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石油微生物技术具有良好发展前景

日期:2024-07-08    来源:中国石化报

国际石油网

2024
07/08
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关键词: 微生物驱油技术 石油勘探开发 微生物采油技术

胜利油田微生物技术首席专家 汪卫东

由于微生物具有种类多、分布广、适应性强、繁殖快等特点,几乎所有的生产活动均受其影响。在油田的勘探开发过程中,微生物的影响作用自始至终,其中有害的方面包括生物腐蚀、注入水水质恶化、低渗透油藏注水堵塞、原油和成品油酸性化等;有益的方面包括利用微生物勘探、采油、处理回注水,以及利用生物酶解堵和压裂液破胶、土壤石油污染修复等。

微生物与石油勘探开发关系的研究正在不断丰富发展,并逐渐形成了地质微生物学的一个重要分支——石油微生物学。

石油微生物技术是典型交叉学科的应用技术。油藏本身是一个复杂体系,同时对微生物来说又是一个极端环境,在这种复杂环境中应用微生物技术具有挑战性。目前关注较多、发展较快的技术主要有微生物采油技术和微生物处理回注水技术,其中微生物采油技术已发展了多项工艺,包括微生物清防蜡、微生物单井吞吐、微生物驱油等技术。

胜利油田微生物采油技术经过近30年的探索,取得了突破性的进展。

前期,微生物单井吞吐技术仅能处理油井的近井地带,消除储层近井地带的有机和无机堵塞,提高油井产量。现在,单井吞吐技术处理范围进一步扩大,可深入油藏,不仅起到疏通作用,而且能对油井井控的残余油乳化降黏,提高产量、延长有效期。特别是在一些地面不具备热采条件、地下水驱效果不理想的常规稠油油藏,新的微生物单井吞吐技术具有明显优势,并已在西部油区展现了良好的应用前景。

微生物驱油技术也从单纯的外源微生物驱发展为内源微生物驱、微生物发酵液驱,现在正在研发不同的微生物代谢产物强化水驱等相关技术,以满足不同类型油藏进一步提高采收率的需要。目前,胜利油田微生物采油技术年增油已达20多万吨。

微生物驱油技术主要有两个发展方向。

一是内源微生物驱技术,目的是延长油藏开发寿命。在油藏开发的后期,通过人工调控油藏中微生物群落结构和功能,依靠油藏中内源菌群落作用,将难以开采的残余油转化为天然气采出。胜利油田在油藏中发现了微生物降解原油产甲烷的全新代谢途径,这为原油气化技术提供了理论支撑,研究成果于2022年发表于《自然》主刊。不同油藏在水驱过程中的内源微生物群落存在较大差异,而且同一油藏不同时期内源微生物群落也在演变,所以,实施微生物驱油前需要开展针对性的系统研究,才能制定方案,技术推广难度加大。为此,胜利油田制定了微生物驱油技术规范,以加快具体油藏微生物驱油前期研究实施方案制定的速度,为该技术工业化应用奠定基础。

二是研发的生物表面活性剂和生物多糖,可替代目前化学表面活性剂和化学聚合物,提高高温高盐油藏采收率。生物表面活性剂和生物多糖不仅具备相应化学剂的性质和功能,而且其生产过程中不以石油为原料、生产过程耗能低、原料可再生、使用后可生物降解,属绿色环保型驱剂,在地面不污染环境,在地下不破坏油藏。胜利油田代表中国石化牵头承担了国家重点研发计划项目“油田采油生物制剂研发及应用”,目的是研发适合油藏环境的生物表面活性剂、生物多糖和生物酶体系用于油田开发,减少化学剂的使用。

化学驱提高采收率技术早已进入规模化应用,但化学驱由于技术本身的局限性,不可能覆盖所有的油藏。因此在不能进行化学驱的油藏开展微生物采油技术探索也是一个重要发展方向。

经过近年来大量的室内研究和现场实践,目前微生物采油技术正在从先导试验阶段向工业化应用迈进。我国目前油藏综合含水率超过95%的储量已达35亿吨,预计10年后将达到70亿吨,经过化学驱后的油藏也面临着进一步提高采收率的问题,现有技术开采的平均采收率仅为50%左右,仍有大量的剩余油无法经济有效开发。如何高效深度开发这部分资源已经成为我国石油开发领域亟待解决的问题。

