CN109403933A - 一种利用气体同位素对激活内源微生物驱油的监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对激活内源微生物驱油的监测方法，确定了在使用激活剂激活微生物驱油中，以混采气中的CH4含量、CO2含量、CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量为指标监视激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化及激活剂的作用有效期。本发明直接、及时、准确识别并判定激活剂在地下油层中的代谢过程和周期，能指导激活剂注入方案进而推进内源微生物驱油。

Description

一种利用气体同位素对激活内源微生物驱油的监测方法
技术领域
本发明属于石油开采领域，涉及三次采油技术领域，具体涉及利用激活剂激活内源微生物驱油中以气体同位素等指标对激活进程和内源微生物驱油进行监测的方法。
背景技术
油田经过多年注水开发后，在油藏内部形成了相对稳定的微生物群落体系(indigenous microorganisms)。然而由于地层中营养条件的限制，油藏中内源微生物的种类和数量可能并不多。如果提供适当的营养，可激活这些内源微生物，并在油藏中大量繁殖。内源微生物驱油技术就是通过注入激活剂，激活油藏内部的有益微生物(烃氧化菌、硝酸盐还原菌、发酵细菌和产甲烷古菌)，使其在油藏中产生代谢作用和代谢产物，并与原油/岩石/水相互作用，从而提高水驱效率，达到提高油藏最终采收率目的。
目前，针对各类水驱和/或聚合物驱后的水驱油藏采用的激活内源微生物驱油的监测和分析方法主要有以下一些具体应用实例。
中国专利申请号201010156355.1涉及一种采油用微生物群落调控方法。首先，对目标油藏现场取样、检测和分析，检测指标包括：微生物群落结构、主要代谢产物、可用有机营养和必需无机离子，其中微生物群落结构包括：总菌数、好氧菌总数、烃类氧化菌、硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌、产甲烷菌；主要代谢产物包括小分子有机酸、硫化物；可用有机营养和必需无机离子包括小分子脂肪酸、总氮、总磷和微量元素；其次，根据检测分析结果判断油藏微生物群落结构及营养缺失情况，确定初步的调控方式，利用微生物驱油物理模拟实验进一步优化初步调控方案，并确定最终调控方案下的物模实验提高采收率程度；最后，按照确定后的调控方案，进行现场实施，并继续开展实施过程中的现场取样、分析，随时根据现场出现的问题和情况决定是否需要进一步调控，若需要调整调控方案，则重复以上步骤设计下一步调控实施方案；以上首尾相接的几个步骤，整体上形成了一套循环式的微生物驱油现场实施调控方法。实施之前的调控目标主要针对原始油藏微生物群落结构及营养的缺失情况，实施后则主要针对前期调控方案是否达到预期的实施效果。
中国专利申请号201010552732.3涉及一种用于微生物驱的油藏产出液取样方法及装置。其技术方案是包括以下步骤：(1)油藏温度压力测试和控制；(2)取样装置厌氧处理；(3)油气水高压高温分离；(4)油气水厌氧和高压取样；(5)油气水样在线氧化还原电位、微生物群落结构、矿化度、pH值，原油粘度、族组分，气体组成和组分测试；(6)油气水测试结果处理和远传。解决了高温高压厌氧条件下油气水混合物取样的难题,保证了微生物驱油藏采出液参数测试准确性和可靠性，微生物群落结构准确性提高30％以上,氧化还原电位准确性提高40％以上。
中国专利申请号200810105908.3涉及一种确定油藏微生物耗氧量和耗氧速率的方法；(1)将含有0.5～5％营养组分的油井采出水或注入水通过驱替泵注入培养容器；(2)向培养容器补充氧气或空气,气量体积为水样体积1～5倍；(3)模拟油藏温度 45～80℃和压力10～20MPA培养5-30天；(4)培养结束后,取水样进行菌群密度计数分析和群落结构分析；(5)取气样进行气相色谱分析，结合菌群计数分析结果，推算氧气的消耗量，进而推算出需要向油藏注入的空气总量，为营养体系优化、本源微生物驱油效果评价及现场注入方案设计提供理论依据。
中国专利申请号201511021599.8提供了一种检测微生物驱油过程中微生物代谢气体的装置和方法，利用拉曼光谱仪检测微生物驱油过程中微生物代谢气体的拉曼位移来确定所代谢的气体种类及含量，解决了现有技术中无法原位有效检测微生物代谢气体的问题，达到了定性以及定量检测微生物代谢气体的目的。
中国专利申请号201510629070.8公开了一种微生物驱油现场试验效果的评价方法，涉及驱油功能菌浓度的测定，根据驱油功能菌浓度等相关参数来判断微生物驱油现场试验效果。
中国专利申请号201210398347.7涉及一种微生物驱油藏内源产脂肽类表面活性剂微生物的定量方法，使用脂肽合成酶特异引物在优化的反应条件下检测油藏产脂肽类表面活性剂微生物时，具有更高的稳定性和灵敏性。
从现有的已实施的内源微生物驱油实例中可以看出，各种监测微生物驱油的分析项目、参数及指标的方法，在如何有针对性、有目的、且能快速准确地反映微生物驱油过程的变化，并且达到指导、调控现场实施的效果上，仍还存在许多不足之处及较大的差距。各种现场已实施的监测项目、参数及指标要么过多，要么单一。其中针对内源微生物驱油的分析内容不仅繁多，仪器操作复杂、检测周期长、工作量大，而且大量检测数据结果的特点和规律性不突出，含义不明确，导向性不强，缺乏综合的科学识别和判断，难以及时、简便、快速、准确的指导现场实施过程遇到的各种多变复杂问题，因而延误试验的方案优化及效果评价。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种利用气体同位素对激活内源微生物驱油的监测方法。
本发明对激活内源微生物驱油的监测方法，是在水驱、聚合物驱后的水驱油藏中依次交替注入激活剂溶液和作为保护激活剂的聚合物段塞溶液后，从与注入井联通的生产井的套管中采集气样，定期监测生产井注激活剂后气样中的CH4含量、CO2含量、CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量并分析含量变化，得到激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化，并将检测到的CH4和CO2含量及各自δ13C(PDB)碳同位素含量与激活剂注入前油藏伴生气的对应含量比较，以此确定激活剂的作用有效期。
所述的监测方法中，监测激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与作用有效期的指标为以下中任一项或两项及两项以上的组合：
CH4的含量变化；
CO2的含量变化；
CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化；和
CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化。
所述的监测方法中，以CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化和/或CO2的δ13C(PDB) 碳同位素含量变化作为监测激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与作用有效期的指标。
