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微生物采油可行性报告

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微生物 采油 可行性报告
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微生物采油可行性报告陈越 生物制药 021 班 2002183603051.油开采石油是一种复杂的烃类混合物,这些烃类可能以气态、液态或者沥青质的固态存在,它一般在地下的沉积岩层中存在,液态烃俗称为原油,它存在于储油岩层的孔隙中,孔隙的大小不同,因而开采时的难易程度也有所不同。在没有外压的情况下,孔隙中的原油很难溢出。常规的一次采油是油井建成之后,靠地层压力将原油压至地面,能开采出原油量的 30%左右;二次采油需加压、注水、注汽等,靠水或气体的流动将油从油井驱至地面,能获得总储量的 10%~20%,剩余在油藏中的石油由于吸附在岩石空隙间难以开采,因此需要用新的方法将其开采出来,这就需要三次开采油。三次采油的主要机理是降低原油黏度,或增加注入水的黏度,缩小油水之间的黏度差,控制水的流动性,提高驱油面积,从而提高原油的采收率。常规的三次采油方法有:热驱,蒸汽驱油,化学驱油(包括表面活性剂驱油和聚合物驱油)以及微生物采油。常规的化学驱动费用都比较昂贵,而微生物采油随着生物技术的发展,已经向着经济开采原油的目标迈出第一步。利用微生物开采枯渴的油层是目前最经济的方法,应用这种方法不仅可以开采出流动的原油,而且可以开采出不动的石油,并能使枯渴井延长寿命。多年以来的研究证明:微生物采油是一种最有前途的强采方法。生物采油技术概述微生物采油技术,即微生物提高原油采收率技术(,是通过将筛选的微生物注入油藏,利用微生物在油藏中的有益活动,微生物的代谢产物与油藏中液相和固相的互相作用,对原油/岩油/ 水界面性质的特性作用等,改变原油的某些物理化学特征,改善原油的流动性质,从而提高原油采收率的综合性技术。采油微生物代谢过程中除了产酸,生物表面活性剂和气体等代谢产物外,还产生聚合物和有机溶剂等,所有这些代谢产物都能在不同程度上以不同方式作用于地层原油,改善原油的性质,以利于原油的开采,微生物采油技术经过多年的发展,逐渐成为目前国内外发展迅速的一项提高原油采收率技术,也是 21 世纪一项高新生物技术。广义地说,微生物采油方法主要包括两大类:一类是利用微生物产品(如生物聚合物和生物表面活性剂)作为油田化学剂进行驱油,也称为微生物地上发酵提高采油率。目前该技术在国内外已趋成熟;另一类是利用微生物及其代谢物提高采油率,主要是利用微生物地下发酵提高采收率。狭义上得微生物采油技术就是指利用微生物地下发酵提高采收率方法。本报告也将就后者进行重点分析。微生物采油(即地下发酵发)是直接将微生物注入到油层,将储油岩层作为一个巨大的发酵罐,在其中生长繁殖,代谢出对提高采收率有用的代谢产物或进行原油改良,从而提高原油采收率得方法。与其他提高采收率的方法相比,微生物采油技术具有明显的优势;一、施工成本低,二、施工工艺简单,操作方便,操作方式灵活多变,容易控制,三、具有不损坏地层,可反复使用,易生物降解,不易污染环境的生态学优势,四、增产效果持续时间长,五、使用范围广。2.微生物采油技术的现状及前景微生物采油自 20 世纪 20 年代被提出后,由于受到多种因素的限制,发展一直很缓慢,20 世纪 20 年代世界石油危机后,各国加速了对细菌采油的研究。最近几年国外研究微生物采油的大学越来越多,许多大石油公司以及独立的高科技实验室也在进行研究和开发,并取得许多可喜的成果。