鐵還原菌提高低滲透油藏采收率的研究進(jìn)展

黃衛(wèi)紅，張沛琳，樊海濤，李 麗，鄒俊剛，種新明，羅一菁

(1．中國(guó)石油新疆油田分公司采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000；2．中國(guó)石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院，北京 102200；3．中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

石油在全球經(jīng)濟(jì)貿(mào)易中有著不可替代的重要作用，隨著石油在能源戰(zhàn)略中地位的不斷提高，開(kāi)發(fā)原油開(kāi)采新技術(shù)、提高原油采收率越來(lái)越受到研究者的重視。目前在提高原油采收率研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多關(guān)注于高滲透油藏的二次甚至三次開(kāi)采，而對(duì)低滲透油藏的研究并不充分。實(shí)際上，低滲透油藏從儲(chǔ)量上并不遜于其它類型的油藏，具有不可估量的開(kāi)發(fā)潛力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年我國(guó)勘探出的低滲透油藏儲(chǔ)量高達(dá)1.65×1010t，占已勘探總儲(chǔ)量的54.27%[1]。目前我國(guó)老油田中高滲透油藏的開(kāi)發(fā)處于不斷衰退的階段，因此，如何有效開(kāi)發(fā)利用低滲透油藏、提高低滲透油藏采收率，成為當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。

1 低滲透油藏的特點(diǎn)及開(kāi)采面臨的主要問(wèn)題

低滲透油藏一般是指空氣滲透率低于0.05 μm2的油藏，具有孔徑小、毛細(xì)效應(yīng)明顯、均相性差、液體流動(dòng)性差等特點(diǎn)，存在開(kāi)采難度大、開(kāi)發(fā)利用率低等問(wèn)題。傳統(tǒng)的低滲透油藏開(kāi)采技術(shù)有超前注水、壓裂、化學(xué)與微生物采油相結(jié)合等[2]。其中超前注水技術(shù)由于具有成本低、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為我國(guó)低滲透油藏開(kāi)采的主要方法。

地層堵塞是由潛在損害因素和地層自身外部因素的共同影響造成的[3]。在低滲透油藏地層中，蒙脫石巖層吸水膨脹明顯，導(dǎo)致原本就狹窄的孔徑進(jìn)一步縮小，流體的流動(dòng)性和儲(chǔ)層的滲透能力也隨之下降；而應(yīng)用較廣泛的水驅(qū)采油技術(shù)則會(huì)使得孔道圍壓升高，使油藏陷入無(wú)法繼續(xù)注水開(kāi)采的困境，進(jìn)而加劇了油藏開(kāi)采效率的下降。若采取增壓增注的方法，不僅會(huì)對(duì)地層造成不可恢復(fù)的傷害，而且由于壓力增大，巖層裂縫增多，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的水竄現(xiàn)象，造成水資源的浪費(fèi)，不能從根本上解決低滲透油藏地層堵塞的問(wèn)題。因此，如何有效解決地層堵塞成為提高低滲透油藏采收率的重點(diǎn)。

2 低滲透油藏解堵技術(shù)及局限性

油藏解堵技術(shù)主要分為物理法、化學(xué)法和生物法等三大類。其中物理法主要包括振動(dòng)法、高壓注水法、超聲波法等，此外，利用高頻電磁波改變油藏滲流狀態(tài)的高頻脈沖電滲流技術(shù)，作為油藏解堵的新型物理手段已經(jīng)在某些油田進(jìn)行了先導(dǎo)性試驗(yàn)，并取得了較好的效果?；瘜W(xué)法主要有酸化解堵法、熱化學(xué)解堵法、防膨劑法、氧化解堵法等，針對(duì)低滲透和特低滲透油藏，酸化解堵法和防膨劑法的應(yīng)用最為廣泛，且在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中已經(jīng)積累成一套相對(duì)成熟的操作體系。作為一種新穎的油藏解堵方法，生物法近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，主要包括兩種：一種是由美國(guó)最先提出并在委內(nèi)瑞拉等國(guó)家得到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的生物酶解堵法[4]，該方法利用以生物酶為主的多元生物化合物，通過(guò)影響巖石表面碳?xì)浠衔飦?lái)改變巖石潤(rùn)濕程度，降低原油黏度，進(jìn)而提高原油采收率；另一種是處于起步階段的微生物法，將微生物直接或間接作用于油藏儲(chǔ)層，通過(guò)改變儲(chǔ)層巖石結(jié)構(gòu)或影響儲(chǔ)層生物群落結(jié)構(gòu)來(lái)提高原油采收率。微生物法具有成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、可改變油藏孔道流動(dòng)阻力等特點(diǎn)，逐漸成為低滲透油藏解堵的新思路。

