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微生物采油的地质基础及筛选标准1997年4月 石油勘探与开发PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENTVol. 24 No. 269杨承志楼诸红(中国石油天然气总公司石油勘探开发科学研究院) 主题词微生物采油油藏环境筛选标准 摘要微生物采油是利用微生物的活动及其代谢物强化采油的技术。主要机理是微生物使重烃降解，降低原油粘度，其代谢物能降低油一水一岩石界面张力，改善油一水流度比，增加驱油效率和波及面积，代谢过程中产生的气体能改变油的流动能力，增加油层岩石的渗透性。微生物在油藏内的活动与油藏的地质环境密切相关，地质化学、石油地质、岩石矿物、水文地质、油藏流体以及微生物同它们间的相互作用等环境条件都影响微生物的生长、繁衍、移动和代谢过程。因此，适用于油藏的微生物菌种筛选必须认真考虑油藏环境条件。介绍了一组微生物采油的筛选标准。目舀 应用微生物的活动及其代谢物进行强化采油的技术称为微生物采油(Microbial Enhanced OilRecovery，简称MEOR )。微生物在油藏中繁衍生长、代谢发酵及各种生物化学作用使原油裂解、体积膨胀和乳化等，从而使原油粘度降低，改善其流度;同时微生物菌体及其代谢生成的聚合物膜能堵塞大孔道，改善驱替液的流动方向，从而提高石油采收率。 微生物在油藏中的活动受环境条件的影响，油藏的性质、岩石的矿物组成、油藏液体(原油和地层水、注入水)、地质化学作用等都直接影响微生物的生长、移动及代谢过程。微生物菌种的筛选、培养及其应用都必须考虑油藏的各种环境条件。MEOR技术的成功与否，关键在于微生物与油藏环境之间的协调与配伍。微生物采油机理 根据室内研究和实际资料，微生物采油的主要作用机理是:明显降低油水间的界面张力，改善驱油效率;降低原油的粘度，改善油一水流度比;对油层孔隙进行选择性封堵，改善波及效率。 微生物在以原油组分为碳源的发酵过程中能够产生醇、酸、醋类物质，这些生化产物具有表面活性，能在油一水界面上定向排列，降低油一水界面张力。细菌体本身也带有亲水和亲油2个基团，同样具有定向排列的倾向，从而使油一水界面张力降低，减弱毛细管力效应，使油膜脱落、油滴聚并，提高驱油效率1.21。 生化过程中产生的有机酸能同岩石中的碳酸钙反应产生CO,，同时，生物发酵过程中也产生CO它能溶解在油中，使原油粘度降低。实验表明，在好氧或兼性环境中，微生物能使碳链长度大于10的烷烃降解成低碳链的化合物，从而降低原油的凝固点和粘度。生化过程中生成的活性物质，还能使油一水乳化形成O/W型乳状液，这也是原油粘度降低的一个原因3.4 微生物活动引起岩石孔隙(或孔隙喉道)堵塞可能是由于:生物体的堆积，包括活的和死的生物体、细菌碎片以及外来的细菌体在孔隙中的堆积(一般杆菌比球菌更利于堆积);生物代谢过程中生成的生物聚合物膜在孔隙壁上的粘附，减小了孔隙尺寸;生化过程中生成的脂肪酸等有机物质同钙、镁等离子生成的碳酸盐、硫化铁等沉淀。上述堆积物的形成能够改善流体在孔隙中的流向，从而提高波及作者简介:收稿日期:杨承志，男，3s岁，教授级高级工程师;1961年毕业于北京石油学院，曾获中国石油天然气总公司、国家教委、国家科委科技进步奖和英国剑桥传记中心奖;多年从事三次采油、油藏物理研究。地址:北京市91。信箱采收率研究所，邮政编码10008301996-OS-31石油勘探与开发1997年4月效率。 微生物对原油的降解，一般认为有2种作用:一是生物活动使原油中的一些非极性物质发生生化反应;二是微生物以原油中的烷烃组分作为营养液(碳源营养基)生长繁衍。这2种作用都能在一定程度上改变原油的性质。微生物活动的油藏环境川 1岩石的孔隙度和渗透率 岩石渗透率、孔隙度和孔隙大小明显地影响微生物的生长和代谢。模拟岩石多孔介质的简单毛细管实验证明:随着毛细管横截面积的减小(即孔隙尺寸减小)，细菌的生长速度、繁殖数量和尺寸都明显降低(或减小)。一般微生物体的几何形状有:杆形、球形、曲杆形、四面体形、链形等，长度约为0.5-10. Ojtm，直径(或宽度)约为0. 5 - 2. Oum。这就意味着若孔隙尺寸小于0. Sum，将阻止微生物在孔隙介质中的传输，只有孔隙尺寸大于球菌(或短杆菌)直径的2倍，才能使微生物体有效传输。一般来说，岩石孔隙大小同岩石渗透率呈正相关关系，故使微生物有效传输的岩石渗透率的最低限值为75 X 10-100 X 10-3 JAM z。 2岩石矿物 石英、碳酸盐类矿物对微生物的活动不会带来危害;对于微生物的生长，在环境条件改变后能够溶解于水的高价金属离子矿物则是有害物质。粘土矿物由于其表面的电荷特性及水中的矿化度改变时会膨胀，对微生物的流动产生阻碍。巨大的岩石比表面积会对注入的营养液产生浓缩作用，使微生物在注入低浓度营养液时也能生长;同时由于微生物体在岩石表面上的吸着和寄生，形成一层生物膜，减小了孔隙尺寸，降低了营养液、微生物体的流动能力。 