“益生菌”提高難采稠油采收率機(jī)理與技術(shù)實(shí)踐

束青林，胡 婧，林軍章，鄭 昕，孫剛正，丁明山，陳子慧

（1.中國石化勝利油田分公司，山東東營 257000；2.中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營 257000）

中國稠油儲量約為200×108t，約占石油地質(zhì)總儲量的四分之一，整體動用率、采收率均低于常規(guī)稀油油藏，是未來石油勘探開發(fā)的重要潛力及產(chǎn)量增長點(diǎn)［1］。勝利油區(qū)稠油儲量約為9.0×108t，其開發(fā)狀況差異較大，低速難采單元覆蓋儲量為3.4×108t，平均采油速度為0.5%，主要為多輪次吞吐、低滲透敏感、強(qiáng)邊底水及低效水驅(qū)等4 種類型的稠油油藏［2］，屬于難采稠油，存在開發(fā)方式與油藏條件不適用的矛盾，影響開發(fā)效果，亟待尋找變革性接替開發(fā)技術(shù)。微生物采油技術(shù)通過靶向激活油藏內(nèi)源或注入采油“益生菌”，利用菌體生長代謝活動及其產(chǎn)生的活性代謝產(chǎn)物與原油及儲層高效作用，改善油水流度比，提高稠油原油采收率，在難采稠油油藏轉(zhuǎn)換開發(fā)方式領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力［3-6］。

自1998年開始，勝利油區(qū)不斷深化研究微生物采油機(jī)理，實(shí)現(xiàn)微生物采油機(jī)理從表觀到本質(zhì)、從定性到定量、從單一到系統(tǒng)的認(rèn)識提升，針對不同類型油藏開發(fā)矛盾，開發(fā)特異性功能菌種，研發(fā)高效激活劑體系，建立完備的物理模擬體系，不斷完善微生物采油工藝，現(xiàn)場已從先導(dǎo)試驗(yàn)進(jìn)入規(guī)?；茝V階段。近5 a，微生物驅(qū)油區(qū)塊從3 個增加到15個，油藏陣地從低效水驅(qū)稠油油藏拓展到多輪次熱采、敏感性、高含水稠油油藏，年增油量從0.7×104t/a增加到10×104t/a［7-10］。勝利油區(qū)已形成系統(tǒng)的難采稠油油藏微生物提高采收率理論與技術(shù)體系［11-12］。在機(jī)理方面，通過多機(jī)理復(fù)合針對性解決不同類型難采稠油油藏開發(fā)矛盾。其中多輪次吞吐難采稠油油藏能量虧欠、井間富集剩余油但無法有效動用，通過微生物原位產(chǎn)生生物氣及黏性多糖來補(bǔ)充地層能量并提高波及范圍；低效水驅(qū)稠油油藏由于油水流度比大，水驅(qū)波及體積及洗油效率低，通過微生物原位產(chǎn)黏性多糖及嗜烴降黏來改善油水流度比；深層稠油油藏注汽效率低，熱損失大，采出難度大，通過微生物原位降黏及界面改性實(shí)現(xiàn)深層稠油高效采出；低滲透敏感稠油油藏注汽效率低，通過微生物礦物改性，降低儲層敏感性，從根本上解決敏感油藏注采難題［13］。在現(xiàn)場應(yīng)用方面，形成4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；建立稠油油藏微生物群落基因定量解析技術(shù)［14］、原位嗜烴類驅(qū)油功能菌高效激活技術(shù)［15-16］、生物特征預(yù)測生產(chǎn)動態(tài)變化技術(shù)［17］及生物場動態(tài)調(diào)控技術(shù)［18］，為微生物采油技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。筆者系統(tǒng)總結(jié)了勝利油區(qū)近5 a 在難采稠油油藏微生物提高采收率領(lǐng)域的機(jī)理認(rèn)識、關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)場推廣情況，以期為進(jìn)一步推進(jìn)微生物采油技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用提供指導(dǎo)。

