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地质微生物技术在油气勘探开发中的应用

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文章编号 : 167221926 (2004) 0220156206收稿日期 : 2003212229; 修回日期 : 20042012061基金项目 : 中德国际合作项目 (编号 : 200203210) , 中俄国际合作项目 (编号 : 200204208)资助 1作者简介 : 梅博文 (19402) , 男 , 湖北黄冈人 , 教授 , 博导 , 主要从事有机地球化学、生物地球化学观测及地质微生物研究 1地质微生物技术在油气勘探开发中的应用梅博文 , 袁志华(长江大学地球化学系 , 湖北 荆州 434023)摘 要 : 总结了地质微生物技术包括油气微生物勘探技术 (M ) 和本源微生物采油技术(M 的理论基础和原理 , 简述了 M 和 M 术的流程和主要特点等 , 评述了 M 和 M 术在石油天然气勘探开发中的应用现状。 M 和 M 术的应用实践表明 , 加强基础理论研究 , 培养和造就一批拥有微生物学、生物化学、地球化学、石油地质学和石油工程学等多学科理论和技术的专门人才或者实现了这些相关学科人才的有效结合 , 发展中国自己的成套地质生物技术 , 必将对大幅度提高我国油气勘探成功率和采收率产生深远的影响。关键词 : 油气微生物勘探技术 ; 甲烷氧化菌 ; 烃氧化菌 ; 本源微生物采油技术中图分类号 : T 4         文献标识码 : 纪后期 , 现代生物技术飞速发展 , 越来越广泛地渗透到科学和经济的各个领域 , 推动着社会生产力的发展和人们生活质量的提高。在新的世纪里 , 这种发展趋势更加明显地展现在人们面前。石油和天然气工业是国家重要的基础能源工业 , 其上游工程——石油和天然气勘探开发当前面临新的形势和发展机遇 , 提高石油和天然气勘探开发的效益已成为紧迫的任务 , 而研发和应用廉价而有效的生物技术是完成这一任务的一种新的技术手段。近 20 年来 , 我国科学和工业界在研究和引进微生物采油技术 (M 方面取得了较好效果。在中断了 30 多年之后 , 我国的微生物勘探技术 (M ) 研究又重新迈开了步伐 , 以往的实践为今后的发展打下了基础。然而 , 生物技术在石油天然气勘探开发中的应用远未达到石油工业所期望的规模效益。在油气勘探开发中生物技术的研究对象是地下生物圈中的地质微生物 , 包括地下浅层的土壤微生物和地下深层油气藏中的极端微生物。研究这类微生物的多样性、生态环境、基因构成、代谢特性、地球化学过程与产物 , 利用土壤中烃氧化菌异常预测下伏油气藏 , 通过人工激活本源微生物的地球化学活性实现井间驱替来提高石油采收率等与地质环境下微生物地球化学作用紧密相关的生物技术称之为地质微生物技术 (io 该技术具有明显的多学科性质或交叉学科性质。只有造就了一批拥有微生物学、生物化学、地球化学、石油地质学和石油工程学等多学科理论和技术的专门人才或者实现了这些相关学科人才的有效结合 , 才可能创造出中国自己的成套地质生物技术 , 才能为提高我国石油天然气勘探开发的规模效益做出卓有成效的贡献。本文试图对地质微生物技术在石油天然气勘探开发中的应用现状加以评述。1 油气微生物勘探技术 (M )油气微生物勘探技术源于前苏联。 20 世纪 40年代 , 美国从地表土壤样品中分离出烃氧化菌并将其作为地下油气藏的指示菌 \[ 1, 2 \]。 50 年代 , Ph M O M u 技术 , 利用丁烷氧化菌的高抗丁醇的特性来探测烃微渗现象 \[ 3 \]。与此同时 , 德国亦开发了一项新型的地表勘探技术——油气微生物勘探技术 (M ,M ro fo r O il , 并一直应用至今 \[ 4 \]。