3油戴温度 细菌和真菌最适宜的生长温度为55-750C。但在温泉、海底和火山喷发处，曾分离出耐高温的菌种(Thermophiles )。微生物能否在高温下生活繁衍，不仅取决于温度本身，更主要的是赖以生活的媒体介质水必须处于液体状态。当温度超过水的沸点时，增加环境压力，水仍然可以以液体状态存在。因此，对于一些耐温菌种，在油藏环境条件下生活的温度上限可以扩展。在厌氧条件下能够生长的耐温菌对于MEOR有重要意义，如Clastridi:菌，最适宜的生长温度为45C;甲烷产生菌(Methanobacterium,Thermoautotrophium)能在45以上生长，也有资料报道，Thermoproteustenex菌在烷烃环境下，温度高于90也能生长;硫酸盐还原菌(Sulfate-reducing)在环境压力为100MPa时，可以在104温度下生长。 4油截压力和埋截深度 压力低于10-v 20MPa时，对微生物代谢活动无影响;压力增至50-60MPa时，一般会限制细菌的生长。有人发现，随着压力的增加，生物体的形状由杆状变成球形。对MEOR有意义的是耐压微生物(Barotolerant )，它在高压下的生长能力取决于温度、pH值、Eh值、无机盐和碳源等。一般在压力由大气压增至200MPa时，微生物的最高耐温能力随之增加，对于杆状菌，其平均产生时间也会缩短。 油藏深度的影响主要反映在对压力和温度的影响，对微生物体的生长没有直接影响。 5地层水 油藏中的地层水是微生物群体赖以生长和代谢的媒体，地层水的pH值、含盐度、活度以及地层水中溶解的物质对微生物群体的生长和代谢起着重要的作用。 (1)含盐度 在微生物生长过程中，菌体对NaCI的容忍度尤为重要，因为地层水中的盐大约90%以上是NaCI。尽管一些细菌能在饱和盐水中生长，但在厌氧条件下很难找到这种菌，并且对它们生长的生理学知识还很少。对MEOR更重要的是能在较宽的含盐度范围内生长的细菌，一般称之为中等耐盐菌(Moderate halophiles);能在50以上温度厌氧生长的中等耐盐菌对MEOR更有吸引力.Bacillus sp.菌可以在NaCI浓度70o-150o(重量体积比)、温度为50时厌氧生长。也有人分离出既能在高含盐度下也能在高温下生长的菌种。中等耐盐菌和极限耐盐菌(Extreme halophiles)的混合群体能在低浓度的营养液和高浓度的NaCl溶液(重量体积比为20%一300o)中生长。不适宜的含盐度会导致微生物的细胞膜渗透压的变化。 (2)水中溶解物 除IN au之外，地层水中还溶解有其它物质，如Ca ,Mg,Fe,K,S,N,P,C和O等，它们是所有微生物生长所必需的元素，有些微生物在生长时还需要AM, Zn,Se,C。和Cu等元素。但是，当其浓度超过Vol. 24 No. 2杨承志等:微生物采油的地质基础及筛选标准一定值时则会使微生物中毒。如当HZS的含量大于0. 3 X 10-3mo1时，会影响一些脱氮菌的脱氮作用。重金属离子的浓度超过10-3mo1时，会使许多微生物中毒;一些轻金属离子的浓度过高时也有类似的作用。也有一些菌具有去毒作用，如硫酸盐还原菌能使硫酸盐类还原成硫，硫能使有毒金属沉淀，达到去毒作用。 (3)水的活度 水是细菌群体之间相互作用的介质，然而，水的结构及其中的溶质控制了细菌生长的过程。水中的溶质能使水分子极化，并将其吸引在它的周围，从而使水分子的活动能力活度降低。水的活度指纯水的蒸汽压与水溶液的蒸汽压之比(纯水的活度等于1)。随溶质浓度增加，水活度降低。一般，生物需要的水活度应低于0.62. (4) pH值 地层水、注入水和营养液的pH值是影响微生物生长和代谢的重要生物化学参数。微生物生长的最优pH值为4.0-9.0。地层水的pH值一般为6-8。特高或特低的H+离子浓度对细菌有毒。在低pH值时，rfly金属离子的溶解度增加，增强了对细菌的毒性;在高pH值时，细菌生长所必需的化学物质(如碳酸盐、磷酸盐或硝酸盐类等)将产生沉淀，限制了细菌的生长。细菌的尺寸大小在水中似胶体，细菌表面的梭基使其荷负电、胺基使其荷正电，表面的总电势及电荷分布受溶液pH值的影响。由于表面电荷的排斥作用，菌体易于通过孔隙，不易在岩石孔道中堆积。从分子意义上讲，细菌带有亲水和亲油2个基团，亲水基团的电荷密度受溶液pH值控制，亲油与亲水基之间的平衡制约了细菌在油一水界面的定向排列。 6原油 原油中的烷烃可以作为一些微生物生长的碳源。有资料证实，在微生物群体的作用下，高碳烷烃变成了低碳烷烃，并发现了细菌群体在高碳烷烃的环境能够繁衍生长。但是，也有人发现碳链小于10的烃类对某些菌体是有毒的。高重度的原油(小于18API0)能在微生物的作用下产生生物表面活性剂，使原油的粘度降低。有人用十六烷或重油(8-15API0)作培养基，结果原油粘度由25 OOOmra s降到250mra s。还有人发现，微生物的生长活动使高重度原油胶质等重组分物质产生沉淀，从而使原油中的低分子烷烃组分的份额增加。对于微生物群体在多孔介质中的运移和传输而言，饱和原油的岩心与完全饱和盐水的岩心相比，微生物在后者条件下的传输量和传输速度优于前者。