研究表明,通过微生物将油藏中不能流动的原油转化为甲烷,可将低品位油藏转化为气藏进行深度开采,从而大幅提高低品位油藏的利用程度。这项技术属于内源微生物驱,但与现有的技术有着本质区别,其特点是直接改变原油而不是驱替相,为提高采收率新技术、新方法的研究和应用提供了潜力空间。

石油微生物学仍是一门年轻的学科。石油微生物技术还发展了微生物勘探、腐蚀防治、原油污染土壤修复等技术,近几年又有新的技术出现,如利用微生物在油藏中注入的二氧化碳转化为甲烷的技术,微生物改变矿物性质从而改变渗透性的技术等。随着基础学科研究的不断进步,相关技术必然得到快速发展,为油田勘探开发解决更多难题。

石油微生物技术有哪些?

●伴生气生物除硫技术

随着长期注水开发,老油田伴生气普遍存在硫化氢超标问题,并且具有气量小、潜硫量低、分布零散等特点,常规的干法、湿法存在着投资高、占地大、脱硫剂处理难等问题,难以推广应用。

江苏油田开发了耐碱高效硫氧化细菌,创建了低成本伴生气生物除硫工艺,研制了自动化、橇装化脱硫装置,初步形成适合小气量、低潜硫量零散气脱硫工艺。

应用案例:

该技术在江苏油田周43站试验收到良好效果,硫化氢含量从3600~4000ppm(百万分之一)降至10ppm以下,运行费用约0.1元/立方米(干法脱硫处理成本为0.7~1.2元/立方米)。

●生物酶解堵技术

油田长期生产过程中,在近井地带会形成有机大分子沉积,造成储层堵塞,影响油井生产,常规用酸化解堵,容易造成地层伤害。近几年,胜利油田突破国外生物酶“卡脖子”技术,构建了具有自主知识产权的钻完井生物酶解堵体系,有机大分子降解率达到95%以上,高于同类产品水平,耐温90摄氏度,实现了油井绿色高效解堵。

应用案例:

胜利油田河口采油厂沾188区块TPZ188-6井实施生物酶解堵技术后,日产液从3吨提高到8.7吨,日产油从0.7吨提高到3.1吨,油井含水率从78%降至60.5%,解堵提液效果显著。截至目前,胜利油田在22口井推广应用钻完井生物酶解堵技术,平均单井产能提高30%,措施有效率90%。

●生物除硫防腐技术

油田开发进入中后期,硫酸盐还原菌大量滋生,伴随产生大量硫化物,由此引起腐蚀、结垢、次生硫化氢等安全环保问题。传统的化学防腐方法成本高、效果不理想,存在二次污染。针对传统化学防腐方法存在的不足,采用“生物竞争、化学协同”的思路,利用油井中的反硝化细菌进行除硫和抑制硫酸盐还原菌。

应用案例:

江苏油田在国内外首次成功开发了耐温90摄氏度的除硫防腐菌剂、构建20~90摄氏度防腐菌体系、研发了高效硫化物抑制剂,形成适用于油气田采、注、输系统的生物除硫防腐技术。该技术在江苏油田、江汉油田及中国石油华北油田现场应用376口油井、8座污水站,平均延长检泵周期367.3天,减少检泵540井次。

●微生物脱硫保黏技术

聚合物溶液黏度是保障化学驱开发效果的关键,黏度越高,驱油效果越好。然而由于硫酸盐还原菌的存在,其产生的硫化氢导致聚合物溶液黏度损失超过70%,严重影响化学驱效果。该技术不以杀灭硫酸盐还原菌为目的,而是引入生物竞争作用,利用抑制硫酸盐还原菌活性及控制硫酸盐还原菌代谢产物的方法,保障聚合物溶液黏度。

硫酸盐还原菌是能使硫酸盐还原成硫化物的一类细菌的统称,是工业生产过程中常见的有害菌,在土壤、海水、河水、地下管道及油气井等缺氧环境,几乎无所不在,可以造成设备、管线严重腐蚀,导致设备损坏;腐蚀产物硫化亚铁沉淀,会形成污垢,导致水质恶化。

