李彩風(fēng)，束青林，韓保鋒，曹嫣鑌，汪衛(wèi)東，宋永亭，吏鋒兵，張 勇

（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)石化勝利油田分公司，山東東營(yíng) 257001；3.中國(guó)石化勝利油田分公司孤島采油廠，山東東營(yíng) 257231）

內(nèi)源微生物采油技術(shù)是通過向油層注入激活劑，利用油藏條件下微生物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)提高原油采收率。該技術(shù)作為一項(xiàng)環(huán)保、低成本的可持續(xù)性發(fā)展技術(shù)，已在中外油田顯示良好的應(yīng)用前景［1-6］。前期研究發(fā)現(xiàn)中高溫乳化微生物在中高溫油藏驅(qū)油過程中起著舉足輕重的作用［7-11］。由于油藏微生物生態(tài)系統(tǒng)及其生長(zhǎng)代謝途徑紛繁復(fù)雜，定向調(diào)控內(nèi)源微生物中的乳化功能菌使其發(fā)揮驅(qū)油作用的難度大［12-14］。與內(nèi)源菌相比，外源菌具有復(fù)雜度低、可控性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此，向油藏注入外源乳化功能菌，調(diào)整油藏微生物種群結(jié)構(gòu)使其朝著有利于驅(qū)油的方向發(fā)展，成為內(nèi)源微生物采油技術(shù)發(fā)展的新思路。注入的外源菌必須適應(yīng)油藏環(huán)境，并與油藏內(nèi)源菌相兼容，形成油藏微生物群落中穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)菌群，從而發(fā)揮內(nèi)外源菌的協(xié)同驅(qū)油作用［15-16］。目前，乳化功能菌在油藏環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖情況、時(shí)空分布規(guī)律及其與油藏內(nèi)源菌群之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系尚不清楚，外源菌對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中內(nèi)源菌驅(qū)油影響的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道非常少［17］，還未見外源乳化功能菌在內(nèi)源菌群落驅(qū)油過程中的追蹤生長(zhǎng)變化報(bào)道，導(dǎo)致在油藏環(huán)境下對(duì)該類重要功能菌的激活調(diào)控針對(duì)性不強(qiáng)。

Geobacillus是高溫油藏中一類具有嗜烴和產(chǎn)乳化劑功能的菌屬［18-21］，它是從Bacillus菌屬中分離出來的一組在表型和系統(tǒng)發(fā)育上相似的嗜熱菌群，該菌屬中大多數(shù)細(xì)菌的生長(zhǎng)溫度高于55 ℃，并能降解烴類化合物。勝利油田石油工程技術(shù)研究院從油藏環(huán)境中篩選獲得一株SL-1菌，該菌能以烴類為唯一碳源進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，烴類乳化能力強(qiáng)，最適宜生長(zhǎng)溫度是65～70 ℃［22-23］，且能產(chǎn)生一種以糖、蛋白和脂為主的生物乳化劑。本文將該乳化功能菌進(jìn)行微觀可視模型和巖心填砂模型的多孔介質(zhì)驅(qū)油研究，首次探索研究了多孔介質(zhì)中油藏內(nèi)源菌生態(tài)系統(tǒng)影響下外源乳化功能菌的驅(qū)油機(jī)理及生長(zhǎng)分布規(guī)律，為中高溫油藏環(huán)境下利用外源菌強(qiáng)化內(nèi)源菌驅(qū)油效果提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)儀器包括微觀可視模型、微觀驅(qū)替系統(tǒng)、物理模擬驅(qū)油裝置、巖心填砂模型（尺寸：1 800 mm×38 mm，如圖1 所示）、定量PCR 儀、分光光度計(jì)。油水樣品取自勝利油田沾3 區(qū)塊，原油黏度為230 mPa·s，地層水礦化度為1 890 mg/L；菌種采用SL-1菌，來自勝利油田石油工程技術(shù)研究院微生物中心菌種庫。激活劑體系包括尿素，酵母粉，K2HPO4·3H2O，KH2PO4，MgSO4·7H2O和微量元素，其質(zhì)量濃度分別為5，1，2.7，1.0，0.2和0.1 g/L，pH 值調(diào)至中性。

