Микробиологические методы увеличения добычи нефти

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ (ПНП)

В течение последних трех десятилетий  происходит непрерывное ухудшение  качественного состояния сырьевой базы нефтедобывающей промышленности России вследствие значительной выработки высокопродуктивных месторождений, находящихся в длительной эксплуатации, открытия месторождений с трудноизвлекаемыми запасами, приуроченными к низкопроницаемым коллекторам, нефтегазовым залежам с обширными подгазовыми и водоплавающими зонами, высоковязкими нефтями, залежами на больших глубинах и с аномальными свойствами нефтей. Всё это привело к тому, что средний проектный коэффициент нефтеизвлечения в 1995 году составил 40%. Поэтому решение проблем повышения эффективности разработки месторождений и создание новых технологий должно способствовать более полному извлечению нефти и, следовательно, стабилизации темпов её добычи.

За последние годы достигнуты определённые успехи в развитии и внедрении  современных методов повышения  извлечения нефти из трудноизвлекаемых запасов. В настоящее время при охвате воздействием более 5 млрд. тонн начальных запасов нефти России, обеспечен прирост извлекаемых запасов более 200 млн. тонн. С 1992 года добыча нефти за счет внедрения новых методов увеличения нефтеотдачи (МУН) в зависимости от способа воздействия на пласты распределяется следующим образом: физико-химические методы – 76,9; термические – 17,4, газовые – 5,7%. Ведущее место в физико-химических методах воздействия на пласт занимают щелочное и полимерное заводнения, а также различные модификации этих методов.

Повышение коэффициента нефтеотдачи достигается различными путями, отличающимися друг от друга методом и механизмом воздействия:

• снижение энергии взаимодействия нефти с породой (закачка водорастворимых НПАВ), щелочей за счет диспергирования нефти, снижение межфазных натяжений (МФН), повышения относительной фазовой проницаемости для нефти и воды, повышение охвата пласта вытеснением;
• изменение вязкости и подвижности вытесняющего агента (растворы полимеров, полидисперсных и газожидкостных систем), приводящего к повышению охвата пласта за счет снижения соотношения подвижностей воды и нефти;
• использование упругих свойств породы и пластовых флюидов (циклическое заводнение с химреагентами), инициирующих упругие силы пластовых флюидов и породы, обеспечивающих межслойный массообмен.

 Методы увеличения  нефтеотдачи – сложные процессы. В их основе лежат сравнительно  малоизученные процессы, эффективность  которых зависит от множества геолого-физических и технологических факторов.

  Современные методы повышения нефтеотдачи пластов классифицируются следующим образом:

- Тепловые методы: паротепловое воздействие на пласт, внутрипластовое горение, вытеснение нефти горячей водой, пароциклические обработки скважин, комбинированное воздействие.

- Газовые методы: воздействие на пласт углеводородным газом, воздействие на пласт диоксидом углерода (смешивающееся/несмешивающееся вытеснение), воздействие на пласт азотом, воздействие на пласт дымовыми газами, водогазовое воздействие (включая двухфазные пенные системы), комбинированное воздействие.

- Физико-химические методы – основаны на создании внутрипластовых оторочек химических композиций (суммарный объем воздействия более 1% порового объема участка-элемента): вытеснение нефти растворами ПАВ, вытеснение нефти растворами полимеров и другими загущающими агентами, вытеснение растворителями, включая мицеллярные растворы, вытеснение нефти щелочными растворами (включая ПАВ-щелочь), вытеснение нефти кислотами, комбинированное воздействие, регулирование внутрипластовых фильтрационных потоков (включая многообъемные осадкогелеобразующие композиции).

- Опытно-экспериментальные методы, включая микробиологическое, волновое, электрическое, площадное воздействие на пласт.

- Методы разработки месторождения, основанные на проектном массовом применении гидроразрывов пластов, горизонтальных и многозабойных скважин.

- Технологии регулирования режимов работы действующей системы разработки месторождений: технологии нестационарного заводнения, гидроразрыв пласта, выравнивание (регулирование) профилей приемистости, водогазоизоляционные работы по отключению отдельных интервалов и пластов, включая ограничение притока подошвенных вод и блокирование газовых конусов, обработка призабойной зоны скважины различными методами (сейсмоакустическое, электрическое, кислотное, ПАВ, растворители и др.), включая системное воздействие на пласт.

- Технологии и методы улучшения действующей системы разработки месторождения: изменение системы заводнения, организация очагов, разрезающих рядов, барьерного заводнения и др. К ним относятся уплотнение сетки скважин и бурение дополнительных скважин, включая вторые стволы и горизонтальные скважины, разукрупнение объектов разработки или их приобщение.

