CN103912249A - 一种向地层中输送微生物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种向地层中输送微生物的方法，所述方法利用通过水力压裂技术用粘性流体携带微生物进入地层，其中，对所述微生物进行预处理，以使微生物的存在形式为营养体细胞悬液、饥饿期细胞悬液、芽孢悬液中的至少一种。本发明的方法通过水力压裂技术实现携带微生物进入地层深部，并对微生物做适当的预处理从而获得更高的输送效率，使微生物的抗压性、运移能力更好，成活率更高。本方法的提出有利于保障地层深部运用微生物进行相关工程技术作业，尤其是有利于微生物改善压裂井产能、提高原油采收率等领域的运用。

Description

一种向地层中输送微生物的方法

技术领域

本发明涉及地质微生物学工程应用领域的一种输送微生物的方法，进一步地说，是涉及一种向地层中输送微生物的方法。

背景技术

微生物采油技术具有投资少，经济环保、有效期长的特点，其机理一般认为来自两大方面：即微生物菌体本身的作用和微生物代谢产物的作用，前者主要包括微生物菌体的物理作用和微生物对于原油和其他污染物的降解作用，后者主要包含微生物的各种代谢产物，如生物表面活性物质、小分子有机酸、气体、有机溶剂、生物聚合物等。微生物代谢及其代谢产物的作用对象可以是地层流体（地层水、原油或者气体），也可以是孔隙介质（岩石）。因此，通过水力压裂技术将微生物携带进入地层深部，有利于微生物在地层中原位生长和代谢生成有益代谢产物，改善压裂井产量，提高油气采收率。油藏残余油生物甲烷化技术是一项具有前瞻性的研究课题，已经受到美国、加拿大等发达国家的重视和关注。油藏残余油生物甲烷化技术是指：将油藏作为一个巨大的生物反应器，通过产甲烷微生物菌群的代谢活动，将油藏中常规开采方法难以经济采出的残余油就地降解转化为天然气（甲烷），再以天然气的形式开采出来，或者作为战略资源就地储备，从而大幅度提高油气资源的利用效率和开采水平，进一步延长油藏的开发寿命。可见，通过微生物的作用能改变地层流体的物理、化学属性和存在形式，提高油气产量，有重大的理论和现实意义。随着常规能源的开发，非常规油气资源的开发越来越受到人们的重视，低渗透油藏、页岩气、煤层气等非常规油气资源的开发都需要压裂技术的支持，然而，由于地层往往为致密的多孔介质，孔隙度和渗透率都较低，使得微生物在地层中的输送和运移都有一定的难度，限制了生物技术在地层中各类应用技术的发展。

中国专利申请CN101880523A中提出了一种利用酶-微生物偶联实现压裂液破胶的技术，在压裂过程通过微生物和酶联合作用强化破胶效果。通过高效破胶酶和微生物偶联处理压裂液，实现更高的破胶效率，降低压裂残渣。其中所述的微生物，是利用粘性流体将其携带进入压裂裂缝区域，其主要目的是用于胍胶或其他植物胶压裂液破胶，从而使压裂工作液获得更高的破胶和返排效率。现有技术主要作用于压裂液返排前，施工中的破胶时间相对较短，微生物发生作用有限。

中国专利申请CN101699026A中提出一种在低渗油藏进行微生物采油技术的方法。该技术主要利用油田注水驱油工艺，在注入水中添加微生物菌种，利用其特征代谢产物如酸、气体、生物表面活性剂、溶剂等改善低渗透油藏的开发效果，现有技术由于低渗油藏渗透率较低，常规微生物注入困难，无法实现有效的运移，更易在近井地带形成菌体滤饼，该技术中虽然提出可在压裂井应用微生物采油技术，但并未具体提出利用水力压裂输送菌种的实际方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种向地层中输送微生物的方法，该方法通过水力压裂技术携带微生物进入地层深部，并对微生物做了适当的预处理从而获得更高的输送效率。