1 “益生菌”微生物提高采收率機(jī)理

1.1 微生物乳化嗜烴實(shí)現(xiàn)稠油改質(zhì)降黏

稠油油藏最主要的開發(fā)難題是原油重質(zhì)組分含量高、黏度大、流動性差。部分微生物可以利用稠油中的重質(zhì)組分作為碳源生長［19］。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黏度為10 000 mPa·s稠油經(jīng)嗜烴菌作用后，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)相對分子質(zhì)量明顯降低，膠質(zhì)從1 410 降低到1 382，瀝青質(zhì)從2 481 減低到1 618，降黏率達(dá)到35%。利用基因組及代謝途徑研究，進(jìn)一步揭示了嗜烴微生物在油藏厭氧條件下，以硝酸鹽、硫酸鹽和CO2等為電子受體，利用多級生物酶促反應(yīng)在多環(huán)芳烴分子上進(jìn)行羥基化、羧基化等反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)開環(huán)和逐步降解，破壞膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，從本質(zhì)上降低稠油黏度（圖1）。

圖1 微生物對多環(huán)芳烴菲和芘的開環(huán)降解途徑Fig.1 Microbial ring-opening degradation pathways of phenanthrene and pyrene

1.2 微生物產(chǎn)生物多糖實(shí)現(xiàn)增黏調(diào)驅(qū)

低效水驅(qū)稠油油藏受油水流度比大的制約，水驅(qū)波及體積較低，而且在長期注水開采過程中，油藏非均質(zhì)性加劇，微生物和激活劑更傾向于進(jìn)入高滲透區(qū)域，不能有效進(jìn)入滲透率較低的高剩余油分布區(qū)，從而影響了驅(qū)替效果。研發(fā)高黏生物多糖為主體的功能性激活劑（圖2），原液黏度為7 000 mPa·s，有效提高驅(qū)替相黏度，擴(kuò)大波及體積，利于微生物更好地進(jìn)入低滲透區(qū)，實(shí)現(xiàn)原油的高效降黏和動用。物理模擬結(jié)果表明，注入生物多糖以后，驅(qū)替壓力明顯升高，最高達(dá)到1.22 MPa，后續(xù)二次水驅(qū)過程中含水率降低，最大降幅為14.52%，提高驅(qū)替效率10%以上。

圖2 不同濃度功能性激活劑的表觀黏度Fig.2 Apparent viscosity of functional activators at different concentrations

1.3 微生物厭氧產(chǎn)氣增能強(qiáng)化降黏

油藏中絕大部分是厭氧環(huán)境，如何激活和調(diào)控厭氧微生物代謝在微生物采油過程中發(fā)揮驅(qū)油作用是技術(shù)關(guān)鍵［20］。通過微生物物質(zhì)代謝、能量代謝途徑分析，明確了油藏厭氧條件下電子傳遞是厭氧代謝慢的限制性因素（圖3）。通過電子受體和激活劑組分調(diào)控，有效提高了產(chǎn)甲烷功能菌數(shù)量，加快了油藏微生物厭氧代謝產(chǎn)氣速率，產(chǎn)氣速率達(dá)到194 μmol/（g·d），相比常規(guī)激活劑提高了42.6%，噸激活劑產(chǎn)氣體258.3 m3，相比常規(guī)激活劑提高了1.5倍。電子受體調(diào)控同時(shí)提高了微生物厭氧乳化降黏能力，降黏率達(dá)到85%。厭氧微生物激活調(diào)控技術(shù)提高了微生物油藏厭氧環(huán)境的適應(yīng)性，大幅提高了微生物厭氧代謝速率和驅(qū)油效率。

圖3 電子受體介導(dǎo)微生物厭氧代謝產(chǎn)氣途徑Fig.3 Electron acceptor-mediated microbial anaerobic metabolism and gas production pathway