在采油微生物研究初期,主要侧重于菌种的筛选,菌种的性能评价,室内模拟试验,矿厂应用试验与提高原油采收率的研究。微生物采油技术在广泛应用的基础上,其深入研究主要表现在两个方面,一是微生物采油技术与矿厂工程学的深入研究;二是石油微生物菌种的生物学特性的基础研究。为了给微生物采油技术提供性能优良的菌种,采油微生物菌种的基础研究十分活跃,主要表现在以下五个方面:微生物生理学研究,石油微生物遗传学研究,者热菌,耐温菌的基础研究,石油微生物酶的研究,石油微生物的分类鉴定。目前大部分微生物采油现场实验均是含蜡量高的轻质油中进行的,而胶质、沥青质含量高的黏油微生物缺乏足够的资料。显然,原油黏度越高,通过微生物生命活动降低其黏度,增加其流动性也越困难。目前,高黏油微生物采油技术报道极少,高黏油的微生物开采现场实验层有成功报道,但为数不多。高胶质、沥青质含量也给高黏油的微生物开采带来了不少困难,但是通过筛选高黏油优良菌种,进行高黏微生物开采矿场实验,探讨高黏油微生物采油机理,是目前世界上亟待解决的一项技术难题。3.可行性分析3.1 微生物采油的机理微生物采油利用以蜡为碳源的耐氧厌氧菌对原油的作用和在此过程中所产生的轻组分及代谢产物——有机酸、醇和表面活性剂来改善原油的流动性、改善油水、界面状况和流动关系,以增加油井产油量,提高油田开发效果,通过细菌对地层的直接作用,以及细菌产生的各种代谢产品对油层的作用,可以提高原油的采收率。细菌对油层的作用方式主要有以下几种。生物的直接作用通过在岩石表面上的生长繁殖,占据孔隙空间,用物理方法驱出石油,改变碳氢化合物的馏分。微生物能黏附则岩石表面,在油膜下生长,最后把油膜推开,使油释放出来。变原油的组成通过降解原因,使其变成低黏的原油。微生物以石油中正构烷作为碳源而生长繁殖,从而改变了原油的碳链组成,使原油黏度降低而变得容易流动。微生物不断老化,改变了石蜡其原油的物理性质,影响了原油液或固相的平衡,降低了石蜡其原的临界温度和压力。微生物的增加能大大减少储存、井眼和设备表面原油石蜡的温度和压力。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,高碳链原油变为低碳链原油,使重组分减少,轻质组成增加,凝固流和黏均可降低。不仅改善原油在油层中的流动性,而且会使原油层质得到改善。物表面活性剂提高采收率微生物所产生的表面活性剂会降低油水界面张力,减少水驱油主管张力,提高驱替毛管数。同时生物表面活性剂会改变油藏岩石的润湿性,从亲油变成亲水,使吸附在岩石表面上的油膜脱落,油藏成余饱和度降低,从而提高采收率。物气提高采收率大多数微生物在代谢过程中都产生气体,如 2, 等。这些气体能够使油层部分增压并降低原油黏度,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流阻力,提高注入水波及体积。生酸及有机溶剂提高采收率微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(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,降低原油黏度,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。研究结果表明,微生物作用原油主要产生乙酸、丙酸,另外还有其他几种短链有机酸。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黏度,类似轻度酸化,增加岩石孔隙度,从而提高原油量。