所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化分为有氧阶段和厌氧阶段，以CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量由大变小变化至含量在油藏伴生气空白基值附近的最小值作为有氧阶段的指标，以混采气的CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量再由小变大变化回归至含量在油藏伴生气空白基值(最重值)附近的最大值作为厌氧阶段的指标； CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量与油藏伴生气空白基值的偏离范围一般不超过5‰，但含量值小于空白基值表明激活剂产生物气的效果更好。
以CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化在经历一个完整的由初始时的最大值(空白基值，最重值)变化到最小值(最轻值)，然后再回归到初始时的空白基值(最重值) 附近过程后，将回归到初始的空白基值的时间作为所述激活剂在地下油层中作用有效期的指示即激活剂消耗殆尽的时间。
所述的监测方法中，所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化分为有氧阶段和厌氧阶段，以CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量由大变小变化至含量在油藏伴生气初始时空白基值附近的最小值作为有氧阶段的指标，以混采气的CO2的δ13C(PDB) 碳同位素含量再由小变大回归至含量在油藏伴生气空白基值(最重值)附近的最大值作为厌氧阶段的指标。
以CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化在经历一个完整的由初始时的空白基值 (最大值、最重值)下降到最小值(最轻值)，然后再回归到初始时的空白基值(最重值)附近过程后，将回归到初始空白值的时间作为所述激活剂在地下油层中作用有效期的指示即激活剂消耗殆尽的时间。
所述的监测方法中，以CH4的含量变化和/或CO2的含量变化作为监测激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与作用有效期的指标。
所述的监测方法中，所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化分为有氧阶段和厌氧阶段，以CH4的含量由大向小变化至在油藏伴生气初始时空白基值附近的最小值作为有氧阶段的指标，以CH4的含量由小向大变化至在油藏伴生气初始时空白基值附近的最大值作为厌氧阶段的指标；CH4的含量值大于空白基值表明激活剂产生物气的效果更好。
以CH4的含量变化在经历一个完整的先由初始时的空白基值(最大值)下降到最小值，然后上升到最大值到再下降回归到初始空白基值附近的时间作为所述激活剂在地下油层中作用有效期的指示即激活剂消耗殆尽的时间。
所述的监测方法中，所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化分为有氧阶段和厌氧阶段，以CO2的含量由小向大变化至含量在油藏伴生气初始时空白基值附近的最大值(浓度最高值)作为有氧阶段的指标，以CO2的含量由大向小变化至含量在油藏伴生气初始时空白基值附近的最小值(浓度最低值)作为厌氧阶段的指标。
以CO2的含量变化在经历一个完整的先由初始时的最小值(空白基值)，然后上升到最大值到再下降回归到初始最小空白基值附近的时间作为所述激活剂在地下油层中作用有效期的指示即激活剂消耗殆尽的时间。
所述的监测方法中，所述指标为CH4的含量变化与CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化的组合，两项指标均呈现对应的一致性，CH4的含量最小值时，对应的CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量值最小(最轻)，反之亦然，各指标的变化含义与权利要求3至12所述相同；在经历一个完整的先由初始时的空白基值下降到最小值，然后上升到最大值到再下降回归到初始空白基值附近时，指示所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与在地下油层中作用有效期。
或，所述指标为CH4的含量变化、CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化与CO2的含量变化的组合，三项指标其中CH4的含量变化呈现增加，同时CH4的δ13C(PDB) 碳同位素含量指标呈现由最小(最轻)向最大(最重)的变化，而CO2的含量变化呈现减少，指示所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与在地下油层中作用有效期；各指标的变化含义与前述相同。
或，所述指标为CH4的含量变化、CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化与CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化的组合，三项指标其中CH4的含量变化呈现增加，同时CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量指标呈现由最小(最轻)向最大(最重)的变化， CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量指标呈现由最小(最轻)向最大(最重)的变化，指示所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与在地下油层中作用有效期；各指标的变化含义与前述相同。
本发明的监测方法是在水驱、聚合物驱后的水驱油藏中依次交替注入由地层水配制的浓度为0.5％～1.8％(wt)的激活剂溶液和作为保护激活剂的聚合物段塞溶液后，分别从与注入井联通的生产井及周围观察井的套管中采集气样，检测并定期监测各生产井(注激活剂前油藏伴生气的空白样和注激活剂后混采的)气样中的CH4和CO2含量变化及其δ13C(PDB)碳同位素含量变化，确定激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与作用有效期，用以评价驱油效果，指导驱油方案设计。
生产井套管中采集的所述气样是由油藏伴生气和生物气组成的混采气。
所述的激活剂溶液注入浓度为0.5wt％-1.8wt％，用量大于0.025PV与聚合物保护剂溶液一起连续交替注入水驱、聚合物驱后的水驱油藏中，激活后油藏内源微生物所生成的生物气经套管采集气样，定期监测各生产井中CH4和CO2的δ13C(PDB) 碳同位素含量，其含量值变化的特点分别在-54.5‰～-45.2‰和6.4‰～13.3‰之间波动，与油藏伴生气的空白基值偏离在5‰之内(不超过5％)；而CH4和CO2含量的变化范围分别在83.8％～94.7％和1.5％～8.5％之间波动，与油藏伴生气的空白基值偏离在5％之内(不超过5％)。