到 90 年代末期 ,M 技术进入成熟阶段 , 形成了现代油气微生物勘探技术系统。油气微生物勘探技术是地表勘探法的一个分第 15 卷 第 2 期2004 年 4 月      天 然 气 地 球 科 学U   C     V o l. 15 N o. 2A p r.   2004支 , 主要研究近地表土壤层中微生物异常与地下深部油气藏的相关关系。在现代勘探法中 , 油气微生物勘探技术能为初期勘探 (“野猫井”勘探 )提供廉价有效的方法和指示 , 能预测有利勘探区块以降低勘探风险 \[ 5 \]。而在勘探成熟区 , 这项技术能将地震勘探查明的地质构造划分成各种含烃级别 , 并以指示油、气、水的分布位置来为油气藏开发中的油气藏表征服务。 油气微生物勘探技术的原理是 : 在油气藏压力的驱动下 , 油气藏的轻烃气体持续地向地表作垂直扩散和运移 , 土壤中的专性微生物以轻烃气作为其惟一能量来源并在油气藏正上方的地表土壤中非常发育和形成微生物异常。采用 M 技术可以检测出这种微生物异常进而预测下伏油气藏的存在。总的来说 ,M 技术既有物理 - 化学的基础 , 又有微生物学的基础。1. 1  M 术的物理 - 化学基础许多年来 , 地球化学家们经常在土壤气和土壤中检测到轻烃异常 , 大多数情况下这种异常都直接位于含油气沉积物上方 \[ 6 \]。 P 6 \]、 K lu sm [ 7 \]和 \[ 8 \]总结了轻烃从油气藏逸出向上运移过程中改变上覆沉积物化学组分和物理性质的很多证据。最近国外对 850 多口野猫井 (所有井都是在微生物勘探之后开钻的 ) 作了总结 , 结果显示 : 在异常区内 79% 的井钻遇可采油气藏 , 而在背景区内87% 的井为干井。碳同位素研究也为烃的垂向微渗运移提供了强有力的支持 , D 9 \]于 1983年论证了地表土壤中微渗烃与下伏沉积物中的热成因烃类在化学组成上具有良好的相关性。在此基础上 , 地球化学家们提出并论证了由微裂隙水驱替微气泡上升的垂直运移机制——“微泡的上浮” \[ 7, 8, 10 \]。P 6 \]综述了轻烃气从油气藏到地表的垂直运移的可能机理。他认为最可信的假设是轻烃以极小的 (胶束 )气泡通过如 M [ 11 \]所述的相互连接的充满地下水的微裂隙网络垂直上升。这就解释了为什么在土壤气组成中没有戊烷及更大分子量的烃。因为这类烃在近地表温度和压力下是液态 , 浮力太小 , 不能运移到地表。胶束大小的轻烃气泡很容易被周边水向上驱替 , 速率可以很大 \[ 9, 10 \], 并可以解释新充注的气藏上方土壤气烃异常的快速形成和枯竭后的油气藏这类异常的快速消失以及地层水侧向运动并不影响地表烃异常改变的原因 \[ 12 \]。 B n\[ 13 \]则提出了气体的持续气缝流理论 , 他认为这种方式更快更有利。1. 2  M 术的微生物学基础与微生物勘探相关的细菌有两类 : 甲烷氧化菌和烃氧化菌。甲烷氧化菌不仅仅是烃氧化菌群体 , 而且是一个专门利用 类细菌不能消耗糖 (葡萄糖 )或短链烃 , 因此 , 甲烷氧化菌与包括所有利用甲醇、甲醛和其它一些 从首次报道甲烷氧化菌 (甲基营养菌 ) 的存在以来 , 先后有许多科学家在此方面做了大量的工作 (如甲烷氧化菌分离的方法、甲基营养菌的生态及其在甲烷物质循环中的作用、甲烷新陈代谢等 ) , 并研究了这种细菌的高度专属性和将其应用于天然气勘探的可能性 \[ 14~ 16 \]。另一类微生物群体以短链烃 (8)作为能量来源。这些微生物不能够代谢甲烷。但短链烃乙烷、丙烷、丁烷可以被众多的细菌利用 (如M F N P )。在利用过程中 , 有关细菌种类的数量随烷烃链长增加而线性增加。烷烃的降解先通过单氧酶对烷烃进行末端氧化 , 再通过 , 后者是大量生化反应的前体物质。然而 , 与甲烷相反 , 烃类不代表单一的某种物质 , 这意味着烃氧化菌也可以利用多糖类和单糖类(纤维素、葡萄糖 )。