一種向地層中輸送微生物的方法

一種向地層中輸送微生物的方法
【專利摘要】本發明提供一種向地層中輸送微生物的方法，所述方法利用通過水力壓裂技術用粘性流體攜帶微生物進入地層，其中，對所述微生物進行預處理，以使微生物的存在形式為營養體細胞懸液、饑餓期細胞懸液、芽孢懸液中的至少一種。本發明的方法通過水力壓裂技術實現攜帶微生物進入地層深部，并對微生物做適當的預處理從而獲得更高的輸送效率，使微生物的抗壓性、運移能力更好，成活率更高。本方法的提出有利于保障地層深部運用微生物進行相關工程技術作業，尤其是有利于微生物改善壓裂井產能、提高原油采收率等領域的運用。
【專利說明】—種向地層中輸送微生物的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及地質微生物學工程應用領域的一種輸送微生物的方法，進一步地說，是涉及一種向地層中輸送微生物的方法。
【背景技術】
[0002]微生物采油技術具有投資少，經濟環保、有效期長的特點，其機理一般認為來自兩大方面:即微生物菌體本身的作用和微生物代謝產物的作用，前者主要包括微生物菌體的物理作用和微生物對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種代謝產物，如生物表面活性物質、小分子有機酸、氣體、有機溶劑、生物聚合物等。微生物代謝及其代謝產物的作用對象可以是地層流體(地層水、原油或者氣體)，也可以是孔隙介質(巖石)。因此，通過水力壓裂技術將微生物攜帶進入地層深部，有利于微生物在地層中原位生長和代謝生成有益代謝產物，改善壓裂井產量，提高油氣采收率。油藏殘余油生物甲烷化技術是一項具有前瞻性的研究課題，已經受到美國、加拿大等發達國家的重視和關注。油藏殘余油生物甲烷化技術是指:將油藏作為一個巨大的生物反應器，通過產甲烷微生物菌群的代謝活動，將油藏中常規開采方法難以經濟采出的殘余油就地降解轉化為天然氣(甲烷)，再以天然氣的形式開采出來，或者作為戰略資源就地儲備，從而大幅度提高油氣資源的利用效率和開采水平，進一步延長油藏的開發壽命。可見，通過微生物的作用能改變地層流體的物理、化學屬性和存在形式，提高油氣產量，有重大的理論和現實意義。隨著常規能源的開發，非常規油氣資源的開發越來越受到人們的重視，低滲透油藏、頁巖氣、煤層氣等非常規油氣資源的開發都需要壓裂技術的支持，然而，由于地層往往為致密的多孔介質，孔隙度和滲透率都較低，使得微生物在地層中的輸送和運移都有一定的難度，限制了生物技術在地層中各類應用技術的發展。
[0003]中國專利申請CN101880523A中提出了一種利用酶-微生物偶聯實現壓裂液破膠的技術，在壓裂過程通過微生物和酶聯合作用強化破膠效果。通過高效破膠酶和微生物偶聯處理壓裂液，實現更高的破膠效率，降低壓裂殘渣。其中所述的微生物，是利用粘性流體將其攜帶進入壓裂裂縫區域，其主要目的是用于胍膠或其他植物膠壓裂液破膠，從而使壓裂工作液獲得更高的破膠和返排效率。現有技術主要作用于壓裂液返排前，施工中的破膠時間相對較短，微生物發生作用有限。
[0004]中國專利申請CN101699026A中提出一種在低滲油藏進行微生物采油技術的方法。該技術主要利用油田注水驅油工藝，在注入水中添加微生物菌種，利用其特征代謝產物如酸、氣體、生物表面活性劑、溶劑等改善低滲透油藏的開發效果，現有技術由于低滲油藏滲透率較低，常規微生物注入困難，無法實現有效的運移，更易在近井地帶形成菌體濾餅，該技術中雖然提出可在壓裂井應用微生物采油技術，但并未具體提出利用水力壓裂輸送菌種的實際方法。

【發明內容】
[0005]為解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種向地層中輸送微生物的方法，該方法通過水力壓裂技術攜帶微生物進入地層深部，并對微生物做了適當的預處理從而獲得更高的輸送效率。
[0006]本發明的一種向地層中輸送微生物的方法是通過水力壓裂技術用粘性流體攜帶微生物進入地層的方法，其中要對所述微生物進行預處理，以使微生物的存在形式為營養體細胞懸液、饑餓期細胞懸液、芽孢懸液中的至少一種；優選饑餓期細胞懸液、芽孢懸液中的至少一種。
