林軍章,汪衛(wèi)東,胡 婧,吳曉玲,譚曉明,丁明山,曹功澤
(1.中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院,山東東營(yíng) 257000;2.中國(guó)石化微生物采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東東營(yíng) 257000)
微生物采油是通過(guò)向地層中注入營(yíng)養(yǎng)液(激活劑)或微生物,利用油藏條件下微生物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng),增加原油產(chǎn)量,提高采收率的技術(shù)[1-3]。該技術(shù)有效期長(zhǎng),施工成本較低,投入產(chǎn)出高,工藝簡(jiǎn)單,使用的注劑可生物降解,對(duì)地層無(wú)傷害,對(duì)環(huán)境無(wú)污染,是典型的綠色環(huán)保型技術(shù)[4]。中國(guó)適合微生物采油的地質(zhì)儲(chǔ)量約為68×108t,按提高采收率3%計(jì)算,可增加可采儲(chǔ)量2×108t,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著,具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)油藏微生物的開(kāi)發(fā)利用能力日益增強(qiáng),微生物采油技術(shù)必將為石油工業(yè)的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。勝利油田從1995 年正式開(kāi)始微生物采油技術(shù)的研發(fā),1998 年進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),歷經(jīng)二十多年的室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),從微生物單井吞吐到微生物區(qū)塊驅(qū)油,從外源微生物驅(qū)到內(nèi)外源微生物復(fù)合驅(qū),發(fā)展至今通過(guò)微生物+其它工藝組合的方式大幅提高了該技術(shù)的油藏適應(yīng)性,目前已進(jìn)入全面先導(dǎo)試驗(yàn)向工業(yè)化應(yīng)用的轉(zhuǎn)化階段[5-6]。近五年來(lái),勝利油田在微生物界面趨向性、微生物嗜烴乳化、界面生物潤(rùn)濕性等機(jī)理方面取得系統(tǒng)深入的認(rèn)識(shí),在油藏菌群分析、采油功能菌激活與調(diào)控、微生物驅(qū)物理模擬等技術(shù)體系建設(shè)方面均取得較大進(jìn)展[7-9]。截至2019年12月勝利油田微生物驅(qū)油已實(shí)施10 個(gè)區(qū)塊,其中,羅801 塊屬于普通水驅(qū)稠油油藏,已實(shí)施微生物驅(qū)19 年,是目前報(bào)道的實(shí)施時(shí)間最長(zhǎng)的區(qū)塊,累積增油量為16.36×104t,階段提高采收率為6.03%[5];辛68 塊屬深層水驅(qū)稠油油藏,油藏溫度為93 ℃,地層水礦化度超過(guò)60 000 mg/L,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得突破,2016 年8 月開(kāi)始實(shí)施微生物驅(qū)后,區(qū)塊綜合含水率從91%下降至83%,產(chǎn)量從9 t/d 上升到16 t/d[10]。近幾年,針對(duì)低產(chǎn)低效稠油油井開(kāi)展微生物單井吞吐技術(shù)增產(chǎn)提效,到2019年12月已實(shí)施400余口油井,累積增油量達(dá)8×104t,獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益,為稠油轉(zhuǎn)換開(kāi)發(fā)方式探索了新的技術(shù)路徑[11]。
具有采油功能的細(xì)菌在油藏中能夠主動(dòng)向原油方向運(yùn)動(dòng),在油水界面原位生長(zhǎng)、繁殖和代謝,實(shí)現(xiàn)與原油的高效作用。研究和調(diào)控微生物在油水界面的趨向性,對(duì)于提高微生物與原油作用效率至關(guān)重要[12-13]。前期利用微觀模型定性研究了微觀尺度下微生物具有油水界面趨向性[14],近期開(kāi)展了宏觀尺度(1 m)下微生物在流體及多孔介質(zhì)體系中的界面趨向性研究。在缺乏其它營(yíng)養(yǎng)的流體或多孔介質(zhì)環(huán)境中,觀察到明顯的菌體向油砂部位富集的現(xiàn)象,流體及多孔介質(zhì)中菌體的運(yùn)移速度為18~23 cm/d,空白無(wú)油砂體系中相同菌體的運(yùn)移速度僅為7~9 cm/d(圖1)。