当然 , 在细菌细胞体中基本的蛋白质和酶的产生需要好几天的适应期 (这些具有非活化状态的烃降解潜能的微生物可描述为“兼性的” )。与此相比 , 另一类微生物群体已适应自己生长的自然环境 , 在实验室条件下不需要适应期 , 并立即以乙烷、丙烷和丁烷为食料而迅速生长 (这类群体被称为“专性的” )。因此 , 对不经任何适应期即可将长度为 2~ 8 个碳原子的正构烷烃用氧化的细菌进行检测 , 可以表明在研究的土样中存在过短链烃 , 进而指示地下油气的聚集。在那些以这种方式检测到短链烃和甲烷的地区 , 依据信号的强度 , 可以推断含大量短链烃的热成因气藏或具有气顶的油藏。当然 , 在油藏或气藏之上的烃氧化菌不仅在细胞含量上而且在代谢活性上亦远远高于无油气前景地区的细菌含量及活性。1. 3  M 术的方法流程为评价微生物的活性 , 首先选取一定重量的土壤样品 , 按适当比例进行混合 , 然后在矿物介质中进行悬浮 , 并经过震动器加以冲洗 , 最后 , 通过系列稀释法将每个样品用选择性的生长营养液稀释 , 并分别注入甲烷和丙烷 丁烷气体后再放入 30℃的生化751N o. 2          梅博文等 : 地质微生物技术在油气勘探开发中的应用           培养箱中恒温培养 12~ 14 d。只有那些能在短期内以提供的烃源为食料的专性甲烷氧化菌或烃氧化菌 , 才能生长并消耗掉一定量的轻烃气。在上述流程的每一阶段 , 均可划分出 7 个不同的微生物活性判别参数 , 这些参数可用在培养后测量甲烷及轻烃气的消耗量。生化活性参数可运用气相色谱和压力测量计算出加入烃类的消耗量 (甲烷和丙烷 丁烷 ) , 或者确定甲烷氧化菌或烃氧化菌生成 的速率。综合生化活性参数和显微镜鉴定结果以及每克土壤样品中的细胞数目 , 可计算出甲烷 (气指示 ) 和轻烃 (油指示 )的测量单元 , 进而确定油气异常区域。1. 4  M 术的主要特点根据国内外对各种地质构造进行微生物勘探的实践 , 可以得出这样的结果 : ①通过 M 技术 , 可以检测出地表土壤或沉积物样品中烃氧化菌分布的异常 , 这种异常可反映来源于正下方深部封存的油藏或气藏的高丰度的连续的烃供给 ; ② M 技术能够探测出陆上和海上的油藏和气藏 (与油气藏的岩性无关 ) , 并能肯定地区分出烃前景的级别和无烃指示的区域 (背景值 ) ; ③由于能分别鉴定甲烷氧化菌和烃氧化菌 ,M 技术可以区分出油藏和气藏以及带气顶的油藏 ; ④ M 技术对由于强烈倒转而破坏的古含烃构造并不给出任何指示 ; ⑤对油田和气田的勘探并不受上覆地层中不同厚度盐岩层的影响 , 同时微生物异常与断层无关 ; ⑥ M 技术不仅能适用于 500~ 3 500 m 的浅层 - 中深层油藏的勘探 , 而且关于适于 5 000~ 7 000 m 的深部油藏的勘探也有报道 ; ⑦ M 技术的勘探在阿曼和澳大利亚等干旱地区同样取得了良好的勘探效果 ; ⑧M 技术不仅在新区勘探中取得了成功 , 而且在成熟区的滚动勘探和油藏表征中显示了威力和在油藏开发领域取得初步成果 ; ⑨ M 技术与地表化探的主要差别在于前者预测专一性强 , 成功率高 , 后者多解性强 , 成功率低 , 必要时化探可作 M 技术的辅助手段 ; O G 技术同样具有局限性 , 其只能确定有无油气藏 , 并对油气藏定性判别 , 不能预测油气藏深度、厚度和大小 (但可以判别油水边界 )。1. 5  M 术的应用实例M 技术于 1961 年首次应用于德国。在过去 30 年中 , 总共在 17 个地区进行了 M 技术研究 , 这些地区分布于北欧和远东。 1986 年在巴尔的干海 (W o 造 ) 和 1995 年在北海开始海上微生物勘探研究。