生产井套管中采集的气样是由油藏伴生气和生物气组成的混采气。其中生物气是因油藏中注入大量的激活剂，激活了油藏内源微生物的代谢活性而生成，气体成分以CH4和CO2为主，因此生物气中CH4和CO2的变化能指示油藏内源微生物的代谢过程，由此表明激活剂的消耗过程。生物气的产生不仅影响套管中正常采集油藏伴生气的CH4和CO2含量变化，而且生物气中CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量特征与油藏伴生气CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量特征对比有明显差异。其中生物气CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量比油藏伴生气CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量低一个数量级，并且生物气CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量值为负值，而油藏伴生气CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量值为正值。为此，可利用混采气样中CH4和CO2的含量变化及其δ13C(PDB)碳同位素的含量变化监测激活剂在地下油层中被消耗利用过程。
所述的激活剂溶液注入到地下油层后，混采气中CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化呈现正相关增减(所述正相关是指CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量值由大变小与CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量值由大变小的趋势对应一致)，与激活剂在油层内被消耗利用的两个阶段过程相对应，并保持一致。其中前一阶段是激活剂被油藏中好氧微生物消耗掉，产生大量的生物气CO2和分解产生的低分子量有机酸等代谢产物，与此阶段对应的是混采气中CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量以油藏中伴生气中的CH4为主，CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量应为生物气CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量值贡献较多。后一阶段是激活剂被油藏中的厌氧微生物利用，将CO2和分解产生的低分子量有机酸等代谢产物转化为生物气CH4，与此对应的是混采气中CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量应以生物气CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量值贡献较多， CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量为伴生气的δ13C(PDB)碳同位素含量。当注入的激活剂溶液在油层中被消耗殆尽时，混采气中CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量又重新回归到试验前的空白基值(对没有注激活剂溶液之前的生产井所采集的油藏伴生气，测得的结果为空白基值，也称初始值)附近，而CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量比初始值明显偏重，标志着一个激活剂注入周期的结束。
所述的激活剂溶液注入到地下油层后，混采气中CO2和CH4之间的含量变化存在交替增减，与每轮激活剂注入的次序对应并保持一致。注入的激活剂被消耗的过程分为两个阶段，前一阶段是激活剂被油藏中好氧微生物消耗掉，产生大量的生物气CO2和分解产生的低分子量有机酸等代谢产物，与此对应的是混采气中CH4含量的浓度值最低，CO2含量的浓度值最高，标志有氧代谢结束，厌氧代谢开始进入启动。后一阶段油藏中的厌氧微生物将进入油层深部后的有氧代谢产物CO2气体和低分子量有机酸等代谢产物转化为生物气CH4的过程，对应的是混采气中CH4含量的浓度值最高，CO2含量的浓度值最低，厌氧代谢进入旺盛期。当注入的激活剂溶液在油层中被消耗殆尽时，混采气中CH4和CO2的含量又重新回归到试验前的初始空白基值(即对没有注激活剂溶液之前的生产井所采集的油藏伴生气，测得的结果即为初始空白基值)附近，标志着一个激活剂注入周期的完成。
所述的混采气中CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化是由油藏微生物在激活过程中选择降解激活剂中有机物和地下原油途径不同步产生的差异，致使各产油井混采气中CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化异常。其中生物气中的CH4一部分是经激活剂中有机物分解产生的乙酸，乙酸经甲烷菌的还原作用转化为甲烷，另一部分是由降解原油产生的CO2+H2经甲烷菌的还原作用转化为甲烷，形成混合的生物气。而油藏伴生气中的CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化较小，同一区块相邻生产井(观察井，与注入井地下开采油层连通或部分连通，但距离较远) 的δ13C(PDB)碳同位素含量相差不大，但需排除掉一些生产措施，如停井、油水井转注或周期注水引起的干扰波动。
参照以上所述的定期监测各生产井注激活剂前后气样中的CH4和CO2含量变化及其δ13C(PDB)碳同位素含量变化的方法，可以确定激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与作用有效期，评价驱油效果(区分生物气和油藏伴生气)，并为油藏生物反应器的优化设计及运行参数调控(如确定注入激活剂的浓度、速度、时机和周期)提供试验依据，进而指导驱油方案设计。
采用以上方案，本发明的有益效果体现在：1、通过监测CH4和CO2含量变化及其δ13C(PDB)碳同位素含量变化，较其他各种监测方法(如，对微生物菌群结构与分布数量变化的分析、对原油物性变化的分析、对采出液物性变化等诸多参数和指标的分析)来表征微生物驱油过程的变化特点及驱油效果的评价，操作上更加及时、方便快捷，获得分析数据的结果指导性更强；2、能及时准确识别并判定激活剂在地下油层中通过不同类型的产气菌(好氧微生物或厌氧微生物)利用消耗所完成的生化反应及代谢过程；3、可根据监测结果，及时调控激活工艺的运行参数，如激活剂的注入浓度、速度、时机和周期等，为进一步优化激活方案设计提供试验数据和理论指导。
附图说明
图1为试验井与观察井井位图；
图2为CH4含量的动态变化曲线图；
图3为CO2含量的动态变化曲线图；
图4为CH4δ13C(PDB)同位素含量变化曲线图；
