Полная версия

Главная arrow География arrow Биотехнология нефтедобычи: принципы и применение

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

О роли микроорганизмов в разрушении структуры породы нефтяного пласта

До настоящего времени одна из практических мер предварительной подготовки поверхностных и промысловых сточных вод для закачки в нефтяные пласты при заводнении состоит в максимально полном освобождении от кислорода и микроорганизмов. В противоположность этому все современные биотехнологические методы повышения нефтеотдачи предполагают введение извне в пласт микроорганизмов-проду-центов агентов вытеснения нефти (газов, биоПАВ, растворителей, биозагустителей и др.) и интенсификацию их жизнедеятельности. Естественно при этом полагать, что микроорганизмы, как живые системы, могут оказывать воздействие на нефтяной коллектор не только путем интенсификации биокоррозии, но и участвовать в другого рода геохимических процессах, конечным итогом которого является разрушение породообразующих минералов.

С начала вскрытия нефтяного пласта и его эксплуатации с использованием вторичных и третичных методов воздействия он превращается в открытую проточную систему, в которую на входе вводятся поверхностные воды и различные агенты воздействия - щелочи и кислоты, ПАВ и полимеры, другие органические соединения. Но одновременно в составе этих соединений в пласт, как правило, попадают микроорганизмы. В призабойных зонах скважин они выживают и адаптируются к реальным физико-химическим условиям пласта, начинают осуществлять свою жизнедеятельность. Со временем при благоприятных физико-химических условиях микроорганизмы могут распространяться по всему нефтяному коллектору и заселять не только призабойные зоны нагнетательных скважин (т.н. зона окисления), но и зоны, достаточно удаленные от забоя (т.н. зона восстановления).

Специфика нефтяного пласта как среды обитания микроорганизмов состоит в том, что он представляет собой 3-фазную систему с очень развитой твердой поверхностью, которая соседствует с жидкой и газовой фазами. После вскрытия и начала технологического воздействия (закачка поверхностных вод и др.) нефтяной пласт постепенно преобразуется и модифицируется в 4-фазную полидисперсную систему, в которой дополнительно к естественным трем фазам формируется биогенная фаза -так называемая биопленка (комплекс аэробных и анаэробных микроорганизмов). Начинает функционировать «биореактор», в котором осуществляются сложные процессы превращения неорганических и органических веществ, как вносимых извне, так и пластовых (см. рис. 6, 12). С этого периода микроорганизмы наряду с физико-химическими факторами превращаются в мощный биогеологический фактор воздействия на нефтяной коллектор. Это приводит к преобразованию фаз, в том числе и нефтесодержащих пород. Одним из проявлений такого воздействия является разложение (выщелачивание) минералов, цементирующих породы коллектора.

Процесс выщелачивания минералов, цементирующих породы, независимо от их характера, может включать физико-химические (абиотические) и микробиологические (биотические) факторы, а также их совместное воздействие (рис. 19).

Среди физико-химических процессов выветривания значительная роль принадлежит процессам гидролиза. Гидролиз, выщелачивание водой минеральных солей, является основным химическим механизмом выветривания силикатов. Это было подтверждено экспериментами на моделях нефтяного пласта. В условиях нефтяного пласта выщелачивание породы может проявляться с началом использования заводнения, а интенсивность выщелачивания при прочих равных условиях - временем эксплуатации. Так, с увеличением глинистости и мелкозернистых фракций в скелете пористой среды увеличивается удельная поверхность контакта агентов выщелачивания и породообразующих минералов, что способствует повышению количества выносимой с нефтяной фазой микрочастиц. Количество микрочастиц, выделенных из продукции скважин двух различных месторождений, разрабатываемых методом заводнения, отличаются длительностью эксплуатации. Так, в продукции скважин месторождения Балаханы-Сабунчи-Раманы, разрабатывающиеся свыше ста лет, содержание частиц пород составляло 32-136 мг/л, а в месторождении Гюнешли, эксплуатирующиеся с 1979 г., содержание частиц составило всего 0,02-0,08 мг/л. Масштабы выщелачивания нередко весьма внушительны: например, в центральной части Волго-Камского района с 1 км2 ежегодно выносятся около 3,5 т растворимых солей.

Возрастанию скорости гидролиза будут благоприятствовать низкие значения pH в микрозонах пласта, а также присутствие кислых анионов. С повышением температуры пласта скорость гидролиза минеральных элементов будет ускоряться - она должна удваиваться при повышении температуры пласта с 26 до 30дС. Выщелачивание породообразующих минералов с преобладанием механизма гидролиза может начинаться с началом интенсивного внутриконтурного заводнения коллектора -наиболее интенсивно будут выщелачиваться минералы, содержащие К, Са и Мд в обменной или изоморфно замещенной форме.