本发明的一种向地层中输送微生物的方法是通过水力压裂技术用粘性流体携带微生物进入地层的方法，其中要对所述微生物进行预处理，以使微生物的存在形式为营养体细胞悬液、饥饿期细胞悬液、芽孢悬液中的至少一种；优选饥饿期细胞悬液、芽孢悬液中的至少一种。

所述的输送微生物，是将微生物混合于粘性流体中，通过水力压裂过程中的挤注作用将微生物携带注入地层的多孔介质空间中。

以体积比计，所述微生物悬液的使用量为所述粘性流体体积的0.1％~20％，优选为1.0％~10.0％，更优选为1.0％~6.0％。

进一步地，所述的微生物，可考虑选自能够耐受20~80℃，80MPa，矿化度100000mg/L的细菌、真菌、古菌中的至少一种。具体操作中，可根据实际施工的目标地层条件和施工目的而培养合适的菌种悬液。

其中，

所述营养体细胞悬液是指将经发酵制备的微生物菌液，再经离心，收集菌体，用溶剂分散并配制为营养体细胞浓度为1.0×10⁷~1.0×10¹⁰CFU/ml的细胞悬液，浓度更优选为1.0×10⁷~1.0×10⁹CFU/ml。

所述营养体细胞悬液主要适用于菌体较小的微生物，如球菌或短杆菌，通过反复离心洗涤去除菌体胞外附着物后使菌体均匀分散于溶剂中以制备营养体细胞悬液。

具体地，所述营养体细胞悬液中所用的微生物可选自芽孢杆菌属（Bacillus）微生物或红球菌属（Rhodococcus）微生物中的至少一种；优选枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），莫哈维芽孢杆菌（Bacillus mohjavens）和赤红球菌（Rhodococcruber）中的至少一种；

所述饥饿期细胞悬液是指将经发酵制备的微生物菌液，再经离心，收集菌体，以无菌水重悬浮，静置3~10天使悬液中的细胞进入饥饿期，用溶剂配制为饥饿期细胞浓度为1.0×10⁷~1.0×10¹⁰CFU/ml的细胞悬液，浓度更优选为1.0×10⁷~1.0×10⁹CFU/ml。

所述饥饿期细胞悬液主要适用于菌体较大的微生物，如芽孢杆菌属（Bacillus）微生物、地芽孢杆菌属（Geobacillus）微生物等，通过制备饥饿期细胞可减小菌体体积再行制备悬液，可提高菌体的输送效率。

具体地，所述饥饿期细胞悬液中所用的微生物选自芽孢杆菌属（Bacillus）微生物、地芽孢杆菌属（Geobacillus）微生物中的至少一种，优选芽孢杆菌属（Bacillus）微生物，更优选枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和莫哈维芽孢杆菌（Bacillus mohjavens）中的一种。

所述芽孢悬液是将经发酵制备的微生物菌液静置3天~10天使芽孢形成率达到95%以上，置于30℃~100℃水浴中1min~100min杀灭残余营养体细胞，待冷至室温后，用溶剂配制为芽孢浓度为1×10⁶~1×10¹²CFU/ml的悬液，浓度优选为1×10⁶~1×10¹⁰CFU/ml，更优选1×10⁸~1×10¹⁰CFU/ml。

所述芽孢悬液主要适用于能够产生芽孢的微生物品种，如芽孢杆菌属（Bacillus）微生物、梭状芽孢杆菌属（Clostridium）微生物等，优选芽孢杆菌属（Bacillus）微生物，更优选枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和莫哈维芽孢杆菌（Bacillus mohjavens）中的至少一种。

微生物产生的芽孢不仅物理体积小，在多孔介质中运移性能突出，而且能够很好的耐受极端条件（酸碱、高温、强氧化剂等），能够很好适应压裂施工中同步注入微生物的需要。

微生物本身的菌体尺寸越大，越容易在多孔介质中造成吸附，从而降低了其在多孔介质中的运移能力。菌体较小的营养体细胞、饥饿期细胞和芽孢由于其体积较小，因而在多孔介质中有着更强的运移能力。

