（油气田开发工程专业论文）微生物驱油数值模拟研究与应用.pdf

s t u d ya n da p p l i c a t i o n0 fn u m e r i c a l s i m u i 棚0 no fm i c r o b i a lf l o o d i n g a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fm i c r o b i a le n h a n c e do i lr e c o v e r yh a sg o o dp o t e n t i a lo fa p p l i c a t i o n a s o n ek i n do fm e o r ，t h em i c r o b i a lw a t e rf l o o d i n gt e c h n o l o g yc a nt r e a ts om u c ha r r a n g eo f r e s e r v o i rt h a ti tc a ni m p r o v et h eo i lp r o d u c t i o n ，a n db ea b l et oe n h a n c et h eo i lr e c o v e r yr e a l l y i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et h e o r e t i c a ld e v e l o p m e n ta n dt h e a p p l i c a t i o na d v a n c e m e n to fm e o r a th o m e a n da b r o a da r ee n g a g e db yo u re x t e n s i v ee f f o r t so fi n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n df i e l di n v e s t i g a t i o n ， s oa r et h ea c t u a l i t yo ft h ee x p l o i t a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no fm e o rn u m e r i c a ls o f t w a r e o nt h eb a s i so ft h ef e a t u r e so ft h el o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i ra tt h ew a t e rf l o o d e dt r a n s i t i o n z o n eo ft h en o r t hs aa tt h ed a q i n go i l f i e l d ，at h r e e d i m e n s i o n a l ，t h r e ep h a s ea n d p o l y c o m p o n e n t f l o w i n gm a t h e m a t i c a lm o d e li ss e l e c t e df o rc a l c u l a t i o n 弧i sm o d e li n c l u d e st h ec o m p o n e n t m i g r a t i o ne q u a t i o n ，b l a c k - 0 i l - t y p es i m u l a t i o nm o d e l ，m i c r o b i a lk i n e t i c se q u a t i o n ，p e r m e a b i l i t y r e d u c t i o nm o d e la n dt h eo c d u d e do i la c t i v a t i o nm o d e l ，a l lo fw h i c ha r ec a p a b l eo fd e s c r i b i n gt h e m i c r o b i a lp h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a lp r o c e s s e so c c u r r i n gi nt h ep o r o u sm e d i a t h r o u g h t h em i c r o b i a lc o m p a t i b i l i t ye x p e r i m e n ti nt h e l a bw i t ht h eb a c t e r i a lc u l t u r ew i t ht h ef i e l d e n v i r o n m e n t ，s e v e r a lf i e l de x p e r i m e n ts c h e m e sa r ee s t a b l i s h e d ，w h i c hi st h e ne