根据德国东部的基本地质情况 ,W 择了具有不同地质条件的代表性区块进行 M 方法试验 , 如 K 田 (未断裂油田 )、田 (典型的盐岩层断裂油田 )、 Sp ro 完全断裂构造 ) 和 田 (复杂断块小油田 ) , 并获得了巨大的成功。 1996 年 , 在 B ou s 盆地的北海 16 区块采集了 32 个沉积物样品并作了微生物、地球化学和同位素分析 , 在不知道任何地质构造和 Ko 田或生产井的方位的情况下进行了微生物勘探研究 \[ 17 \]。在北海 15 区块沿几个测线也作了 M 方法研究。为了验证该方法 , 某些测线穿过了已知的一个油田和一个气田以及一个不含油气但已钻探的构造。结果表明 , 在油藏和气藏上方都发现了明显的微生物异常 ,而无油气的构造则没给出任何烃显示。在我国 , 中国石油天然气股份有限公司(已认识到微生物勘探技术的价值 , 并将之应用于勘探实践。 2001 年 , 在 资助下 , 通过中德国际合作 , 以国内外研究机构—高校—油田三结合的方式首次进行了华北油田油气微生物勘探先导试验研究 , 并取得了良好的效果。与已知的油气钻井相比 , 其成功率为 83% , 与国外的M 技术成功率 (91% )接近。华北油田的实验成果是 4 个试验区实验效果 , 在综合研究微生物勘探和化探结果以及地质和物探成果的基础上 , 系统地总结了试验经验 , 分区评价了各个试验区的微生物异常及其勘探前景 , 详细论述了最有利目标区 , 并提出了可供勘探的井位设计。这一成果有待进一步的钻井证实。 2002 年 , 长江大学分析测试中心地质微生物实验室在甲方的大力支持下 , 在湖北松滋区块进行了油气微生物自费风险勘探 , 其 M 技术成果与现有的已知钻井情况不仅相符 , 而且对正钻探井做出了气多油少的预测 , 还预测探区南部有连片的油藏分布、应为优先勘探的方向。这一结果与甲方设计不谋而合 , 增强了勘探的信心。近年来 , 油气微生物勘探技术正作为油藏表征的新工具从勘探领域延伸到开发领域。详细的微生物调查有助于改善油气藏表征 , 在开采成熟区 , 采用紧密排列的采样网格来检测微生物异常 , 并将微生物信息与地质和地球物理信息结合起来 , 能对现有油区内布置加密井和进行扩边增储提出合理的预测。这无疑将增加油气微生物勘探技术的生命力和应用范围。2 本源微生物采油技术 (M )美国人最早提出采用微生物提高石油采收率的851                天 然 气 地 球 科 学               V o l. 15构想 \[ 18 \]。 20 世纪 40 年代初 , 美国石油研究所通过一系列微生物学实验 , 证实了微生物提高石油采收率的可能性 \[ 19~ 21 \]。 50 年代 , 俄罗斯科学院微生物研究所以地质微生物学为基础 , 利用长期注水开发油田中无意带入地层的细菌 , 率先开展利用本源微生物提高石油采收率的研究工作 , 并通过 20 多年的深入研究 , 使之成为一项成熟的提高采收率的技术。本源微生物采油法的原理是 : 通过注水井向地层中注入经过优化了的营养物 (这些营养物可激活地层中长期处于蛰伏状态的、有益的微生物 ) , 产生大量的代谢产物 , 如酸、气、表面活性剂、有机溶剂、生物聚合物等 , 这些代谢产物可通过降低油水界面张力、封堵大孔道等作用提高油层原油采收率。2. 1  M 术的地质微生物学基础生长于地面水中的细菌被注入地下油藏后 , 一部分因不适应恶劣的高温、高压和缺氧环境而不能生存 , 另一部分则适应了地层条件而生存了下来。这些生存下来的细菌和地层中原有的极端微生物的种群、生理特性因油藏的条件不同而异 , 数量也各异。由于油藏的恶劣条件和营养物质的缺乏 , 阻碍了它们进一步大量繁殖 , 因而没有起到作用。为了有效地激活油藏中的本源微生物 , 我们必须进行较为详尽的微生物学和化学特征的试验调查 , 用现代微生物学、分子生物学和物理 - 化学方法对地下温热环境进行综合研究 , 鉴定生物圈下界由生物和非生物构成的生态系统 , 特别是研究高温油田微生物群落的组成 , 确定现代微生物在其中引起的硫酸盐还原作用和产甲烷作用的速率。