微生物乳化是其核心驅(qū)油機(jī)理,中高溫油藏乳化功能菌以地衣芽孢桿菌為主,代謝產(chǎn)物為大分子多糖蛋白類乳化劑,不同于中低溫油藏微生物產(chǎn)生的小分子鼠李糖脂、脂肽等生物表面活性劑。前期研究主要集中在好氧條件下微生物乳化功能,但油藏作為厭氧環(huán)境,好氧生物乳化在油藏內(nèi)難以大范圍長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)。勝利油田建立了以電子受體為核心的厭氧激活劑體系,實(shí)現(xiàn)了厭氧條件下微生物對(duì)原油乳化功能,進(jìn)一步強(qiáng)化了油藏條件下微生物乳化作用[15]。
進(jìn)一步明確了微生物嗜烴降黏機(jī)制,微生物降解后膠質(zhì)、瀝青質(zhì)芳碳率和結(jié)構(gòu)單元數(shù)顯著降低,表明微生物通過(guò)降解膠質(zhì)和瀝青質(zhì)中的多環(huán)芳烴,降低H=H 分子間和芳香環(huán)系的鍵能,減弱結(jié)構(gòu)單元的締合力,降低原油黏度,提高原油流動(dòng)性[16]。同時(shí),微生物可以脫除膠質(zhì)、瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)中的氮和硫元素,氮和硫作為原油中的雜原子在膠質(zhì)、瀝青質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中起交聯(lián)作用,使分子之間連接更加緊密,導(dǎo)致原油黏度大幅上升,微生物通過(guò)脫出氮和硫元素破壞膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),降低原油黏度,氮和硫元素的脫出率達(dá)到20%~30%。
圖1 多孔介質(zhì)中微生物向油水界面主動(dòng)運(yùn)移實(shí)驗(yàn)?zāi)P图皩?shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Experimental model and results of active migration of microorganisms to water-oil interface in porous media
微生物改變界面潤(rùn)濕性是微生物采油的重要機(jī)理之一,在宏觀層面表現(xiàn)為將親油性巖石表面反轉(zhuǎn)為中性或親水,提高原油滲流能力。微生物作用改變潤(rùn)濕性有2 個(gè)方面:其一,微生物自身的作用,利用微生物的界面趨向性,在巖石表面吸附形成生物膜,改變巖石表面的潤(rùn)濕性[17];其二,微生物代謝產(chǎn)物的作用,主要是生物表面活性劑,包括鼠李糖脂、脂肽和槐糖脂等,在巖石表面吸附潤(rùn)濕剝離原油,降低原油黏附功,提高油相滲流能力[18](表1)。
表1 生物表面活性劑處理對(duì)原油與基底間界面黏附功的影響Table1 Effect of biosurfactant on adhesion work between crude oil and substrates
油藏極端環(huán)境存在種類豐富、類型特殊、代謝復(fù)雜的微生物群落,是微生物采油技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ),準(zhǔn)確解析群落組成及其功能是開(kāi)展微生物采油技術(shù)的前提。傳統(tǒng)培養(yǎng)法只能解析其中1%的微生物種類,分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了油藏微生物群落研究領(lǐng)域的發(fā)展,使準(zhǔn)確而系統(tǒng)的解析油藏環(huán)境微生物信息成為可能。勝利油田基于熒光定量PCR 技術(shù),建立了5 種驅(qū)油功能菌的定量檢測(cè)技術(shù),檢測(cè)下限達(dá)到10個(gè)/mL,標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)脂肽菌、產(chǎn)乳化劑菌、嗜烴菌、產(chǎn)甲烷古菌、硝酸鹽還原菌及硫酸鹽還原菌的快速準(zhǔn)確定量[19];同時(shí)利用高通量測(cè)序及宏基因組學(xué)技術(shù)建立了油藏微生物群落組成及功能解析技術(shù),對(duì)油藏樣品群落的覆蓋度達(dá)到95%以上[8]。
激活劑是目前微生物采油技術(shù)中調(diào)控微生物群落的主要手段。激活劑的發(fā)展伴隨著微生物采油技術(shù)的發(fā)展,隨著勝利油田開(kāi)發(fā)難度的日益增大,對(duì)激活劑性能的需求越來(lái)越多,激活劑的研發(fā)已經(jīng)從“單一功能菌系選擇性激活”向“功能菌群時(shí)空調(diào)控”,從“簡(jiǎn)單、快速營(yíng)養(yǎng)組分”向“復(fù)雜、長(zhǎng)效營(yíng)養(yǎng)組分”方向發(fā)展,逐步研發(fā)出驅(qū)油功能菌高效選擇性激活劑、油藏深部延遲激活劑、流度控制稠化型激活劑等(圖2),實(shí)現(xiàn)不同類型驅(qū)油功能菌在驅(qū)油不同階段、不同類型油藏內(nèi)精準(zhǔn)地激活和調(diào)控[20]。