图5为CO2δ13C(PDB)同位素含量变化曲线图。
具体实施方式
本发明是针对水驱、聚合物驱后的水驱油藏中注入激活剂对内源微生物进行激活驱油，利用CH4和CO2含量变化以及气体同位素含量变化对激活内源微生物驱油的监测方法。
本发明的设计思路是：在水驱、聚合物驱后的水驱油藏中依次交替注入由地层水配制的激活剂溶液和作为保护激活剂的聚合物溶液后，分别从与注入井联通的生产井的套管中采集气样，定期监测各生产井注激活剂前后气样中的CH4和CO2含量及分析含量变化、定期监测CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量及分析含量变化，剖析激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与作用有效期，以CH4和CO2含量变化以及气体同位素含量变化作为监测激活剂注入周期完成的指标，以此评价微生物驱油效果，指导驱油方案设计。
发明人分析得知：生产井套管中采集的气样是由油藏伴生气和生物气组成的混采气。其中生物气是因油藏中注入大量的激活剂，激活了油藏内源微生物的代谢活性而生成，气体成分以CH4和CO2为主，因此生物气中CH4和CO2的变化能指示油藏内源微生物的代谢过程，由此表明激活剂的消耗过程。进一步研究分析表明：生物气的产生不仅影响套管中正常采集油藏伴生气的CH4和CO2含量变化，而且生物气中CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量特征与油藏伴生气CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量特征对比有明显差异，其中生物气CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量比油藏伴生气CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量要低，并且生物气CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化值为负值，而油藏伴生气CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化值为正值，为此混采气样中CH4和CO2的含量变化及其δ13C(PDB)碳同位素的含量变化可用来监测激活剂在地下油层中被消耗利用过程。
以下以具体实例详述本发明。
一、试验区与激活工艺概况
本实例试验区位于萨南开发区南二区东部4号注入站，由1注4采井组构成，见图1(注图中的“南”在文中用“N”表示，“丁”在文中用“D”表示)。该区块已聚驱结束，试验前后续水驱6年半，综合含水率96.1％，采出程度达61.89％，剩余油主要集中在葡Ⅰ3和葡Ⅰ4油层，为典型的“双高”(特高含水和特高采出程度) 开采阶段。试验区注采井距250m，平均有效厚度9.2m，地质储量15.9×104t，孔隙体积27.26×104m3，平均有效渗透率414×10-3μm2，油层温度44.6℃，原始油气比 45.3m3/t，采出井N2-2-P141中天然气(油藏伴生气)中初始的空白基值CH4含量 85.6％，CO2含量0.78％等。
根据试验区激活工艺方案设计，第一轮施工时间为2011年8月5日-2012年4 月30日，期间共注激活剂溶液5588m3，激活剂浓度1.34wt％，注入速度120-130m3/d/ 井，并与浓度为2000mg/L的聚合物共2418m3溶液连续交替注入(聚合物1-激活剂 1-聚合物2-激活剂2)，其中聚合物具有一定的浅调作用，并使激活剂与注入水隔离，保证激活剂在油层流动过程中的浓度，以充分发挥激活作用；现场累计激活剂溶液和聚合物注入量为8006m3，分段塞量为0.0293PV。
第二轮施工时间为2012年12月23日-2013年4月26日，期间共注激活剂溶液10023m3，激活剂浓度1.34wt％，注入速度为120-130m3/d/井，并与浓度为2000mg/l 聚合物共3390m3溶液连续交替注入(聚合物1-激活剂1-聚合物2-激活剂2-聚合物3)；激活剂溶液和聚合物累计注入量为13413m3，分段塞量为0.0492PV。
试验所用激活剂溶液为：含有(按质量百分含量，wt％)：0.5～1.5％玉米浆干粉，0～0.5％硝酸钠，0～0.3％磷酸氢二铵和0～0.1％酵母粉，其余为水；其中碳源：氮源：磷源的配比为(0.5～1.5％)：(0～0.5％)：(0～0.3％)。聚合物为聚丙烯酰胺。
二、激活前生物气与油藏伴生气的δ13C(PDB)碳同位素含量的空白基值
用试验区的地层水现场配制1.34wt％的激活剂溶液，分别加入到500ml的不锈钢容器中静置培养60天以上，结束时收集气体(地层水中微生物消耗激活剂产生的生物气)，检测CO2和CH4的δ13C(PDB)碳同位素浓度，分析生物气中CO2和CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量，记录于表1中。
试验开始前(激活剂注入前)对试验区的油藏伴生气(从生产井现场采集)中 CO2、CH4的含量和CO2和CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量进行分析，结果记录于表 1中，作为油藏伴生气中CO2和CH4及其δ13C(PDB)碳同位素含量空白基值。
表1：生物气与油藏伴生气的δ13C(PDB)碳同位素含量差异
从激活剂产生的生物气和油藏伴生气的CO2和CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量分析结果来看，生物气CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量值比油藏伴生气CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量值要小，油藏伴生气CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量在 -40‰～-50‰之间(高于-50‰)，而生物气CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量在 -50‰～-60‰之间(低于-50‰)，两者能够区分出来。另外，生物气CO2的δ13C(PDB) 碳同位素含量值为负值，而油藏伴生气CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量值为正值，两者也能明显区分。碳同位素含量比较分析表明不同成因的CO2和CH4气体的δ13C(PDB)碳同位素含量特征具有实质性的差别，因此，结合这些特征差异可区别和判断生物气与油藏伴生气的来源和作用。
三、现场监测混采气中CO2和CH4的含量
结合试验区激活工艺方案设计(参见第一部分)进程，从4口采出井(编号： N2-D2-P141、N2-D2-P140、N2-D2-P40和N2-D3-P40)中连续(初期以每个月30天为间隔，后期以两个月60天为间隔)采集气体样品(混采气)进行CO2和CH4的浓度检测，并分析CO2和CH4在混采气中含量变化。