綜上，適用于低滲透油藏解堵、提高采收率的方法主要是酸化解堵法、防膨劑法和微生物法。

2.1 酸化解堵法

酸化解堵法具有成本低、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外低滲透和特低滲透油藏解堵的主要方法。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)油藏不同的地層特征和儲(chǔ)層條件，采取不同的酸化解堵手段。根據(jù)酸液體系來(lái)劃分，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用效果較為顯著的有：用于近井地帶的土酸體系、用于多層系油井的混合分層酸體系、用于特低滲透油藏的泡沫酸體系以及逐漸發(fā)展起來(lái)的多氫酸體系[5]。常規(guī)酸液體系(土酸、鹽酸體系)的防膨率約為60%[6]。此外，表面活性劑和酸液體系復(fù)配、緩蝕劑和酸液體系復(fù)配、多元復(fù)合酸液體系等新興手段也在不斷發(fā)展完善中，其中，多元復(fù)合酸液體系在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中的防膨率可達(dá)90%[6]。

無(wú)論是常規(guī)酸化解堵手段還是新的復(fù)配酸化解堵手段，其效果持續(xù)時(shí)間短，對(duì)地層和環(huán)境造成的傷害不容忽視，應(yīng)用于低滲透油藏均存在以下問(wèn)題：

(1)加速設(shè)備腐蝕和老化

酸化解堵是將酸液體系注入油井以達(dá)到溶解巖層膨脹粘土、疏通堵塞的目的，在此過(guò)程中，酸液體系與設(shè)備接觸，會(huì)對(duì)設(shè)備尤其是金屬設(shè)備造成腐蝕，加速設(shè)備的老化，增加了維護(hù)成本和人工管理費(fèi)用。

(2)地層傷害

在注入酸液體系后，酸液在腐蝕水化膨脹的粘土的同時(shí)，也會(huì)腐蝕地層中的其它巖層。因?yàn)樗嵋簾o(wú)法選擇性地作用于目標(biāo)巖層，因此酸液體系對(duì)地層的傷害是不可避免的，同時(shí)也是難以修復(fù)和逆轉(zhuǎn)的。如我國(guó)定邊油田某油井注水傷害后的電測(cè)解釋泥質(zhì)含量達(dá)到66%[7]。

(3)二次污染

酸液體系注入油井后，會(huì)沿著縫隙擴(kuò)散到各處，對(duì)當(dāng)?shù)氐闹脖?、生物種群等產(chǎn)生影響；殘余的酸液會(huì)滲入到地下水體，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)造成二次污染。

2.2 防膨劑法

但是，防膨劑防止或減少粘土膨脹的手段往往存在時(shí)效性較短的問(wèn)題。油藏地層環(huán)境復(fù)雜，防膨劑注入地層后只能在短時(shí)間內(nèi)起到作用，由于地層中各種物質(zhì)的作用和破壞，防膨劑的作用和活性會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸衰減。為保證粘土膨脹持續(xù)被抑制，只能不斷補(bǔ)注防膨劑，使得現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)和管理成本增加。因此，利用微生物及其代謝產(chǎn)物抑制粘土水化膨脹的思路逐漸成為低滲透油藏解堵的新重點(diǎn)。