发酵液中的有机酸分析表明,细菌的生命活动加速了石油的分解,它能代谢石油烷烃而产生脂肪酸,随着发酵时间的增长,有机酸含量也同时增加。经细菌发酵过的发酵液,显下降,一般可将发酵液的 低到 .物聚合物提高采收率微生物在油藏高渗透区生长繁殖及产生聚合物,能够有选择地堵塞大孔道,增大扫油系数和降低水油比。在水驱中增加水的黏度,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,能在高渗透地带控制流度比,周整注水油层的吸水剖面,增大扫油面积,提高采收率。合作用(表 1)表 1 微生物代谢产物对油层的作用微生物代谢产物 对油层的作用溶剂 溶解岩石孔隙中的原油,降低原油黏度通过溶解和清除孔隙喉道中的长链烃增大有效率表面活性剂 减少油,岩石和油,水接触的表面张力乳化作用:形成石油—水乳状液酸 通过溶解孔隙喉道中的碳酸盐增大有效渗透率腐蚀石英和碳酸盐表面,增加孔隙度与渗透率酸与碳酸盐发生化学反应生成二氧化碳,降低石油黏度气体 恢复油层压力使石油膨胀降低黏度,改善流速比由于碳酸盐被二氧化碳溶解而使渗透率增加溶解在原油中而使原油黏度下降溶解矿物中的硫,提高渗透率生物量 选择性或非选择性封堵通过黏附对烃类起乳化作用改善固体表面,即湿润性石油的讲解作用和变质作用降低石油黏度和凝固点石油脱硫聚合物 流动度控制选择性或非选择性封堵高渗透层增大水驱扫油效率并降低水油比3.井周期注入微生物采油单井周期注入法,又称单井吞吐法。为了提高低产油井的产量,需要将所筛选的采油微生物和其培养液、营养液从单口采油井高压泵入油层;关井数日成数周,使微生物在油层中生长繁殖,并产生代谢产物,微生物可运动到油井周围直径 10m 左右的储油岩层;通过微生物及其产物的作用,疏通被堵塞的油层孔隙通道,增加原油的流动性,提高原油的采收率。关井时间视微生物的生长繁殖情况而定,这主要取决于油层的温度。开井后,采油微生物可被反排出来,故称单井吞吐法。周期性的微生物采油,增油期维持时间较短,一般为半年或数月。为了保持高产,待采油量降低后,需要再次循环注入采油微生物,有一定局限性。在同一地区重复进行了周期性注入时常出现生物净化作用。周期性微生物采油机理见图 1。 微生物单井吞吐采油的选井应注意以下几个问题。①产能低,渗透率低的油井不适应单井吞吐。②易出砂井,不宜采用单井吞吐。③黏土含量高的油层不宜采用。④高温、高压井不宜采用微生物开采。微生物注入量,注入周期确定要合理。菌液用量与处理频率是否是最佳最优,是影响经济效益的重要因素,应根据具体情况调整,一般不宜超过六轮。微生物单井吞吐采油应在含水 70%~90%时进行,有利于微生物生存、繁殖。微生物单井吞吐是小断块,连通状况差,地层温度低的“土豆 ”油藏的很好的增产措施。生物驱油微生物驱油是指将筛选到的采油微生物与其营养物从注水井高压泵入储油层。微生物随注入水在油层内迁移,直至运动到储油层深部。微生物在油层内生长繁殖,并产生多种代谢产物。细胞和代谢产物分别作用于原油,发挥出各自的驱油功能,降低原油黏度,增加原油的流动性。驱替原油从油井中采出,从而提高原油采收率。微生物驱油是所有的微生物采油方法中真正提高原油采收率并且效果最好,显效最长的微生物显油技术。微生物驱替原油机理见图 2。筛选采油所用微生物菌种的一般方法步骤见图 3。 第一步是现场取样,从准备用微生物处理的油藏原油、水中分离菌中。从油藏中分离出的微生物应用与其油层条件类似的油藏效果较好。第二步是厌氧富集。从现场采集的油、水样品装入加压厌氧的菌管中或试验装置、富集装置中进行样品富集厌氧培养。第三步是微生物筛选。将厌氧的培养物置于将进行微生物处理的油藏条件下,考虑新黏试验,从中筛选适于油藏条件的微生物。