微生物表面活性剂提高聚合物驱残余油回收率的研究.docx

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微生物表面活性剂提高聚合物驱残余油回收率的研究

微生物表面活性剂提高聚合物驱残余油回收率的研究

舍岳辉·张凡·夏晶晶·孔书琼·王正梁·舒福长·胡继明

摘要

三种固有微生物表面活性剂（XDS1,XDS2,XDS3）在大庆油田（中国）油层中经过聚合物驱后被分离出来。

它们的新陈代谢、生物化学和原油降解，以及它们在岩层的石油断层特性被人们所研究。

这些固有微生物被确定为短的、条状的细菌类型，其白色、圆形，有着突出的结构和粗糙的表面。

这种细菌有鞭毛，有生产孢子的孢子囊，凸起并顶生。

细菌培养皿显示出石油发酵流体包括所有3种微生物类型，其有着超过4.5cm（直径）和接近25mN/m表面张力。

三种微生物的每一种碳氢化合物的降解速率都增加了50%，最高可达到84%。

一些原油回收剂随着降解剂被生产出来。

同时，原油中的重组分被降解成了轻组分，它们的流动特性也得到改善。

原油的表面张力和粘性系数由于三种微生物的作用而降低。

岩心流动测试显示出原油回收的增量为4.89-6.96%。

由此，XDS123可能代表了提高原油回收率的有效方法。

关键字：

聚合物驱;固有微生物;生物表面活性剂;原油降解;提高原油回收率

介绍

最近，聚合物（聚合物丙烯酰胺（PAM））驱油成为三期石油采收方法的重要技术，并且广泛的应用到大庆油田（中国）。

然而，聚合物驱油后油层中还含有50%的原油未被开采。

用常用的技术开采这类原油非常的困难。

因此，需要探索新的采油方法。

其中一种方法就是本文中提到的，对固有微生物提高原油采收进行研究。

通过注水的方法，固有微生物的数量和种类在一段时间内保持稳定。

存活在油层中的微生物，是存在于油层以前产出的固有微生物，或者是随着注入水进入油层的。

一个油层生态系统中微生物的分布主要依靠注入水。

由于高温高压，在油层深处的微生物结构相对简单。

另一方面，由于低温低压，微生物的种类在浅层处相对复杂。

在生物采油（MEOR）中，存在于油层中的固有微生物可以提高原油开采量，通过微生物产出的大量生物剂来提升原油的流动特性并且使它的性质得到恢复。

通过添加一些亲神经剂，比如二代磷酸氨，硝酸钠，尿素，糖蜜，淀粉等，提高固有微生物的活性，包括碳氢化合物降解细菌，硝化细菌和甲基细菌被发现对特殊油层开采的提高有着潜在的作用。

AIMEOR适合于油藏环境的形成，可以经济的提高油藏的储存和产出。

这种技术已经应用于超过20个油田的试验并且累计增加的石油产量超过600，000吨。

大庆油田在经过聚合物驱后会有很多种类型的固有微生物，特别是假单细胞和芽孢杆菌。

这些可以新陈代谢，降解石油碳氢化合物和生产活性材料比如石油置换生物表面活性剂，对提高石油开采十分有用。

在这篇文章中，在大庆油田经过聚合物驱后，固有微生物生态表面活性剂从油层中分离出来。

它们的代谢，生物化学，石油降解，粘滞性减小的特性，和岩心（油层砂岩模型）中原油的置换被研究用来它们MERO的潜在应用。

材料和方法

1.材料

种类和原油来源:

石油和样品水从大庆油田收集起来。

306-310样品是从油井（6-30-B620，6-30-B617，6-40-621，S6-20-B618，S6-40-B619）收集来的具有代表性的石油样品

碳氢化合物降解细菌的生活环境是（克/升）：

液态链烷20，NH4Cl20,NaCl1,KH2PO42,MgSO40.2,K2HPO40.8，蛋白胨1，酵母提取物1，pH7.0-7.2。

牛肉提取物蛋白胨的使用环境是（克/升）：

牛肉提取物5，蛋白胨10，NaCl5，琼脂14，pH7.0-7.2。

发酵环境：

发酵环境是（克/升）：

液态链烷或原油20，MgSO40.2，CaCl20.02，KH2PO41.0，NH4NO31.0，FeCl30.05，酵母提取物1.0，胆固醇0.3，pH7.0-7.2。