现场监测到聚合物驱后油藏中内源微生物激活后产生的大量生物气。混采气中CO2和CH4之间的含量变化存在交替增减，与每轮激活剂注入的次序对应并保持一致。结合图2和图3所示，注入的激活剂被消耗的过程分为两个阶段，前一阶段是激活剂被油藏中好氧微生物消耗掉，产生大量的生物气CO2和分解产生的低分子量有机酸等代谢产物，与此对应的是混采气中CH4含量的浓度值最低，例如图2所示的生产井N2-D2-P40分别在第一轮激活剂注入后的2012年6月处(对应第一轮激活剂1)和2012年12月处(对应第一轮激活剂2)，第二轮激活剂注入后的2013年6 月(对应第二轮激活剂1)和2014年6月处(对应第二轮激活剂2)，而对应的CO2含量的浓度值最高，例如图3所示的生产井N2-D2-P40分别在第一轮激活剂注入后的2012年6月处(对应第一轮激活剂1)和2012年12月处(对应第一轮激活剂2)，第二轮激活剂注入后的2013年6月处(对应第二轮激活剂1)和2014年6月处(对应第二轮激活剂2)，标志有氧代谢结束，厌氧代谢开始进入启动。后一阶段油藏中的厌氧微生物将进入油层深部后的有氧代谢产物CO2气体和低分子量有机酸等代谢产物转化为生物气CH4的过程，对应的是混采气中CH4含量的浓度值最高，例如图 2所示的生产井N2-D2-P40分别在第一轮激活剂注入后的2012年4月处(对应第一轮激活剂1)和2012年8月处(对应第一轮激活剂2)与第二轮激活剂注入后的2013 年4月(对应第二轮激活剂1)和2013年12月处(对应第二轮激活剂2)，而对应的CO2含量的浓度值最低，例如图3所示的生产井N2-D2-P40分别在第一轮激活剂注入后的2012年4月处和2012年8月处，第二轮激活剂注入后的2013年4月和2013 年12月处，厌氧代谢进入旺盛期。当注入的激活剂溶液在油层中被消耗殆尽时，参见图2和图3的生产井N2-D2-P40分别在第一轮激活剂注入后的2013年2月处和第二轮激活剂注入后的2015年10月处，混采气中CH4和CO2的含量又重新回归到试验前的初始空白基值(参见表1，生产井N2-D2-P40油藏伴生气CH4的含量89.09％， CO2的含量1.21％)附近，因此，可将CH4和/或CO2的含量接近空白基值作为一个激活剂注入周期完成的指标。
从激活剂注入整体过程看，各生产井中CH4含量变化在83.7％～94.7％波动(参见图2)，CO2含量变化在1.1％～8.4％波动(参见图3)，与各对应生产井油藏伴生气的空白基值(参见表1空白基值)偏离范围不高过5％。混采气中CO2和CH4含量变化曲线由首轮激活期间(2011年8月-2013年2月)不同生产井的不同步逐渐转变成第二轮激活期间(2012年12月-2015年10月)各生产井的同步变化(此处中所示的第一轮激活作用的有效期后段与第二轮开始注激活剂时间的前段有部分重合，这是因执行试验方案所规定的施工时间造成的，这可能导致各井中监测的含量数值产生一定的偏差，但变化趋势及规律是不变的)。在两轮激活剂作用期结束后，呈现出 CH4含量变化曲线的尾部明显上翘(参见图2)，而CO2含量变化曲线的尾部出现向下滑落(参见图3)的变化特点，表明处于厌氧生物链的末端，产甲烷菌仍持续不断地将无机或有机化合物厌氧发酵转化成甲烷，只是这一结尾过程在激活剂消耗殆尽的条件下变的缓慢了，逐步回归到试验前的初始状态(空白基值)，标志着激活剂注入一个周期的完成。
四、现场监测混采气中CO2和CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量
除了在现场监测混采气中CO2和CH4的含量，还现场监测混采气中CO2和CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量值及分析其变化。
监测结果反映出，激活剂溶液注入到地下油层后，混采气中CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化呈现正相关的增减。所述正相关增减是指CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量由大变小(由重变轻)时，CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量也由大变小(由重变轻)，表明激活剂被消耗利用的两个阶段中CO2和CH4的δ13C(PDB) 碳同位素含量变化同时增减，与激活剂在油层内被消耗利用的两个阶段过程相对应并保持一致。其中前一阶段是激活剂被油藏中好氧微生物消耗掉，产生大量的生物气CO2和分解产生的低分子量有机酸等代谢产物，与此阶段对应的是混采气中CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量以油藏伴生气中的CH4为主，例如图4所示生产井 N2-D3-P40分别在第一轮激活剂注入后的2012年3月处(如图4所示的A1点)与第二轮激活剂注入后的2013年2月处(如图4所示的A2点)，CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量值在初始的空白基值(如表1所示-47.98‰)附近(均大于-50‰)，之后开始CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量由重变轻(含量数值由大变小)；CO2的δ13C(PDB) 碳同位素含量应为生物气CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量值贡献较多，参见图5，生产井N2-D3-P40分别在第一轮激活剂注入后的2012年5月处(如图5所示的A1点) 与第二轮激活剂注入后的2013年2月处(如图5所示的A2点)，CO2的δ13C(PDB) 碳同位素含量值在初始的空白基值(如表1所示11.78‰)附近，之后开始CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量由重变轻(含量数值由大变小)。后一阶段是激活剂被油藏中的厌氧微生物利用，将CO2和分解产生的低分子量有机酸等代谢产物转化为生物气CH4，与此对应的是混采气中CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量应以生物气CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量值贡献较多，例如图4中生产井N2-D3-P40分别在第一轮激活剂注入后的2012年5月处(如图4所示的B1点)与第二轮激活剂注入后的2013 年6月处(如图4所示的B2点)，CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量值由小变大(CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量由轻变重)，而CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量以油藏伴生气的δ13C(PDB)碳同位素含量值贡献较多，例如图5中生产井N2-D3-P40分别在第一轮激活剂注入后的2012年5月处(如图5所示的B1点)与第二轮激活剂注入后的2013年4月处(如图5所示的B2点)，CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量值由小变大(CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量由轻变重)。