v a l u a t e d s y s t e m a t i c a l l yw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t o r a n daf e a s i b l es c h e m ei so p t i m i z e dt op r o c e e dt h e w a t e r f l o o d i n gs u s c e p t i b i l i t yt e s t n er e s u l t ss h o wa sf o l l o w s ：t h ei n j e c t i o np r e s s u r ef a l l s t h e a p p a r e n tw a t e ri n j e c t i v i t yi n d e xr i s e s ，t h ed e v e l o p e dd e g r e eo ft h eo i ll a y e ri si m p r o v e d ，t h e l i q u i d - p r o d u c i n gc a p a c i t ya n dt h ed a i l yo i lo u t p u ti n c r e a s e ，t h ew a t e r - c u td e c r e a s e s u c hg o o d d i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c si n d i c a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h em i c r o b i a lw a t e r - d r i v ee x p l o i t a t i o na t c o n d i t i o n so ft h et r a n s i t i o nz o n e ，a n dt h i sm e t h o dc o u l db eu s e da te x t e n s i v es c a l e t h i sf i e l dt e s t a l s oe x p l a i n st h eg o o de f f e c to fm i c r o b i a ld i s p l a c e m e n t i ti sk n o w nt h a tt h em i c r o b ec u l t u r ei s w e l lc o m p a t i b l ew i t ht h et r a n s i t i o nz o n eo i ll a y e ra n d p o s s e s sb e t t e rf l e x i b i l i t y t h ec o m p u t i n g p o w e ro ft h en u m e r i c a ls i m u l a t o ri sv a u d a t e da sw e l l t h em o d e l i n gr e s u l t sc o u l dd i r e c tt h ef i e l d e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：m e o r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；m i c r o b i a lf l o o d i n g ；c o m p a t i b i l i t y l i 人庆石油学院顺f 研究生学位论文 第1 章绪论 根据预测，2 1 世纪原油需求总量为2 5 0 0 - - 2 6 0 0 亿吨，按照现有油藏开发技术和措施 年均仅能提供3 8 0 亿吨。因此，要满足需求总量，必须将采收率提高到6 5 - - 7 0 ，即现 有水平的2 倍。 提高原油和天然气产量的途径主要是增加地质储量和应用高效生产技术，而后者的作 用越来越重要。目前，石油天然气工业面对的最重要的挑战之一就是提高采收率。在过去 的2 0 年里，采收率提高了1 0 ，但这主要归功于油藏工程，提高采收率方法的贡献很小。 由于较低的波及系数和洗油效率，油藏中有2 3 的地质储量不能采出。波及系数可以通过 油藏工程和化学工程的方法得到提高，洗油效率则只能依靠化学工程。按采收率达到6 4 6 6 的目标，现有技术可将采收率提高2 0 达到4 8 ，剩余1 6 要依赖于化学提高采 收率方法的应用。近些年来，随着新开发区块的减少以及大量高产油田的减产，提高原油 采收率技术( i o r ) 正在世界范围内不断得到推广和应用。 微生物提高采收率技术就是一种主要利用化学原理提高波及系数和沈油效率的提高 采收率技术，室内实验和矿场试验表明，这是一种具有潜在经济效益的方法，特别对枯竭 的生产井更是如此。在美国，由于枯竭井( 指产油速度少于l ob b l d 的井) 的产量占总 采油量的将近5 0 1 1 1 ；我国的一些大油田近些年来相继进入高含水后期，所以需要一种低 成本的提高采收率方法( i o r ) 。