2.方法

隔离和种类的分离：

培养大庆油田的石油和水样品，通过使用使其丰富的手段来收集降解碳氢化合物的固有微生物。

然后，样品被第二次培养，在45℃下震动4天。

牛肉蛋白胨培养基通过加条纹的方法在45℃培养1天。

单个的群落被挑选出来，并且纯净的品系通过第二次使用加条纹的方法分离出来。

这个分离出来的纯净品系培养在发酵的培养基，并且在45℃下震动4天。

发酵的液体出现变化。

更好的品系通过比较石油置换活性，乳化性能和发酵溶液表面压力而分选出来，就像下面描述的那样。

测试发酵溶液的石油置换活性:

将20ml的水和10ml的液态链烃加到一个直径60mm的培养皿。

被离心的发酵液在油膜产生后被加入到油膜的中心。

然后，观测石油的扩散直径。

发酵溶液的乳化性:

加入0.2%的原油和5%的发酵液并且在45℃下震动4天会显出乳化的影响。

最后，乳化影响显示出来。

通过电子显微镜、生理学和分析品系生物化学进行辨别：

根据Bergey的细菌学研究，种系通过相关的生物化学试验和染色试验显示出来。

原油的降解性能：

晃动样品，用色谱仪将样品分成四个部分。

饱和碳氢化合物的组成通过色谱仪可以测试到（Agilent5975CGC/MSD）。

粘滞性的降低特性，表面压力和pH：

粘滞性（数字粘度计，BROOKFIELD,DV-II+Pro,USA），表面压力（张力计，Cahn，ModelDCA-322，USA），发酵液体的pH在发酵前后进行测试。

发酵液体通过离心机替换细胞

岩心流动测试：

固有细菌和生物表面活性剂生产种系MERO的XDS123的潜在用途通过砂质岩心流动技术得到价值的体现，Sugihardjo和Fang是如此描述的。

测试的温度是45℃。

多样的岩心模型长度为7.02-7.55cm，直径为2.5cm，渗透率为134.94-175.13×10-3um2（人造岩石岩心），孔隙率为28.7-31%，原油的粘滞性（45℃）为30mPas。

断层有以下影响：

首先，70%石油饱和的岩心直到没有石油进入岩心后即为水流动。

其次，0.5气孔体积的固有细菌或者密集度为2×107细胞/ml的XDS123被注入到水流岩心，需要7天，环境温度为45℃。

最后，水流直到没有石油进入到岩心入口才会再次流动。

3.结果和讨论

筛分碳氢化合物降解细菌：

三种生物生产表面活性剂固有种系通过增多培养，石油流动，生命液器皿，非筛分和摇晃培植来筛分出来。

分离出来的纯净种系被第二次植入到发酵基，以167转/分，温度为45℃的条件进行4天。

生物生产表面活性剂的特性通过石油扩散显示出来。

有很大石油扩散速率的品系被再次发酵和测试。

最后，三个品系包括XDS1，XDS2和XDS3通过其石油传播速度是否超过4.5cm和长久的稳定性而得到验明。

同时，表面压力降低为25mN/m。

结果综合到表1.

表1石油扩散和三种固有品系表面压力的重要性

品系编号符号石油扩散速率（cm）表面压力（mN/m）

XDS1+4.530.5

XDS2+5.828.6

XDS3+5.225.3

空的培养基表面压力为62.3mN/m

电子显微镜，生理学和生物化学分析：

三种固有微生物的电子显微镜（TEM，JEM-1400），生理学和生物化学的分析见图像1和图表2.