2.3 微生物法

微生物法具有環(huán)保、工藝簡(jiǎn)單、易操作等特點(diǎn)，逐漸應(yīng)用于低滲透油藏解堵領(lǐng)域。我國(guó)利用微生物法提高原油采收率的研究起步較晚，20世紀(jì)后期才開(kāi)始在大慶油田進(jìn)行微生物驅(qū)油試驗(yàn)[11]。當(dāng)前，微生物法解堵的工作重點(diǎn)在于功能菌的篩選、馴化、作用機(jī)理研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面。研究發(fā)現(xiàn)，鐵還原菌可以將蒙脫石中的Fe3+還原成Fe2+以改變蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)，抑制其水化膨脹[12]，進(jìn)而緩解低滲透油藏地層堵塞問(wèn)題，提高原油采收率。

3 鐵還原菌提高低滲透油藏采收率的機(jī)制及研究進(jìn)展

自1987年第一株具有鐵還原功能的希瓦氏菌從加拿大油田中被分離出來(lái)[13]，人們開(kāi)始了對(duì)油藏鐵還原菌的探索研究。隨著近代微生物采油技術(shù)的發(fā)展，鐵還原菌在油氣田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。鐵還原菌對(duì)Fe3+的還原能力可以改變蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)，抑制其水化膨脹，進(jìn)而減少低滲透油藏孔道堵塞，達(dá)到縮膨增注的目的。研究發(fā)現(xiàn)，鐵還原菌在與蒙脫石接觸時(shí)，蒙脫石水化膨脹受到一定抑制，可能存在以下兩種機(jī)制：

(1)向伊利石方向轉(zhuǎn)化

由于蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)中含有Fe3+，而鐵還原菌在與蒙脫石接觸時(shí)，鐵還原菌將Fe3+還原成Fe2+，使得原本含F(xiàn)e3+的八面體晶體結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致晶格中的離子濃度發(fā)生不同程度的變化或離子被取代[12,14]。離子的取代促使“三明治”結(jié)構(gòu)層間產(chǎn)生更多負(fù)電荷，從而吸引周圍巖層環(huán)境中更多的K+來(lái)平衡多余的負(fù)電荷。根據(jù)束狀晶體交叉生長(zhǎng)機(jī)制，由于K+、Al3+的帶入和Fe2+、Mg2+、Si4+的帶出形成蒙脫石-伊利石混合層礦物[15]，逐漸向伊利石方向轉(zhuǎn)化，進(jìn)而減少蒙脫石水化膨脹。

(2)二次結(jié)晶生成次級(jí)礦物

在鐵還原菌作用下，礦物晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞和坍塌，硅氧四面體中的Si4+以及鋁氧八面體中的Al3+不再受晶體結(jié)構(gòu)束縛，被釋放出來(lái)；游離態(tài)的Si4+、Al3+以及Fe2+與其它離子重新結(jié)合，經(jīng)二次結(jié)晶生成新的次級(jí)礦物，其透水性較蒙脫石大大減弱。伴隨著新的次級(jí)礦物的生成，蒙脫石結(jié)構(gòu)中層間的陽(yáng)離子濃度降低，層間水分子被排出，整體表現(xiàn)為蒙脫石膨脹縮小。

在利用鐵還原菌抑制低滲透油藏粘土水化膨脹的研究中，研究人員提出了兩種提高采收率的方法：一種是向油藏中注入激活劑，刺激本源微生物的生長(zhǎng)繁殖[16]，來(lái)達(dá)到減少粘土水化膨脹的目的；另一種是從不同油藏中針對(duì)性地篩選出目標(biāo)鐵還原菌，在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)繁殖后，將菌液注入低滲透油藏中[17]。這兩種方法都是基于本源微生物進(jìn)行研究和應(yīng)用，沒(méi)有引入新的微生物種群，對(duì)環(huán)境和地層的傷害最小。此外，本源微生物在油藏中的存留時(shí)間長(zhǎng)，相對(duì)于其它化學(xué)方法，其時(shí)效性也更長(zhǎng)。