适用于MEOR的油田筛选标准 对MEOR有重要意义的微生物有:Genuspseudomenas,Methanogens, Bacillus sp.、Desulfo-vibrio sp.、Enterobacter aerogenes, Herobacteraerogenes, C. tetani, C. perfringenes以及C. bo-tulinum等。事实上，在MEOR实用过程中都是使用混合菌，这样得到的效果更好。但是，并不是上述所有的菌种都适用于MEOR，必须依据油田实际条件筛选和分离适用的MEOR菌种。根据实践经验，适于进行MEOR的油田应满足表1所示的环境条件。表1适用于MEOR的油田偏选标准lTable 1 Screening standards for MEOR in oil fields参数 建议的范围 地层水矿化度10%(重量体积比) pH值 4-9 油层温度 75 X 10-3Ymz 埋藏深度 25 % .OOIP 原始徽生物 与选用的徽生物相兼容原油重度 18API0 表1的标准是根据美国能源委员会提出的筛选标准修改的，他们针对美国9个主要产油州2/3的油田统计资料，同时考虑了微生物的活动环境条件。实践证明，MEOR项目的成功与否，一方面要筛选出适宜的菌种;另一方面要根据微生物生长的特点，筛选与之适应的油田。二者是同等重要的。微生物采油的应用 11蜡基原油微生物开采 在高含蜡的原油生产过程中，由于脱气和降温，易造成井底和油管结蜡。在油井中注入能以直链烷烃组分为碳源作营养液的微生物群体后关井反应时，微生物能够降解高碳直链烷烃，使其变为低碳烷石油勘探与开发1997年4月烃化合物，从而解除油井结蜡之患。 2胶质一沥青质原油的微生物开采 胶质一沥青质是造成稠油高粘度的主要原因，它是以多环、杂环(叶琳)为主的氮、氧、硫化合物。迄今为止，尚未发现能够降解这种杂环化合物的微生物。但是，能利用烷烃作碳源的细菌在烷烃环境下繁衍过程中，能够产生两亲性的表面活性物质，同时一些菌群能分解胶质一沥青质中的极性物质(O,S,N组分)，产生两亲性的表面活性物质。这些表面活性物质能够使稠油乳化形成O/W型乳状液，从而降低稠油粘度。在石油开采过程中将其从油井中注入，在地面输油过程中从管线中泵入，即可达到目的。 3应用微生物提高石油采收率 与其它提高石油采收率的方法(聚合物驱、表面活性剂驱等)相同，在注入井中注入微生物群体、营养液(或利用油层中已存在的细菌，只注入营养液)，使细菌在油层环境中繁衍驱油，在油井中采油，从而从整体上提高控制区域内的石油采收率。 4微生物采油应进一步解决的几个问题 微生物采油过程中微生物的活动受油藏、流体、环境条件的制约。必须依据油田实际条件筛选和分离适用的MEOR菌种，才能达到预期的采油效果。需要进一步解决的间题是: 筛选耐高温菌种;培养能够降解多环、杂环烷烃化合物的菌种或酶;利用基因工程增强菌体的活力;培育油层中已存在的细菌，增强以烷烃作碳源的细菌繁衍能力;强化菌体透过岩石多孔介质的能力。参考文献Hitzman, D. O.:Petroleum microbiology and the history of itsrole in enhanced oil recovery; In: Proceedings InternationalConference on MEOR, NTIS. Springfield, 162-218.Eajic, J. E.，et al.:Microbial enhanced oil recovery; Penn WellBooks, 1983.Donaldson, E. C.，et al.:Microbial enhanced oil recovery;Elsevier, 1989, 37-95.Donaldson, E. C.，et al.:Microbial enhancement of oil reco-very-recent advances; Elsevier, 1991, 5-35.(编辑邓春萍)，r，犷，厂，犷，犷，厂，厂，厂，T- .r，-r飞尸，广，犷，r，r，厂，r，r，r，厂，r，广，厂，r，r一r一犷，厂，犷，广，厂，rr一r一丫一丫一丫丫，犷飞了丫T(上接第68页)符号注释 PD无因次压力;tD无因次时间;RD, rD无因次半径;CD无因次井筒储存;又冷油区与热区流度比;Fi.2冷油区与热区导压系数比;p.D无因次井底压力;S表皮系数;K渗透率，11m2;h油层厚度，m; r油井半径，m; R热区半径，M; At关井时间，h ; t,注蒸汽时间，h;几蒸汽带的温度，;V大气压力和温度条件下蒸汽的比容，m/kg;V,-大气压力和温度条件下水的比容，m/kg;Ve油藏压力和温度下蒸汽比容，m/kg;V.油藏压力和温度条件下水的比容，m /kg; H.水的焙,kJ/kg; Hg-蒸汽的焙，kJ /kg ; AM,水的汽化热，kJ/kg; q.