[0007]所述的輸送微生物，是將微生物混合于粘性流體中，通過水力壓裂過程中的擠注作用將微生物攜帶注入地層的多孔介質空間中。
[0008]以體積比計，所述微生物懸液的使用量為所述粘性流體體積的0.1%?20%，優選為 1.0% "10.0%，更優選為 1.0% ?6.0%。
[0009]進一步地，所述的微生物，可考慮選自能夠耐受2(T8(TC，8()MPa，礦化度100000mg/L的細菌、真菌、古菌中的至少一種。具體操作中，可根據實際施工的目標地層條件和施工目的而培養合適的菌種懸液。
[0010]其中，
[0011]所述營養體細胞懸液是指將經發酵制備的微生物菌液，再經離心，收集菌體，用溶劑分散并配制為營養體細胞濃度為1.0X10Pl.0X101(lCFU/ml的細胞懸液，濃度更優選為1.0X107?1.0X109CFU/ml。
[0012]所述營養體細胞懸液主要適用于菌體較小的微生物，如球菌或短桿菌，通過反復離心洗滌去除菌體胞外附著物后使菌體均勻分散于溶劑中以制備營養體細胞懸液。
[0013]具體地,所述營養體細胞懸液中所用的微生物可選自芽孢桿菌屬(Bacillus)微生物或紅球菌屬(Rhodococcus)微生物中的至少一種；優選枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis),莫哈維芽抱桿菌(Bacillus mohjavens)和赤紅球菌(Rhodococc ruber)中的至少一種；
[0014]所述饑餓期細胞懸液是指將經發酵制備的微生物菌液，再經離心，收集菌體，以無菌水重懸浮，靜置3?10天使懸液中的細胞進入饑餓期，用溶劑配制為饑餓期細胞濃度為1.0X IO7?1.0X 1010CFU/ml 的細胞懸液，濃度更優選為 1.0X IO7?1.0X 109CFU/ml。
[0015]所述饑餓期細胞懸液主要適用于菌體較大的微生物，如芽孢桿菌屬(Baci I Ius )微生物、地芽孢桿菌屬(Geobacillus)微生物等，通過制備饑餓期細胞可減小菌體體積再行制備懸液，可提高菌體的輸送效率。
[0016]具體地，所述饑餓期細胞懸液中所用的微生物選自芽孢桿菌屬(Bacillus)微生物、地芽孢桿菌屬(Geobacillus)微生物中的至少一種，優選芽孢桿菌屬(Bacillus)微生物，更優選枯草芽抱桿菌(Bacillus subtilis)和莫哈維芽抱桿菌(Bacillus mohjavens)中的一種。
[0017]所述芽孢懸液是將經發酵制備的微生物菌液靜置3天?10天使芽孢形成率達到95%以上，置于30°C?100°C水浴中ImirTlOOmin殺滅殘余營養體細胞，待冷至室溫后，用溶劑配制為芽孢濃度為I X 106?I X IO12CFUM的懸液，濃度優選為lXl(riX101(lCFU/ml，更優選 I X IO8?I X 1010CFU/ml。
[0018]所述芽孢懸液主要適用于能夠產生芽孢的微生物品種，如芽孢桿菌屬(Bacillus)微生物、梭狀芽孢桿菌屬(Clostridium)微生物等,優選芽孢桿菌屬(Bacillus)微生物,更優選枯草芽抱桿菌(Bacillus subtilis)和莫哈維芽抱桿菌(Bacillus mohjavens)中的至少一種。
[0019] 微生物產生的芽孢不僅物理體積小，在多孔介質中運移性能突出，而且能夠很好的耐受極端條件(酸堿、高溫、強氧化劑等)，能夠很好適應壓裂施工中同步注入微生物的需要。
[0020]微生物本身的菌體尺寸越大，越容易在多孔介質中造成吸附，從而降低了其在多孔介質中的運移能力。菌體較小的營養體細胞、饑餓期細胞和芽孢由于其體積較小，因而在多孔介質中有著更強的運移能力。
[0021]所述的溶劑選自無菌水、自來水、油田回注污水中的至少一種。
[0022]所述的水力壓裂技術，在于通過高壓泵向地層連續擠注粘性流體而使地層中被壓開裂縫，后續粘性流體的擠注會使裂縫延伸、擴張，攜帶固體支撐劑的粘性流體進入裂縫，以固體支撐劑將裂縫支撐起來，從而在地層中形成支撐裂縫。