所述的溶剂选自无菌水、自来水、油田回注污水中的至少一种。

所述的水力压裂技术，在于通过高压泵向地层连续挤注粘性流体而使地层中被压开裂缝，后续粘性流体的挤注会使裂缝延伸、扩张，携带固体支撑剂的粘性流体进入裂缝，以固体支撑剂将裂缝支撑起来，从而在地层中形成支撑裂缝。

所述的粘性流体可选择本领域常用的粘性流体，如可选自水基流体、油基流体、酸基流体、醇基流体、泡沫基流体和油水乳状液流体中的一种；

具体地，

所述粘性流体可选自交联植物胶冻胶、交联合成聚合物冻胶、蠕虫状胶束表面活性剂溶液、滑溜水中的一种；

所述的交联植物胶冻胶、交联合成聚合物冻胶、蠕虫状胶束表面活性剂溶液，在地层温度下，170s^-1剪切速率下2小时后黏度大于50mPa.s；

所述的滑溜水，在地层温度下，170s^-1剪切速率下2小时后黏度约为15mPa.s。

其中所述的固体支撑剂包括但不限于石英砂、人造陶粒、树脂包层砂和它们的混合物。

其中所述的地层，包括地下砂岩地层、碳酸盐地层、火成岩地层、泥页岩地层中的至少一种。

为了更好满足微生物生长和代谢需求，所述地层应满足如下条件：温度≤80℃；压力≤80MPa，优选压力≤20MPa；矿化度≤100000mg/L，优选矿化度≤4000mg/L，渗透率＞10mDa。

本发明的方法，可与压裂过程同步使用或在压裂过程结束后使用，分别介绍如下：

与压裂过程同步使用本方法时，具体步骤包括：

1）配制粘性流体，将所述微生物悬液按相对于粘性流体的0.1%~20%的体积比例注入粘性流体中，搅拌均匀；其中，所述微生物悬液相对于粘性流体的体积比例优选1%~10%，更优选1%~6%；

2）将加入了微生物悬液的粘性流体通过高压泵车组向地层内挤注，压开地层并延伸裂缝；

3）停止泵送，等待裂缝在地层压力作用下闭合，并使微生物随粘性流体进入地层空间内。

在压裂过程结束后使用本方法时，具体步骤包括：

1）配制粘性流体，通过高压泵车组向地层内挤注粘性流体，压开地层并延伸裂缝；

2）携带固体支撑剂的粘性流体进入裂缝，以固体支撑剂将裂缝支撑起来，从而在地层中形成支撑裂缝，从而建立微生物渗流通道；

3）将所述微生物悬液按相对于粘性流体的0.1%~20%的体积比例注入粘性流体中，搅拌均匀，用地面泵送设备泵送该加有微生物悬液的粘性流体通过支撑裂缝进入地层空间内。其中，所述微生物悬液相对于粘性流体的体积比例优选1%~10%，更优选1%~6%。

在具体施工中，可根据实际施工情况，灵活选择是与压裂过程同步使用或是在压裂过程结束后使用，例如：

对于压裂油气井（采出液体），由于微生物无法通过后续注入手段进入地层，则适用于压裂同步输送技术，即在压裂的同时向地层中输送微生物，不仅可起到辅助破胶，降低压裂残渣的目的，还可以对人造裂缝中的重质油相造成的地层伤害起到一定的缓解和修复作用，维持地层长期导流能力。

而对于实施压裂施工的注水井，由于后续生产中仍会进行注水作业，因此适用于采用压裂后输送的技术。

本发明主要是依靠现有水力压裂技术的方法向地层深部高效的输送微生物菌体，由于水力压裂中的高压作用，要求微生物菌剂必须有较好的抗压性能，因此主要选用芽孢作为菌剂形式；在裂缝体形成后，主要依靠高渗支撑剂填充层输送微生物菌剂，可选用营养体细胞、饥饿期细胞、芽孢等作为微生物菌剂的主要形式，从而在多孔介质中获得较高运移能力的，直达地层深部。