与此同时 ,采用常规的 (传统的 ) 方法 , 研究生态系统的物理 如温度、地层压力、地层水矿化度、 类、碳酸氢盐、氧、铁的含量以及地下水中其它矿物组分的含量。通过大量的实践表明 , 在众多的本源微生物中 ,有利于改变地层及原油性质的主要有 3 个菌群 , 即烃氧化菌、发酵菌和产甲烷菌。当然 , 在地层中也存在对生产有害的微生物 , 主要是硫酸盐还原菌。如果硫酸盐还原菌的作用过大 , 会产生大量的 H 2S。这些本源微生物的作用及其产物如下 : ①发酵菌、烃氧化菌等的产酸作用 , 所产酸能溶解岩石并增加其孔隙度和渗透率 ; ②各种本源微生物所产生的生物量具有选择性封堵、乳化、破乳化及改变润湿性的作用 ; ③产甲烷菌、发酵菌、产氢菌等的产气作用(可产生 、 、 H 2) , 产生的气体可使原油粘度下降 , 地层压力增加、岩石基质溶解和由于碳酸盐岩被二氧化碳溶解而使渗透率增加 ; ④发酵菌、烃氧化菌等可产生溶剂 , 这些溶剂参与原油的直接提取或与表面活性剂共同降低表面张力和增加原油的流动性 ; ⑤烃氧化菌及酵母菌等产生表面活性剂 , 这些活性剂具有乳化作用 , 可降低界面张力 ; ⑥生物聚合物的产生 , 如黄原胶、葡聚糖等——具有控制流体的流动性及选择性封堵作用。2. 2  M 术的流程本源微生物技术流程主要分室内和现场两大部分。对野外注水井和完成油水采样的生产井 , 即可开展大量的实验室研究工作 , 主要目的是筛选有益菌激活剂 , 激活有益菌 , 抑制有害菌。这一过程包括本源微生物的计数 (厌氧和好氧菌 )、细菌的生长及代谢产物的测定 (常采用分光光度计和气相色谱仪测定 )、硫酸盐还原速率和甲烷生成速率的测定 (采用放射性同位素测定 )以及稳定碳同位素组成等。在实验室研究基础上 , 进行现场激活本源微生物的工作。这一过程主要是以地层固有的微生物活性作为基础 , 在注水过程中引入空气和磷酸盐以及含氮的矿物质。该过程由 2 个连续阶段组成。第 1 阶段 : 需氧的和兼性厌氧的烃氧化菌被激活 , 由于重油的部分氧化 , 形成了乙醇、脂肪酸、表面活性剂、 、多糖和其它组分 , 这些物质一方面是油释放剂 , 另一方面为厌氧微生物 (包括产甲烷菌 ) 提供营养物质。第 2阶段 : 产甲烷菌在缺氧层被激活 , 产生 和 ,这些物质在溶于油后 , 就会增加油的流动性 , 进而提高采收率。这项工作的目的在于实现微生物技术和物理化学调节的共同采油。2. 3  M 术过程的动态监测法为了充分激活本源微生物 , 随时了解本源微生物的活化效果 , 应根据油田实际情况及时调整工艺 ,在注入营养液的过程中 , 根据需要可分次注水 , 并监测溶解氧量和磷酸根的浓度。而当营养液注入完成后 , 则需要周期性地对以下几个方面进行监测 : ①生产动态 : 包括日产油量、综合含水、注水井注入压力、注水井注入能力等 ; ②产液层中不同生态群体的微生物 (如好氧嗜热菌、发酵菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等 )生理特征及数量变化 ; ③注入水和地层水的物理 - 化学特性 (如总碱度、 3 、 H 2S 等 ) ;④注入水和地层水的流体特性 (如乳化活性、表面张力、粘度等 ) ; ⑤硫酸盐还原速率及产甲烷速率。另外还要对地层甲烷气及 的成因作分析。2. 