圖2 高效與功能性延遲激活劑的激活時(shí)效Fig.2 Activation time of high-efficiency and functional activators
微生物驅(qū)物理模擬技術(shù)是微生物室內(nèi)研究銜接現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié),勝利油田已經(jīng)形成完善的微生物驅(qū)物理模擬體系,包括微觀可視模型[14]、一維長(zhǎng)巖心管式模型[21]、二維平板模型、三維非均質(zhì)模型[22]4種不同功能和特點(diǎn)的物理模擬手段(表2),近期建立微生物驅(qū)三維物理模擬技術(shù),核心是形成微生物驅(qū)相似準(zhǔn)則,深化了微生物對(duì)油藏非均質(zhì)適應(yīng)性認(rèn)識(shí),指導(dǎo)微生物驅(qū)油工藝優(yōu)化。
表2 不同微生物驅(qū)模擬功能特點(diǎn)Table2 Functions of MEOR physical simulation models
微生物驅(qū)油過(guò)程中油藏微生物群落結(jié)構(gòu)存在明顯的演替變化規(guī)律,對(duì)該領(lǐng)域的研究可以深化微生物驅(qū)油機(jī)理,建立油藏微生物特征與驅(qū)油效率間的聯(lián)系,為微生物驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)效果分析及方案調(diào)整提供理論依據(jù)。勝利油田微生物采油研究中心設(shè)計(jì)長(zhǎng)巖心多輪次連續(xù)動(dòng)態(tài)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)微生物驅(qū)替過(guò)程,通過(guò)產(chǎn)出液群落特征動(dòng)態(tài)分析揭示了微生物驅(qū)替過(guò)程中微生物群落存在“好氧啟始、兼性過(guò)渡、厭氧穩(wěn)定”的演替變化規(guī)律。研究還發(fā)現(xiàn),隨著注入輪次的增加,以油藏原始菌群為基礎(chǔ)篩選的激活劑對(duì)改變后菌群的選擇性激活效果逐漸減弱,多樣性降幅逐漸縮小,菌濃度峰值逐漸降低,需要在合適的時(shí)機(jī)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控以維持高效的選擇性激活作用[23]。在上述研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步確定并量化了可以指示調(diào)控時(shí)機(jī)的關(guān)鍵生物指標(biāo),其中選擇產(chǎn)甲烷古菌濃度作為油藏微生物群落代謝活性指標(biāo),油藏微生物群落多樣性變化作為群落穩(wěn)定性指標(biāo),產(chǎn)甲烷古菌濃度較初始油藏提高4個(gè)數(shù)量級(jí)、多樣性降幅穩(wěn)定在30%以下是微生物驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)最佳調(diào)控時(shí)期[24](圖3)。利用上述生物關(guān)鍵指標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),提高現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)控的針對(duì)性。
圖3 產(chǎn)甲烷古菌濃度多樣性降幅與提高采出程度的關(guān)系Fig.3 Relationship between decrease in concentration diversity of methanogenic archaea and EOR
勝利油田從1998 年至今先后在10 個(gè)區(qū)塊開(kāi)展了微生物驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),截至2019 年12 月累積增油量為30×104t,投入產(chǎn)出比平均為1∶5.7,目前正在沾3塊、辛68塊和草13塊等區(qū)塊開(kāi)展微生物驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。
3.1.1 沾3塊低效水驅(qū)稠油油藏
沾3 微生物驅(qū)實(shí)施區(qū)塊于1985 年投入開(kāi)發(fā),1989 年注水開(kāi)發(fā),微生物驅(qū)油前已進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)、產(chǎn)量遞減階段,油藏綜合含水率為93.8%,采出程度為28.2%,日產(chǎn)油量為24.6 t/d,水驅(qū)標(biāo)定采收率為31.5%,水驅(qū)效果差,穩(wěn)產(chǎn)難度大。