然后进考察菌种与注入水的配伍性。取污水处理站及注水井的水样,进行室内试验,观察注入水对菌株的伤害,选择抗伤害能力强的菌株。注入水对菌体的伤害是由于水处理药剂所致,尤其是杀菌剂更为严重。因此,在施工过程中可停止加入水处理药剂。第四步是驱油模拟实验。用微型填矿柱做岩芯模型,饱和原油和气态烃,模拟油藏高温、高压、高矿化度条件,用筛选的微生物菌种做室内驱油试验。在微型岩芯模拟试验的基础上,进一步做放大岩芯模拟试验,根据驱油效果确定微生物菌种。在做驱油岩芯模拟试验时,应同时对筛选的菌种做驱油机理的研究。将筛选的菌种在相应的条件下做原油降黏效果分析及产酸,产气定量分析,根据微生物的作用效果进一步确定采油现场应用的微生物菌种。当微生物采油法用于开采深层高温油井时,从自然界分离到的微生物很少能够满足所有的要求。因此,应当通过遗传操作来改造现有菌种及构建符合特殊要求的微生物菌侏。活油藏微生物群落驱油油藏中存在着天然的微生物群落,但是由于某些营养物质的贫乏,使原先微生物的数量少,活性低。如果从注水井中将微生物生长缺乏的营养物注入油层,激活油藏内的天然微生物群落,使其生长繁殖,并产生多种代谢产物,作用于原油,提高原油的采收率,可以节约大量的成本。实践证明,在油藏条件下存在着本源微生物,本源微生物严格厌氧的单独存在,从油藏种类的发展来看,由于微生物生理特性的作用,在矿场经历着自然的选择,也可能涉及它们进入地层的地质时期,这些厌氧微生物几乎总是与发酵、硫酸盐还原、甲烷细菌结合在一起。这微生物可以利用原油中的烃炭作为碳源,从而使用微生物方法采油变得更加简单。生物选择性封堵微生物封堵油层的机理是:将形体较大且产生表面黏稠物质的微生物菌种从注入井中注入,微生物可以送移到大孔道或有溶洞的储油岩层部位,通过微生物的生长繁殖和代谢作用,产生大菌体细胞和细胞分泌的表面黏稠物质,在地层的岩石表面形成一层生物膜,有效地封堵大孔道或溶洞,降低地层的渗透率。因为微生物胞外多糖对细胞的亲和力大于对裸露岩石的表面亲和力,所以注入的微生物细胞向封堵部位的生物膜聚集,形成更大的封堵层。细菌产生的机械封堵会使驱油液从高渗区转向未波及区,提高波及斤数,防止注入水“指状”流动,提高原油采收率。生物压裂液压裂将在厌氧条件下大量产生有机酸的微生物及营养物高压注入孔隙度甚小,渗透率很低的储油层,微生物生长过程中产生大量有机酸,可以溶解岩层使之形成缝隙,提高渗透率,利于原油流动,提高原油采收率。利用微生物压裂液压裂地层技术施工时,需先将所用的菌株及营养物注入地下油层,再用凝胶填充油管和产层附近的空间,然后加压,当压裂后,油层的压力降低,并井数月后,再次开采,此时的产油量大大增加。油微生物应具备的生物学特性采油微生物可以降低油—水界面和油—岩石界面的张力,降低原油黏度,由此改变原油的性质。因此,注入油层的采油微生物必须具备如下的基本生物特征。①厌氧或兼性厌氧。在地层无氧条件下能生长繁殖并进行厌氧发酵,在地上有氧条件下也能生长繁殖。②在油层高温、高压、高盐等极端环境下能生长繁殖并代谢,且生长速度比油层中本来存在的微生物生长速度快。③采油微生物最好能以油层中存在的烃类作碳源,能以储油层内的无机盐作为氮源或营养元素,以减少成本。④采油微生物必须与其注入油层的环境条件相配伍相适应。能在油层内运移,能生长繁殖,并产生有机、气体、表面活性剂、生物聚合物、有机溶剂等多种代谢产物。能在 50°C 以上的温度及缺氧条件下生长的中度嗜盐细菌,是用于微生物采油的最有力的竞争者。种的选择不同的微生物适应地层中各种条件的能力及产生的代谢物不同。另外,不同的生物工程目的所需的微生物代谢产物也有所不同。因此,根据地层条件和生物工程目的合理选择菌种是工程获得成功的关键。