当注入的激活剂溶液在油层中被消耗殆尽时，例如图4和图5的生产井N2-D3-P40分别在第一轮激活剂注入后的2013 年2月处(如图4和图5所示的C1点)和第二轮激活剂注入后的2015年10月处(如图4和图5所示的C2点)，混采气中CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量又重新回归到试验前的空白基值附近，而CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量比初始的空白基值明显偏重。因此可将CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量回归到接近油藏伴生气空白基值作为激活剂注入一个周期结束的指标。
从激活剂注入整体过程看，监测到CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化范围在 -54.5‰～-45.2‰之间波动(见图4)，CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化范围在 6.4‰～15.6‰(见图5)，与各生产井油藏伴生气的空白基值(参见表1)偏离范围不超过5‰。
根据现场混采气中CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化的监测结果，能够进一步分析出生物气中的CH4通过两条途径产生，一部分是经激活剂中有机物分解产生的乙酸，乙酸经甲烷菌的还原作用转化为甲烷，而另一部分是由降解原油产生的CO2+H2经甲烷菌的还原作用转化为甲烷。同时也表明油藏微生物在激活过程中选择降解激活剂中有机物和地下原油两种途径不同步产生的差异，其中原油降解生成CH4以还原CO2途径为主，并在生物降解原油过程中，CO2显示出异常重的碳同位素值(CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量数值较空白基值大)，CO2的δ13C值最重可以达到15‰(参见图5的生产井N2-2-P141在2014年8月的监测值，参见图5所示的D点)，各产油井气体同位素δ13C(PDB)含量变化出现波动超前或滞后现象，表明各井中仍有残留的激活剂未被完全消耗掉，此时应继续监测，直至回归到初始的空白基值附近为结束。
当注入的激活剂溶液在油层中被消耗殆尽时(参见图4和图5的生产井 N2-D3-P40分别在第一轮激活剂注入后的2013年2月处(C1点)和第二轮激活剂注入后的2015年10月处(C2点)，混采气中CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量又重新回归到试验前油藏伴生气的空白基值(参见表1)附近，而CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量比注激活剂前油藏伴生气的初始值(即空白基值，参见表1)明显偏重，标志着一个激活剂注入周期的结束。
通过以上试验的研究分析，归纳出本发明对激活内源微生物驱油的监测方法为：在水驱、聚合物驱后的水驱油藏中依次交替注入激活剂溶液和作为保护激活剂的聚合物溶液后，从与注入井联通的生产井的套管中采集气样，定期监测各生产井注激活剂后气样中的CH4和CO2含量并分析含量变化、定期监测CH4和CO2的δ13C(PDB) 碳同位素含量及分析含量变化，得到激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化，并将检测到的CH4和CO2含量及各自δ13C(PDB)碳同位素含量与激活剂注入前油藏伴生气的对应含量比较，以此确定激活剂的作用有效期。
综合而言，监测激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与作用有效期的指标为以下中任一项或两项及两项以上的组合：CH4的含量变化；CO2的含量变化； CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化；和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化。
使用两项或两项以上指标的组合方式如表2：
注：“+”含义为可以组合；“-”含义为“不能组合”。
表2中，所给的两项或两项以上指标的组合方式，在实施应用过程中，可参考以下规则来解读，其中CO2和CH4的含量变化，具有反应灵敏，速度快的特点，可用于判断激活剂在地下油藏运移的时间和所处的位置，结合CO2和CH4的含量值的大小，选择或确定激活剂加入的时机，及时调控激活工艺的运行参数，如激活剂的注入浓度、速度和周期等，为进一步优化激活方案设计提供试验数据和理论指导。
CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化可用于识别区分是油藏伴生气，还是混采气(含有生物气)，并判定激活剂在地下油层中通过不同类型的产气菌(好氧微生物或厌氧微生物)利用消耗所完成的生化反应及代谢过程，确定并掌握激活剂在地下油层中被消耗的过程何时是氧化反应(有氧阶段)、何时是还原反应(厌氧阶段) 的进程，以及作用的周期长短。
具体例举：
一)能以CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化和/或CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化作为监测激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与作用有效期的指标。
1、激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化分为有氧阶段和厌氧阶段，以 CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量由大变小变化至含量与油藏伴生气空白基值的偏离范围不超过5‰作为有氧阶段的指标(如图4的A1至B1间为有氧阶段)，以混采气的 CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量再由小变大变化回归至含量与油藏伴生气空白基值的偏离范围不超过5‰作为厌氧阶段的指标(如图4的B1至A2间为厌氧阶段)。
同样，以CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量由大变小变化至含量与油藏伴生气初始时空白基值(最重值)的偏离范围不超过5‰作为有氧阶段的指标(如图5的A1至 B1间为有氧阶段)，以混采气的CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量再由小变大回归至含量与油藏伴生气空白基值(最重值)的偏离范围不超过5‰作为厌氧阶段的指标(如图5的B1至A2间为厌氧阶段)。