微生物提高采收率方法尤其适合应用于今天这种经济环境。 有足够的资料证明了利用微生物技术增加原油生产的可行性和灵活性。在世界各地，已经 有大量的生产井和油田已经用微生物配方进行了处理。 1 1 微生物提高采收率研究概况 1 1 1 微生物提高采收率的起源 在石油生产实践中，往往发生细菌堵塞油井以及原油罐和油库中产生h 2 s 的情况，这 使人们认识到微生物能在油藏内生长。1 9 2 6 年，b e c k m a n 提出细菌可能有利于石油的生产， 因为它们的代谢产物能帮助地质构造中的石油的释放和运移。这以后没有发表其它的文献 报道，直至z o b e l l 于1 9 4 6 年和1 9 4 7 年发表了他的研究结果，获得了用油层内厌氧硫酸 盐还原菌( 如h y d z o c a r b o n c l a s t i c u s 脱硫弧菌) 进行二次采油法的专利。z o b e l l 观察到， 梭状芽孢杆菌和脱硫弧菌的混合培养物在营养物的水溶液中会产生氢化酶，细菌利用这些 氢化酶产生低分子量的氧化物( 酸、酮等) 和二氧化碳。在实验室的实验中，这些气体和 溶剂有助石油从充填的砂柱中释放出来。在后来的研究中，z o b e l l ( 1 9 5 3 ) 在实验室中利 用其它发酵类型的细菌产生大量的有机酸和二氧化碳来提高石油采出量，他还观察到有几 株菌可在高达8 8 的温度中生长，而且在几个小时内迁移通过1 2 5c m 未上釉的素瓷， 第1 章绪论 并能以每天大于2 5c i l l 的速率通过致密的填充砂柱。 1 9 5 4 年，u p d e g r a f f 和w r e n 重复做z o b e l l 的工作并对其它微生物做一些调查，他们 提议注入脱硫弧菌和糖蜜提高石油采收率。1 9 5 4 年，u p d e g r a f f 帮助y a r b r o u g h 和c o t y 在美国阿肯色州进行油田现场试验，应用丙酮丁醇梭状芽孢杆菌和糖蜜开采水驱后的残余 油。 h i z t m a n 在1 9 6 2 年获得将细菌孢子和营养物注入油藏的工艺专利，他在实验室中使用 饱和油的填充砂柱来检验自己的假设，将玫瑰色梭菌的孢予和糖蜜的水溶液流过砂柱，可 使油释放量增加( 约3 0 ) 。后来，h i z t m a n 获得的专利涉及使用一些消耗注入的聚合物 的微生物，从而以副产品c 0 ：驱油( 1 9 7 2 ) 。在聚合物驱中，注入的微生物消耗吸附在油藏 岩石表面的聚合物，而在c o s 驱中，那些注入菌耗食c o z - 一原油段塞推进过后遗留下的碳、 氮、硫的化合物，这些方法在填砂柱实验中能使残余油流动起来，但没见用岩心或油田试 验的报道。 k u z n e t s o v 等人( 1 9 6 3 年) 发现在苏联的一些油气藏中找到的细菌，每吨岩石每天由 细菌生产出2 克c o z 。他猜想甲烷可能是在岩石表面由细菌合成c o ：和氢气所形成的。后来 s e n y u k o v 等人( 1 9 7 0 ) 试图应用微生物进行石油开采。i v a n o v 和b e l y a e v ( 1 9 8 3 ) 报道过 与注入井有关的好氧与厌氧菌菌落的研究。 但由于油价问题，直到8 0 年代这项新技术才得到重视，才开始在世界范围内开展研 究和应用。 1 1 2 微生物提高采收率研究新进展 微生物提高采收率技术最早在美国诞生，并逐渐成为- - i 1 新兴的采油方法。1 9 7 9 年， 由美国能源部赞助在加利福尼亚州圣地亚哥召开了一个座谈会，并拨款在俄克拉何马大 学、俄克拉何马州立大学、佐治亚大学和南加利福尼亚大学开展研究。美国能源部还继续 拨款资助一些大学和俄克拉何马州马特斯维尔国家石油研究所开展m e o r 的油田现场研究。 取得了一定的成果。 2 0 世纪8 0 年代开始，微生物提高原油采收率方法开始受到重视。然而，实际应用的 进展并不大。到9 0 年代，这项新技术已有突破性进展，进入推广应用的阶段。在这一时 期，美国国家石油能源研究所( n i p e r ) 进行了几项m e o r 研究计划1 2 l ，取得了一系列研究 成果，代表了微生物提高原油采收率的发展方向。 美国国家石油能源研究所s g p l 3 计划的研究成果： 1 9 8 6 年公布了在俄克拉荷马州n o w a t a 县m i n k u n i t 油区注入微生物的矿场试验方案。 1 9 8 7 年 进行单井注入试验，以确定细菌的注入能力和在地层环境中的存活能力。在 m i n k u n i t 油区进行2 0 英亩区块的注入试验，2 l 口注水井中，有4 口井注入了微 生物。发现注入微生物后，井口反排液中有微生物代谢产物的存在。 1 9 8 8 年首次证实了微生物经注水井运移到生产井。在整个m i n k u n i t 矿场试验中，采收 率提高1 3 。 2 大庆石汕学院坝i j 研究生学化沦文 1 9 9 0 年在俄克拉荷马州阿肯色县附近的c h e l s e a a 1 l u w e 油阳丌始扩大试验，试验区面 积5 2 0 英亩( 生产面积3 8 0 英亩) 。通过中心注水站，在1 9 口注水井中注入微生物。 