水力振动采油微生物技术在西区油田的应用

李杨勇，唐建云，宋红霞

(1.延长油田股份有限公司 西区采油厂勘探开发研究所，陕西 延安 716000;2.西北大学 大陆动力学国家重点实验室/地质学系，陕西 西安 710069)

振动和微生物采油都可促进油井增产。已获“实用新型专利权”的DSY地层多级水力震源，以激振力强，施工效率、作业成功率高，性能稳定可靠，成为国内创新、高效的井下水力震源［1］。微生物采油技术(MEOR)已经成为继热力驱油、化学驱油和聚合物驱油之后的第4种提高采收率的新技术［2－4］，该技术效果显著，成本低，可直接利用油田已有的注水系统进行［5，6］。在具体实施时，微生物采油还能有效地减轻油井生产过程中的一些问题，如生产负荷、结蜡、结垢和腐蚀等。将微生物采油技术与DSY地层多级水力震源结合起来，由DSY震源推进采油微生物向油层纵深转移和扩散，将比这两项技术单独进行进一步提高增油系数，延长水力振动有效周期。同具“三次采油”的二项先进技术，各自发挥优势的综合应用，在实践中已收到良好效果，称之为水力振动采油微生物技术。

西区油田位于陕甘宁盆地陕北斜坡志丹县，下侏罗统延安组储油层非均质较强，天然水压驱动弱，地层能量不足。随着该地区采油程度的增加，地层渗流过程中的一些微粒、污物沉积以及钻井中的泥浆、压裂液等，使得井筒表皮、射孔炮眼、压裂通道和油气渗流孔道受到不同程度的污染和堵塞，迫切需要选择一种适合本油田的施工简单、投入产出比相对较高的增产措施。为此，根据该地区原油物性以及目前的生产状况，对西区油田庄1井采用了水力振动采油微生物技术进行改造处理，望有效提高原油采收率，并为该项技术的进一步推广提供依据。

1 DSY地层多级水力震源

人们从天然地震影响油井产量发生波动、地表振动可以提高原油的采收率中得到启示，引进了人工振动采油工艺技术［7］。前苏联学者萨莫落夫斯基于20世纪70年代提出振动处理油层设想，后试制成功多种人工地面地震震源和井下震源;美国研制了气体爆炸震源和多种气动震源。我国20世纪80年代末开始对人工地震处理油藏开展研究和应用。西安石油学院物采实验室开发研制了新一代井下水力震源—DSY地层多级水力震源(图1)。DSY地层多级水力震源是新型高效井下多级水力振动器，油田区块改造增产技术关键设备［1］。在油井中泵入高压大排量水流，DSY 地层多级水力震源能产生巨大水力冲击波和振动弹性波。二种波动在地层中传播，直接影响着岩层内岩石、油、气、水等各类物质微小的变化(邢玉琳等，2001)。振动波作用于地层，使油层内岩石质点、流体随之振动，岩层在振动波作用下渗透率得到提高［8］。原油实验表明，在同样岩层内，有超声波影响比没有超声波影响，岩层渗透率提高402%。振动产生的脉冲压缩波作用于油层，使岩石产生疲劳裂缝，裂隙延伸形成疲劳裂隙网，改善了油层泄油剖面，使岩层渗透率明显改善［9］。强烈振动的波场，尤其是振动的空化作用，使原油分子键断裂，分子量减小，从而降低原油粘度。实验证明振动可降粘40%。振动波具极强穿透力，可穿入岩层孔道内垢层微粒中，使垢层呈微粒状破碎，脱离介质被流体带出，堵塞岩层孔道得到疏通。由于振动波的振荡和空化作用，可使原油中的结蜡有利清除。振动波的机械振动作用、空化作用、热效应，可以降低流体在岩石孔隙中的毛细管压力，降低多相流体的界面张力，改善岩石润湿性，导致油层毛细管内流体易于流动，改善了水驱油的效果，水驱残余饱和度下降，最终提高了采收率。岩芯振动实验表明，振动使岩芯的原油采收率从原来的13.3%提高到53.2%［9］。DSY震源在辽河油田欢2－8－211井试验，作业前产液量2.17 m3/d，产油量0.9 t/d，作业后产液 7 m3/d，产油 3.5 ～4.5 t/d，二个多月不变。青化砭油矿刺250井压裂后生产不正常，长期停产。DSY震源作业后初产油3.0～2.0t/d，一个月后稳产1.0t/d，四个月不变。