鉴于CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化呈现正相关的增减，因此，在监视激活剂在地下油层中被消耗利用的过程为有氧阶段还是厌氧阶段时，两个指标既可以单独使用，也可结合考虑。
2、在监视激活剂作用有效期时，以CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化在经历一个完整的由初始时的最大值(空白基值，最重值)变化到最小值(最轻值)，然后再回归到初始时的空白基值(最重值)附近(偏差不超过5‰)过程后，将回归到初始的空白基值的时间作为所述激活剂在地下油层中作用有效期的指示即激活剂消耗殆尽的时间，如图4所示的C2点时间。
同样，也能以CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化在经历一个完整的由初始时的空白基值(最大值、最重值)下降到最小值(最轻值)，然后再回归到初始时的空白基值(最重值)附近过程后，将回归到初始空白值的时间作为所述激活剂在地下油层中作用有效期的指示即激活剂消耗殆尽的时间，如图5所示的C2点。
鉴于CH4和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化正相关且时间点较为贴合，因此，在监测激活剂在地下油层中作用有效期时，两个指标既可以单独使用，也可结合考虑。
二)能以CH4的含量变化和/或CO2的含量变化作为监测激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与作用有效期的指标。
1、激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化分为有氧阶段和厌氧阶段，以 CH4的含量由大向小变化至与油藏伴生气初始时空白基值的偏离范围不超过5％的最小值作为有氧阶段的指标，以CH4的含量由小向大变化至与油藏伴生气初始时空白基值的偏离范围不超过5％的最大值作为厌氧另一阶段的指标。
同样，以CO2的含量由小向大变化至在混采气的含量与油藏伴生气初始时空白基值的偏离范围不超过5％的最大值(浓度最高值)作为有氧阶段的指标，以CO2的含量由大向小变化至在混采气的含量与油藏伴生气初始时空白基值的偏离范围不超过5％的最小值(浓度最低值)作为厌氧阶段的指标。
鉴于混采气中CO2和CH4之间的含量变化存在交替增减但变化周期基本一致，因此，在监测激活剂在地下油层中被消耗利用的过程为有氧阶段还是厌氧阶段时，两个指标既可以单独使用，也可结合考虑。
2、在监测激活剂作用有效期时，以CH4的含量变化在经历一个完整的先由初始时的空白基值(最大值)下降到最小值，然后上升到最大值到再下降回归到初始空白基值附近(偏离范围不超过5％)的时间作为所述激活剂在地下油层中作用有效期的指示即激活剂消耗殆尽的时间。
同样，以CO2的含量变化在经历一个完整的先由初始时的最小值(空白基值)，然后上升到最大值到再下降回归到初始最小空白基值附近(偏离范围不超过5％)的时间作为所述激活剂在地下油层中作用有效期的指示即激活剂消耗殆尽的时间。
鉴于混采气中CO2和CH4之间的含量变化存在交替增减但变化周期基本一致，因此，在监测激活剂在地下油层中作用有效期时，两个指标既可以单独使用，也可结合考虑。
三)能以CH4或CO2的含量变化和其对应的δ13C(PDB)碳同位素含量变化组合使用作为监测激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与作用有效期的指标。
例如，指标为CH4的含量变化与CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化的组合。结合前述可知，两项指标均呈现对应的一致性，CH4的含量最小值时，对应的CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量值最小(最轻)，反之亦然；同样，两指标都同样经历一个完整的先由初始时的空白基值下降到最小值，然后上升到最大值到再下降回归到初始空白基值附近的过程，所以均能指示所述激活剂在地下油层中作用有效期即激活剂消耗殆尽。
再例如，指标为CH4的含量变化、CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化与CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化的组合，三项指标其中CH4的含量变化呈现增加，同时CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量指标呈现由最小(最轻)向最大(最重)的变化， CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量指标呈现由最小(最轻)向最大(最重)的变化，指示所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与在地下油层中作用有效期；各指标的变化含义与前述相同。
具体两类指标或两类中的两个或三个指标的组合使用方式可以依据前述各指标的变化规律做出排列组合，在此不再一一赘述，但应该理解也同样属于本发明公开的内容。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的内容。

Claims (15)

1.对激活内源微生物驱油的监测方法，在水驱、聚合物驱后的水驱油藏中依次交替注入激活剂溶液和作为保护激活剂的聚合物段塞溶液后，从与注入井联通的生产井的套管中采集气样，定期监测生产井注激活剂后气样中的CH4含量、CO2含量、CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量和CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量并分析含量变化，得到激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化，并将检测到的CH4和CO2含量及各自δ13C(PDB)碳同位素含量与激活剂注入前油藏伴生气的对应含量比较，以此确定激活剂的作用有效期。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，监测激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与作用有效期的指标为以下中任一项或两项及两项以上的组合：
CH4的含量变化；
CO2的含量变化；
CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化；和
CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化。