1.4 微生物潤濕改性降低油相滲流阻力

油藏環(huán)境下，微生物吸附在巖石固體表面，形成生物膜，改變儲層表面性質(zhì)。同時(shí)，微生物原位代謝的生物表面活性劑也會吸附在油水界面和油固界面，其中油固界面上的吸附行為會改變儲層巖石表面的潤濕性（圖4）。生物表面活性劑具有特殊的分子結(jié)構(gòu)，其在巖石表面吸附后親水基朝向水相，使親油性巖石表面反轉(zhuǎn)為親水性或弱親水性［21-22］。潤濕性的反轉(zhuǎn)會顯著提升油相視滲透率。研究發(fā)現(xiàn)，模擬儲層的親油性多孔介質(zhì)經(jīng)微生物作用后，原油最大驅(qū)動壓力顯著下降，由3.65 MPa 最低降至1.08 MPa，下降幅度達(dá)70%，大幅降低原油滲流阻力。

圖4 微生物在固液界面吸附后的潤濕性變化Fig.4 Wettability changes of solid-liquid interfaces after adsorption of microorganisms

1.5 微生物改性礦物實(shí)現(xiàn)生物防膨

微生物在油藏原位生長，除了高效作用原油外，對油藏儲層物性也存在明顯影響［13］。通過室內(nèi)研究，首次證實(shí)油藏內(nèi)源微生物具有改性敏感性礦物的潛力。從勝利油區(qū)分離到一株嗜熱地芽孢桿菌（Geobacillus icigianusSL-1），該菌種可以酵母提取物為電子受體，在厭氧條件下還原蒙脫石中的Fe3+，實(shí)現(xiàn)蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)變（圖5）。礦物膨脹性較初始礦物顯著降低，縮膨率達(dá)到25.9%，有效解決敏感性油藏的水敏問題。

圖5 微生物催化蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化機(jī)理示意Fig.5 Conversion mechanism of montmorillonite to illite under microbial catalysis

2 “益生菌”微生物提高采收率技術(shù)

2.1 稠油油藏微生物群落基因定量解析技術(shù)

稠油油藏原位生長的微生物群落是微生物采油技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，基于高通量測序、熒光定量PCR 及宏基因組學(xué)等分子生物學(xué)方法建立了勝利油區(qū)稠油油藏微生物群落結(jié)構(gòu)和功能解析技術(shù)，以及產(chǎn)脂肽菌、嗜烴菌、硝酸鹽還原菌、產(chǎn)甲烷古菌4種采油關(guān)鍵微生物定量檢測技術(shù)［14］?；谝陨霞夹g(shù)揭示了稠油油藏原位微生物群落組成特點(diǎn)及分布規(guī)律。甲烷嗜熱桿菌（Methanothermus）、假單胞菌（Pseudomonas）、芽孢桿菌（Bacillus）、不動桿菌（Acinetobacter）及海桿菌（Marinobacterium）等微生物是稠油油藏主要的優(yōu)勢菌屬，Pseudomonas屬菌株幾乎存在于所有油藏樣品中，是油藏的共有微生物，該類菌株具有降解芳烴、烷烴等能力，可以作為稠油油藏微生物驅(qū)油內(nèi)源激活的主要對象。

2.2 原位嗜烴類驅(qū)油功能菌高效激活技術(shù)

原油黏度大、流動性差是稠油油藏的主要開發(fā)矛盾，稠油油藏內(nèi)富含以原油組分為碳源生長的嗜烴類功能微生物，定向激活該類微生物可以實(shí)現(xiàn)油藏原位稠油改質(zhì)降黏。從稠油油藏菌群結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)目標(biāo)區(qū)塊嗜烴微生物營養(yǎng)需求，設(shè)計(jì)嗜烴類定向激活體系［15-16］。嗜烴功能菌定向激活體系以少量有機(jī)碳源、無機(jī)氮源和磷源鹽為主，同時(shí)通過添加少量生物表面活性劑和電子受體強(qiáng)化群落微生物嗜烴功能。該定向激活體系可實(shí)現(xiàn)嗜烴類微生物的高效激活，芽孢桿菌、假單胞菌、海桿菌等嗜烴功能菌在群落中的豐度提高30%，濃度達(dá)到108個/mL，內(nèi)源培養(yǎng)30 d 后地面原油黏度為5 000 mPa·s稠油的降黏率可以超過80%，同時(shí)嗜烴菌產(chǎn)生的生物表面活性劑和生物乳化劑可以實(shí)現(xiàn)原油乳化降黏，復(fù)合嗜烴作用后整體降黏率超過90%。