 Полноту извлечения нефти из нефтяной залежи в реальных условиях можно охарактеризовать произведением двух параметров: коэффициента вытеснения нефти вытесняющим агентом и коэффициента охвата пласта воздействием. Поэтому при решении проблемы увеличения нефтеотдачи поиски ведутся в двух направлениях: по увеличению степени промывки пласта, то есть коэффициента вытеснения и по обеспечению более полного охвата разрабатываемого пласта воздействием.

Большая часть  современных технологий увеличения нефтеотдачи пластов направлена на увеличение коэффициента вытеснения. Более скромны достижения в создании технологий, обеспечивающих существенное увеличение коэффициента охвата пласта воздействием. Уменьшение охвата пласта воздействием определяется многими факторами, в том числе: неоднородностью нефтесодержащего коллектора, различием вязкостей нефти и вытесняющих агентов, проявлением аномалий вязкости нефти, геометрической схемой и плотностью размещения скважин. Наиболее важными факторами, значительно снижающими охват пласта воздействием при заводнении, являются неоднородность пластов и физические свойства нефти.

2.ОПЫТ И РЕЗУЛЬТАТЫ  ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО  ВОЗДЕЙСТВИЯ.

  Технология микробиологического  воздействия на пласт имеет  историю, основанную на более чем 50-летнем опыте исследовательских и промысловых испытаний, проведенных в бывшем СССР, США, Чехословакии, Польше, Венгрии, Румынии и др. странах. Метод основан на закачке микроорганизмов в истощенные пласты с целью увеличения нефтеизвлечения за счет создания внутрипластовых биохимических процессов.

В республике Башкортостан накоплен большой опыт микробиологического воздействия. Впервые В. М.Сенюковым и Э.М.Юлбарисовым в 1966-1972 гг. на Арланском месторождении осуществлено внедрение, и поддержание устойчивого биоценоза в жизнедеятельности состоянии при условиях интенсивной разработки пласта в течение длительного времени с большим технологическим и экономическим эффектом.

С 1980 года под руководством  Э.М.Юлбарисова на месторождениях Башкортостана ведутся исследования по созданию, испытанию и внедрению новых технологий микробиологического воздействия на пласт. При этом рекомендованы для промышленного применения:

• Технологии применения геобиореагента для увеличения нефтеотдачи;
• Методы селективной закупорки микробной биомассой высокопроницаемых пропластков с целью увеличения охвата пласта заводнением;
• Технологии обработки терригенных пластов биореагентом комплексного действия.

Технология микробиологического  воздействия на залежь с целью  увеличения нефтеотдачи пластов  может быть реализована по двум направлениям:

• биосинтез микроорганизмов и питательных сред, закачиваемых с поверхности, непосредственно в пласт;
• биосинтез микроорганизмов в промышленных условиях и последующая закачка их растворов в пласт.

 В Татарстане метод  микробиологического воздействия  испытывается по мелассовой технологии с использованием микроорганизмов рода клостридиум. Такие микроорганизмы обеспечивают интенсивное брожение, в процессе которого генерируются органические кислоты, спирты, ПАВ, CO₂, H₂ .

  При реализации  технологического процесса на  установке по приготовлению и закачке культуры клостридиум используются следующие химические реагенты: меласса свекловичная, гидроокись натрия, хлористый аммоний и триполифосфат натрия.

 Опытный участок  по испытанию мелассовой технологии  выбран на залежи № 302.

Схема расположения скважин  опытного участка представлена на рисунке 1.

Опытный участок характеризуется  следующими геолога - физическими параметрами пластов: нефтенасыщенная толщина – 8,3 м , пористость – 11,0%, начальная нефтенасыщенность – 0,79. Нефти башкирских отложений относится к тяжелым, высокосернистым и высоковязким.

 На опытном участке  в период с 1992 по 1994 года обводненность  продукции практически не изменяется и составляет около 70%.

 В течение трех  лет закачано 1010 тонн мелассы.  За этот период дополнительно добыто 4,8 тыс. тонн нефти.

  Кроме того, на  трех опытных участках Сармановской, Зай- Каратайской и Азнакаевской  площадей проводились промысловые  испытания технологии активации пластовой микросферы путем циклической закачки малых обьемов аэрированных растворов минеральных солей в нефтяные коллектора.

    Технологический  эффект от микробиологического  воздействия начал проявляться через 6-10 месяцев. Работы на двух опытных участках Сармановской, Зай- Каратайской площадей закончены по технологическим причинам в 1991 году.