本发明致力于提高向地层深部输送微生物的效率。通过对微生物菌体进行适当的预处理，使其更有利于在多孔介质中的运移，而且使微生物的抗压性、运移能力更好，成活率更高。

本发明的方法通过粘性流体和固体支撑剂（或仅通过粘性流体）形成水力压裂裂缝，克服微生物只能沿多孔介质空间缓慢运移进入地层的不足，并通过流体携带的方式，实现了在裂缝前缘直接输送微生物菌剂的方式；而且，在具体施工中，施工方式更灵活，可以与压裂同时进行，或是在压裂后再将微生物注入裂缝；本发明适用的油田可是低渗油藏，也可以是常规油藏。并且对于常规油藏，压裂辅助技术同样可以较大幅度的提高微生物运移和输送的效率。使得在地层中输送微生物菌剂的深度和广度进一步提高，而且应用范围更广。

全球能源日趋短缺，如何大规模开发非常规油气藏成为能源行业关注的焦点，而在开采过程中，新技术及新工艺的创新问题日显突出。技术是能源资源开发的核心，不仅要重视提高油气采收率的技术，更要关注油气储层的改造技术。压裂技术在低渗透油气藏、煤层气、页岩气等领域有着无法替代的应用，因而，研发高效的压裂配套技术工艺，改善压裂施工效果，在非常规能源开发活动中有着广阔的应用前景。本发明作为压裂工艺配套技术，用于储层改造施工中，可以实现更高效地输送微生物的目的，从而有利于更好地发挥微生物在处理如压裂作业污染、解除原油重质组分污染等造成的裂缝体导流能力伤害等地层深部作业的作用。进一步地，本发明的提出有利于保障地层深部运用微生物进行相关工程技术作业，如微生物采油，环境污染物的原位生物修复和沉积有机物生物气化等技术的发展，尤其是有利于微生物改善压裂井产能、提高原油采收率等领域的运用，适于推广应用。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例1

芽孢液的制备：选用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis ATCC21332）和莫哈维芽孢杆菌（Bacillus mohjavens ATCC39037），分别按照Lin,S.C.,Minton,M.A.,Sharma,M.M.,Georgiou,G.1994.Structural and immunological characterization ofa biosurfactant produced by Bacillus licheniformis JF-2.Appl Environ Microbiol,60(1),31-8.和Sun,H.,Bie,X.,Lu,F.,Lu,Y.,Wu,Y.,Lu,Z.2009.Enhancement ofsurfactin production of Bacillus subtilis fmbR by replacement of the native promoterwith the Pspac promoter.Can J Microbiol,55(8),1003-6.中的方法培养营养体细胞，将制备的营养体细胞静置3天~10天，使芽孢形成率分别达到95%和98%，置于30℃~100℃水浴中1min~100min杀灭残余营养体细胞，待冷至室温后，以无菌水制备为1.0×10⁹CFU/mL浓度的芽孢悬液。

实施例2

饥饿期细胞悬浮液的制备：按照实施例1中培养营养体细胞的方法分别制备枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis ATCC21332）和莫哈维芽孢杆菌（Bacillus mohjavensATCC39037）的营养体细胞培养液。离心收集菌体以无菌水重悬浮，静置不同天数使悬液中的细胞进入饥饿期，制备1.0×10⁸CFU/mL浓度的饥饿期细胞悬液，利用光学显微镜观察镜下饥饿期菌体形态与正常营养体细胞菌体比较，实验结果见表1。

表1营养体细胞与饥饿期细胞菌体形态比较

由表1可见，由于营养缺乏，饥饿期的微生物菌体形态会发生显著变化，细胞内溶物减少，饥饿期细胞较营养体细胞菌体体积小。

实施例3

微生物的抗压性能实验：取按照实施例1、2中的方法分别制备的枯草芽胞杆菌（Bacillus subtilis ATCC21332）和莫哈维芽孢杆菌（Bacillus mohjavens ATCC39037）的营养体细胞悬液、饥饿期细胞悬液和芽孢悬液，分别配制成

1.0×10⁷CFU/mL菌体浓度的悬液。将这三种悬液分别置于中间容器中，分别加压至60MPa和80MPa处理10h，处理后取出，采用频度稀释法（Most probable number,MPN）检测活菌体浓度，实验结果见表2。

