CN113512510B - 葡萄糖在延缓产脲酶菌矿化中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了葡萄糖在延缓产脲酶菌矿化中的应用，其中所述葡萄糖浓度为0.5～4.5g/L。本发明针对现有产脲酶菌在原油采收过程中封堵距离短影响采收效率和防砂效果的问题，发现葡萄糖与尿素同时存在的情况下，产脲酶菌会先发酵葡萄糖形成酸性环境避免沉淀产生，随着葡萄糖供给不足，产脲酶菌开始分解尿素升高体系pH并与外源Ca²⁺结合形成沉淀，即葡萄糖可延缓尿素的分解时间，延缓产脲酶菌矿化以增大菌体在地层中的运移深度。将该技术应用于原油开发过程中的三次采油或疏松砂岩防砂作业中，以增加菌体在储层中运移深度的调驱深度和调驱效率，使矿化产生的碳酸钙分布更均匀，达到提高原油的采收率和增强固化效果的目的，且作业采收过程更加高效，省时省力。

Description

葡萄糖在延缓产脲酶菌矿化中的应用

技术领域

本发明属于产脲酶菌与原油采收技术领域，具体涉及葡萄糖在延缓产脲酶菌矿化中的应用。

背景技术

在油田开发过程中，利用油藏天然能量开采的采油方式为一次采油。一次采油后，通过补充地层压力进行开发的方式称为二次采油。通常二次采油结束后，油层中的剩余油存在两个区域，一是在注水波及区，即高渗透区。因受粘滞力和毛细管理等作用，剩余油以油珠或油膜的形式附着在岩石孔隙空间，继续注水无法采出，另外由于地层非均质影响，还有大片注水未波及到的原始油区，这两个区域的剩余油都是提高采收率的作用目标。三次采油则是指油田在利用天然能量进行开采和传统的用人工增补能量(注水、注气)之后，利用物理、化学、生物等新技术进行尾矿采油的开发方式。这种驱油方式主要是通过注化学物质、注蒸汽、注气或微生物等，改变驱替相和油水界面性质或原油物理性质。其中，微生物提高采收率(Microbially enhanced oil recovery)的主要机理为微生物代谢产生的生物表面活性剂、有机溶剂或生物气等改变原油流动性或通过微生物分泌的胞外聚合物等物质对非均质性较强的高渗通道进行封堵达到提升波及系数，动用更多原油的目的。

随着近年来油田各种出砂问题的出现，对原油生产产生了严重影响，对于疏松砂岩油藏，防砂是开采过程中不可缺少的环节。防砂目前以机械防砂和化学防砂为主。机械防砂完井自出现以来一直是现场应用的主要的防砂完井方式，如直接悬挂筛管防砂，即在井底下入割缝筛管、绕丝筛管、精密复合筛管等挡砂管柱，但该方法需要将防砂装置下入井中，增加了操作成本，并且对细粉砂岩的防砂效果不好。化学防砂是指向井眼附近挤入一定质量的化学剂，以胶结地层砂，或将携带有固体颗粒的胶结剂置于井底附近，形成一道具有一定抗压强度和渗透率能力的人工井壁，从而减轻油井出砂，但化学剂在油藏条件下会随时间老化，有效期短，这也是化学防砂的致命缺陷。

微生物诱导碳酸盐沉淀(Microbially induced carbonate precipitation，MICP)技术最早由Cripps在上个世纪末提出，即微生物通过水解尿素引起碳酸钙沉淀，这类微生物为产脲酶微生物，其能够以尿素为碳源，产生脲酶加速尿素分解并和外源Ca²⁺结合形成CaCO₃沉淀的矿化作用，反应过程具体如下：

