantitative analysis of micro displacement effect on gas producing capabilities bacteria
模型区域
剩余油饱和度 / % 提高采收率 / %
一次水驱 注菌(水) 二次水驱 注菌(水)后 后续水驱 最终



主通道 47􀆰 8 34􀆰 1 22􀆰 2 13􀆰 7 11􀆰 9 25􀆰 6
过渡区 57􀆰 7 45􀆰 2 33􀆰 7 12􀆰 5 11􀆰 6 24􀆰 1
边界 59􀆰 9 45􀆰 2 19􀆰 1 14􀆰 7 26􀆰 1 40􀆰 8
整个模型 54􀆰 2 40􀆰 8 26􀆰 3 13􀆰 4 14􀆰 6 28􀆰 0




主通道 43􀆰 8 41􀆰 9 41􀆰 7 2􀆰 0 0􀆰 2 2􀆰 2
过渡区 58􀆰 6 50􀆰 2 49􀆰 4 8􀆰 3 0􀆰 8 9􀆰 1
边界 61􀆰 6 54􀆰 8 54􀆰 1 6􀆰 8 0􀆰 7 7􀆰 5
整个模型 53􀆰 3 47􀆰 8 47􀆰 3 5􀆰 5 0􀆰 5 6􀆰 0
    一次水驱后,模型中剩余油饱和度在主通道最
低,边界最高。 注入产气功能菌后,边界处的剩余
油驱替效率高于主通道和过渡区的驱替效率。 这
是由于一次水驱时主通道内易被驱替的原油已被
驱走,注入的菌液因菌体的主动运移向边界扩散并
生长代谢,扩大了波及体积,在原位产气降低了原
油黏度,使原油流动性增强,有效动用了边界剩余
油,从而获得较高的最终采收率。
2􀆰 2  产气功能菌对剩余油的作用分析
水驱后剩余油的形式多种多样,取决于模型孔隙
的结构、物理特性及驱油剂的波及效果,根据其所占
孔隙空间的大小和分布状态,将剩余油分为簇状剩余
油、柱状剩余油、膜状剩余油及盲端内的剩余油。 表
2为产气菌驱替后不同形态剩余油变化情况。
表 2  不同形态剩余油的变化
Table 2  Changes of remaining oil in different forms
形态 一次水驱后剩余油 / %
注产气菌后
剩余油 / %
二次水驱后
剩余油 / %
提高采收率 /