2.3 生物特征預(yù)測生產(chǎn)動態(tài)變化技術(shù)

基于室內(nèi)物理模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)的大數(shù)據(jù)分析，揭示了微生物特征與生產(chǎn)動態(tài)間的構(gòu)效關(guān)系［18］。微生物驅(qū)油過程中每輪次激活劑注入后，細(xì)菌濃度先升高后降低，群落多樣性先降低后升高，與驅(qū)油效果呈現(xiàn)明顯的對應(yīng)關(guān)系。單一激活劑多輪次注入后，每輪次細(xì)菌濃度峰值逐漸降低，多樣性降幅逐漸減小，驅(qū)油效果也隨之降低，證實(shí)微生物驅(qū)需在合適的時(shí)機(jī)開展動態(tài)調(diào)控。通過研究證實(shí)產(chǎn)甲烷古菌濃度提高4 個數(shù)量級，多樣性降幅小于30%后，現(xiàn)場生產(chǎn)動態(tài)開始變差，通過室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)可以得到目標(biāo)區(qū)塊激活劑注入孔隙體積倍數(shù)與產(chǎn)甲烷古菌濃度及多樣性降幅間的關(guān)系（圖6）。建立針對沾3區(qū)塊的多樣性降幅及產(chǎn)甲烷古菌濃度數(shù)量級的擬合公式：

圖6 生物指標(biāo)預(yù)測生產(chǎn)動態(tài)變化Fig.6 Prediction of production performance with biological indicators

通過上述生物指標(biāo)的變化可以準(zhǔn)確地預(yù)測微生物驅(qū)油生產(chǎn)動態(tài)變化，指導(dǎo)及時(shí)調(diào)控。

2.4 生物場動態(tài)調(diào)控技術(shù)

建立適合微生物采油技術(shù)研究的三維物理模擬實(shí)驗(yàn)體系，在此基礎(chǔ)上形成激活劑及注采工藝對生物場的動態(tài)調(diào)控技術(shù)［17］。前期注入高效激活劑，微生物在油藏中逐漸形成生物場，在后期注入功能性激活劑，實(shí)現(xiàn)油藏深部微生物的激活，進(jìn)一步擴(kuò)大生物場波及范圍（圖7）。通過三維物理模擬研究，證實(shí)激活劑注入地層后油藏內(nèi)部生物場發(fā)育呈現(xiàn)明顯的延滯期、對數(shù)生長期、穩(wěn)定期和衰減期特征，不同階段調(diào)整注采強(qiáng)度，縮短延滯期，延長穩(wěn)定期，可實(shí)現(xiàn)微生物驅(qū)油快速見效、長期有效（圖8）。

圖7 功能性激活劑擴(kuò)大生物場Fig.7 Biological field expansion by functional activators

圖8 通過注采調(diào)控強(qiáng)化不同階段生物場發(fā)育Fig.8 Development strengthening of biological field at different stages by injection-production regulation

3 示范區(qū)塊礦場實(shí)施效果

3.1 低效水驅(qū)稠油沾3區(qū)塊微生物驅(qū)技術(shù)

沾3 區(qū)塊微生物驅(qū)技術(shù)實(shí)施前含水率為93.8%，屬于特高含水水驅(qū)油藏。長期水驅(qū)后油藏菌群豐度高，采用內(nèi)源菌選擇性激活采油技術(shù)，提高水驅(qū)效率。方案激活劑總注入量為0.3 PV，采用前期段塞后期連續(xù)注入方式，預(yù)計(jì)提高采收率5.75%。2011 年開始實(shí)施，截至2021 年6 月已累積增油量為7.69×104t，階段提高采收率為4.37%。