图1 DSY地层多级水力震源

2 微生物采油技术

微生物采油技术是一项经济有效的提高原油采收率技术。微生物菌生活在束缚水与原油的界面上，微生物菌以原油中的石蜡为营养物，使长链烃变为短链烃，降低原油粘度，降低残余油饱和度，增加可流动油饱和度，在相同的地层压力下，增加产量。与此同时，微生物菌在油藏中以代数等级分裂并运移。微生物石油菌与原油中的石蜡的代谢物(有机酸如乳酸、醋酸、丁酸等、表明活性剂如糖脂、磷脂、中性脂等、有机溶剂如乙醇、丁醇、丙酮、甲醚等)会帮助激活、清洗岩石表面的含固结、滞留原油的边界层，降低界面张力、疏通注水井井底周围和油藏中的油水流动孔隙通道，降低注水压力梯度，提高注水波及面积，增加产量。同时，微生物在地下代谢过程中产生CO2、H2、N2等气体，对油藏压力增加、残余油滴的捕集起到极好的作用。

微生物采油技术在国内外的油气开发过程中正发挥着越来越重要的作用［10，11］。从1987年8月至1994年7月1日，前苏联鞑靼斯坦罗马什金油田利用微生物增产石油60214 t，微生物增产的油量占总采油量的18.5% ～43.2%;应用微生物提高石油采收率技术在鞑靼斯坦、西西伯利亚和阿塞拜疆各油田共增产石油134900t(1985－1994)，石油产量增加10% ～46%［12］。美国从20世纪90年代开始在2000多口井应用微生物采油技术，在微生物采油实施24个月内平均投入产出比为1∶5。随着科学技术的发展，微生物采油的应用也从过去的单井处理逐渐向整个区块或油田发展，并获得了显著的效果［13］。

我国大部分油田已进入高含水开发阶段，提高采收率技术的研究和应用迫在眉睫［14］。国内油田近年来也广泛采用微生物采油技术，并且取得了良好的效果。1996年5月到年底，胜利油田微生物采油技术研究发展中心先后在胜利、中原、滇黔桂等油田试验微生物采油60余口井、230多井次，有效率达70%以上，累计净增原油8500多吨，取得很好的经济效益［15］。在大港油田本源微生物驱现场试验过程中，随注入水一同注入大量含氮、含磷盐的物质及空气，地层水中嗜热微生物的数量和活性分别增加了103～105倍和10～103倍，结果83%的生产井见到了明显的效果，3年共增油8874吨，投入产出比达到1∶5.2(向廷生等，2004)。在辽河海河油田稠油区块，通过调整培养物配方激活微生物，三次采收率提高了23.7%［16］。在青海油田，2口井的现场试验证明，微生物采油具有良好的提高石油采收率的效果和清蜡减阻效果，2口井低产试验井原油产量分别上升4.1 t和3.8 t，有效期达6个月以上，累计增油达700多吨［17］。

3 水力振动采油微生物技术

由于目前微生物驱油技术还不够完善，物理模拟驱油实验也具有一些局限性［18］，人们提出了将DSY地层多级水力震源与微生物驱油技术各自发挥优势综合应用与油井以进一步提高采收率的方法，即水力振动采油微生物技术。该技术对油田区块通过油层地质、构造特征、油(水)井开发史综合研究，找出制约稳定高产症结，制定方案，对需要施工油(水)井注入稀释的微生物石油菌作前置液，将DSY震源下入目的层振动作业，微生物通过水力喷射冲击波和振动弹性波推动，送到更大半径范围。水力振动和微生物石油菌共同作用，解除堵塞，达到油井增产，水井增注，提高油层采收率，延长区块开发寿命，使油田保持长期稳定高产发展水平。该技术利用水力学原理独特设计，使DSY震源在井下高压大排量水流推动下，同时产生水力喷射冲击波和振动弹性波，二种强劲波动直接作用地层，产生能量集中向波及纵深半径数十米岩层传播，影响岩层油、气、水等物质质点位移、速度、加速度、压力的差异变化，并将微生物向岩层纵深推进，充分发挥双向优势，以疏通孔道，解除堵塞，达到最佳综合效果。机械解堵与生物解堵有机结合，着眼油田区块，针对性强，增产、增注效果突出。该作业属物理和生物法解堵，不产生三废，更不会对地层和周围环境造成任何不良影响和污染，属环保型技术。