目前MICP技术被应用于原油采收过程中的油田封堵以及油田防砂中，但是仍存在一定的问题。如利用产脲酶微生物注射封堵以提高原油采收率时发现，距离注射端越远，碳酸钙沉积物越少，这可能是由于微生物和碳酸钙晶体在多孔介质中的吸附和滞留所导致的，这在油田现场上发生，则解堵操作所需的时间可能比注入微生物更加耗时耗力，不利于原油的高效率采收。同时，油田现场发生近井端堵塞也是油气层伤害的表现之一，若油田出现堵塞则会在油层中表现油井产液量明显下降、卡泵和注水井注水困难等现象。若堵塞位于油管、管线、注入设备等场所中则可能引起较为严重的安全事故。同样的，利用产脲酶菌对疏松砂岩油藏进行防砂时，产脲酶菌过快过早的产生沉淀，也会影响微生物的运移深度，影响固砂效果。所以，如何避免近井端堵塞，使产脲酶微生物运移至更深的位置并且在储层中形成均匀地沉积碳酸钙是油田开发和油田防砂中亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，通过研究发现在葡萄糖与尿素同时存在的情况下，产脲酶菌会首先发酵葡萄糖代谢产生有机酸形成酸性环境使Ca²⁺无法沉淀，随着葡萄糖供给无法满足菌体生长时，产脲酶菌才开始分解尿素使pH升高并可与外源Ca²⁺结合形成沉淀，即葡萄糖对于延缓产脲酶菌矿化，避免近井端沉淀并增加调驱深度具有关键作用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供了葡萄糖在延缓产脲酶菌矿化中的应用。

进一步的，所述产脲酶菌选自芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、根瘤菌中的任意一种或多种。

进一步的，所述产脲酶菌为枯草芽孢杆菌。

进一步的，所述葡萄糖的浓度为0.5～4.5g/L。

进一步的，所述葡萄糖的浓度为2g/L。

本发明还提供了一种延缓产脲酶菌矿化的方法，包括：

S1、将产脲酶菌在葡萄糖浓度为0.5～4.5g/L的培养基中培养12～60h得到未达到矿化条件的菌液；

S2、制备胶结液；

S3、将步骤S1的菌液和步骤S2的胶结液混合注入目标区域中。

进一步的，步骤S1中所述培养基的组分包括：蛋白胨0.5～5g/L，氯化钠1～10g/L，磷酸二氢钾0.5～5g/L，尿素0.5～5g/L，葡萄糖0.5～4.5g/L。

进一步的，步骤S1中所述培养基的组分包括：蛋白胨3g/L，氯化钠5g/L，磷酸二氢钾2g/L，尿素2g/L，葡萄糖2g/L。

进一步的，步骤S2中，当待封堵层中无用于矿化的Ca²⁺和/或Mg²⁺时，所述胶结液为摩尔浓度比为1:1的钙离子化合物和尿素；

当待封堵层中有用于矿化的Ca²⁺和/或Mg²⁺时，所述胶结液为浓度1～50mol/L的尿素。

本发明还提供了上述方法在提高原油采收率和/或油田防砂中的应用。

进一步的，将上述方法应用于提高原油采收率时，将菌液和胶结液混合注入油田开发过程中的优势通道。该方法通过延缓产脲酶菌矿化，增加产脲酶菌在油层中的运移深度，提升了注水波及系数，达到提高原油采收率的目的。

进一步的，所述有优势通道为超高含水阶段的地层主要产液剖面。

进一步的，将上述方法应用于油田防砂时，将菌液和胶结液混合注入油田的疏松砂岩中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对现有的产脲酶菌在原油采收过程中封堵距离短影响采收效率和防砂效果的问题，通过研究发现葡萄糖与尿素同时存在的情况下，产脲酶菌会先发酵葡萄糖形成酸性环境避免Ca²⁺沉淀，随着葡萄糖供给不足，产脲酶菌开始分解尿素升高体系pH并与外源Ca²⁺结合形成沉淀，即葡萄糖对于延缓尿素的分解时间，延缓产脲酶菌矿化以增大菌体在地层中的运移深度，避免近井端沉淀并增加调驱深度具有关键作用。进一步的，本发明还对使用的葡萄糖浓度进行了优选，使菌体在保持高效活性的基础上显著增加了菌体的调驱深度和调驱效率，使矿化产生的碳酸钙分布更均匀，将其应用于原油采收时，可实现对高渗通道的有效封堵，提升注水波及系数，高效省时省力地提高了原油的采收率；将其应用于油田防砂时，可有效提高固砂效果，避免油井出砂影响油井的正常生产。