表2三种细胞形态下的菌体抗压性能比较结果

由表可见，随着处理压力的增加，活菌体浓度有减少的趋势，说明压力能够一定程度破坏细胞结构，杀灭菌体。通过比较发现：芽孢对压力有较强的抵抗能力，处理后芽孢萌发，因而活菌体浓度较大，相对而言，压力对于营养体细胞和饥饿期细胞有较大的破坏作用。

实施例4

微生物运移能力实验：取按照实施例1、2中的方法分别制备枯草芽胞杆菌（Bacillus subtilis ATCC21332）和莫哈维芽孢杆菌（Bacillus mohjavens ATCC39037）的营养体细胞悬液、饥饿期细胞悬液和芽孢悬液，分别配制为含1.0×10⁷CFU/mL菌体浓度的悬液。将这三种悬液分别按照LongKuan Jang，Philip WChang，John EFindley，The Fu Yen，Selection of bacteria with favourable transportproperties through porous rock for the application of microbial enhanced oil recovery,Applied and Environmental Microbiology,1983，46(5):1066-1072.的方法研究其在多孔介质中的运移能力（吸附情况），结果见下表：

表3三种细胞形态下的菌体的运移能力比较结果

由表3可见，营养体细胞在多孔介质的吸附浓度均高于饥饿期细胞和芽孢，由于微生物本身的菌体尺寸越大，越容易在多孔介质中造成吸附和滞留，从而降低了其在多孔介质中的运移能力，饥饿期细胞和芽孢由于其体积较营养体细胞小，因而在多孔介质中有着更强的运移能力。

实施例5

矿场实验：

按照实施例1的步骤制备枯草芽胞杆菌（Bacillus subtilis ATCC21332）和莫哈维芽孢杆菌（Bacillus mohjavens ATCC39037）的菌体总浓度为2.0×10⁹CFU/mL菌体浓度的芽孢悬液。

在松辽盆地梨树断陷蔡家屯圈闭某井施工中（该井施工井段1425.9~1447.8米，地层温度76℃，地层压力8.87MPa，矿化度3709.33mg/L），配制硼交联羟丙基瓜儿胶冻胶压裂液，将所述芽孢悬液以体积比计为所述冻胶压裂液体积的2.0%的量添加至冻胶压裂液后进行压裂施工，压裂结束后，裂缝在地层压力作用下闭合，并开始进行油井排液求产作业。在排液后24h，48h，72h，96h，120h分别取得返排液进行细菌浓度检测（细菌瓶法，Most probable number，MPN法），测得产芽孢细菌浓度分别为9.5×10⁷CFU/mL、1.7×10⁸CFU/mL、1.1×10⁸CFU/mL、1.4×10⁸CFU/mL、1.4×10⁸CFU/mL。矿场实验表明：通过制备芽孢悬液的进行水力压裂同步微生物输送，可以有效将微生物输送进入地层深部，同时被输送的微生物以地层中的残余胍胶、破胶残渣以及石油烃类等物质作为底物进行生长代谢，使得48h~120h后返排液中监测到的细菌浓度均大于排液后最初24h后的浓度。

实施例6

矿场实验：

按照实施例1的步骤制备赤红球菌（Rhodococcu sruberDSM43338）的菌体浓度为5.0×10⁸CFU/mL的营养体细胞悬液。松辽盆地七棵树油田（地层温度64~73℃，地层压力15.8MPa，矿化度3083.21mg/L）十屋区块某注水井由于地层渗透率低，注水压力过大，且临井受效不显著，临近油井井底能量无法有效补充，因此对该注水井采取压裂增注作业，共注入前置液50方，交联羟丙基瓜儿胶携砂液70方，共加砂13方，平均砂比18.6%。将所述营养体细胞悬液以处理后的油田回注污水体积的5.0%的量添加至处理后的油田回注污水中制成微生物解堵段塞200方，施工后向注水井中注入。