圖1 巖心填砂模型分段取樣Fig.1 Sectional sampling of core sand-packed model

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)方法

利用高溫高壓微觀可視驅(qū)油系統(tǒng)，模擬油藏高溫、高壓環(huán)境，將SL-1 菌注入至微觀可視模型中進(jìn)行培養(yǎng)，研究剩余油變化［24］，具體步驟包括：①將微觀可視模型升溫至65 ℃，抽真空，飽和含有激活劑的地層水。②飽和原油后，進(jìn)行一次水驅(qū)至約1.5 PV，停止水驅(qū)。③注入0.8 PV 的SL-1 菌液，緩慢增壓至10 MPa，培養(yǎng)不同時(shí)間，觀察剩余油變化。④培養(yǎng)結(jié)束后，后續(xù)二次水驅(qū)1.5 PV，水驅(qū)后分析剩余油驅(qū)替情況。

1.2.2 巖心填砂模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)方法

利用巖心填砂模型驅(qū)油系統(tǒng)，模擬油藏高溫、高壓環(huán)境，將不同介質(zhì)分批次注入巖心填砂模型中，激活培養(yǎng)，研究該菌的時(shí)間及空間變化規(guī)律，具體步驟包括：①將巖心填砂抽真空、飽和水，并飽和原油。②進(jìn)行一次水驅(qū)，注入速度為1 mL/min，驅(qū)替3 PV 至含水率95%以上。③巖心中注入0.05 PV 的激活劑體系/SL-1 菌/SL-1 菌+激活劑體系，注入結(jié)束后繼續(xù)以相同速度用注入水連續(xù)驅(qū)替。分別于一次水驅(qū)后的第1 d、第8 d、第15 d 和第22 d，共注入4輪次激活劑體系/SL-1菌/SL-1菌+激活劑體系。④對(duì)不同時(shí)間產(chǎn)出液進(jìn)行驅(qū)替效率、微生物種群結(jié)構(gòu)及SL-1 數(shù)量等指標(biāo)檢測(cè)。⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)束后拆卸巖心，分析不同位點(diǎn)油砂內(nèi)滯留的SL-1菌數(shù)量及殘余油飽和度。以一直注水驅(qū)替的巖心作為空白對(duì)照。其中，僅注入激活劑體系是利用內(nèi)源菌的生長(zhǎng)代謝進(jìn)行驅(qū)油，僅注入SL-1 菌是利用SL-1 菌的發(fā)酵代謝產(chǎn)物進(jìn)行驅(qū)油，而同時(shí)注入SL-1菌和激活劑體系是利用SL-1 菌和內(nèi)源菌共同繁殖代謝來發(fā)揮驅(qū)油作用。

1.2.3 SL-1菌定量檢測(cè)

從NCBI 的GenBank 數(shù)據(jù)庫中下載G.stearother?mophilus目的序列，根據(jù)功能基因中的保守區(qū)設(shè)計(jì)特異性引物，功能基因Geb-F 引物序列為5`-TAA GCG TGA GAT CGG TGG TTC-3`，功能基因Geb-R引物序列為5`-GCG CTC TCG GTT TCT TCC TT-3`。從油藏微生物中提取細(xì)菌總DNA 后，利用特異性引物進(jìn)行基因擴(kuò)增，擴(kuò)增片段純化后構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)粒，制作SL-1菌標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.4 微生物種群結(jié)構(gòu)分析

提取樣品中微生物DNA，然后擴(kuò)增獲取16s DNA 基因文庫克隆，送至深圳華大基因公司進(jìn)行微生物高通量測(cè)試，確定樣品中微生物種群結(jié)構(gòu)組成。

1.2.5 油砂中原油測(cè)定

利用沾3 區(qū)塊原油繪制原油含量標(biāo)準(zhǔn)曲線，對(duì)巖心中的油砂進(jìn)行石油醚萃取，分離并收集原油萃取液，然后利用分光光度計(jì)對(duì)萃取液進(jìn)行吸光度檢測(cè)，明確樣品中的原油含量，并通過巖心孔隙體積計(jì)算殘余油飽和度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 SL-1菌的微觀驅(qū)油

一次水驅(qū)之后，微觀可視模型中存在膜狀、簇狀、盲端等大量不同形態(tài)的剩余油，繼續(xù)同時(shí)注入外源菌SL-1和激活劑體系作為實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行培養(yǎng)，以只添加激活劑體系作為空白對(duì)照。隨著地層水中內(nèi)源菌的激活，代謝產(chǎn)生的生物表面活性劑使膜狀剩余油減少，但是壁面殘余油及盲端剩余油的剝離能力有限（圖2）。SL-1菌在油藏環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生生物表面活性劑，導(dǎo)致模型潤(rùn)濕性發(fā)生改變，孔隙壁面的膜狀剩余油收縮，乳化成油滴從壁面剝離，盲端剩余油也被有效剝離驅(qū)出，原油乳化現(xiàn)象增強(qiáng)（圖3）。