附图说明

图1为本发明实施例1中不同葡萄糖含量下菌体生长特征的曲线；

图2为本发明实施例1中不同葡萄糖含量菌液对数期结束时间；

图3为本发明实施例1中不同葡萄糖含量菌液pH变化情况；

图4为本发明实施例1中不同葡萄糖含量下菌液pH到达7的时间；

图5为本发明实施例1中沉淀前和沉淀后的对比图；

图6为本发明实施例1中培养基葡萄糖含量与菌体消耗量的关系图；

图7为本发明实施例1中菌体消耗量与沉淀量的关系图；

图8为本发明实施例1中培养基葡萄糖含量与沉淀量的关系图；

图9为本发明实施例1中细菌矿化前的粒度分布图；

图10为本发明实施例1中细菌矿化后的粒度分布图；

图11为不同葡萄糖含量下质量降低率与距注入端距离的关系图；

图12为不同葡萄糖含量下沉淀质量降低率与距注入端距离的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例以产脲酶菌枯草芽孢杆菌(ATCC 6633)为例，验证葡萄糖对于延缓产脲酶菌矿化的作用。本实施例所采用的实验材料和仪器如下：

验证实验具体如下：

1、葡萄糖代谢情况研究

通过摇瓶实验研究了该菌对于葡萄糖的生长代谢情况，取细菌接种至不同葡萄糖含量的培养基中，每4h监测菌液pH，同时采用分光光度计检测波长600nm时吸光度的变化，用以表征菌浓度变化，并在OD₆₀₀值连续三次下降时停止监测，说明微生物已至衰败期。培养基组分为：蛋白胨3g/L，氯化钠5g/L，磷酸二氢钾2g/L，尿素2g/L，葡萄糖0.05～4.50g/L。

测定结果如图1-4所示，其中图1为不同葡萄糖含量下菌体生长特征的曲线，图2为不同葡萄糖含量菌液对数期结束时间，图3为不同葡萄糖含量菌液pH变化情况，图4为不同葡萄糖含量下菌液pH到达7的时间。

根据图1-4可知，随着培养基中葡萄糖含量的增多，该细菌的生长速度越慢，对数期结束时间越长，同时菌液的pH值达到7的时间也越晚。即说明了在葡萄糖与尿素同时存在的情况下，该菌首先发酵葡萄糖并代谢产生有机酸导致体系的pH降低，在葡萄糖充足时pH降低至4.5左右时趋于稳定。随着葡萄糖能量供给不能满足菌体生长发育所需能量时，微生物开始利用并分解尿素，此时pH值开始迅速升高，pH至8时，pH的增加速率开始变缓，至pH为9时基本稳定。该测定结果说明葡萄糖可延缓该产脲酶菌对于尿素的分解时间，因此在向地层中注入时，可以增大菌体在地层中的运移深度。

2、菌体矿化沉淀量与含糖量的关系

按照上述方法，取细菌接种至不同葡萄糖含量(0.05～4.50g/L)的培养基中，于35℃培养48h后，取等量的菌液进行沉淀量测试，即分别取10个不同葡萄糖含量的菌液15mL至试管中，接着分别向其中添加2mol/L的CaCl₂定容至20mL，并于35℃条件下培养48h，观察反应前后菌液中的沉淀量变化，并监测沉淀前后菌液和上清液的OD₆₀₀值，其中OD₆₀₀1、OD₆₀₀2分别为沉淀前和沉淀后的菌液浓度，以(OD₆₀₀1-OD₆₀₀2)/OD₆₀₀1为菌体消耗量。进一步的，过滤沉淀并用磷酸盐缓冲液冲洗至质量不变后称重作为沉淀量(g)。

测定结果如图5-8所示，其中图5为沉淀前和沉淀后的对比图(葡萄糖浓度从左至右依次为0.05g/L、0.50g/L、1.00g/L、1.50g/L、2.00g/L、2.50g/L、3.00g/L、3.50g/L、4.00g/L、4.50g/L)，图6为培养基葡萄糖含量与菌体消耗量的关系，图7为菌体消耗量与沉淀量的关系，图8为培养基葡萄糖含量与沉淀量的关系。

根据图5-8的测定结果，在相同培养时间内，培养基含糖量与菌体消耗量及沉淀质量有明显相关性。随着培养基中葡萄糖含量的提高，沉淀量逐渐降低，用于钙化的菌体消耗量也逐渐增大。这也进一步证实了葡萄糖的含量对于该产脲酶菌的矿化时间是有影响的，即葡萄糖可延缓产脲酶菌的矿化。

结合葡萄糖代谢的情况，为维持菌液的高活性生长并同时起到延缓该菌矿化的效果，将后续试验的培养基中葡萄糖含量定为2g/L。一方面，在培养时间24h内，菌液已达到生长对数期，有较高的活性；另一方面，此时菌液的pH值在5-6之间，此时该细菌还未开始大量分解培养基中的尿素，并且在该pH条件下，菌液在与含有Ca²⁺、Mg²⁺等矿化所需阳离子时并不会立刻结合产生沉淀导致近井端堵塞，在地下环境中可以允许微生物有较长的运移距离从而增加调驱深度和调驱效率。