              Рисунок 1- Схема расположения  опытного участка мелассного  заводнения залежи    №302.

Общая дополнительная добыча составила 41,1 тыс. тонн. Доля дополнительной добычи нефти с участков за счет применения метода равна 32,9%.

В настоящее время  проходит испытание модификация  метода активизации пластовой микрофлоры в условиях высокой степени промытости призабойной зоны нагнетательных скважин. На двух опытных участках Зай- Каратайского и Западно- Лениногорской площадей проводятся работы по активизации пластовой микрофлоры с вводом питательных вещества основе углеводородов. Первые результаты испытаний свидетельствуют о технологической и экономической эффективности новых модификаций базовой технологии.

 В Башкортостане  микробиологический метод воздействия  на призабойную зону основан  на способности биоценоза активного  ила размножаться в условиях  пластовой среды, на селективных закупоривающих свойствах биомассы активного ила, способствующих увеличению коэффициента охвата пласта заводнением и на эффекте газовыделения в процессе жизнедеятельности активного ила. В совокупности все это способствует увеличению коэффициента нефтеотдачи пласта. В качестве сырья используется активный ил очистных сооружений биохимических и нефтехимических производств.

         Технология этого метода заключается  в закачке через нагнетательную  скважину 50 м³  активного ила или 1,5 % концентрации, либо 15-25 м³ сгущенного активного ила.

         За 1985-1987 года на месторождениях Башкортостана проведено 27 скважинных операций по закачке активного ила: на четырех скважинах продуктивных песчаников угленосной толщи нижнего карбона Воядинского и Бураевского месторождений, на семнадцати скважинах Юсуповской площади Арланского месторождения и на шести скважинах продуктивных девонских песчаников Северо- Сергеевской площади.

         Эти объекты характеризуются  сложным строением и находятся  на поздней стадии разработки с обводненностью продукции свыше 90%.

          По данным  НПО “Союзнефтеотдача” , на Воядинском и Бураевском месторождениях  в результате микробиологического воздействия за 1988-1989 годы дополнительно добыто 94 тыс. тонн нефти, или 23,5 тыс. тонн на одну скважину.

3.ТЕХНОЛОГИИ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО  ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЛАСТ.

 К эффективным физико-химическим  МУН относится микробиологическое  воздействие. Дополнительное вытеснение  нефти в этих процессах обуславливает  те же механизмы, которые действуют  в физико-химических технологиях.  Преимущество микробиологического воздействия заключается в возможности достижения одновременно нескольких механизмов извлечения нефти, свойственных фихико – химическим процессам.

 Увеличение коэффициента нефтеотдачи  достигается за счет суммарного  эффекта от повышения коэффициента вытеснения и увеличения коэффициента охвата пласта заводнением.

На увеличение коэффициента вытеснения нефти влияют следующие микробиологические факторы:

1. При наличии питательных веществ (белки, углеводы, витамины) бактерии образуют значительное количество газов: N₂ ,H₂ , CO₂, CH₂ , NH₂. Биогазы, растворяясь в нефти, снижают её вязкость, изменяют pH.
2. В результате бактерального обмена образуются биоПАВы, спирты, растворители, которые, снижая поверхностное натяжение, способствуют десорбции нефти из породы.

 Установлено, что  на увеличение охвата пласта заводнением влияют следующие микробиологические факторы:

1. В результате жизнедеятельности микроорганизмов образуются органические и неорганические (угольная) кислоты, которые, взаимодействуя с карбонатными, сульфатными и силикатными минералами породы, выщелачивают их, увеличивая пористость и проницаемость коллектора. Эти реакции могут привести к увеличению охвата пласта заводнением по толщине и по площади.
2. Микроорганизмы в результате жизнедеятельности могут образовывать колонии, которые при закачке в пласт закупоривают высокопроницаемые водопроводящие каналы, в результате чего возможно изменение фильтрационных потоков и увеличение пласта заводнением по площади.

Преимуществом микробиологических методов является то, что они не требуют дорогих реагентов и специального обустройства скважин. Существующая система разработки месторождения до и после микробиологического воздействия сохраняется без изменения.

Известные микробиологические методы воздействия на нефтяные пласты с целью увеличения нефтеотдачи основаны на применении отдельных видов или физиологических групп бактерий, выделенных из естественных сред и выращенных в лаборатории в качестве питательного вещества, используются специально приготовленные растворы – побочный продукт сахарного производства (меласса), а также природные вещества, содержащие в своём составе легкоусваиваемую часть.