針對(duì)沾3 塊油藏溫度和礦化度低[25],油藏內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)復(fù)雜,建立了采油功能菌選擇性激活技術(shù),實(shí)現(xiàn)乳化和產(chǎn)氣菌群高效激活。該區(qū)塊分3個(gè)階段實(shí)施微生物驅(qū),微生物驅(qū)后日產(chǎn)油量從29 t/d 增加到78 t/d,含水率從93.8%降低到85%,截止到2019年12 月,累積增油量達(dá)到7.2×104t,階段提高采收率為4.09%(圖4)。
3.1.2 辛68塊高溫高鹽深層稠油油藏
辛68塊油藏埋深為2 205~2 365 m,原始地層溫度為89~93 ℃,產(chǎn)出水礦化度為55 920 mg/L,地面原油黏度為3 028~8 761 mPa·s。區(qū)塊注水開(kāi)發(fā)25 a,目前已進(jìn)入特高含水開(kāi)發(fā)階段,油藏綜合含水率達(dá)到95.1%,面臨含水率高、采油速度低、采出程度較低、水驅(qū)采收率低的開(kāi)發(fā)形勢(shì)。
圖4 沾3塊微生物驅(qū)開(kāi)發(fā)曲線Fig.4 Curves of crude oil production by microbial flooding in Block Zhan3
針對(duì)辛68塊油藏溫度和礦化度高、功能菌豐度低、微生物代謝速率快、生命周期短的問(wèn)題,建立了嗜熱功能菌長(zhǎng)效激活技術(shù)。微生物驅(qū)實(shí)施后明顯見(jiàn)效,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%,截止到2019 年12 月,累積增油量為1.2×104t,階段提高采收率為2.98%(圖5)。
3.1.3 草13塊熱采低效稠油油藏
草13 塊油藏埋深為1 290~1 350 m,油藏溫度為60 ℃,含油面積為4.8 km2,地質(zhì)儲(chǔ)量為778×104t,地面原油黏度為100~9 000 mPa·s,采出程度為20%,綜合含水率為81%,前期熱采開(kāi)發(fā),后轉(zhuǎn)水驅(qū)含水率上升快,轉(zhuǎn)微生物驅(qū)。微生物試驗(yàn)區(qū)為草13砂四塊的2個(gè)井組,油井?dāng)?shù)為12口,水井?dāng)?shù)為2口。
針對(duì)草13砂四塊前期熱采內(nèi)源菌群被破壞、后期注水時(shí)間短、內(nèi)源菌種類少,建立嗜烴乳化外源菌強(qiáng)化內(nèi)源微生物驅(qū)技術(shù),實(shí)現(xiàn)原油高效降黏。草13 砂四塊于2019 年6 月實(shí)施微生物驅(qū)后累積增油量為2 300 t,日增油量為9.5 t/d,綜合含水率下降了5.6%(圖6),初步見(jiàn)效,為熱采低效稠油轉(zhuǎn)換開(kāi)發(fā)方式探索了新的技術(shù)途徑。
微生物單井吞吐技術(shù)是通過(guò)向油井注入微生物菌液和激活劑關(guān)井培養(yǎng),利用微生物及其代謝產(chǎn)物的協(xié)同作用,提高油井產(chǎn)量。目前針對(duì)低產(chǎn)低液、熱采低效、邊底水等低效稠油井,形成了微生物復(fù)合CO2、微生物復(fù)合生物表面活性劑、微生物復(fù)合氮?dú)饣蚨聞┑韧掏鹿に嚕鉀Q不同類型油井的生產(chǎn)矛盾。近5 a 來(lái),實(shí)施微生物稠油吞吐400 余井次,有效率為81.4%,累積增油量為8×104t,平均單井增油量為243 t,投入產(chǎn)出比為1∶5(油價(jià)按50$/bbl)。
圖5 辛68塊微生物驅(qū)開(kāi)發(fā)曲線Fig.5 Curves of crude oil production by microbial flooding in Block Xin68
圖6 草13塊微生物驅(qū)開(kāi)發(fā)曲線Fig.6 Curves of crude oil production by microbial flooding in Block Cao13
3.2.1 低產(chǎn)低液稠油油藏
水驅(qū)稠油油藏由于儲(chǔ)層滲透率低、原油黏度高、地層能量低,導(dǎo)致部分油井長(zhǎng)期低產(chǎn)低液生產(chǎn),針對(duì)該類油井建立微生物復(fù)合CO2吞吐工藝,利用微生物改變儲(chǔ)層潤(rùn)濕性、降黏,提高原油滲流能力,同時(shí)通過(guò)CO2復(fù)合提高單井產(chǎn)量。近5 a 共實(shí)施63口井,有效率達(dá)到90.5%,累積增油量為2.07×104t。