3.根据权利要求1或2所述的监测方法，其特征在于，以CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化和/或CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化作为监测激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与作用有效期的指标。
4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化分为有氧阶段和厌氧阶段，以CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量由大变小变化至含量在油藏伴生气空白基值附近的最小值作为有氧阶段的指标，以混采气的CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量再由小变大变化回归至含量在油藏伴生气空白基值(最重值)附近的最大值作为厌氧阶段的指标；CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量与油藏伴生气空白基值的偏离范围一般不超过5‰，但含量值小于空白基值表明激活剂产生物气的效果更好。
5.根据权利要求3或4所述的监测方法，其特征在于，以CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化在经历一个完整的由初始时的最大值(空白基值，最重值)变化到最小值(最轻值)，然后再回归到初始时的空白基值(最重值)附近过程后，将回归到初始的空白基值的时间作为所述激活剂在地下油层中作用有效期的指示即激活剂消耗殆尽的时间。
6.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化分为有氧阶段和厌氧阶段，以CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量由大变小变化至含量在油藏伴生气初始时空白基值附近的最小值作为有氧阶段的指标，以混采气的CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量再由小变大回归至含量在油藏伴生气空白基值(最重值)附近的最大值作为厌氧阶段的指标。
7.根据权利要求3或6所述的监测方法，其特征在于，以CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化在经历一个完整的由初始时的空白基值(最大值、最重值)下降到最小值(最轻值)，然后再回归到初始时的空白基值(最重值)附近过程后，将回归到初始空白值的时间作为所述激活剂在地下油层中作用有效期的指示即激活剂消耗殆尽的时间。
8.根据权利要求1或2所述的监测方法，其特征在于，以CH4的含量变化和/或CO2的含量变化作为监测激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与作用有效期的指标。
9.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于，所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化分为有氧阶段和厌氧阶段，以CH4的含量由大向小变化至在油藏伴生气初始时空白基值附近的最小值作为有氧阶段的指标，以CH4的含量由小向大变化至在油藏伴生气初始时空白基值附近的最大值作为厌氧阶段的指标；CH4的含量值大于空白基值表明激活剂产生物气的效果更好。
10.根据权利要求8或9所述的监测方法，其特征在于，以CH4的含量变化在经历一个完整的先由初始时的空白基值(最大值)下降到最小值，然后上升到最大值到再下降回归到初始空白基值附近的时间作为所述激活剂在地下油层中作用有效期的指示即激活剂消耗殆尽的时间。
11.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于，所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化分为有氧阶段和厌氧阶段，以CO2的含量由小向大变化至含量在油藏伴生气初始时空白基值附近的最大值(浓度最高值)作为有氧阶段的指标，以CO2的含量由大向小变化至含量在油藏伴生气初始时空白基值附近的最小值(浓度最低值)作为厌氧阶段的指标。
12.根据权利要求8或11所述的监测方法，其特征在于，以CO2的含量变化在经历一个完整的先由初始时的最小值(空白基值)，然后上升到最大值到再下降回归到初始最小空白基值附近的时间作为所述激活剂在地下油层中作用有效期的指示即激活剂消耗殆尽的时间。
13.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述指标为CH4的含量变化与CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化的组合，两项指标均呈现对应的一致性，CH4的含量最小值时，对应的CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量值最小(最轻)，反之亦然，各指标的变化含义与权利要求3至12所述相同；在经历一个完整的先由初始时的空白基值下降到最小值，然后上升到最大值到再下降回归到初始空白基值附近时，指示所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与在地下油层中作用有效期。
14.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述指标为CH4的含量变化、CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化与CO2的含量变化的组合，三项指标其中CH4的含量变化呈现增加，同时CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量指标呈现由最小(最轻)向最大(最重)的变化，而CO2的含量变化呈现减少，指示所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与在地下油层中作用有效期；各指标的变化含义与权利要求3至12所述相同。
15.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述指标为CH4的含量变化、CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量变化与CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量变化的组合，三项指标其中CH4的含量变化呈现增加，同时CH4的δ13C(PDB)碳同位素含量指标呈现由最小(最轻)向最大(最重)的变化，CO2的δ13C(PDB)碳同位素含量指标呈现由最小(最轻)向最大(最重)的变化，指示所述激活剂在地下油层中被消耗利用的过程变化与在地下油层中作用有效期；各指标的变化含义与权利要求3至12所述相同。
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