1 9 9 2 年从1 9 9 2 年到1 9 9 3 年5 月，c h e l s e a a 1 l u w e 油田通过注入微生物试验，原油产量 增加2 0 。 美国因家石油能源研究所b e 3 计划的研究成果： 1 9 8 4 年发表了m e o r 技术综述报告，并设计了m e o r 数据库。 研制了室内模型，模拟m e o r 方法。 筹建了m e o r 菌种库，其中含有适合各种地层条件的、性能不同的菌种。 1 9 8 5 年发现注入菌与内源菌相溶性对提高采收率和评价环境影响十分必要。 1 9 8 6 年建立了细菌对矿场条件适应性的测试方法，并确定了一系列m e o r 矿场试验的环 境标准。 发现m e o r 能有效地用于重油开采。 1 9 8 7 年发现有些h t e o r 方法可降低硫酸盐还原菌群落，减少腐蚀。向d o e 提交m e o r 现场 试验数据库。 1 9 8 8 年为石油生产商举办了一次m e o r 讲习班。 筹备了一次有1 0 0 多人参加的m e o r 专题协作讨论会。 1 9 8 8 年发现了芽孢杆菌和梭菌之间的协同效应，两者共同作用比单独作用更能提高采收 密。 首次发现微生物能改变亲水岩石的润湿性。 发现细菌细胞对提高采收率有着重要作用。 发现细菌的代谢产物，如醇、酸等在多孔介质中比细菌细胞移动得更快。 出版了微生物技术在石油领域应用国际会议论文集。 1 9 8 9 年发现某些低浓度( 1 2 ) 的添加剂可提高b t e o r 效果，其中一种重要的添加剂就 是n a h c 0 3 。 为石油生产商举办了一次短期m e o r 讲习班。 1 9 9 0 年建立了微生物在一个三维、三相、多组分的多孔介质中运移的模型。 向n i p e r 申请了微生物强化水驱的专利。 向d o e 提交新的m e o r 矿场试验数据库，含有6 9 个矿物试验数据。 在石油与天然气杂志发表了有关m e o r 标准。 1 9 9 0 年5 月在俄克拉荷马州的诺曼举行了第三次m e o r 国际会议，会议以矿场试验为主要内 容。向第三次m e o r 国际会议提交两篇论文。 1 9 9 1 年首次公布微生物的作用对相对渗透率的影响数据。 模拟研究表明，微生物处理比单独水驱能获得更高的油气采收率。c t 成像技术研 究表明，在多孔介质中微生物产生的气体能降低残余油饱和度。 1 9 9 2 年发现微生物能改变亲油性岩石的润湿性，这将大大降低残余油饱和度。 3 第1 章绪论 8 月举行了d o e s p e e o r 讨论会，并提交了生物技术在e o r 中的应用论文。 1 1 月在纽约长岛举行了第四次m e o r 国际会议，会上提交了两篇论文。 f y 9 3 研究计划 f y 9 3 计划继续开展室内实验，完善m e o r 的三维数模，同时获得能说明m e o r 有关机理 的数据。机理的研究包括微生物对油藏微观性质的改变，如表面张力、润湿性、吸附作用 等，其中吸附作用影响原油的流动方向和渗透性。通过对三个实验进行核磁共振分析表明， 微生物的存在，改变了液流方向。 f y 9 3 计划评价了微生物在实际应用过程中对环境、安全和健康的影响，完成了装备改 造。 此外，日本国内有关微生物方面的研究较多，但以提高采收率( e o r ) 为主进行的研 究并不突出。日本的石油公司石油开发技术中心( t r c ) 自1 9 7 7 年开始着手研究微生物提 高采收率，主要以油层法为主，利用微生物的代谢物来进行研究。 俄罗斯从1 9 8 8 年开始在r o m a s h k i n s k o e 油田进行通过“激活”地下本源微生物提高 石油采收率的试验。他们在对地层中固有微生物分析的基础上，有针对性地选择营养物和 空气注水作业一起将其注入到油层中。产出液分析表明，菌的浓度比注入前升高，原油产 量也随之提高，在本源微生物采油技术的研究和应用方面具有代表性。另外，英国、加拿 大、澳大利亚、波兰等国也都部分开展了相应的研究试验工作【3 】。 我国的石油微生物学始于1 9 5 5 年，开始研究细菌勘探：2 0 世纪6 0 年代研究了油田微 生物的生态学和生理学，参加的单位有中国科学院、石油都、地质部及一些大专院校，并 取得了丰硕的成果。近几年来，国外( 主要是美国) 在这方面已有成熟的技术，并开始向 我国市场渗透，这在一定程度上促进了我国这方面研究的发展。 我国吉林油田和中国科学院微生物研究所协作研究了一项微生物吞吐技术，有较好的 增油效果，但在注入微生物的同时需要注入大量的营养液，这相对提高了原油开采的成本。 大庆油田在“七五”国家科技攻关成果简介中，介绍了利用微生物地下发酵的研究成 果。利用微生物地下发酵提高原油采收率是当前引起石油界广泛重视的一种生物技术。大 庆石油管理局和中科院微生物所在国内首先开创了将细菌直接注入地下提高采收率的室 内评价方法，大庆石油管理局利用混合菌种进行了创造性的放大发酵工艺、注入工艺及矿 场试验研究。 据中国石油报1 9 9 5 年5 月1 9 日报道，油田专用微生物工厂在徐州建成( 投放1 吨微 生物可增产原油4 0 0 吨) 。它由华东输油管理局和美国迈克尔自克微生物公司合资兴建， 采用美国的技术设备，按美国标准生产油e l 专用微生物，年产微生物7 万加仑。大大促进 了国内微生物提高采收率研究的进展。 