[0023]所述的粘性流體可選擇本領域常用的粘性流體，如可選自水基流體、油基流體、酸基流體、醇基流體、泡沫基流體和油水乳狀液流體中的一種；
[0024]具體地，
[0025]所述粘性流體可選自交聯植物膠凍膠、交聯合成聚合物凍膠、蠕蟲狀膠束表面活性劑溶液、滑溜水中的一種；
[0026]所述的交聯植物膠凍膠、交聯合成聚合物凍膠、蠕蟲狀膠束表面活性劑溶液，在地層溫度下，1708^1剪切速率下2小時后黏度大于50mPa.s ；
[0027]所述的滑溜水，在地層溫度下，170s-1剪切速率下2小時后黏度約為15mPa.S。
[0028]其中所述的固體支撐劑包括但不限于石英砂、人造陶粒、樹脂包層砂和它們的混合物。
[0029]其中所述的地層，包括地下砂巖地層、碳酸鹽地層、火成巖地層、泥頁巖地層中的至少一種。
[0030]為了更好滿足微生物生長和代謝需求，所述地層應滿足如下條件:溫度< 80°C;壓力< 80MPa，優選壓力< 20MPa ;礦化度< 100000mg/L，優選礦化度< 4000mg/L，滲透率>IOmDa0
[0031]本發明的方法，可與壓裂過程同步使用或在壓裂過程結束后使用，分別介紹如下:
[0032]與壓裂過程同步使用本方法時，具體步驟包括:
[0033]I)配制粘性流體，將所述微生物懸液按相對于粘性流體的0.1%~20%的體積比例注入粘性流體中，攪拌均勻；其中，所述微生物懸液相對于粘性流體的體積比例優選1%~10%，更優選1%~6% ；
[0034]2)將加入了微生物懸液的粘性流體通過高壓泵車組向地層內擠注，壓開地層并延伸裂縫；
[0035]3)停止泵送，等待裂縫在地層壓力作用下閉合，并使微生物隨粘性流體進入地層空間內。
[0036]在壓裂過程結束后使用本方法時，具體步驟包括:[0037]I)配制粘性流體，通過高壓泵車組向地層內擠注粘性流體，壓開地層并延伸裂縫；
[0038]2)攜帶固體支撐劑的粘性流體進入裂縫，以固體支撐劑將裂縫支撐起來，從而在地層中形成支撐裂縫，從而建立微生物滲流通道；
[0039]3)將所述微生物懸液按相對于粘性流體的0.1%~20%的體積比例注入粘性流體中，攪拌均勻，用地面泵送設備泵送該加有微生物懸液的粘性流體通過支撐裂縫進入地層空間內。其中，所述微生物懸液相對于粘性流體的體積比例優選1%~10%，更優選1%飛％。
[0040]在具體施工中，可根據實際施工情況，靈活選擇是與壓裂過程同步使用或是在壓裂過程結束后使用，例如:
[0041]對于壓裂油氣井(采出液體)，由于微生物無法通過后續注入手段進入地層，則適用于壓裂同步輸送技術，即在壓裂的同時向地層中輸送微生物，不僅可起到輔助破膠，降低壓裂殘渣的目的，還可以對人造裂縫中的重質油相造成的地層傷害起到一定的緩解和修復作用，維持地層長期導流能力。[0042]而對于實施壓裂施工的注水井，由于后續生產中仍會進行注水作業，因此適用于采用壓裂后輸送的技術。
[0043]本發明主要是依靠現有水力壓裂技術的方法向地層深部高效的輸送微生物菌體，由于水力壓裂中的高壓作用，要求微生物菌劑必須有較好的抗壓性能，因此主要選用芽孢作為菌劑形式；在裂縫體形成后，主要依靠高滲支撐劑填充層輸送微生物菌劑，可選用營養體細胞、饑餓期細胞、芽孢等作為微生物菌劑的主要形式，從而在多孔介質中獲得較高運移能力的，直達地層深部。
[0044]本發明致力于提高向地層深部輸送微生物的效率。通過對微生物菌體進行適當的預處理，使其更有利于在多孔介質中的運移，而且使微生物的抗壓性、運移能力更好，成活
率更高。
[0045]本發明的方法通過粘性流體和固體支撐劑(或僅通過粘性流體)形成水力壓裂裂縫，克服微生物只能沿多孔介質空間緩慢運移進入地層的不足，并通過流體攜帶的方式，實現了在裂縫前緣直接輸送微生物菌劑的方式；而且，在具體施工中，施工方式更靈活，可以與壓裂同時進行，或是在壓裂后再將微生物注入裂縫；本發明適用的油田可是低滲油藏，也可以是常規油藏。并且對于常規油藏，壓裂輔助技術同樣可以較大幅度的提高微生物運移和輸送的效率。使得在地層中輸送微生物菌劑的深度和廣度進一步提高，而且應用范圍更廣。