长期以来，酸化是油田“三次采油”使用极为普遍的工艺。水力振动采油微生物技术相对酸化有更强的优势(表1)。酸化解堵的同时对岩层骨架造成伤害，严重腐蚀井身套管钢体，稍不留意还会伤及操作人员;酸化后大量废酸排放地面或水塘，给环境带来严重污染。如大庆油田某采油厂2002年全年酸化油(水)井131口，每口井排废酸液20～25 m3，一个采油厂一年排放的废酸液就有2620～3275 m3;大庆油田共有十多个采油厂，每年酸化产生的废酸液达40～50kt，多年下来，往日肥沃的“黑土地”将如何复耕?

表1 振动微生物与酸化对比表

3.1 工作原理

水力振动采油微生物技术的工作原理(图2)主要包括以下两方面:

(1)选择合适的食蜡微生物菌种，降解原油中的一部分长链烷烃为短链烃类，使原油粘度凝固点下降，流动性增强，同时增加原油流动压力，使原油容易被采出。

(2)在油井生产井段下入DSY地层多级水力震源，正对油层，通过高压大排量水流推动，产生水力冲击波和振动弹性波。两种强劲波动在油层中传播，直接影响油层内固体指点、油、气、水和各类堵塞物等物质压力、位移、速度、加速度的微妙变异，造成附着岩层吼道的各类微粒、垢层、堵塞物松动、剥落被流体带走，孔道疏通;另一方面，两种波动推动微生物快速向油层纵深扩散和渗透，共同促使原油采出，使油井获得增产。

图2 水力振动采油微生物技术工作原理框图

3.2 使用条件

(1)水力振动采油微生物技术视油层物性、作业井况可综合应用也可分项使用，该技术不会损害地层和油(水)井，同一口井可反复多次实施。

(2)该技术适用多种类型油气藏，断层少、构造简单、目的层连通性较好的区块［19］以及低渗岩层效果更突出;但以作业井不出砂或出砂少为佳，否则影响震源可靠性。

(3)DSY震源不受环境温度、压力影响，可在任意深的开发井中作业。当注入微生物时井中温度须低于120℃。

(4)震源可以单体，也可串接组合使用，震源组合后振动总能量得到加强。

(5)作业井身须完整，无严重破损，通井无碍后方可作业。

(6)油层含蜡超过5%，含水小于98%，矿化度小于30万ppm时，水力振动配合采油微生物，可以达到双向最佳功效。

3.3 施工工艺

水力振动采油微生物技术，是将微生物注入需要施工的油(水)井，把震源连接在管柱上，下至目的层，正对射开油层直接作业(图3)，疏通孔道，解除堵塞。震源作业施工时，地面设有高压大排量泵，蓄水池，防污循环罐(或专用排污泥浆池)，由高压管线分别连接至井口。

图3 DSY震源现场施工示意图

3.4 施工注意事项

施工设计注意的问题:(1)设计震源位置正对油层，水力锚设置应偏离射孔层1～2 m以上距离;(2)测深短节下应设计2～3根油管;(3)作业泵压较高时，作业管柱、连接短节应用耐高压管材，井口均采用耐高压井口;(4)无特殊情况，洗、压井，通井时严禁用盐水作业。

震源下井注意事项:(1)震源每次下井必须对提吊短节、转换接头严格检查、紧固，保证连接牢靠;(2)震源接入作业管柱下井前检查滑动块是否滑动自如;(3)电测校深与丈量管柱下井深度二者误差超过3时，应检查原因确定其正确性;

振动作业注意事项:(1)作业现场统一指挥，一人施令，令行禁止，严防无序操作，以免造成事故;(2)作业井场高压管线必须连接牢靠，防止滴、漏、爆、冒，严防高压伤人;(3)进出口高压管线最好用硬管线连接，出口要紧牢固死;(4)振动作业充分考虑地层、原油物性特点，选好微生物品种;