圖2 空白培養(yǎng)期間剩余油變化Fig.2 Changes of residual oil in blank control group

圖3 SL-1菌培養(yǎng)期間剩余油變化Fig.3 Changes of residual oil in test group with SL-1

油藏環(huán)境下，微生物與原油作用一段時(shí)間后，再進(jìn)行二次水驅(qū)，剩余油明顯減少，大部分簇狀、柱狀剩余油被驅(qū)替（圖4，圖5）。與空白對(duì)照相比，SL-1 菌作用后的油膜、盲端等剩余油被有效驅(qū)動(dòng)，二次水驅(qū)后剩余油更少。由此可見，在高溫、高壓油藏環(huán)境下，加入SL-1菌可以有效提高剩余油驅(qū)替效率。

2.2 巖心填砂模型微生物驅(qū)油效果

從表1中可以看出，外源菌+內(nèi)源菌體系提高原油采收率達(dá)13.5%。其次，內(nèi)源菌提高原油采收率為8.8%，外源菌提高原油采收率為7.2%。由此可見，內(nèi)、外源菌的生長(zhǎng)繁殖，強(qiáng)化了單純內(nèi)源菌或單純外源菌發(fā)酵液的驅(qū)油效果，從而進(jìn)一步提高了原油采收率。

2.3 不同注入體系產(chǎn)出液中微生物數(shù)量變化

不同注入體系產(chǎn)出液中的微生物數(shù)量變化不同（圖6）。僅注入外源菌的巖心產(chǎn)出液中微生物數(shù)量很低，基因拷貝數(shù)最高約為102copies/mL，說明微生物在地層水貧瘠的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中難以有效生長(zhǎng)，這時(shí)驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)來自發(fā)酵液中存在的生物表面活性劑產(chǎn)物，與外源菌繁殖代謝無關(guān)；僅注入激活劑體系的巖心產(chǎn)出液中微生物數(shù)量開始呈現(xiàn)波動(dòng)變化，然后逐漸趨于穩(wěn)定，約為107copies/mL，說明激活劑體系可以有效促進(jìn)內(nèi)源菌的生長(zhǎng)，但是到后期，微生物增殖到一定程度，數(shù)量難以進(jìn)一步增加；而同時(shí)注入外源菌和激活劑體系的巖心產(chǎn)出液中微生物總量呈上升變化趨勢(shì)，基因拷貝數(shù)約為109copies/mL，微生物數(shù)量始終高于其余2種注入體系。由此可見，同時(shí)注入外源菌和激活劑可以進(jìn)一步提高油藏微生物的數(shù)量，強(qiáng)化微生物代謝活性，有利于微生物驅(qū)油。

圖4 空白對(duì)照作用前后剩余油分布Fig.4 Distribution of residual oil before and after blank control

圖5 SL-1菌作用前后剩余油分布Fig.5 Distribution of residual oil before and after addition of SL-1

表1 不同微生物注入體系提高采收率情況Table1 Enhanced oil recovery in different microbial injection systems %

圖6 不同注入體系驅(qū)替中微生物數(shù)量變化Fig.6 Changes in number of microorganisms during oil displacement in different injection systems

2.4 復(fù)合驅(qū)替中微生物群落結(jié)構(gòu)

2.4.1 不同輪次微生物群落結(jié)構(gòu)

微生物種群結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示，同時(shí)注入外源菌SL-1 菌和激活劑體系的巖心產(chǎn)出液＜中Geoba?cillus始終是產(chǎn)出液中微生物群落的優(yōu)勢(shì)菌之一，而其他優(yōu)勢(shì)菌在各輪次之間變化較大。但是整個(gè)微生物生態(tài)系統(tǒng)中的功能菌以烴降解菌為主，每輪次中占比均達(dá)70%以上，可能與注入的無機(jī)鹽激活劑體系有關(guān)。由表2 可知，除Geobacillus菌之外，第1輪激活后主要是棲熱孢菌（Thermotoga）、不動(dòng)桿菌（Acinetobacter）、海桿菌（Marinobacter）和油桿菌（Petrobacter）；第2 輪激活后主要包括脫硫桿菌（De?thiobacter）、不動(dòng)桿菌（Acinetobacter）、吞菌弧菌（Pe?redibacter）、棲熱孢菌（Thermotoga）；第3 輪優(yōu)勢(shì)菌以纖維單孢菌屬（Cellulomonas）、脫硫弧菌（Desulfovi?brio）、脫硫桿菌（Dethiobacter）、海桿菌（Marino?bacter）為主；第4 輪優(yōu)勢(shì)菌以假單胞菌（Pseudomo?nas）、脫硫弧菌（Desulfovibrio）、希瓦氏菌屬（She?wanella）和海桿菌（Marinobacter）。

