微生物与油藏环境之间的相互影响与作用

近几年, 利用微生物提高石油采收率已经引起了世界范围的关注, 这项技术是向油层注入可在油藏中生长的微生物, 其产物有助于进一步降低二次采油后滞留在储层中的剩余油。目前, 国内外微生物采油方式主要有两种。一是地面法, 即微生物的培养发酵都在地面进行, 再将微生物代谢产生的生物产物注入油层, 从而达到提高采收率的目的。此种工艺优点是微生物生长代谢不会受到地层因素的影响。二是地下法, 指将微生物直接注入油层, 使其代谢作用在油层中进行, 只要供给微生物的营养物质充足, 代谢产物的产生速度就会大于被降解的速度。这种工艺的优点是驱油持续时间长且成本低。

一、微生物采油原理

微生物提高石油采收率的主要原理可以体现在微生物在生长过程中所产生的各种代谢产物及其自身在油藏中的作用。微生物产生的有机酸 (甲酸、丙酸、异丁酸等) 可溶解灰质胶结物, 增大岩石孔隙度和渗透率。微生物产生的气体 (CO2、CH4和H2等) 可提高油层压力, 溶于原油并降低原油黏度。微生物产生的溶剂 (丙醇、丁醇、酮类、醛类) 可溶解原油中的蜡及胶质, 从而降低原油黏度。微生物产生的生物表面活性剂可乳化原油, 改变岩石润湿性, 提高驱油效率。微生物产生的生物聚合物 (聚多糖) 可堵塞大孔道, 起到分流的作用。微生物自身也能起到选择性或非选择性的封堵作用。

二、微生物对油藏环境的影响

1. 微生物对油藏物理化学环境的影响

地层中注入微生物及其营养液后, 微生物能够利用地下原油作为碳源来发酵, 原油中的高碳数饱和烃通过降解产生能溶解石蜡的有机溶剂, 从而降低井筒结蜡程度并使油井的热洗周期得以延长。一些表面活性物质是微生物在地层中发酵产生的, 这些物质起到了乳化地层中原油、改变岩石润湿性的作用, 使岩石颗粒对原油的的吸附性降低。微生物发酵时产生的气体还可以占据岩石孔隙空间, 驱替出孔隙中的剩余油。另外, 微生物还可以直接作用于原油, 增加其流动性。这些综合因素相互作用, 是采油微生物能够提高原油产量的重要原因。

但在处理单井时, 那些拥有较大空间的岩石孔隙会被微生物率先占据, 在其大量生长繁殖的过程中可能会产生一种粘稠的生物聚合体, 这些生物聚合体连同已经死亡的微生物体以及地层中的砂质颗粒混合, 会堵塞一些大孔道, 使储层的渗透率大大降低, 对原油开采造成影响。

2. 微生物对油藏流体的影响

在前人的一些微生物驱油实验中, 当封闭时间达到微生物生长衰退时间, 产出的油水分布是先互溶后分层 (所谓封闭时间, 即是指微生物在岩心中从稳定生长、代谢原油的时间) 。这与其它驱油方法产出的油水状况不相同。前人对实验结果进行过大量分析, 认为微生物可能存在一种摄取原油的机制, 通过这种机制的作用来实现菌—物接触。烃类是石油中的主要化合物, 原油发酵使具有疏水性的烷烃穿过细胞壁进入细胞内, 实现对原油的摄取。Erickson认为微生物对烷烃的摄取机制有三种, 即微生物与溶于水相中的烷烃接触;微生物与“增溶的”或“容纳的”烷烃接触;微生物与较大的烷烃小滴接触。笔者认为, 这三种机制都应该存在, 但后两种是主要机制, 微生物产生的生物表面活性物质增溶烷烃, 实现微生物与烷烃小滴接触。

三、油藏环境对微生物的影响

1. 油藏温度和压力对微生物的影响

Bubela通过实验观察到, 杆状细菌在遭受高压时会变为球状。如若压力突然降低, 微生物会破裂;但若压力逐渐降低, 它们会重新变回杆状, 对生物活动没有明显的影响。Bubela同时注意到脱硫肠状菌在10MPa和70℃下生长时, 其代谢速率为正常状况下的10倍 (根据H2S生成量测出) 。但是其它一些理想的采油微生物并不能达到这一结果, 因为对生物代谢起到至关重要作用的酶在极端环境下可能遭到某种程度的破坏。

Marquis则是用嗜热脂肪芽孢杆菌和硫酸盐还原菌做实验, 以研究温度和压力对微生物的影响。Marquis观察到, 存在一个压力临界点 (约13.8MPa) , 超过这个压力时, 在任何温度下, 微生物的生长和代谢都将受到抑制。相反的, 当达到或接近该细菌的最佳生长温度时, 其显示出具有较好的耐高压性。

美国国家石油能源研究所制定了可采用微生物的油藏标准, 油藏温度应小于76.67℃, Na Cl浓度小于100g/L, 地层压力对微生物的影响不大。

2. PH值对微生物的影响

PH值是油层内对微生物生长和代谢影响最严重的一个参数。目前, 公认的是p H值在4.0-9.0范围内, 微生物生长最佳, 但一些微生物也能在p H值最低1.0和最高12.0的条件下生长。PH值也能影响重金属的增溶性, 从而间接影响微生物的生长和代谢。一般重金属含量大于10-3mol/L, 就会对微生物有显著影响。但很多因素都会影响微生物对重金属浓度的反应, 最新研究发现有些微生物也可耐受很高浓度的重金属。

3. 注水对微生物的影响

目前微生物提高原油采收率的一个重点就是提高老油田的采收率。老油田通常经历了多次注水, 油田水被注入的低盐度水调节, 且完全被氧所饱和。Ivanov和Belyaey发现微生物对原油的氧化作用发生在该油层地层水与注入低盐地面水之间相接触的层带。原油氧化产物激励了产甲烷菌的活性。他们发现当地层水被注入的低盐度水淡化时, 微生物产生甲烷的速率增加。这不仅与碳酸氢盐浓度的增大和有机碳的减少有关, 还与碳酸氢盐的δ13C组分变多和甲烷的δ13C组分变少有关。

四、研究展望

由于微生物采油技术具有多学科性的特点, 其今后的研究工作必将出现石油地质专家、石油工程专家和微生物学家协同合作攻关的局面。接下来的工作重点将会是加强对水—油—岩—生物相互作用机理的研究, 建立微生物作用理论模型, 开发出数模软件, 为日后扩大微生物采油技术的应用范围提供合适的标准。

摘要：简要阐述了微生物采油技术的方式方法与基本原理。综述了微生物活动对油藏环境的影响及温度、压力、PH值和注水对微生物生长代谢的影响。并对未来相关研究提出展望。

关键词：微生物采油,油藏环境,提高石油采收率

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