4 西区油田庄1井现场试验

4.1 现场试验及监测

西区油田所辖庄1井，原设计为一口探井，2003年3月完井。主力油层为延长组储集层，岩性为细砂岩，油层埋藏深度为1121.9～1128.9 m，厚度7 m，生产井段1121～1127 m。该储集层孔隙度14.3%，渗透率48.3(10－3μm2)，测井显示属低渗透油层。庄1井于2003年12月投产，投产时有一定产量，但维持时间很短，一直是在较低产量下生产。根据已有资料分析可能原因如下:1)该地区储油层非均质性强，油藏常常受岩性控制，天然驱动属弱水压驱动;该井是低渗透岩层，储油和可能供液不足且无充足能量供给，地层能量下降较快，是产量低的主要原因。2)采油时，地层流体渗流过程中一些微粒、污物沉积堵塞孔道，造成后期生产产量下降。3)钻井中泥浆污染、压裂时压裂液污染、后期油井工艺污染等造成污染堵塞;另有油水乳化，造成乳化液堵塞。4)该地区所产原油含蜡较高，原油生产时很容易造成渗滤面蜡堵和管柱结蜡。由于以上原因，可能使得该井井筒表皮、射孔炮眼、压裂通道和油气渗流孔道都有程度不同的污染和堵塞。根据该井原油物性，油井目前生产状况，于2010年10月22日对该井1121.0～1123.0m和1125.5～1127.0m两个射孔层段采用水力振动采油微生物技术进行改造处理，以获增产。

具体施工步骤如下:

(1)将选定的微生物石油菌原液400kg和原井或本层产出水20m3稀释后，从套管注入采油井。然后注入本层产出水9～10m3，关井72 h。

(2)待微生物注入关井期间，地面各项准备工作就绪(蓄水池、排污循环池等备好。)

(3)起出抽油杆，将采油管柱下至目的层，探测砂面，有砂清砂，无砂则用清水洗井一周半。

(4)用Φ118×2000(mm)通井规，通井至人工井底。

(5)起出抽油管柱、抽油泵，备高压振动管柱，准确丈量振动管柱尺寸。

(6)配置震源管柱，按设计把震源管柱下至一定深度，高压泵车上井。

(7)连接地面高压管线、泵车、罐车、井口、排、上水管线等，试压合格后，开泵振动作业。

(8)调整泵压、排量，直到井下震源工作正常，记录作业数据。

(9)间歇式振动作业，每振动1 h停10min，共做4－6个振次，总振动时间4～6 h左右(根据作业实际情况可适当调整振动时间)。

(10)停止振动，泄压，起出振动管柱，取下震源清洗保养。

(11)检修抽油泵、采油管柱、抽油泵、抽油杆，迅速恢复正常抽油作业。每天按生产井录取各类资料，观察分析措施效果。

振动情况记录数据如表2所示:

表2 庄1井振动微生物施工表

4.2 效益分析与建议

庄1井初期经高能气体压裂后，有短期高产，但随后产量极低。注入微生物后，原油粘度下降，流动性能得到改善。加上四次水力振动，储油层的渗滤条件得到较大改善。作业施工完后日产液2～5方，日产油1.1～2.1 t，较施工前提高1～2倍，并且产量稳定持续一个多月，效果较好(图4)。

图4 庄1井振动微生物采油曲线

该采油技术只施工于极少数井，为增强采油效果，应该再选一批井进行施工。并且由于该地区延安组岩层具有弱水敏性，作业时最好使用地层水，防止岩层产生水敏。该地区所产原油含蜡高达20.2%，胶质含量10.57%，凝固点为24℃，这样的原油在生产时容易造成渗滤面蜡堵和管柱结蜡，可以使用微生物吞吐采油，微生物压裂采油和微生物驱等。这样不仅可以改善油井的出油条件，提高原油产量，而且还能提高油田的采收率5%以上。

5 结论

(1)西区油田庄1井应用水力振动采油微生物技术后增产明显。

(2)该技术投入少、产出高，经济效益明显;且对油层和环境无污染，符合国家石油工业可持续发展战略要求。

(3)该技术适用范围广，作用半径大，具有一井作业，区块多井受益的效果，为油田整体开发效益的提高提供了一个有效的途径。

(4)该技术的大规模推广应用，定会对老油田区块增产改造起到促进作用，有望成为“三次采油”作业的下一个新兴产业，必将对石油天然气工业发展起到良好作用。

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