地层条件中,着先需要考虑的是地层温度,因为不同的微生物耐热能力不同(表 2) 。表 2 微生物生长的温度范围生长温度/°适 最高举例低温微生物中温微生物高温微生物05~1025~4010~2015~4045~6525~3045~5070~100活性淤泥梭状芽孢杆菌黄单胞杆菌其他需要考虑的地层条件有矿化度、渗透率、地层水化学组分等。通常,做一顶有关地层流体和所用的微生物之间的配伍性试验,即能检验出微生物能否适应这些条件,从而大体上预测出应用这种微生物能否获得增产效果。这种配伍性试验可用试管进行。方法是将八种微生物配方分别在地层流体(有时还要用地层岩石)中进行培养。对微生物的生长状况和代谢产物的生成情况进行测试,以便确定出最佳条件。用这种方法确定的标准可用来为具体的油藏条件选择出在用的微生物配方。根据微生物工程目的选择菌种时可参考表 3 中列出的微生物处理类型表 3 微生物地层处理类型微生物采油工艺 生产问题 所用的微生物类别微生物增产处理 地层压力不足;注入能力问题;有毛管力造成的束缚油 通常使用能产生表面活性剂、气体、酸和醇类的细菌微生物洗井 结蜡问题 使用能产生乳化剂,表面活性剂和酸的微生物,能降解烃类的微生物微生物强化水驱 有毛管力造成的束缚油 通常使用能产生表面活性剂、气体、酸和酶的微生物微生物改善渗透率 波及效率低 使用能产生聚合物或产生大量生物的细菌生物聚合物驱油 注井入突进,不利的流度化 使用能产生聚合物的微生物微生物堵水 养液的配制对注入地层的微生物必须提供营养液。营养液的配制主要根据选用的菌种、地层条件和工程目的来确定。通常,菌种不同,所需的营养物质也有所不同。微生物培养实验有助于确定微生物的最优营养配方组分。微生物一般都需要磷化合物,含氧化合物,含碳化合物,硫,各种微量元素,氢、维生素、二氧化碳等。地层中可能会缺乏这些营养物质中的一种或数种。因此,营养液的组分主要包括地层中缺乏的营养物质,利用从地层中取得的岩样,通过原子吸收先 法、离子层析法,由感耦合等离子体等技术可以额定出地层中缺乏的营养物质。所选用的各种营养物质应当是在地层条件下具有热稳定性和化学稳定性的,而且不会与地层流体中的无机盐反应而形成沉淀物,以免堵塞地层。另外,在含黏土的地层中,营养液应不至于引起地层黏土膨胀和微粒远移。为了增强微生物配方的效果,可选择某种化学试剂作为微生物配方的增效剂。增效剂可直接添加到菌种配方中,也可用作微生物增产处理液的前置液。增效剂可采用生物表面活性剂,也可采用工业合成化学剂。当增效剂作为前置液使用时,可通过岩石表面吸附来提高微生物细胞及微生物代谢产物的传递速度。当增效剂直接添加到微生物配方中时,可产生协同效应。另外,某些化学剂能促进微生物产生大量代谢产物,或通过改变微生物细胞的代谢途径而产生不同的代谢产物。对于单井处理,在静压头下使菌种流入井内即可。可在注水井上安装一个旁通的接头,由此注入的菌种即被注入水冲入地层。在水驱开发中大规模处理时,最好用大罐装微生物和营养液,再通过分流管线泵入各注入井。合微生物采油工程的油藏筛选标准和筛选程序油藏是由固、液、气三相构成的,其物理化学性质对微生物的生存、繁殖和代谢活动都有决定性影响。并非所有油藏皆适于用微生物采油。根据大量的研究,油层的深度、压力、温度、地层水的化学组分、矿化度、原油密度等参数对微生物的生存和代谢活动都有具体限制作用。只有这些参数的值在适当的范围内时,应用微生物采油技术才能获得增产效果。