应用案例:

针对胜利海上油田聚合物驱硫酸盐还原菌超标导致的聚合物溶液黏度降低问题,驯化培育了耐温型的功能菌及调控剂,优化了菌剂投加位置、剂量、频次,脱硫效率较之前提高27%,满足了海上高温条件下全污水配聚的需求,为海上化学驱高效开发提供了技术支撑。目前胜利油田脱硫保黏处理规模达68000立方米/日,提升聚合物溶液黏度超过40%。

●微生物吞吐技术

该技术通过油井向地层注入激活剂、外源菌或代谢产物,利用微生物及其代谢产物的协同作用提高油井产量,是一项经济环保的低成本开采技术。

驱油原理是通过微生物的代谢作用和代谢产物,产生表面活性剂,清除油井近井地带的有机阻塞,提高原油流动性,减轻蜡堵并提高泵效,延长油井免修期;通过微生物产生的有机酸清除近井油层的结垢,提高近井油层的渗透性,从而提高油井的产量。微生物吞吐技术与微生物驱油技术最大的不同是,前者通过油井端注入微生物菌种,后者通过注水端注入微生物菌种。

应用案例:

胜利油田滨南采油厂尚一区原油黏度高、渗透率低、注水不受效。实施微生物复合气体吞吐技术1年后,区块井组日产液、产油量均提高5倍以上,累计增油2370吨。胜利油田现河采油厂草20区块高渗边底水稠油油藏受回注水及边底水影响,油井热采效率低、含水上升快,利用高温菌降黏复合生物胶堵水工艺,两年来累计实施7口井,增油5210吨。

江苏油田针对油藏类型复杂、油品性质多样等问题,围绕生物表面活性剂优异的乳化降黏、改善润湿等性能,开展了生物表活剂技术攻关,创建了“化学表活剂+生物表活剂”复合吞吐工艺,具有普适性强、协同增效、降低成本等优势。该技术在江苏油田38口低产低效井应用,有效率84.2%,累计增油7800余吨。

●含油土壤生物修复技术

该技术利用特定微生物降解含油沉积物中的石油烃,将其转化为无毒的二氧化碳和水等物质,实现含油沉积物无害化处置。含油沉积物及油污土壤伴随石油开发产生,主要由泥砂、水和原油等组成,产生量为石油产量的1‰~5‰。

针对油田退役井场、站库土壤盐碱度高、污染物黏度大等难题,胜利油田研发了以微生物修复为核心的修复技术,通过开发耐盐碱高效石油烃降解菌株,配套淋洗等处理工艺,实现无害化处置。

应用案例:

在胜利油田孤东采油厂某块含油污退役井场,处理前平均含油量2.4%,生物修复178天后,含油量低于0.45%,优于国家环保标准GB36600-2018二类用地筛选值。

截至目前,胜利油田共完成65个退役井场原位修复试验,涉及陆地、滩涂,修复后达到工业用地环保要求,恢复了土壤正常功能,为黄河口国家公园、黄河两岸生态保护和绿色油田建设持续提供技术保障。

●微生物清防蜡技术

该技术针对原油含蜡特点及结蜡机理,筛选合适的细菌注入井筒,利用微生物及其代谢产物的作用,阻止原油中的石蜡结晶,防止或缓解井筒结蜡,同时通过抑制其他有害菌起到防腐作用。该技术可维护油井生产,延长油井的有效生产时间。

应用案例:

胜利油田现河采油厂W543井和W542-9井均结蜡严重,W543井实施充分热洗后不投加微生物,也不再热洗,50天后提管发现油管内壁结蜡2~3厘米,抽油杆也有较厚蜡块剥落;W542-9井应用微生物清防蜡技术,93天后,油管内壁和抽油杆相对干净,没有明显结蜡现象。截至目前,胜利油田工程技术研究院微生物所拥有清防蜡菌种52株,现场应用1743井次,累计增油17万吨,减少热洗15600井次。

●微生物驱油技术

该技术通过筛选培育适合油藏环境的驱油微生物菌种,连同激活剂或营养液一起,从注水井中注入油藏,激活驱油功能微生物的生物活动,经过微生物在油藏内部的生长、代谢和繁殖,对残余油发生作用,改善流体渗流特征,提高水驱洗油效率,从而提高原油采收率。这是一项低成本、绿色环保的高效提高采收率技术。