-蒸汽注入量(冷水当量),m/d;Xe井底蒸汽的干度，小数;q-蒸汽注入量，m /d ; Vs标准条件下的蒸汽比容，Irk/kg;C,储集层的两相压缩系数，1 /MPa ; S.含水饱和度，%;P-水密度，掩/m;9-孔隙度，小数;C.水比热，kJ/ (kg-00;r供油半径，m ; p,岩石密度，kg/m;l地层流体粘度，mra s ; C,岩石比热，kJ/(kg-0C);八蒸汽带温度和压力条件下的蒸汽粘度，mra s ;B. -蒸汽的地层体积系数;M直角坐标系下的压降曲线斜率，MPa/h;mt半对数图上第一条直线段的斜率，MPa/cycle ; m2半对数图上第二条直线段的斜率,M Pa/cycle;仰压力变化值，MPa; p.,关井时刻压力值，MPa ; p,.半对数图上第一条直线段延长线上关井1h处的压力值，MPa; p.f井底压力，MPa; p压力导数，MPa/cycle ; Vb-蒸汽的波及体积，m o参考文献Onyekonwu, M. O.，et al.:Application of Superposition andPseudosteady State Concepts to Thermal Recovery Well Tests;SPE 15536, 1986.Satman, A.，M. Eggenschwiler and H. J. Ramey, Jr: Inter-pretation of Injection Well Pressure Transient Data in ThermalOil Recovery; SPE 8908, 1980.布尔热J.等(著)，杨承志等(译):热力法提高采收率;石油工业出版社(北京),1991, 75-950Messner, Gregory L. and Willams, Richard L.:Application ofPressure Transient Analysis in Steam Injection Wells; SPE10781. 1982.(编辑郭海莉)Vol. 24 No. 2ABSTRACT101.In view of the character of much water being stored in the reservoir and low formation pressure during repeated cyclic steamstimulation system, damages such as the steam dissolution to rocks, asphaltene-resin deposition and emulsion damage to thereservoir and water blockage, etc. are predicted. Laboratory experiments were carried out to study the method of eliminatingthese damages and restoring the reservoir permeability, some synthetical measures of releasing formation damage arepresented, and ZHJ series chemicals have been developed for this purpose. These chemicals have been used in Gaosheng oilfield, and the relevant field test has shown some satisfactory effect. We will try in this field to seek some more economicformula and technology in the future.Subject beading; Steam soaking, Steam flooding, Formation damage, Chemical injection, Oil well productivity, Gaosheng oil fieldA STUDY ON FALLOFF TEST IN STEAM INJECTION WELL. PED, 1997, 24(2):66-68Gu Daihong (University of Petroleum, Beijing, 102200)Pressureconditiontransient test in steam injection wellis aninexpensivesoftware forand effectiver们eansto determine swept volume and flowingof the steam zone.The method and theinterpreting thermal well test dataChina. In this paper, according to characteristics