Агентами разрушения пород непосредственно могут быть также различные реагенты, например, растворы соляной или серной кислот, карбонизированная вода, СО2 и др., используемые в технологических процессах для обработки призабойных зон скважин, а также продукты, образующиеся при взаимодействии этих соединений с углеводородами, например, сульфокислоты. Методы вытеснения нефти мицеллярными растворами включают использование изопропилового, бутилового, гексилового спирта. Они непосредственно, а также их окисленные продукты, в свою очередь, могут оказывать растворяющее действие на породообразующие минералы.

Схема воздействия гидрохимических и микробиологических факторов на структуру породы-коллектора нефти при технологических воздействиях на пласт

Рис. 19. Схема воздействия гидрохимических и микробиологических факторов на структуру породы-коллектора нефти при технологических воздействиях на пласт: а - прямое и б - опосредованное воздействие микроорганизмов на выщелачивание

Через 1-2 года после начала заводнения поверхностными водами в случае интенсивного развития микроорганизмов (их численность может достигать до 103 - 105 кл/мл) в нефтяном пласте технические и физико-химические процессы выщелачивания минеральных элементов могут дополняться и сочетаться микробиологическими. В чем же суть и основные закономерности микробного выщелачивания минералов в нефтяном пласте?

Для поддержания своей жизнедеятельности в условиях нефтяного пласта микроорганизмам, как и всем живым существам, наряду с органическими соединениями необходимы и минеральные.

Процесс выщелачивания приобретает жизненно важное значение для микроорганизмов как фактор, обеспечивающий их элементами минерального питания. В условиях пласта минералы породы, по существу, единственные, или почти единственные их источники для микроорганизмов. Пути и механизмы воздействия микроорганизмов на породообразующие минералы могут отличаться в зависимости от видовых особенностей микробных систем и физико-химических свойств коллектора. В нефтяном пласте могут иметь место прямое и косвенное воздействие микроорганизмов на кристаллические решетки минералов и перехода содержащихся в них элементов в подвижное состояние (см. рис. 19).

Примером прямого, непосредственного воздействия может служить воздействие микробных ферментов на породы, содержащие в своем составе элементы с переменной валентностью (см. рис. 19, а). Минеральные элементы, содержащиеся в породах, под воздействием на них микробных ферментов вовлекаются в окислительно-восстановительные реакции, что в конечном итоге является причиной разрушения минерала. Например, железо в силикатах (и карбонатах) часто находится в форме восстановленного Бе+2. В призабойной зоне нефтяных скважин в микрозонах, где имеется кислород в необходимом количестве, Бе+2 может окислиться в Бе+3 - значительно более подвижное. При этом нарушается устойчивость кристаллической решетки. Кроме того, Ре может легко формировать железоорганические комплексы с продуктами окисления углеводородов и других органических веществ, содержащихся в закачиваемых поверхностных водах, и фильтрационными потоками выноситься за пределы породы.

Наиболее универсальным и эффективным средством извлечения минералов из нефтяных пород для микроорганизмов является, вероятно, косвенное воздействие их на минералы (см. рис. 19, б). Речь может идти о разрушении породы с помощью соединений, продуцируемых микроорганизмами в процессе обмена веществ и представляющих собой сильные химические агенты. К их числу относятся разнообразные слизи, органические кислоты, биогенные щелочи, хелатообразователи и др. вещества, обладающими сильными редуцирующими свойствами.

Большое значение в разрушении пород может иметь слизеобразова-ние, характерное для многих микроорганизмов. Слизи представляют собой большей частью полисахариды, содержащие уроновые кислоты. Имеющиеся в их составе карбоксильные и фенольные группы ответственны за распад кристаллических решеток минералов. Реагируя с определенными химическими элементами, они образуют комплексные связи, что приводит к выходу соответствующих веществ из состава кристаллических решеток и переходу их в раствор и выносу фильтрационным потоком за пределы среды. Кроме того, бактериальные слизи, обволакивая частички песка, освобожденные от цементирующих их минералов, гелеобразным покровом, как бы смазывая их, могут пластифицировать их, придавать им большую подвижность и способность к миграции.

Среди микробных кислот имеются такие сильные кислоты, как азотная и серная. При избирательном поглощении катионов микроорганизмами освобождаются минеральные кислоты, которые обусловливают разрушение породообразующих минералов. Источником биогенных щелочей в пласте могут быть главным образом соли слабых органических кислот и сильных оснований, вносимых в пласт при их эксплуатации (например, при щелочном заводнении пласта), а также карбонатов и бикарбонатов, содержащихся в пластовых водах. Образуемые при разложении углеводородов и вносимых в пласт органических веществ карбонаты и бикарбонаты вызывают повышение pH в среде, в результате чего алюмосиликаты могут подвергаться выщелачиванию.