鐵還原菌除了能提高低滲透油藏采收率外，還具有其它潛在的應(yīng)用價(jià)值。張涵等[18]研究發(fā)現(xiàn)，鐵還原菌可以在厭氧條件下降解石油烴類物質(zhì)，如甲烷、芳香烴等，顛覆了傳統(tǒng)理論中石油烴降解需要消耗氧氣的認(rèn)知，在環(huán)境保護(hù)和減少溫室氣體排放等方面具有十分重要的意義。

微生物解堵技術(shù)通過(guò)篩選、分離本源微生物，利用微生物自身作用和代謝產(chǎn)物作用，改善油藏滲透率，提高流體流動(dòng)性，降低液體黏度，已在我國(guó)低滲透油藏進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。優(yōu)選的微生物解堵體系在鄂爾多斯盆地某特低滲透油藏油井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果良好，解堵率近90%[19]；從大慶油田低滲透油藏中篩選出目標(biāo)菌種，利用營(yíng)養(yǎng)缺陷培養(yǎng)法制得超小微生物，將超小微生物作用于特低滲透油藏，提高了近井地帶的滲透率，油井平均日產(chǎn)液量和產(chǎn)油量均有明顯提高，增幅分別超過(guò)40%和50%，含水率則降低1.3%[20]。

目前，雖然關(guān)于微生物縮膨增注技術(shù)的研究較多，但針對(duì)鐵還原菌的研究較少，與石油領(lǐng)域相關(guān)的也多限于利用鐵還原菌降解石油烴物質(zhì)的研究，目前僅有Cui等[14]利用鐵還原菌提高原油采收率的研究。劉鄧[21]研究發(fā)現(xiàn)，半胱氨酸或者胱氨酸可作為“電子穿梭體”促進(jìn)異化鐵還原菌對(duì)綠泥石的還原，同時(shí)還可推動(dòng)蒙脫石以納米聚集的形式向伊利石方向轉(zhuǎn)化。

我國(guó)新疆油田率先開(kāi)展利用鐵還原菌實(shí)現(xiàn)低滲透油藏縮膨增注的先導(dǎo)性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以車60、車362等區(qū)塊采出液中的本源微生物群落為基礎(chǔ)，篩選出具有縮膨功能的鐵還原菌，通過(guò)激活、馴化、復(fù)配，使目標(biāo)菌群實(shí)現(xiàn)功能最大化，進(jìn)而達(dá)到低滲透油藏縮膨增注的目的，提高原油采收率。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，關(guān)于油藏中鐵還原菌的研究和應(yīng)用尚處于探索和起步階段。從低滲透油藏采出液中篩選出本源鐵還原菌，作用于水化膨脹的粘土層，實(shí)現(xiàn)縮膨增注的目的，由于沒(méi)有引入新的菌種，不會(huì)對(duì)地層微生物群落造成影響和破壞。此外，相比于傳統(tǒng)的酸化解堵法，鐵還原菌通過(guò)改變粘土層中巖石結(jié)構(gòu)來(lái)抑制其水化膨脹，不對(duì)地層其它成分造成傷害，也不會(huì)產(chǎn)生二次污染，且成本更低、時(shí)效更長(zhǎng)，是一種綠色且對(duì)環(huán)境友好的方法。油藏給本源微生物提供了相對(duì)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，有縮膨功能的鐵還原菌可在油藏中存活較長(zhǎng)時(shí)間，比酸化解堵法的時(shí)效更長(zhǎng)。此外，本源微生物和油藏的配伍性遠(yuǎn)高于化學(xué)抑制劑或其它來(lái)源微生物?？梢?jiàn)，利用本源微生物解決地層堵塞問(wèn)題是目前提高低滲透油藏采收率的最行之有效的方法之一。未來(lái)可以通過(guò)探究不同地區(qū)、不同類型的低滲透油藏中的鐵還原菌種類，找到一種或多種適應(yīng)性較強(qiáng)的功能菌或功能菌群，對(duì)其進(jìn)行馴化或基因功能改造使其適用于多種低滲透油藏，有可能會(huì)推動(dòng)提高低滲透油藏采收率的革新浪潮。