3.2 深層稠油辛68區(qū)塊微生物驅(qū)技術(shù)

辛68區(qū)塊屬于高溫高鹽深層稠油油藏，油水流度比大、非均質(zhì)性強(qiáng)、水驅(qū)效率低，采用功能性激活劑長效激活油藏深部嗜熱功能菌群，拓寬微生物驅(qū)油藏適應(yīng)界限。方案設(shè)計(jì)注入功能性激活劑0.25 PV，截至2021年7月底完成設(shè)計(jì)量的67.6%，預(yù)計(jì)提高采收率8.5%。自2016 年6 月開始注入，實(shí)施后峰值日產(chǎn)油量增加12.5 t/d，綜合含水率最大降幅為14.9%，截至2021 年3 月，累積增油量為1.36×104t，階段提高采收率為3.48%。

3.3 熱采稠油草13區(qū)塊沙四段微生物驅(qū)技術(shù)

草13區(qū)塊屬于低滲透敏感稠油油藏，熱采效率低，轉(zhuǎn)水驅(qū)開發(fā)快速失效，采用外源功能菌復(fù)合采油技術(shù)，改善區(qū)塊開發(fā)效果。方案設(shè)計(jì)注入量為0.3 PV，菌液注入濃度為0.45%，預(yù)測提高采收率8.75%。2019 年6 月實(shí)施后，外源菌比例從5%提高到60%，日產(chǎn)油量由23 t/d升至30 t/d，綜合含水率最大降幅為8%，累積增油量為3 571 t。

3.4 敏感性稠油金8-30區(qū)塊微生物吞吐技術(shù)

金8-30區(qū)塊屬于敏感稠油油藏，其泥質(zhì)含量高無法實(shí)施熱采開發(fā)，2019 年開始探索微生物礦物改性復(fù)合氮?dú)馔掏鹿に?，通過微生物改性礦物，降低儲層敏感性，另一方面通過氮?dú)鈹U(kuò)大微生物在油藏中作用半徑，提高微生物與原油的接觸效率和降黏效率。2020 年金8-30 區(qū)塊實(shí)施9 口井，年增油量為5 300 t/a，提高采油速度0.26%，周期增油量為8 700 t，該技術(shù)下步可覆蓋金家油田1 500×104t儲量。

4 結(jié)論

通過近年的研究，不僅深化了勝利油區(qū)微生物提高稠油油藏采收率的機(jī)理，在現(xiàn)場應(yīng)用方面也實(shí)現(xiàn)了較大的突破，共得到以下3點(diǎn)認(rèn)識：①微生物通過多機(jī)理復(fù)合作用提高稠油油藏開發(fā)效率，但不同類型油藏應(yīng)根據(jù)開發(fā)矛盾明確其微生物采油主導(dǎo)機(jī)理。②油藏菌群的全面認(rèn)識是調(diào)控的基礎(chǔ)，嗜烴降黏等功能菌高效激活是核心，擴(kuò)大生物場波及范圍是動用剩余油的關(guān)鍵，生物特征準(zhǔn)確預(yù)測生產(chǎn)動態(tài)變化并及時(shí)開展生物場動態(tài)調(diào)控是穩(wěn)定現(xiàn)場效果的保障。③微生物與其他體系復(fù)合、微生物與其他工藝集成，都大幅提高了微生物采油技術(shù)的油藏適用范圍及現(xiàn)場應(yīng)用效果，未來需要進(jìn)一步加強(qiáng)“微生物+”概念的創(chuàng)新發(fā)展。研究成果為同類型難采稠油油藏轉(zhuǎn)換開發(fā)方式提供了理論及技術(shù)借鑒。

符號解釋

CMethanogens——產(chǎn)甲烷古菌濃度，個/mL；

Ddiversity——產(chǎn)出液微生物群落多樣性；

R——擬合優(yōu)度；

x——激活劑注入孔隙體積倍數(shù)，PV。