1 1 1 3 微生物提高采收率的优势和局限性 1 、微生物提高采收率优势 4 大庆石油学院硕：i ：g f 究生学位论文 微生物方法原理不同于化学法原理，微生物法有着化学法不可比拟的优点： l 、对边远油田而言，在经济上具有吸引力，且效果持续时间长： 2 、工序简单，操作方便。一般不必增添井场设备。可以方便地利用常规注入设备。 所用工艺设备只需要对现有的油田设备做小小的改装，降低了成本。该方法适于使用典型 的注水开发地面装置。m e o r 工艺安装成本低廉，比其它e o r 技术更适用； 3 、可用于开采各种类型的原油( 轻质、重质、中等质量的原油) ，开采重质原油的效 果更好； 4 、注入的微生物和培养物( 营养物) 价格便宜，易于获得，便于应用。可以针对具 体的油藏，灵活调整微生物配方： 5 、只要停止注入营养液，油藏内的营养物被消耗完，即可终止微生物的活动； 6 、微生物细胞很小，且能运移，所以能够进入其它的驱油工艺不能完全进入的油层 中的死角和裂缝； 7 、成本低。微生物的主要营养源之一是石油，而这些石油本来是采不出来的。另外， 细菌本身能自我复制，通过在地层内繁殖而扩大其有利的作用； 8 、原料来源广泛。微生物是从油田产出水中分离出来的。营养物可以是质量较差的 糖蜜； 9 、不损害地层，可在同一井中多次应用； 1 0 、m e o r 产物均可生物降解，不会堆积在环境中，不污染环境、 2 、微生物方法的局限性 当然，应用微生物采油也有一定的局限性。其局限性主要体现在以下几个方面： 1 、对于高温( 高于8 9 ) 或高含盐量( 高于1 0 ) 的地层，通常不能选用； 2 、需要进行实验室室内配伍性测试，以及合理的工程设计，其采油机理尚未完全探 明证实； 3 、对特定的油层的最佳微生物应用工艺尚在建立之中； 4 、油田应用筛选标准仍然需要不断改进； 5 、能可靠预测现场过程的地层模拟技术和数值模拟技术还不成熟。 虽然微生物提高采收率有一些局限性，但由于其独特的经济优势和环境优势，受到越来越 多的专家和领导的重视。 1 。2 微生物提高采收率的机理和应用 微生物提高采收率是将地面分离培养的微生物菌液和营养液注入油层，或单独注入营 养液激活油层内微生物，使其在油层内生长繁殖，+ 产生有利于提高采收率的代谢产物，以 提高油田采收率的方法。微生物提高采收率是搜术含量较高的一种提高采收率技术，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，而且包括微生物茵体、微生物 5 第1 章绪论 营养液、微生物代谢产物在油层中的运移，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。 1 2 1 提高采收率微生物的特点 采油微生物繁殖生长和代谢都是在油藏孔隙介质中完成的，而油藏是一个非常复杂的 环境，矿物的组成及性质，孔隙度和渗透率，地层压力，流体的温度、p h 值、矿化度，原 油性质，残余油饱和度等因索都会影响微生物在油藏中的运移、生长、代谢作用及代谢产 物，从而进一步影响到微生物提高原油采收率的最终效果。因此采油微生物至少具有以下 三个特点1 3 】： ( 1 ) 能够在油藏条件下生长繁殖。微生物在油藏条件下存活、生长与繁殖是微生物 提高采收率的前提条件，因此，所应用的微生物必须适应油藏的矿物岩性、油藏温度，地 层压力，地层流体的性质，包括原油性质和地层水的性质，如矿化度、p h 值等。 ( 2 ) 代谢产物能够有利于提高原油采收率。代谢产物的类型和产量始终是微生物提 高采收率最为重要的基础。微生物代谢产物对油层的作用如表2 - 2 所示： ( 3 ) 除了上述三个特点外，如果要充分发挥微生物采油的潜力，微生物菌种最好能 以石油烃为睢一碳源，它自选择性地利用原油中的大组分作为营养源，且在油藏中生长繁 殖过程中不易变异、或变异以后的代谢产物仍然是有利于提高采收率的组分。另外，所选 微生物应无环境污染问题。 1 2 2 微生物提高采收率作用机理 1 、改变原油的组成，使其变成低粘度的原油 微生物以石油中正构烷烃作为碳源而生长繁殖，从而改变原油的碳链组成。微生物不 断老化，改变了石蜡基原油的物理性质，影响了原油液或固相的平衡，降低了石蜡基原油 的临界温度和压力。微生物的增加能大大减少储层、井眼和设备表面的原油结蜡的温度和 压力。微生物生长时释放出的生物酶，可降解原油，使原油碳链断裂，高碳链原油交为低 碳链原油，使重组分减少，轻质组分增加，凝固点和粘度均可降低，不仅改善原油在油层 中的流动性，而且会使原油品质得到改善。 2 、改变原油的驱油环境 ( 1 ) 生物表面活性剂提高采收率机理 微生物所产生的表面活性剂会降低油水界面张力，减小水驱油毛管力，提高驱替毛管 数。同时生物表面活性剂会改变油藏岩石润湿性，从亲油变成亲水，使吸附在岩石表面上 的油膜脱落，油藏残余饱和度降低，从而提高采收率。 ( 2 ) 生物气提商采收率机理 大多数微生物在代谢过程中都产生气体，如二氧化碳、氢气、甲烷等，这些气体能够 使油层部分增压并降低原油粘度，提高原油流动能力。溶解岩石中的碳酸盐，增加渗透率； 使石油膨胀，其体积增大，有利于驱出原油，增加产量。同时气泡的贾敏效应还会增加水 6 人庆石油学院硕：l ：t i j f 究生学位论文 流阻力，提高注入水波及体积。 ( 3 ) 产生酸及有机溶剂提高采收率机理 生物产生的酸主要是相对低分子质量的有机酸( 甲酸，丙酸) ，也有部分无机酸( 即硫 酸) ，它们能溶解碳酸盐，一方面增加孔隙度，提高渗透率，另一方面，释放二氧化碳，提 高油层压力，降低原油粘度，提高原油流动能力。产生的醇、有机酯等有机溶剂，可以改变 岩石表面性质和原油物理性质，使吸附在孔隙岩石表面的原油被释放出来，并易于采出地 面。何正国等的研究结果表明微生物作用原油主要产生乙酸、丙酸，另外还有其它几种短 链有机酸，与此同时，微生物还产生两种未知醇类，这些都是微生物在发酵原油过程中的 代谢产物，它们有利于改善原油粘度，类似轻度酸化，增加岩石孔隙度，从而提高原油量。 ( 4 ) 生物聚合物提高采收率机理 在油藏高渗透区的生长繁殖及产生聚合物，使其能够有选择地堵塞大孔道，增大扫油 系数和降低水油比。在水驱中增加水的粘度，降低水相的流动性，减少指进和过早的水淹， 提高波及系数，增大扫油效率。在地层中产生的生物聚合物，能在商渗透地带控制流度比， 调整注水油层的吸水剖面，增大扫油面积，提高采收率。 3 、微生物的直接作用 通过在岩石表面上的生长占据孔隙空间，用物理的方法驱出石油，改变碳氢化合物的 馏分。微生物能粘附到岩石表面，在油膜下生长，最后把油膜摊开，使油释放出来【4 】口 1 2 3 微生物提高采收率的应用 微生物及其代谢产物对原油的作用类型决定了利用微生物来解决原油生产问题的方 式。归纳起来，微生物代谢产物种类、对原油的作用、解决原油生产问题的类型以及矿场 应用的方式如表1 2 、1 3 所示。 表卜2 微生物代谢物对油层的作用【5 1 t a b l e l 2e f f e c to fm i c r o b i a lm e t a b o l i cp r o d u c to i lt h eo i ll a y e r 5 1 微生物代谢产品对油层的作用 有机酸( 甲酸、丙酸等低分子量酸) 1 、提高孔隙度和渗透率 酸2 、与碳酸盐岩反应产生c 0 2 无机酸( h 2 s 0 4 )提高孔隙度和渗透率 1 、增如趣层难力 2 、溶解在原油种而使原油粘度下降 气体( h 2 、c 吼、c 0 2 、n 2 、h 2 s ) 3 、溶解矿物，提高渗透率 4 、使原油膨胀 1 、降低岩石一油一水系统中的界面张力 生物表面活性剂和乳化剂 2 、形成石油一水乳状液 生物聚合物 封堵离渗透层，增大水驱扫油效率并降低 水油比 酵类( 甲醇、乙醇、丙醇、异丁醇) ， 溶解岩石孔隙中的原油，降低原油粘度 溶剂 酮类( 丙酮) 、醛类( 甲醛) 第1 章绪论 表1 3 微生物提高原油采收率应用的分类【1 】 t a b l e l 一3a p p l i c a t i o nc l a s s i f i c a t i o no fm e o r l l 微生物提高采收率工艺生产问题利用的微生物类型 产表面活性剂、气体、酸和醇 单井增产措施地层损害、原油相对渗透率低 的菌体 产表面活性剂、气体、酸和醇 水驱原油被毛管力束缚 的菌体 产聚合物的微生物和或能大 改变渗透率波及系数低，窜流 量繁殖形成生物群落 产乳化剂、表活剂和酸的微生 清理井筒蜡问题 物，降解烃的微生物 聚合物驱不利的流度比，波及系数低 产聚合物的微生物 产聚合物的微生物和或能大 减轻锥进 水锥或气锥 量繁殖形成生物群落 1 3 微生物提高采收率数值模拟 1 3 1 微生物提高采收率数值模拟的主要内容 m e o r 数值模拟的主要内容包括以下三部分。 第一部分就是要建立数学模型，也就是要建立一套描述微生物、营养物及其代谢产物 在油藏中运移的偏微分方程组。此外，为解此方程组还要有相应的辅助方程、初始条件和 边界条件。 第二步就是建立数值模型。这需要通过三个过程。首先通过离散化将偏微方城转换成 有限差分方程组，然后将其非线性系数项线性化，从而得到线性代数方程组，再通过线性 方程组解法求得所需求的未知量力、饱和度、温度、组分等) 的分布及变化。 第三步就是要建立计算机模型。也就是将各种数学模型的计算方法编制成计算机程序 以便于计算机进行计算得到所需要的各种结果。工业性应用的计算机模型也称计算机软 件，它包括图形或数据输入和输出，各种数值解法等，可应用于各种油田实际问题。 1 3 2 微生物提高采收率数值模拟的步骤 有了计算机模型之后，油藏数值模拟的步骤如下： 1 、选择模型：要根据油藏的实际情况和所研究的问题，选择合适的模型。因为现在 计算机模型均己成为工业性应用计算机软件，因此目前已经有了各式各样的模型。 2 、资料输入：包括油藏描述和生产井注入井的数据。 油藏描述资料包括地质静态描述( 油藏构造、油层厚度、孔隙度、渗透率、油层深度、 原始地层压力) 、流体性质资料( 压力与流体粘度、体积系数、压缩系数之间的关系) 和特 殊岩芯分析资料( 饱和度与相对渗透率、毛管压力之间的关系) 。 油井生产井持征包括产量注入量或井底流动压力。 人庆石汕学院碰1 1 研究生学位论文 3 、灵敏度试验：将影响油田开发指标( 产量、压力、合水、油气比等) 的地质静态资 料、流体性质资料和特殊岩芯分析资料人为地加以变化，输入计算机程序中，观察它们对 升发指标的影响，从中找出其影响比较大的性质参数。对于这一类参数应尽量取全取淮。 