各类剩余油
驱替比例 / %
簇状 20􀆰 73 17􀆰 21 7􀆰 63 13􀆰 1 63􀆰 2
柱状 13􀆰 12 12􀆰 26 3􀆰 92 9􀆰 2 70􀆰 12
膜状 12􀆰 55 11􀆰 04 7􀆰 35 5􀆰 2 41􀆰 4
盲端 1􀆰 39 1􀆰 25 0􀆰 89 0􀆰 5 35􀆰 97
合计 47􀆰 79 41􀆰 77 19􀆰 79 28􀆰 0
2􀆰 2􀆰 1  簇状剩余油
图 3 为产气功能菌作用后簇状剩余油变化情
况。 由图 3可知:产气功能菌培养过程中产生的气
体溶解在原油中,降低原油黏度,从而能驱替部分
剩余油。 结合表 2数据分析可知,一次水驱后,模型
中簇状剩余油占 21􀆰 7%,注入产气功能菌并培养,
二次水驱可提高采收率 13􀆰 1%,是对采收率贡献最
大的类型。 由于产气功能菌在模型中的主动运移,
包围了簇状剩余油,并在原位产生生物气溶于簇状
剩余油,降低了原油黏度,在后续水驱时,这种降黏
簇状剩余油大大减少甚至被完全驱走。
2􀆰 2􀆰 2  柱状剩余油
图 4 为产气功能菌作用后柱状剩余油变化情
况,柱状剩余油主要存在于连通孔隙的喉道处,特
别是在细长的喉道中更加明显。 结合表 2数据和图
4 分析可知,一次水驱后模型中柱状剩余油占
16􀆰 1%,产气功能菌可提高采收率 9􀆰 2%。 产气功能
菌对柱状剩余油的作用与簇状类似,菌体扩散运移
56  第 3期 吴晓玲等:产气功能菌微观驱油机理研究
图 3  产气功能菌作用后簇状剩余油变化情况
Fig􀆰 3  Changes of cluster residual oil after the injection of gas producing capabilities bacteria
图 4  产气功能菌作用后柱状剩余油变化情况
Fig􀆰 4  Changes of columnar remaining oil after the injection of gas producing capabilities bacteria
到细孔道后生长代谢产生的气体溶于剩余油,使原
油黏度降低,更易通过细孔道,在后续水驱时能驱
替出更多的柱状剩余油。
图 5  产气功能菌作用后油膜变化情况
Fig􀆰 5  Oil film changes after the injection of gas producing capabilities bacteria
2􀆰 2􀆰 3  膜状剩余油
图 5 为产气功能菌作用后油膜变化情况,由表
2可知,一次水驱后模型中膜状剩余油占 14􀆰 8%,产
气功能菌可提高采收率 5􀆰 2%。 产气功能菌对膜状
剩余油的采收率较低,一方面生物气的溶解作用会
降低原油黏度,被水驱出;另一方面产气菌未能改
变孔隙壁的润湿性,黏附于孔隙壁的膜状油仍有较
多残留。
2􀆰 2􀆰 4  盲端剩余油
图 6 为产气功能菌作用后盲端剩余油变化情
况,由表 2 可知,一次水驱后模型中盲端剩余油占
66 生  物  加  工  过  程    第 14卷 
1􀆰 6%,产气功能菌可提高采收率 0􀆰 5%,是 4 类剩
余油中驱替比例最小的类型。 这是由于产气功能
菌运移到盲端产气后,能溶解原油、降低黏度,但
较难运移到盲端深部,即使到达较深盲端底部,没
有气泡的挤压作用,对盲端剩余油的驱替作用也
是较低的。
图 6  产气功能菌作用后盲端剩余油变化情况
Fig􀆰 6  Changes of blind end remaining oil after the action of gas producing capabilities bacteria
    从不同形态剩余油定量数据来看(表 2),基本
符合微观模型实验中观察的现象。 总的来说,簇状
剩余油在整个模型剩余油中所占比例最大 (约
40%),为提高采收率做出的贡献也是最大的,产气
功能菌可提高采收率 13􀆰 1%,簇状剩余油驱油效果
显著,驱替比例达 63􀆰 2%;柱状剩余油和膜状剩余
油在整个模型中所占比例相当,各约占所有剩余油
的 27%,产气功能菌对柱状油有较好效果,驱替比
例为 70􀆰 12%,膜状剩余油驱替比例 41􀆰 4%;盲端剩
余油占所有剩余油比例最少,只有约 3% ~5%,产气
功能菌对该类剩余油提高采收率 0􀆰 5%,驱替比例
为 35􀆰 97%。
本实验的产气功能菌在摇瓶培养中约产生 3倍
培养基体积的气量,在压力 10 MPa 的模型中培养
和驱替始终未观察到气泡产生。 而常规气驱的气
体主要分布在主通道内,且存在游离气,波及效率
较差,相比常规气驱,微生物产气量较小,不存在游
离气状态,对簇状和柱状剩余油的驱替效率较高,
产气功能菌的主动运移作用扩大了波及体积,能有
效接触并动用边界剩余油。
3  结论
在 55 ℃、常压和 8 MPa 下,观察产气功能菌在
微观模型中对原油的作用机理,得出以下结论:
1)产气功能菌能扩散到模型各处,原位产生生
物气降低原油黏度,同时其主动运移作用有效扩大
波及体积,对模型边界剩余油的驱替作用明显,最
终提高采收率达 22%。
2)产气功能菌对不同形态剩余油的驱替效率
不同,实验中观察到对簇状和柱状剩余油驱替效果
显著,可分别提高采收率 13􀆰 1%和 9􀆰 2%。
3)产气功能菌驱油在扩大波及体积的作用上
优于常规气驱。
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(责任编辑  荀志金)
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08 生  物  加  工  过  程    第 14卷