美国国家石油和能源研究所制定出了微生物采油的油藏筛选标准(表 4)表 4 油藏筛选标准油藏参数 评价范围含盐度 度小于 10%,矿化度(高于此值温度 <2438、汞、镍、硒含量小于 10~15于 ,否则,应是高裂缝性地层 地层固有微生物 应与微生物在采油工程中选用的菌种配伍原油重度 大于 15°于重油资料不多原油类型 密度小于 余油饱和度 大于 25%,可能有一些例外单井控制面积 <根据油藏中对微生物有限制作用的各种参数,制定了以下油藏筛选程序(表 5)表 5 油藏筛选程序油藏参数 筛选程序选用的菌种 确定提高原油产量的潜在机理矿化度 应用配伍性试验评价微生物的生长与代谢活动温度/深度 在地层条件下用配伍性试验评价微生物的生长与代谢活动微量元素 应用配伍性试验确定出对微生物生长和代谢活动有害的影响地层渗透率 如果进行各井微生物处理,应进行单井注放能力试验和岩芯驱潜研究地层中固有微生物 在地层条件下应用配伍性试验评价微生物的生长和代谢活动5.产品工艺流程6. 成本核算微生物采油的成本低,它不需要复杂的地面设施和昂贵的原材料,其本设施仅有装有制备细菌接种物所需的浸液加热器和注入泵,而且这些设施在许多注入场地均可使用。因此,进行微生物采油的成本如下(表 6):表 6 成本核算 (以年产 10000液计)项目 费用(人民币/万元)厂房发酵罐分装机基本科研分析设备固定资本合计2000150304002580基质(糖蜜或糖)电子劳力(科研经费)后勤费用包装运行资本合计80100100070101260总合计 38407. 经济效益分析微生物采油可运用于现有全部适用于微生物采油的油藏,无需特别增加采油设施,可能需要重新铺设管线及钻注入井(一次性投资) ,但就其成本仍要低于其他驱油方法(较化学驱油而言,微生物驱油成为约为其 1/2~2/3 左右) ,且石油开采为国家垄断行业,无需特别增加市场营销方面的费用。参考国内外相关产品的价格,定每立方米菌液售价 元,年收入 元。产品固定资产 2580 万元,运行成本 1260 万元/年,厂房设备折旧费 120 万/ 年,不可预见费 50 万/年,税收 3652 万元/ 年,小计 5082 万元/年。产品净利润 元,当年收回成本。此后每年投资回报率 8. 微生物采油中存在的问题微生物采油方法有其自身的局限性:①对于高温(>89 °C)或高含盐量( >10% )的地层通常不能适用;②营养基中有时含有一定量的重金属离子,可能对微生物有副作用;③某些细菌能产生黏性渗出液即菌胶团,堵塞地层;④钢套管、油管及泵受到硫酸盐还原菌产生的腐蚀性化学物质的侵蚀,能使低硫原油性能破坏;⑤由于硫酸盐还原产生的 常堵塞污染生产管线;⑥有些微生物能导致用于泵油工艺的化学剂降解。目前研究的微生物只能在适中的温度,盐含量及压力下存活。如果地理条件多变,这些微生物的有效利用会受到限制。然而,有显著的证据可以说明石油储存库不像一些实验室研究所表明的那样是微生物经受不住的环境,事实上微生物能从深的储存库中得到分离,并且它们可能已发展了专门的机制来克服低氧。一些不需氧的微生物已被分离了。对这些微生物的进一步研究可能会利于石油工业中有用微生物的开发。另外,也可对现有采油微生采用基因修饰等手段以克服其局限性。丽化 微生物资源开发利用 北京:中国轻工业出版社 2001169~生物技术的商品化 王作明 王善国等译 北京:化学工业出版社团 微生物采油及其作用机理 世界地质 ):138~1414、李凤华 浅谈微生物采油 济宁师专学报 ):41~425、柴连善、郑平、周云霞 微生物采油的地层环境与菌种选择 ~56、何正国、向廷生、梅博文 微生物采油机理研究 钻采工业 ):19~217、薜锋 激活本源微生物提高原油采收率的研究 国外油田程 2001.17
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