3、矿化后粒度分布

采用激光粒度仪测定该细菌矿化前后的粒度分布图，测定结果如图9-10所示。其中图9为细菌矿化前的粒度分布图，图10为细菌矿化后的粒度分布图。根据测定结果，菌体的平均粒径为1.43μm，矿化后的平均粒径为6.72μm，即矿化后，粒径增加了4.69倍。若不考虑矿化前后的菌体弹性变化，在储层相同的孔隙度渗透率条件下，矿化后菌体在储层中吸附和滞留量将远远超过未矿化菌体，进而会造成严重的近井端堵塞。

4、运移距离测定

运移距离实验采用可视化砂箱模型进行，以40-80目石英砂经反复敲打填实砂箱模型，两模型渗透率分别为362md、370md，抽真空饱和水后测得孔隙体积372cm²和375cm²。取在不同葡萄糖含量的培养基中培养24h的菌液，其中一组培养基内葡萄糖含量2g/L，另一组葡萄糖含量0.05g/L。将培养24h菌液与由2mol/L CaCl₂与尿素按照摩尔浓度1：1混合组成的胶结液混合注入，菌液和胶结液的体积比为10:1，注入速度为1mL/min，分别累计注入0.2Pv后转移至35℃恒温培养箱内培养48h。培养结束后，将两组模型取出，分别在距离注入端0cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm和30cm处取石英砂样品5g，用磷酸盐缓冲液冲洗至恒重后烘干，使用2％HCl进行冲洗，以减少质量作为微生物矿化产生的碳酸钙质量，以减少质量/样品干重为质量降低率，质量降低率越高则说明碳酸钙浓度越高，并测定不同距离处的沉淀占总沉淀的占比量，测定结果如表1和图11-12所示，其中图11为不同葡萄糖含量下质量降低率与距注入端距离的关系图，图12为不同葡萄糖含量下沉淀质量降低率与距注入端距离的关系图。

表1不同距离的沉淀占比量

根据图11-12以及表1的测定结果可知，当培养基中葡萄糖含量为0.05g/L时，微生物矿化产生的碳酸钙主要集中于注入端，其中，距离注入端5cm内的碳酸钙沉淀量占总碳酸钙质量的65％，说明葡萄糖浓度较低时会产生较为严重的近井端堵塞，不利于原油的采集和油田的防砂，并且解堵操作更加耗时耗力；而当培养基中葡萄糖含量为2g/L时，沉淀的分布量十分均匀，并且在距离注入端30cm处，仍有近10％的沉淀量。上述结果说明了一定浓度的葡萄糖可以有效产脲酶菌的矿化沉淀时间，从而增加了距注入端相对较远处的沉淀量，形成良好调剖效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.葡萄糖在延缓产脲酶菌矿化中的应用，其特征在于，所述产脲酶菌选自枯草芽孢杆菌；所述葡萄糖的浓度为1.5～4.5g/L。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述葡萄糖的浓度为2g/L。

3.一种延缓产脲酶菌矿化的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、将产脲酶菌在葡萄糖浓度为1.5～4.5g/L的培养基中培养12～60h得到未达到矿化条件的菌液；

S2、制备胶结液；

S3、将步骤S1的菌液和步骤S2的胶结液混合注入目标区域中；

所述产脲酶菌选自枯草芽孢杆菌。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述培养基的组分包括：蛋白胨0.5～5g/L，氯化钠1～10g/L，磷酸二氢钾0.5～5g/L，尿素0.5～5g/L，葡萄糖1.5～4.5g/L。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2中，当目标区域中无用于矿化的Ca²⁺和/或Mg²⁺时，所述胶结液为摩尔浓度比为1:1的钙离子化合物和尿素；

当目标区域中有用于矿化的Ca²⁺和/或Mg²⁺时，所述胶结液为浓度1～50mol/L的尿素。

6.如权利要求3-5任一项所述的方法在提高原油采收率和/或油田防砂中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，将如权利要求3-5任一项所述的方法应用于提高原油采收率时，将菌液和胶结液混合注入油田开发过程中的优势通道。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，将如权利要求3-5任一项所述的方法应用于油田防砂时，将菌液和胶结液混合注入油田的疏松砂岩中。

Images