4 、历史拟合；用已知的地质、流体性质和特殊岩芯分析资料和实测的生产历史( 产量 或井底压力随时间变化) ，输入计算机程序中，将计算结果与实际观测和测定的_ 丌发指标 ( 油层压力和综合含水率等) 相比较。若发现两者间有相当大的差异，则说明我们用的资料 与实际油田资料差异很大，可根据灵敏度试验结果逐步修改输人数据，使计算结果与实测 结果一致，这就是历史拟合。历史拟合的速度和质量不仅与计算机软件的质量有关，而且 与工作人员的经验和对油田的实际情况掌握的程度有关。 5 、动态预测：在历史拟合的基础：对未来的开发指标进行计算。这里往往又分为两 种情况：一是根据规定的产量变化来顶测地层压力和饱和度的变化；二是依据规定的井底 流动压力的变化来预测油、气、水的产量，地层压力和饱和度的变化。 由于实际所要解决的问题是多种多样的，因此要根据所要解决的问题进行历史拟合和 动态预测。 1 3 3 微生物提高采收率数值模拟发展概况 数值模拟是确定微生物提高采收率现场实施方案的重要依据，是为微生物采油提供科 学决策的重要手段。微生物采油数值模拟又有费用低，可重复进行的有点。开展这项工作 可以降低微生物采油现场实施的风险，确定科学合理的工作制度。随着对微生物采油研究 的深入，国内外在微生物数值模拟的研究方面做了大量的工作，取得了一些进展。 1 、国外微生物提高采收率数值模拟发展状况 8 0 年代末9 0 年代初，国外开始进行微生物提高采收率的数学模型研究和数值模拟研 究。1 9 8 8 年，k n a p pr a 等在第1 2 属世界计算机大会上发表了“微生物在多孔介质中 生长和运移模型”论文。在该论文中，作者给出了微生物和营养物在多孔介质中的运移方 程，但没有考虑微生物对原油的作用。1 9 9 0 年，z h a n gx 在俄克拉何马大学完成了“微生 物强化采油的数学模型”的硕士论文。作者基于组分模型给出了微生物和营养物的运移方 城，只考虑了微生物的调剖作用。i s l a mm r 等在6 5 届s p e 年会上发表了“微生物强化 采油的数学模型”论文。i s l a mm r 提出的模型是以黑油模型为基础，给出微生物运移 方程。在运移方程中考虑了微生物物的吸附和生长。在假设微生物改变原油性质和微生物 浓度存在一定关系的前提下，研究了微生物的调剖、降粘、降低界面张力和产生气体的作 用。1 9 9 1 年，c h a n gm m 等在第6 6 届s p e 年会上发表了“微生物在多孔介质中运移现象 的实验研究与模拟”论文。c h a n gm m 在该论文中提出了一个三维、三相、多组分的数 值模型，该模型在黑油模型的基础上，给出了微生物和营养物在多孔介质中的运移方程。 在微生物、营养物的运移方程中，考虑了微生物的扩散、对流、趋药性、生长和代谢，营 养物的消耗、扩散、对流。微生物生长方程用了和实验结果比较吻合的m o n o d 方程来表示。 在解法上，用了i m p e s i m c ( 隐式压力、显式饱和度、隐式浓度) 方法。但在该模型中，也 9 第l 章绪论 只考虑了微生物的调剖作用。1 9 9 4 年，俄罗斯科学院油气研究所的s i t n i k o va a 和e r e m i n n a 在s p e 上发表了“复合岩石微生物强化采油的数学模型”。同年，a k s a r k a r 等人 在国际微生物采油会议上发表了“微生物提高石油采收率的组分模拟”。在该文中，作者 分析了微生物提高石油采收率各种作用的重要性，指出微生物产生表面活性剂是最有潜力 的发展方向。1 9 9 6 年，d e s o u k ys m 发表了题为“微生物强化采油的一维数学模型和实 验验证”的论文。 综观国外微生物数值模拟的发展，可以看出，这些模型都是建立在黑油模型或组分模 型基础上的。微生物在多孔介质中的运移方程考虑了微生物的生长、死亡和吸附等特性。 微生物对油藏的作用主要考虑了微生物调剖作用。建立的些数学模型和实验结果比较吻 合，有一定的可信度。 2 、国内微生物提高采收率数值模拟发展状况 国内在微生物采油数值模拟方面起步较晚。通过国内石油工作者的努力，也取得了一 些成绩。渗流流体力学研究所建立了微生物水驱传输组分模拟器。在该模拟器中，全面考 虑了微生物的生长与衰竭、竞争排斥、诱导、阻遏、乳化、降解、扩散、吸附等特性，并 在现场得到较好的应用。西安石油学院初步建立了一维三相微生物驱油数学模型。在该模 型中考虑了微生物的调剖作用，微生物在多孔介质中运移方程改进了i s l a mm r 模型以 及c h a n gm m 模型。石油大学建立了三维三相、多组分产物与营养物的微生物驱油数学 模型，该模型可以计算微生物的生长、运移和浓度分布等。 从国内外微生物驱油数值模拟的进展和现状，可以看出，对于微生物在对多孔介质中 的运移情况得到较好的模拟。在微生物调剖作用的模拟方面进行了有益的探索。在微生物 及代谢产物降低原油粘度和表面张力方面有待予进一步研究。 1 5 本文的研究思路及主要工作 微生物提高采收率是一项具有很大应用前景的提高采收率技术。其中，微生物驱油技 术由于能处理更大范围的地层，因而具有很好的增油效果，能较大幅度地提高原油采收率。 本研究属于油气田开发工程的提高采收率领域。核心内容为利用油藏数值模拟方法研 究微生物驱油动态过程，阐述微生物驱油的原理。