应用案例:

胜利油田现河采油厂草13区块油稠、层薄、低渗敏感,热采水驱低效。2023年5月起对该区块扩大实施微生物驱技术,截至目前,区块日产油量从24.2吨升至45吨,峰值日增油21吨,含水率最大降幅8个百分点,阶段增油1.6万吨,实现了低效稠油老区高效开发。

●微生物采出水资源化

利用技术

油田生产需要大量用水,富余采出水也有可观规模。目前,比较先进的是生化双膜处理技术,通过微生物的作用,将原油等有机污染物转化成二氧化碳和水,再利用超滤和反渗透膜去除采出水中的悬浮物和无机离子,达到采出水循环利用的目的。

生化水处理的技术原理是食物链,“大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米,虾米吃污泥”,利用细菌降解水中的有机物,原生动物再捕食细菌,维持生态平衡,达到净化水质的目的。

应用案例:

在胜利油田滨南采油厂单14注水站,选育了高效降解菌,大幅提升采出水的生化性,并首次将生化+双膜工艺应用于工业水处理,建立了生化+双膜工业化流程,处理规模200立方米/日,目前已稳定运行3年,出水水质稳定,采出水利用率达95%。

江苏油田针对传统方法除油效果差的问题,开发了高效除油菌剂、生化处理工艺和滤料改性技术,形成了含油污水生化处理技术。该技术除油、除硫效果稳定;系统启动速度快,用到的菌种少、成本低;系统能耗低、药剂投加量少、污泥量小;满足不同油藏注水水质需要。

任厚毅 于丹丹 向易为 林 刚 提供

江苏油田:十年“铸剑” 打造防腐“杀手锏”

本报记者 徐博誩闻 通讯员 林 刚

截至6月21日,江苏油田黄88平4井已累计注入生物除硫防腐菌剂4.3吨,腐蚀速率长期稳定达标,检泵周期由最初的395天延长至467天。

目前,江苏油田开发进入中后期,油井含水持续上升,各种细菌大量繁殖。其中,菌群中的硫酸盐还原菌繁殖情况最严重,造成油井腐蚀结垢,需要频繁检泵作业。传统的化学杀菌不仅成本高,而且在加入一段时间后,细菌形成抗药性,效果逐渐变差。

“优胜劣汰,适者生存”的法则放在微生物领域能否发挥作用?2011年,江苏油田工程院成立科研团队,专门攻克此项难题。科研人员围绕有益微生物与有害微生物的竞争机理和化学协同作用思路,从生态系统中寻找能力更强的细菌培养驯化,让它们能够在地层中吃得更胖、生活得更好、繁殖能力更强,抑制有害细菌,同时,通过微生物调控技术,创造油水系统内部优势条件,促进有益微生物快速生长,抑制有害微生物繁殖,去除硫化物,改善油水系统腐蚀环境。

经过两年的实验,该团队首次在国内外成功开发了耐温90摄氏度除硫防腐菌剂,这种防腐菌功能强大,不仅能够有效抑制井筒有害细菌,而且可以“吸食”硫化氢,将硫化氢气体转化成硫黄和硫酸盐。利用生物系统的自我净化功能除去有害物质,效果更好、更加环保。

经过不断改进,科研团队还建立了20~90摄氏度防腐菌体系并研制出高效硫化物抑制剂,形成适用于油气田采、注、输系统的生物除硫防腐技术。

韦2-平5井通过投加除硫菌剂和硫化物抑制剂,采出水硫化物含量从实施前50.1毫克/升降至4.1毫克/升,套管硫化氢含量降到13毫克/立方米以内,硫酸盐还原菌平均含量从600个/毫升降至2.5个/毫升,有效降低腐蚀速率,检泵周期延长超150天。

10年来,该技术还先后应用于胜利、江汉、华东等油田,累计应用358口油井和8座污水处理站,实施后有效去除原生、次生硫化物,降低环保风险,延长管线使用寿命和油井检泵周期,累计减少作业482井次,节约费用8770多万元。该技术被集团公司鉴定达到国际先进水平,其中高温防腐菌种开发技术达到国际领先水平。


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