濱南單14區(qū)塊屬于典型的低效水驅(qū)稠油油藏,采用微生物復(fù)合CO2吞吐實(shí)施13 口井,累積增油量為1.2×104t(圖7)。其中SJSH14X60 井屬于典型的低產(chǎn)低液稠油井,由于滲透率低、原油黏度較高、礦化度高、泥質(zhì)含量高、原油流動(dòng)阻力大,一直低液生產(chǎn)。2018 年實(shí)施第一輪微生物吞吐,日產(chǎn)油量由0.5 t/d 提高到7 t/d,2019 年3 月二次吞吐再次提高產(chǎn)能,累積增油量為1 240 t(圖8)。
3.2.2 熱采多輪次稠油油藏
圖7 濱南單14區(qū)塊微生物吞吐井整體實(shí)施情況Fig.7 Overall crude oil production by microbial huff-n-puff in Block Shan14
圖8 SJSH14X60井微生物吞吐生產(chǎn)曲線Fig.8 Curves of crude oil production by microbial huff-n-puff in Well SJSH14X60
針對(duì)熱采多輪次低效稠油油藏,形成微生物復(fù)合生物表面活性劑吞吐體系,該體系有較強(qiáng)的降黏效果,對(duì)于黏度為20 000 mPa·s 的稠油降黏率達(dá)到90%。針對(duì)該類油井,近5 a 實(shí)施60 口井,有效率達(dá)到78%,累積增油量為1.4×104t。
SJSH10P2井屬于典型的熱采多輪次稠油井,投產(chǎn)以來(lái)共熱采10 個(gè)輪次,從第6 輪次后熱采效益變差,油氣比僅為0.2。實(shí)施微生物吞吐后最高日產(chǎn)油量為8.6 t/d,生產(chǎn)220 d,累積產(chǎn)油量為989 t,(擬)油氣比達(dá)到1.56,明顯高于熱采效益(圖9,表3)。
圖9 SJSH10P2井微生物吞吐生產(chǎn)曲線Fig.9 Curves of crude oil production by microbial huff-n-puff in Well SJSH10P2
表3 SJSH10P2井微生物吞吐與末輪次蒸汽吞吐對(duì)比Table3 Comparison between microbial huff-n-puff and steam huff-n-puff in Well SJSH10P2
3.2.3 邊底水稠油油藏
針對(duì)弱邊底水稠油油藏,原油黏度高,邊底水錐進(jìn),油井含水率高,采用氮?dú)廨o助微生物進(jìn)行吞吐,近5 a共實(shí)施18口井,有效率為77.8%,累積增油量為3 200 t。
金8-30塊屬于典型的弱邊底水稠油油藏,其中JJJ8-P6 井實(shí)施微生物吞吐后含水率從79.3%降低到36.1%,日產(chǎn)油量由1.5 t/d 提高6.9 t/d,累積增油量為1 250 t(圖10)。
圖10 JJJ8-P6井微生物吞吐生產(chǎn)曲線Fig.10 Curves of crude oil production by microbial huff-n-puff in Well JJJ8-P6
針對(duì)強(qiáng)邊底水稠油油藏,建立微生物復(fù)合堵水吞吐工藝,可以有效改善高含水油井的產(chǎn)液剖面,控制含水率,同時(shí)防止微生物大量注入水體,提高了微生物對(duì)原油的作用效率。近5 a 共實(shí)施69 口井,有效率為75.3%,累積增油量為1.28×104t。
ZXH139-P7 井屬于強(qiáng)邊底水稠油井,熱采開(kāi)發(fā)過(guò)程中由于底水錐進(jìn),水竄迅速,2020 年實(shí)施微生物復(fù)合堵水吞吐工藝,提高微生物與原油的接觸效率,吞吐后,日產(chǎn)油量最高達(dá)到14.6 t/d,含水率降低至22.4%,截至目前累積增油量為807 t(圖11)。
圖11 ZXH139-P7井生產(chǎn)曲線Fig.11 Curves of crude oil production in Well ZXH139-P7
勝利油田微生物驅(qū)油技術(shù)逐步發(fā)展成熟,形成了完善的技術(shù)體系,已在10個(gè)區(qū)塊開(kāi)展了微生物驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),應(yīng)用效果顯著。截至2019 年12 月累積增油量為30×104t,投入產(chǎn)出比平均為1∶5.7。微生物吞吐技術(shù)針對(duì)低效水驅(qū)、熱采低效、活躍邊底水等低效稠油井,形成了微生物復(fù)合CO2、微生物復(fù)合生物表面活性劑、微生物復(fù)合氮?dú)庖约拔⑸飶?fù)合堵水等多種吞吐工藝,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施400余井次,有效率為81.4%,平均單井增油量為243 t。
微生物采油要通過(guò)實(shí)施工藝優(yōu)化、工藝集成,包括與注氣、分層注采、堵水等工藝集成,提高微生物與剩余油接觸效率,進(jìn)一步拓寬微生物采油技術(shù)油藏適應(yīng)范圍和實(shí)施效果。