По лабораторным и  промысловым оценкам зарубежных и российских исследователей прирост нефтеотдачи составляет 10-30%.

В таблице 1 приведены  наиболее перспективные направления использования микробиологических процессов для обработки пластов и скважин с целью повышения нефтеотдачи и интенсификации добычи нефти, выявленных на основе анализа отечественных и зарубежных исследований.

Таблица 1 – Микробиологические методы увеличения нефтеотдачи пластов и интенсификации нефти

Большинство вошедших в  практику нефтедобычи микробиологических методов предусматривают введение в пласты микроорганизмов и питательных веществ для их жизнедеятельности и генерации продуктов, влияющих на подвижность пластовых жидкостей.

3.1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

3.1.1Технология микробиологического  воздействия на пласт основана  на закачке биомассы микроорганизмов в нагнетательные скважины на месторждениях средней и поздней стадии разработки, где низка эффективность заводнения.

3.1.2Технология закачки  биореагента не требует дополнительного  переоборудования скважин и обустройства нагнетательных скважин, но требует выбора и подготовки нагнетательных скважин к исследованиям.

3.1.3 Первые опытные  закачки были начаты в 1991-1992 годах в НГДУ “Чекмагушнефть”. В 1993 году опытные работы были продолжены на Шкаповском, Бураевском, Северо-Сергеевском, Уршакском месторожениями и Юсуповской площади. В 1994 году была проведена циклическая закачка через БКНС в 10 нагнетательных скважин Волковского месторождения.

3.2 КРИТЕРИИ ПОДБОРА  ОБЪЕКТОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ

3.3 ТРЕБОВАНИЯ К БИОРЕАГЕНТУ

3.3.1 Для биовоздействия  на пласт используется сухой  активный ил, являющийся продуктом микробиологических производств. Реагент получают путем сгущения и сушки биомассы активного ила.

3.3.2Сухой ил должен  соответствовать следующим нормам  требований:

• Отсутствие патогенных для людей и животных микроорганизмов;
• нетоксичный;
• внешний вид – порошок или гранулы;
• массовая доля влаги – не более 12%;
• массовая доля сырого протеина – не менее 30%.

САИ упаковывают в  бумажные мешки. Масса одного мешка 15-25 кг.

Кормовой гидролизный сахар (УМД) используется как катализатор биохимического процессов. УМД имеет удельный вес 1,25 г/см³, вязкость 70-100 сек. Основным компонентом УМД являются моносахариды, органические кислоты, макро- и микроэлементы.

УМД поставляется в цистернах.

3.4 ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ  И ОБОРУДОВАНИЕ

3.4.1 Перед закачкой  биореагента необходимо определить  состояние цементного камня, обсадной колонны и устьевой запорно-регулирующей арматуры скважины, определить состояние цементного камня методами СГДТ, АКЦ, ВТ, проверить герметичность обсадной колонны, проверить отсутствие заколонных перетоков.

Нагнетательные скважины выбираются для закачки биореагента, имеющие качественное крепление  заколонного пространства за всеми  обсадными колоннами до устья, герметичность обсадной колонны и индивидуальный учет затрачиваемой воды. Нагнетательная скважина должна быть оборудована НКТ с пакером.

3.4.2 За 48 часов перед  проведением обработки замеряется  приемистость, КВД, снимается профиль приемистости, определяется устьевое давление.

3.4.3 Применяемое техническое  средство:

• цементировочный агрегат типа ЦА-20М, 3ЦА-400А, 4АМ-700;
• автоцистерна типа АЦ-8, АЦ-10;
• емкость металлическая для приготовления раствора биореагента объёмом 1,5 м³. Емкость должна иметь перегородку, с перфорацией в нижней части (диаметр отверствия не более 0,5 см.);
• бортовой автомобиль для доставки реагента к устью скважины.
4. Обвязка устья скважины и наземного оборудования приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема биообработки нагнетательной скважины

Устье скважины обвязывают цементировочным агрегатом линии  высокого давления.

Приемный шланг насосного агрегата помещают в малый отсек емкости для приготовления раствора реагента. Вода подаётся в большой отсек емкости из водовода или автоцистерны.

5. При закачке биореагента на нагнетательной линии у устья скважины должен быть установлен обратный клапан.
6. Нагнетательная система после сборки до начала закачки должна быть опрессована на полутократное ожидаемое рабочее давление.
5. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ СКВАЖИНЫ

3.5.1 До закачки биореагентов  в нагнетательную скважину вводится  оторочка пресной воды (8-16 м³). Процесс приготовления рабочего раствора биореагента и закачка его в скважину производится одновременно.