图像1XDS1（A）、XDS2（B）和XDS3（C）的电子显微镜照片（×10，000）

图表2三种细菌品系的物理和生物化学特性

测试名称XDS1XDS2XDS3

只有碳来源

葡萄糖+++

麦芽糖+++

乳糖+++

半乳糖+++

Rhamnose+++

D-蜜三糖+++

山梨醇+++

蔗糖+++

只有氢来源

氯化铵+-+

硝酸钠+++

亚硝酸钠+--

吲哚测试+++

H2S产生测试+++

M.R.测试+++

V.P.测试+++

淀粉水解测试+++

柠檬酸盐测试+++

温度范围15-65℃

盐度范围1-10%NaCl

这三种品系可以利用多种糖分作为它们碳和硝酸盐的唯一来源。

它们可以利用色氨酸酶来分解蛋白胨内的色氨酸，产生吲哚，它们也可以利用环境介质中的有机硫化合物产生硫化氢气体。

它们可以使葡萄糖发酵产生酸，可以更深层次把酸转化成中性化合物。

它们也可以把柠檬酸分解成二氧化碳。

同时，淀粉被分解成更小的分子如淀粉酶作用形成的糊精。

淀粉与碘混合会产生蓝色，淀粉与糊精混合则没有颜色。

温度升高的范围是15℃至65℃，盐度的增长范围是1%至10%。

生物化学的实验显示出三种细菌品系的单一菌落，比如Bacillus，有着以下的特性：

短杆菌，白色，圆形，构造突出和粗糙的表面。

有鞭毛的细菌品系可以产生孢子，并且孢子囊胀大和顶生。

用三种细菌品系的16SrRNA进行分子鉴定：

三种品系的细菌在其分子结构上显示出的结果如下：

XDS1（HM592996）与杆菌（GQ375246）的相似性为100%，因而将它看成杆菌（GQ375246）；XDS2（HM592995）与杆菌（GU945233）的相似性为100%，因而将它看成杆菌（GU945233）；XDS3（HM592944）与杆菌（HM003210）的相似性为100%，因而将它看成杆菌（HM003210）。

储集层位置处三种细菌品系的适用性：

XDS1，XDS2和XDS3三种细菌品系的环境状态显示出环境是需氧的。

最理想的碳来源是1%的液态石蜡，1g/L的酵母提取物是氢最好的来源并且蛋白胨是第二好的来源。

最佳的环境温度是45℃。

图像2显示出在最佳环境状态下的生长曲线。

图像2酶素培养基中三种细菌品系的生长曲线

实验结果证明三种细菌品系生长的很好，在6小时内达到它们容量的最大值，这个最大值对提高石油的提取量最合适。

可以通过不断添加营养物加快微生物繁殖和降解石油碳氢化合物来提高石油提取剂的产量。

三种微生物品系被植入到从大庆油田产出的包含500mg/L的PAM液体中。

图像3显示出它们的生长曲线和有机量。

结果显示出三种细菌品系在500mg/L含有PAM的液体中生长的很好，并且在8个小时内达到它们的最大容量。

XDS1的最大有机量达到3.5×107CFU/ml，XDS2达到2.3×108CFU/ml，XDS3达到1.1×109CFU/ml。

原油的降解影响：

图像4和图表3代表了原油中饱和碳氢化合物烷烃组成改变的函数曲线，还有朴日斯烷/C17、朴日斯烷/C18、（C21+C22）/（C28+C29）的改变比率。

就像图像4和图表3中显示出的那样，在原油样品306，309和310中，低于C22的组分明显增加，然而高于C22的组分在经过XDS123细菌混合品系处理后明显降低。