[0046]全球能源日趨短缺，如何大規模開發非常規油氣藏成為能源行業關注的焦點，而在開采過程中，新技術及新工藝的創新問題日顯突出。技術是能源資源開發的核心，不僅要重視提高油氣采收率的技術，更要關注油氣儲層的改造技術。壓裂技術在低滲透油氣藏、煤層氣、頁巖氣等領域有著無法替代的應用，因而，研發高效的壓裂配套技術工藝，改善壓裂施工效果，在非常規能源開發活動中有著廣闊的應用前景。本發明作為壓裂工藝配套技術，用于儲層改造施工中，可以實現更高效地輸送微生物的目的，從而有利于更好地發揮微生物在處理如壓裂作業污染、解除原油重質組分污染等造成的裂縫體導流能力傷害等地層深部作業的作用。進一步地，本發明的提出有利于保障地層深部運用微生物進行相關工程技術作業，如微生物采油，環境污染物的原位生物修復和沉積有機物生物氣化等技術的發展，尤其是有利于微生物改善壓裂井產能、提高原油采收率等領域的運用，適于推廣應用。【具體實施方式】
[0047]下面結合實施例，進一步說明本發明。
[0048]實施例1
[0049]芽孢液的制各:詵用枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis ATCC21332)和莫哈維芽抱桿菌(Bacillus mohjavens ATCC39037),分別按照 Lin, S.C.，Minton, M.A., Sharma, Μ.Μ., Georgiou, G.1994.Structural and immunological characterizationof a biosurfactant produced by Bacillus licheniformis JF-2.Appl EnvironMicrobiol, 60 (I), 31-8.和 Sun, H., Bie, X., Lu, F., Lu, Y., ffu, Y., Lu, Z.2009.Enhancementof surfactin production of Bacillus subtilis fmbR by replacement of the nativepromoter with the Pspac promoter.Can J Microbiol, 55(8), 1003-6.中的方法培養營養體細胞，將制備的營養體細胞靜置3天~10天，使芽孢形成率分別達到95%和98%，置于30°C ~10(TC水浴中ImirTlOOmin殺滅殘余營養體細胞，待冷至室溫后，以無菌水制備為
1.0X 109CFU/mL濃度的芽孢懸液。
[0050]實施例2
[0051]饑餓期細胞懸浮液的制備:按照實施例1中培養營養體細胞的方法分別制備枯草芽抱桿菌(Bacillus subtilis ATCC21332)和莫哈維芽抱桿菌(Bacillus mohjavensATCC39037)的營養體細胞培養液。離心收集菌體以無菌水重懸浮，靜置不同天數使懸液中的細胞進入饑餓期，制備1.0X 108CFU/mL濃度的饑餓期細胞懸液，利用光學顯微鏡觀察鏡下饑餓期菌體形態與正常營養體細胞菌體比較，實驗結果見表1。
[0052]表1營養體細胞與饑餓期細胞菌體形態比較
【權利要求】
1.一種向地層中輸送微生物的方法，所述方法通過水力壓裂技術用粘性流體攜帶微生物進入地層，其特征在于: 所述微生物的存在形式為微生物懸液，選自營養體細胞懸液、饑餓期細胞懸液、芽孢懸液中的至少一種； 所述微生物懸液的使用量為所述粘性流體使用量體積的0.1%~20%。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于: 所述微生物懸液的使用量為所述粘性流體使用量體積的1.0% ^10.0%。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于: 所述營養體細胞懸液是指將經發酵制備的微生物菌液，再經離心，收集菌體，再用溶劑分散并配制為營養體細胞濃度為1.0X 107~1.0X 101(lCFU/ml的細胞懸液； 其中，所述營養體細胞懸液中所用的微生物選自芽孢桿菌(Bacillus)或紅球菌(Rhodococcus)中的至少一種。