В большой отсек емкости  для приготовления рабочего раствора вносится САИ из мешков, подается пресная  вода и гидролизный сахар из цистерны. Концентрация реагента в рабочем растворе не должна превышать 10% по сухому веществу.

Перемешивание раствора осуществляется напором подаваемой воды.

Суспензия биореагентов поступает в насосный агрегат  с малого отсека емкости – смесителя.

После продавки раствора биореагентов в скважину закачивают отрочку пресной воды (8 м³) и скважину закрывают на 24-48 часов для активизации микробиологического процесса. После реагирования скважину вновь подключают к водоводу.

3.5.2 В течении месяца  после обработки проводятся гидродинамические исследования скважины согласно пункту 3.4.2.

3.5.3 В период биовоздействия  на пласт не допускается искусственное  изменение режима работы нагнетательных и эксплуатационных скважин опытного участка.

3.5.4 Расходы реагента.

При осуществлении технологического процесса масса биореагента рассчитывается по формуле:

V=0,5*H, т

где H – общая толщина пласта, м.

Например, для приготовления 20 м³ биореагента потребуется 400 кг микробной биомассы.

4.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  БИОРЕАГЕНТОВ

При разработке рецептур биореагентов для закачивания в пласт предпочтительны смешанные культуры (ассоциации) микроорганизмов перед чистыми: в этом случае обеспечивается более глубокое течение биохимических реакций в пластах (продукты жизнедеятельности одних групп микроорганизмов являются питательным субстратом для других; биоценоз менее подвержен стрессовым ситуациям, возникающим в новой среде обитания).

Питательные вещества должны содержать необходимые для построения клетки компоненты, которые отсутствуют в пласте. Кроме органического вещества требуется наличие ряда важнейших биогенных элементов (N, S, P, K, Ca, Mg, Cl, Fe и др.) и так называемых ростовых веществ и витаминов (тиамина, рибофлавина, К, В6, В12 и др.). Даже при правильном подборе микроорганизмов и питательных веществ одной из важнейших остается проблема адаптации микроорганизмов к пластовой экосистеме.

Активным началом агента воздействия в технологиях являются экспериментально подбираемые ассоциации из различных групп аэробных и анаэробных микроорганизмов, составляющих естественно сложившийся биоценоз природного и промышленного генезиса. Источником дополнительного извлечения углеводородов при помощи микроорганизмов служит сама остаточная нефть, а субстратом для биохимических реакций такие возобновляемые нетрадиционные его виды, как торф, биогенный ил, органическое вещество отходов крупных промышленных и сельскохозяйственных предприятий.

В 1980-1990 гг. для селективной  закупорки высокопроницаемых промытых пропластков применяли биореагента, приготовленный на основе избыточного активного ила станции биологической очистки сточных вод Башкирского биохимического комбината по производству белково-витаминных концентратов.

Действие станций биологической  очистки основано на разложении и  удалении коллоидных и растворенных органических веществ из сточных вод смешанными культурами микроорганизмов. В качестве исходной биологической затравки служат содержащиеся в стоках многочисленные группы бактерий и простейших, на основе которых удается вывести желаемый биоценоз микроорганизмов. Спустя некоторое время созревает устойчивый активный ил, по существу представляющий собой биомассу микроорганизмов и простейших. Взвесь колоний бактерий называют активным илом в силу её чрезвычайно высокой способности извлекать органические загрязнения из сточной воды.

Использованный для  обработки скважин активный ил Башкирского  биохимического комбината имел следующую характеристику:

Пробы активного ила  изучали как с помощью оптической и электронной микроскопии, так и с использованием других физико-химических методов, а также при культивировании на твердых и жидких питательных средах.

В исследованных пробах выявлены различные физиологические  группы микроорганизмов и простейших: водоросли, дрожжи, дрожжеподобные грибки кандида, спириллы, коринебактерии, микобактерии, вибрионы, железебактерии, аэробные (углеводородокисляющие) и анаэробные бактерии (хемоорганотрофы, бродильные, метанобразующие), фаги. Показано, что обнаруженные микроорганизмы разнообразны по строению клеток, окраске по Граму, потребностям в питательных веществах и другим признакам. В целом клеточные популяции различных физиологических групп полиморфны. Средний размер бактерий, имеющих сферическую форму, 0,6-1,0 мкм² , нитевидных – более 10 мкм², размер колоний и хлопьев может достигать 100 мкм². Размножение происходит путем бинарного деления и почкования. У некоторых микроорганизмов имеется полимерное вещество в виде капсулы, микрокапсулы, в культурах – внеклеточной слизи.