通过室内实验，对微生物菌种与油层环 境的配伍性进行研究，利用选择的数值模拟软件进行方案优化，为微生物驱油技术的矿产 应用及推广提供依据，并且验证选用的数值模拟软件的计算能力和准确性。通过对微生物 驱油数学模型的研究，详细分析微生物驱油过程所发生的物理、化学和生物的作用，从而 深入理解微生物提高原油采收率的机理。 因此，本文将开展如下的工作： ( i ) 建立模拟计算油藏的地质模型，详细描述油藏静态地质特征，包括地层构造、沉积 相、储层、油藏类型，油层厚度等，为选用实验菌种培养物和数学模型提供依据； i o 人庆z i l j l 学院顺研究生学位论文 ( 2 ) 根据模拟油藏的环境选择提高采收率菌种， 伍性实验评价，优选出能适应油藏环境的、 是关键； 在室内刀：展微生物菌种与油藏环境的配 能最大幅度提高采收率的菌利，这一步 ( 3 ) 根据所用菌种的特点和模拟油藏的条件，选择合适的数学模型，也就是要选择已建 立的搦述油藏渗流的偏微分方程组、相应的辅助方程、初始条件和边界条件； ( 4 ) 利用选用的模拟软件，进行方案优选； ( 5 ) 根据矿产试验的结果，分析微生物提高原油采收率的效果，检验所用微生物菌种在 实际油藏中的适应能力和提高采收率的能力，验证选用的数学模型的准确性。确定 微生物驱油技术推广的可行性。 第2 章微生物驱浊的数学模型 第2 章微生物驱油的数学模型 本章，在一些基本的假设条件下，建立描述微生物在多孔介质中发生物理、化学和生 物反应的三维三相多组分流动数学模型。该模型包括组分运移方程、黑油模型、微生物动 力学方程、渗透率降低模型和激活滞留油模型。 2 1 假设条件 在推导m e o r 过程数学模型中，主要的假设条件如下： 1 三维油藏被不渗透区块包围； 2 地层岩石和流体微可压缩； 3 考虑存在三相流体( 油、气和水) ； 4 细菌、营养物和代谢产物仅存在于水相； 5 微生物生长和代谢产生的生物气处理为方程中的源项 6 油藏温度不发生变化； 2 2 微生物驱油组分运移方程 水相中的微生物、营养物及代谓 产物多种组分在主要的力的作用下，比 如粘滞力、毛管力、重力和弥散力，在多孔介质中发生运移。则k 组分的物 质平衡方程通常写为： 昙( 等q + 纸) 一v 隹c k ) + v ( 鲁瓦v q ) 一万q w 鲁见c z ， 上式中，c 。和c 。表示k 组分的流动相质量浓度和被吸附相质量浓度在地表条件下的值；庐 表示孔隙度；s 。、b 。和q 。分别表示水相中的含水饱和度、地层体积系数、和体积注a 采出速度；k 表示岩石总体积：皿是总流动速度，对于细菌，它定义为达西运动速度和细 菌趋化速度之和，其他情况下只表示达西运动速度；西。表示水相中k 组分的物理弥散张 量；r k 表示微生物生长、产物形成或营养物消耗的生物反应速度。 方程( 2 1 ) 左边的两项表示组分k 在水相中质量变化量和在孔隙空间中的吸附量。右 边的四项分别表示k 组分的对流、弥散、注入采出以及生物反应。该方程中的组分七可以 为细菌( b ) 、代谢产物( p ) 、或者基质( s ) 。 方程( 2 1 ) 中的总速度瓦定义如下： 细菌： e = 厅。+ u c ( 2 2 ) 代谢产物或基质 1 2 ( 2 3 ) 太庆年i 油学院硕士研究生学位论文 这里，厅，表示水相的达西速度，露。表示微生物向营养物富集源运动的趋化速度。 生物的趋化性是指一个细胞朝诱导物的一种定向运动。在三维空间中，微生物能感觉 出营养物富集的环境。流体在压力梯度作用下，发生达西流动；这里假定微生物趋化运移 速度与基质浓度成指数变化关系，如下【6 】： u c = k 。v ( 1 n c , ) ( 2 4 ) 这里，k 。表示趋化系数；c ，表示基质浓度。 与对流相比较，微生物趋化运动很小。因此，仅仅在静态的条件下，趋化作用才变得 比较明显。 物理弥散现象用全弥散张量来描述【7 】： 一f d h 。d h 目d h ，1 d 舢= i d 枷，乒 d 枷，岿l ( 2 5 ) 【d 一、d ，口d h 。j 上述弥散张量中的因子i q 时包含了分子扩散和机械弥敖作用。对于各向同性介质，这些因 子由下列式子计算川： ；争+ 掣爵+ 掣 汜e ， 圹争+ 虹掣高+ 掣 c z ， 。= 譬+ 掣爵+ 掣 汜s ， 砜一咄”4 副i 蚶v i 汜” 一。一。刮卜 i ( 2 1 0 ) ，2 。群饥i ( 2 这里，d 。是水相中女组分的分子扩散系数；f 表示曲率；a 。和a 。表示纵向和横向弥散率； “。、h 。和“。分别表示水相达西速度在x 、y _ 和z - 方向上的分量。达西速度由下式计算： 川；小：+ 嵋+ “： ( 2 1 2 ) 2 3 微生物新陈代谢动力学方程 第2 章微生物驱油的数学模型 物比如乙醇也可能制约细菌的生长。因此，在双基质和产物共同限制条件下，m o n o d 微生 物比生长速度表达式变化为【8 l ： 胪m ( 杂) 彘 ( 去) 汜 这里，口h 表示最大比生长速度；e 。和e ：分别表示基质# 1 和基质# 2 的浓度；k 和k 是基质# 1 和基质# 2 的饱和度常数；巧是制约作用常数，c 。表示制约物质的浓度。如果 只考虑一种基质限制微生物生长，而忽略产物的抑制作用，则方程( 2 1 3 )