组分低于C14的增加，在C14和C26之间的减少，并且高于C26的组分经过XDS123的引入后依然保持稳

图像3大庆油田产出的含有500mg/L聚丙烯酰胺的液体培养基中三种细菌品系的生长曲线

定。

在XDS123引入前后，原油的组分通过气体色谱法测试出来，可以显示出XDS123在样品306、309和310的有益降解影响。

C21-/C22+的比率增加。

并且，轻组分相对的增加，重组分相对的减少。

同时，分子质量较重的组分通过微生物作用于原油而被分解成分子质量较轻的组分。

图像4

图表3原油样品中饱和碳氢化合物的改变

原油处理C21-/C22+（C21+C22）/（C28+C29）Pr（pristane）/Ph（phytane）Pr/C17Ph/C18

306之前1.131.460.370.631.47

之后1.401.560.390.611.59

307之前1.251.670.350.741.46

之后1.311.720.430.691.48

308之前2.181.130.420.541.70

之后2.231.170.400.551.67

309之前0.962.560.460.751.43

之后1.142.840.480.771.46

310之前0.853.640.520.691.68

之后1.123.720.450.661.71

结果显示出微生物优先降解饱和碳氢化合物。

在大庆油田分隔开的固有微生物的降解率超过50%，最高可达到84%。

微生物XDS123以1：

1：

1的比率组成。

它们的分解率达到90%。

同时，原油中的重组分被分解成轻组分，并且原油性质提高。

粘滞性改变、原油乳化影响、表面压力和pH改变：

图表4和5显示出原油的粘滞性，表面压力和三种细菌品系对原油影响的改变。

粘滞性降低了20%-30%，表面压力降低到不足30mN/m。

同时，原油样品307的表面压力在加入了XDS3后降低到35.29mN/m，样品306在加入了XDS1后降低了23.6%，并且发酵液变酸，显示出有机酸的产生。

乳化影响（图像5）在三种细菌品系下是充分的，它们的代谢物在充分的时间下作用于从大庆油田产出的样品。

图表4原油样品粘滞性的改变

样品号生物作用之前（mPas）细菌品系生物作用之后份额

306#42.36XDS132.3523.6

XDS236.4713.9

XDS335.8515.4

XDS12334.8617.7

307#32.86XDS130.456.8

XDS231.473.7

XDS329.2510.5

XDS12325.3422.4

308#36.47XDS132.4810.9

XDS235.91.5

XDS330.8515.4

XDS12330.2117.2

309#19.68XDS115.3622

XDS216.2417.5

XDS315.4721.3

XDS12315.2322.6

310#23.57XDS120.3113.8

XDS222.365.1

XDS319.6516.7

XDS12320.4713.2

图表5表面压力改变和三种石油细菌品系作用后发酵液pH的改变

样品号细菌品系表面压力份额pH

306#XDS142.3641.686.9

XDS245.3237.616.7

XDS336.5449.696.2

XDS12338.7646.646.1

307#XDS145.6337.186.8

XDS247.3634.85.8

XDS342.1641.966.3

XDS12335.2951.426.8

308#XDS152.3127.986.4

XDS254.7624.616.8

XDS350.3430.696.9

XDS12340.6744.016.7

309#XDS154.3125.236.4

XDS257.6420.656.9

XDS336.4949.776.7

XDS12339.4544.476.1

310#XDS146.3236.325.6

XDS244.9838.086.7

XDS341.5842.766.3

XDS12342.6841.246.2

测量的表面压力和在生物方法作用之前石油样品发酵液的pH分别为72.6mN/m与7.1。

表面压力和pH的环境温度为25℃

图像5生长在培养基温度45℃且20mg/ml样品307号原油中三种细菌品系XDS1,XDS2和XDS3的照片。

其中a是XDS3培养4天的，b是XDS2培养4天的，C是XDS1培养4天的，d是XDS123培养4天的。

在20mg/ml下控制原油样品307

岩心流动测试结果：

岩心流动测试结果（图表6）显示出通过固有细菌和XDS123作用后石油采收增加量为4.89-6.96%，其在压力为0.1和15MPa下有着不同的渗透率。

结果显示出固有细菌和XDS123可以增加采收。

标识固有细菌品系能够在高压下生存，通过降低粘滞性和减少水和石油的界面张力来影响原油，提高原油的流动性。

MERO使用的固有细菌通常是可以在高压条件下生存并生长良好的细菌。

图表6岩心流动测试结果

岩心样品孔积率水的渗透性细菌压力水流后EOR细菌流后EORMEOR

D128.7159.56IM/0.168.4274.506.08

D230.0134.94XD123/0.158.5665.526.96

D331.0175.13IM/1553.3058.194.89

D429.3137.73XD123/1562.9468.705.76

结论

三种生物表面活性剂出产固有微生物品系被筛选出来。

它们的石油传递速度超过4.5cm，并且是明显的。

GC/MS分析的结果显示出微生物优先降解饱和碳氢化合物，原油的降解率超过50%，最高可以达到84%。

同时，原油的重组分被降解并且剩下的石油流动性能得到提升。

因此，原油的粘滞性降低了20%至30%，表面张力降低到不超过30mN/m。

发酵液的平均pH不超过7。

许多石油采收剂在原油降解后产出，把原油乳化成一个阶段。

为此，岩心流动测试结果显示出通过固有细菌作用后增加的采收石油达到5-7%，条件是在大气压力和油层高压下。

这样，XDS1，XDS2和XDS3对提高原油采收提供潜在的作用（MEOR）。

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Charac