SL-1 菌能夠適應(yīng)沾3 油藏環(huán)境，在油藏微生物生態(tài)系統(tǒng)中具有一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，多輪次外源菌的注入使該菌在內(nèi)源群落中逐漸保持穩(wěn)定，功能菌優(yōu)勢(shì)地位凸顯。但是隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，Geobacillus菌在整個(gè)微生物生態(tài)系統(tǒng)中的占比有所下降，由開始21%降低至13%，推測(cè)隨著激活劑體系消耗，代謝產(chǎn)物積累、內(nèi)源菌的競(jìng)爭(zhēng)繁殖等因素影響，油藏生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)開始發(fā)生轉(zhuǎn)變。

表2 4輪激活過程中驅(qū)出液的優(yōu)勢(shì)菌群Table2 Dominant bacterium in produced liquid during four rounds of activator injections

2.4.2 不同巖心位置微生物群落結(jié)構(gòu)

對(duì)巖心不同部位油砂中微生物種群結(jié)構(gòu)及SL-1 菌進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示SL-1 菌在巖心入口處占比最高，可達(dá)55%，隨著離入口端距離增加，該菌在菌群中的比例逐漸降低，出口端為12%（圖7）。分析認(rèn)為：一方面，該菌具備兼性厭氧的生理特性，可以在巖心不同位置進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖；另一方面，激活劑體系注入后充分激活了地層水中內(nèi)源菌，微生物多樣性增強(qiáng)。同時(shí)，對(duì)不同位置的SL-1菌進(jìn)行基因定量分析，結(jié)果顯示（圖8），該菌在巖心中前部數(shù)量較高，最高可達(dá)106copies/mL，隨之緩慢下降，出口端數(shù)量約為103copies/mL，說明大部分外源菌依然滯留于巖心中，可以繼續(xù)有效發(fā)揮驅(qū)油作用。此外，還可以看出SL-1菌在巖心不同位點(diǎn)的濃度與殘余油飽和度存在一定負(fù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，該菌濃度高的位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的殘余油飽和度比較低（殘余油飽和度約為30%）。

圖7 油砂不同取樣點(diǎn)的微生物種群結(jié)構(gòu)Fig.7 Microbial community structure at different sampling points in oil sands

圖8 SL-1菌在巖心中的空間分布Fig.8 Spatial distribution of SL-1 in core

3 結(jié)論

SL-1 菌能夠在模擬油藏環(huán)境的微觀可視模型中生長(zhǎng)代謝，同單純激活內(nèi)源菌的空白對(duì)照相比，添加該菌后可以增強(qiáng)微生物與原油的相互作用，提高了微生物的原油驅(qū)替效率。巖心填砂模型實(shí)驗(yàn)中該菌始終是產(chǎn)出液微生物優(yōu)勢(shì)種群之一，其濃度與巖心殘余油飽和度呈現(xiàn)負(fù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明該菌生長(zhǎng)繁殖與巖心驅(qū)油密切相關(guān)，與微觀模型驅(qū)油現(xiàn)象一致。隨著注入時(shí)間延長(zhǎng)，該菌在生態(tài)系統(tǒng)中占比有所下降。因此，要使該菌長(zhǎng)期在油藏內(nèi)源菌生態(tài)系統(tǒng)中維持穩(wěn)定，還需要對(duì)SL-1 菌的注入方式、注入時(shí)間、激活劑體系種類等調(diào)控方式繼續(xù)進(jìn)行深入研究。

此外，內(nèi)源菌驅(qū)油過程中油藏微生物數(shù)量隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸趨于平穩(wěn)，后期即使再注入激活劑體系，微生物數(shù)量也不會(huì)有顯著的增殖變化，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。外源菌的注入可以刺激油藏微生物進(jìn)一步生長(zhǎng)繁殖，提高微生物驅(qū)油效果。因此，調(diào)控研究外源菌與內(nèi)源菌之間的協(xié)同機(jī)制，充分發(fā)揮外源菌強(qiáng)化內(nèi)源菌驅(qū)油的效果，將為微生物驅(qū)油技術(shù)的發(fā)展提供新思路。