4  M 术的主要特点本源微生物采油方法仅仅需要注入富氧水和营951N o. 2          梅博文等 : 地质微生物技术在油气勘探开发中的应用           养液来激活地层固有的微生物 , 因而与外源微生物技术相比具有许多独到的特点和优势 : ①本源微生物一旦注入经过优化的营养液和氧气后 , 其相应的目的菌群不需要很长适应期就会被激活 , 适应周期大大缩短 , 而外源微生物注入后 , 尽管可以在某些极端环境下生存 , 但复杂的地下地质条件使得这些被注入的细菌必须适应地下的恶劣环境后才开始产生代谢产物 , 适应期较长 ; ②正因为本源微生物是地层固有的 , 是未经人工改造的天然菌群 , 因此 , 一旦被充注的营养液激活 , 其利用率较高 , 且生长过程比较稳定 , 具有不变异、适应性强等特点 , 而外源微生物多数是在模拟地下地质条件培养驯化出来的 , 随注入水注入后 , 将会有一定数量的细菌因不适应地下地质条件而死亡 , 利用率将受到影响 , 且存活下来的细菌亦不太稳定 , 如基因工程菌常常经过若干代后就会产生回复突变 , 丧失其特有的活性 , 难以达到预期的效果 ; ③本源微生物呈溶解氧和无机盐溶液的形式注入 , 其波及面基本上与现有的注水波及面相同 , 且无堵塞之虑 , 而外源微生物注入时 , 一定要根据地下地质条件控制好菌液浓度 , 以免造成不必要的堵塞 ; ④只要营养液较充足 , 本源微生物就会产生有利于提高采收率的代谢产物 , 且产生的效果持续时间长 , 一般至少可以达到 2 a, 而外源微生物经过一段时间后 , 将会消失殆尽 , 需不断补充 , 因而其效果取决于地下外源微生物的有无 ; ⑤注入一定比例的溶解氧及无机营养液激活本源微生物 , 无论是工艺设备还是施工过程均比较简单 , 成本低廉 , 且在施工过程中基本上对人体健康无潜在影响 , 而外源微生物的培养设备不仅庞大 , 而且成本极高 , 特别是菌种更是昂贵 , 整个过程操作难度较大 , 对环境及现场工作人员的身体健康存在潜在影响 ; ⑥ M 术也有一定的适用范围 , 如 : 油层厚度≥ 1 m (最佳 3~10 m ) , 孔隙度为 12%~ 25% (最佳为 17%~ 25% ) ,渗 透率≥ 49135 × 10- 3 (最 佳 ≥ 148105 ×10- 3 ) , 油层压力 < 40 M 油层温度为 20~80℃ (最佳 30~ 50℃ ) , 地层水矿化度 < 300 g l (最佳 < 100 g l) , 注入水矿化度 < 60 g l (最佳 <30 g l) , 硫酸盐含量 < 100 m g l(最佳 < 5 m g l) , 含水率为 40%~ 95% (最佳 60%~ 80% ) , 原油粘度10~ 500 m s (最佳 30~ 150 m s) ; 硫化氢含量 < 30 m g l(最佳为 0)。2. 5  M 术应用实例从 1986 年到 1999 年 , 该项技术在俄罗斯 油田 17 个区块进行了矿场试验 , 总增油量达 45 万 t。如 田的块 , 3 口注水井和 8 口生产井增产原油 14300t。再如 块 17 口注水井和 37 口生产井共增产原油 107 900 t\[ 22~ 24 \]。美国 公司采用竞争排斥采油法 , 并有效地控制了 亦获得了较大的成功 \[ 25, 26 \]。我国从 20 世纪 60 年代就已开始进行微生物采油技术研究 \[ 27, 28 \]。 80 年代以来引进美国公司外源微生物采油法 , 在吉林扶余等油田进行了单井吞吐和消防蜡技术试验 , 有增产效果 , 但大规模驱替尚未成熟。当前 , 中俄国际合作本源微生物采油项目 (2000- 2006)正在顺利实施中。总之 , 本源微生物提高石油采收率技术是一项具有巨大发展潜力的新技术。只有对这一技术的理论基础进行广泛深入地研究 , 才能充分认识本源微生物在油气藏条件下的生态规律、生理生化特征及其生物工程潜力 , 才能充分利用本源微生物来提高采收率 , 以便在我国许多油田推广应用。参考文献 :\[ 1 \]  M sk A. 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