of well test in stream injection well，integration ofare not well studied inthe noisy data is madeand the influence of steam quality on injection rate is studied. Method for determination of pressure in the sweptzoneequations for calculating related formation parameters and detailedanalyzing stepsof the method.are also presented. A field exampleanalyzed by our special designed software is givenSubject heading: Pressure drawdown test，Streamto illustrate the useinjection, Interpretation, MethodSCREENING STANDARDS AND GEOLOGICAL BASES FOR MICROBIAL ENHANCED OIL RECOVERY. PED, 1997,24(2):69-72Yang Chengzhi (Research Institute of Petroleum Exploration arid Development, CNPC, Beijing, 100083)Microbial enhanced oil recovery (MEOR) utilizes bacteria and their metabolites products to improve the recovery of crude oilfrom reservoirs. The mechanism of MEOR is to decrease interfacial tension in the oil-water-rock system, improve mobilityratio of the reservoir fluids, increase displacement efficiency and conformance factor, decrease crude oil viscosity by biologicaldegradation, etc. The microbiological activities take place in a geological environment such as a reservoir, the petroleumgeological, geochemical，mineralogical，hydrological，reservoir fluids components and the interaction between the geologicaland biological components of the environment have profound effects on biological growth, activity and metabolite. Thescreening of microbial vaccines should fully take account of the environmental conditions present in a given reservoir. Thispaper present a group of screen standards for MEOR in oil fields.Subject heading:Microorganism, Oil producing, Oil reservoir, Environment, Screening, StandardPHYSICAL MODELLING OF IN-SITU COMBUSTION. PED, 1997, 24(2):73-79Li Shaochi (Research Institute of Petroleum Exploration and Development，CNPC, Beijing, 100083)In-situ combustion process involves a lot of different features and oil driving mechanisms from conventional steam oilrecovery. As a supplementary means to conventional heavy crude and super-heavy crude thermal recovery at present，in-situcombustion has been applied in oil fiel