该注水井进行压裂施工后注水压力明显降低，且临近油井受效响应，通过周期性取样对其采出液监测，在注入微生物2~3个月后检测到采出液中含有浓度约为1×10⁴~1×10⁵CFU/mL的赤红球菌，同时，采出液表面张力由施工前的65.42mN/m降低至施工后的34.88mN/m，说明输入的微生物在油藏中成功生长和代谢，且在代谢过程中生成了一定的生物表面活性物质，并且微生物菌体在井间沿注水方向发生运移，压裂施工作业有效提高了微生物在低渗油藏中的运移能力。

Claims (10)

1.一种向地层中输送微生物的方法，所述方法通过水力压裂技术用粘性流体携带微生物进入地层，其特征在于：

所述微生物的存在形式为微生物悬液，选自营养体细胞悬液、饥饿期细胞悬液、芽孢悬液中的至少一种；

所述微生物悬液的使用量为所述粘性流体使用量体积的0.1％~20％。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述微生物悬液的使用量为所述粘性流体使用量体积的1.0％~10.0％。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述营养体细胞悬液是指将经发酵制备的微生物菌液，再经离心，收集菌体，再用溶剂分散并配制为营养体细胞浓度为1.0×10⁷~1.0×10¹⁰CFU/ml的细胞悬液；

其中，所述营养体细胞悬液中所用的微生物选自芽孢杆菌（Bacillus）或红球菌（Rhodococcus）中的至少一种。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述饥饿期细胞悬液是指将经发酵制备的微生物菌液，再经离心，收集菌体，以无菌水重悬浮，静置3~10天使悬液中的细胞进入饥饿期，用溶剂配制为饥饿期细胞浓度为1.0×10⁷~1.0×10¹⁰CFU/ml的细胞悬液；

其中，所述饥饿期细胞悬液中所用的微生物选自芽孢杆菌（Bacillus）、地芽孢杆菌（Geobacillus）中的至少一种。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述芽孢悬液是将经发酵制备的微生物菌液静置3~10天使芽孢形成率达到95%以上后，再置于30~100℃水浴中1~100min杀灭残余营养体细胞，待冷至室温后，用溶剂配制为芽孢浓度为1.0×10⁶~1.0×10¹²CFU/ml的悬液；

其中，所述芽孢悬液中所用的微生物选自芽孢杆菌（Bacillus）、梭状芽孢杆菌（Clostridium）中的至少一种。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述营养体细胞悬液中所用的微生物选自枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），莫哈维芽孢杆菌（Bacillus mohjavens）和赤红球菌（Rhodococc ruber）中的至少一种；

所述饥饿期细胞悬液中所用的微生物选自枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和莫哈维芽孢杆菌（Bacillus mohjavens）中的至少一种；

所述芽孢悬液中所用的微生物选自枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和莫哈维芽孢杆菌（Bacillus mohjavens）中的至少一种。

7.如权利要求3~5之一所述的方法，其特征在于：

所述的溶剂选自无菌水、自来水、油田回注污水中的至少一种。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述粘性流体选自交联植物胶冻胶、交联合成聚合物冻胶、蠕虫状胶束表面活性剂溶液、滑溜水中的一种。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法可与压裂过程同步使用，具体步骤包括：

1）配制粘性流体，将所述微生物悬液按相对于粘性流体的0.1%~20%的体积比例注入粘性流体中，搅拌均匀；

2）将加入了微生物悬液的粘性流体通过高压泵车组向地层内挤注，压开地层并延伸裂缝；

3）停止泵送，等待裂缝在地层压力作用下闭合，并使微生物随粘性流体进入地层空间内。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：可在压裂过程结束后使用所述方法，具体步骤包括：

1）配制粘性流体，通过高压泵车组向地层内挤注粘性流体，压开地层并延伸裂缝；

2）携带固体支撑剂的粘性流体进入裂缝，以固体支撑剂将裂缝支撑起来，从而在地层中形成支撑裂缝，从而建立微生物渗流通道；

3）将所述微生物悬液按相对于粘性流体的0.1%~20%的体积比例注入粘性流体中，搅拌均匀，用地面泵送设备泵送该加有微生物悬液的粘性流体通过支撑裂缝进入地层空间内。