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于: 所述饑餓期細胞懸液是指將經發酵制備的微生物菌液，再經離心，收集菌體，以無菌水重懸浮，靜置3~10天使懸液中的細胞進入饑餓期，用溶劑配制為饑餓期細胞濃度為.1.0X107~1.0X10lclCFU/ml 的細胞懸液； 其中，所述饑餓期細胞懸液中所用的微生物選自芽孢桿菌(Bacillus)、地芽孢桿菌(Geobacillus)中的至少一種。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于: 所述芽孢懸液是將經發酵制備的微生物菌液靜置3~10天使芽孢形成率達到95%以上后，再置于3(T10(TC水浴中f IOOmin殺滅殘余營養體細胞，待冷至室溫后，用溶劑配制為芽孢濃度為1.0X IO6~1.0X 1012CFU/ml的懸液； 其中，所述芽孢懸液中所用的微生物選自芽孢桿菌(Bacillus)、梭狀芽孢桿菌(Clostridium)中的至少一種。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于: 所述營養體細胞懸液中所用的微生物選自枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis),莫哈維芽抱桿菌(Bacillus mohjavens)和赤紅球菌(Rhodococc ruber)中的至少一種； 所述饑餓期細胞懸液中所用的微生物選自枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)和莫哈維芽抱桿菌(Bacillus mohjavens)中的至少一種； 所述芽孢懸液中所用的微生物選自枯草芽孢桿菌(Bacil Ius subtil is)和莫哈維芽孢桿菌(Bacillus mohjavens)中的至少一種。
7.如權利要求3、之一所述的方法,其特征在于: 所述的溶劑選自無菌水、自來水、油田回注污水中的至少一種。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于: 所述粘性流體選自交聯植物膠凍膠、交聯合成聚合物凍膠、蠕蟲狀膠束表面活性劑溶液、滑溜水中的一種。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述方法可與壓裂過程同步使用，具體步驟包括: I)配制粘性流體,將所述微生物懸液按相對于粘性流體的0.1%~20%的體積比例注入粘性流體中，攪拌均勻； 2)將加入了微生物懸液的粘性流體通過高壓泵車組向地層內擠注，壓開地層并延伸裂縫； 3)停止泵送，等待裂縫在地層壓力作用下閉合，并使微生物隨粘性流體進入地層空間內。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于:可在壓裂過程結束后使用所述方法，具體步驟包括: 1)配制粘性流體，通過高壓泵車組向地層內擠注粘性流體，壓開地層并延伸裂縫； 2)攜帶固體支撐劑的粘性流體進入裂縫，以固體支撐劑將裂縫支撐起來，從而在地層中形成支撐裂縫，從而建立微生物滲流通道； 3)將所述微生物懸液按相對于粘性流體的0.1%"20%的體積比例注入粘性流體中，攪拌均勻，用地面泵送設備泵送該加有微生物懸液的粘性流體通過支撐裂縫進入地層空間內。
【文檔編號】E21B43/267GK103912249SQ201310007147
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年1月9日 優先權日:2013年1月9日
【發明者】鄭承綱, 李宗田, 蘇建政, 張汝生, 劉長印, 趙夢云, 黃志文, 孫志宇, 林鑫, 賀甲元, 楊科峰 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院