Наряду с этим в нефтяном пласте микроорганизмами образуется разнообразный спектр органических кислот при разложении углеводородов, а также в случае внесения извне органических соединений (биоразлагаемых ПАВ, углеводов и др.). Это могут быть как простые низкомолекулярные, так и высокомолекулярные кислоты, в том числе циклической природы. Способность к кислотообразованию очень широко распространена у гетеротрофных микроорганизмов и, несомненно, играет большую роль в разрушении скелета пород. Образование органических кислот в количестве до 340 мг/л с преобладанием уксусной кислоты и значительное - до 55-1975 мг/л выщелачивание магния, кремния, кальция и натрия из силикатного песка доказано в модели нефтяного пласта.

Кроме того, органические кислоты и оксикислоты, образующиеся микроорганизмами, способны образовывать внутрикомплексные соединения хелатного типа с освобождающимися при разрушении минералов элементами. В комплексах этого типа ионы металлов связываются с органическими радикалами в форме циклических соединений, весьма устойчивых в широком диапазоне pH, Eh и др. ф/х-их условий среды. В результате хелатизации многие минералы способны растворяться и в дальнейшем извлекаться из породы, тем самым оказывая на нее разрушающее воздействие. Среди продуктов обмена микроорганизмов есть множество органических соединений, способных к образованию комплексных связей с самыми различными химическими элементами. Одни только оксикислоты образуют комплексы более чем с 60 элементами.

Например, 2-кетоглюконовая кислота, образующаяся бактериями из рода Pseudomonas, энергично растворяет 1-17% Si02, 13-63% Са, 3-54% Мд, 16% А1 и 5% К от их валового содержания в минералах. Активными комплексообразующими свойствами обладают также полифенолы, образующиеся при микробном окислении углеводородов ароматического ряда.

Необходимо отметить, что способность различных элементов образовывать комплексы с продуктами жизнедеятельности микроорганизмов и др. органическими веществами неодинакова. Наибольшей активностью образования комплексов характеризуется Fe, которое за редким исключением целиком связывается в комплексах. Si02 и А1 также энер-

гично вступают в комплексные соединения - от 10 до 90% растворенного элемента находится в комплексной форме, Са и Мд связываются в комплексах несколько слабее. Развитие комплексообразования возможно даже при очень небольших количествах органического вещества - 0,22%. Присутствие органических веществ может стимулировать формирование металлоорганических комплексов, характеризующихся высокой устойчивостью и подвижностью, что будет способствовать их миграции в пласте в составе фильтрующихся потоков. Обнаружение в пластовых водах Бинагадинского и Лок-Батанского месторождений до 7-42 мг/л органических соединений разнообразной природы может способствовать выщелачиванию породообразующих минералов.

В общем, активными комплексообразующими хелатизаторами являются самые разнообразные органические соединения, содержащие гидроксильные, карбоксильные, аминные, кетонные, фенольные группы. Хелатизация является главным фактором биохимического разрушения минералов.

Одним из факторов, непосредственно или косвенно воздействующих на породообразующие минералы, являются также газы - СО2, СН4, Н2, образующиеся в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Так, интенсивное образование СО2 в соответствии с карбонатным равновесием может сопровождаться его переходом в пластовую воду в виде карбонатных и бикарбонатных ионов, оказывающих растворяющее воздействие на минералы. Определенная часть газов может находиться в свободном состоянии, насыщая поры коллектора, они оказывают эффект «воздушного шарика», «дирижабля», способствуют снижению удельной плотности и увеличению подвижности песка, освобожденного от цементирующих материалов в результате воздействия гидрохимических и биологических факторов выщелачивания.

При воздействии микроорганизмов на алюмосиликаты в первую очередь приобретают подвижность щелочные металлы, а затем щелочноземельные, наконец - кремний и алюминий. Сильной деструкции подвергаются некоторые железосодержащие минералы, разрушающиеся под влиянием железоокисляющих и железовосстанавливающих микроорганизмов, а также микроорганизмов, продуцирующих соединения, образующие с железом подвижные железоорганические комплексы. Конечными продуктами процесса выветривания могут быть либо полуторные окислы (Б^Оз), либо кремнезем (БЮг). Накопление того или иного продукта будет зависеть от физиологических особенностей микроорганизмов, участвующих в разложении, характера выделяемых ими в пластовые флюиды агентов разложения породообразующих минералов, условий развития процесса - температуры, Ей, наличия органических веществ, характера, темпов и объемов их поступления и т.д.

Устойчивость кристаллов против растворяющих их агентов будет определяться структурой кристаллической решетки, ее суммарной энергией и характером связей между ионами, а порядок выноса элементов -химическими свойствами самого элемента, энергией образования его окисла, условиями среды. Большое значение имеет также положение элемента в минеральной решетке: изоморфно замещенные ионы, как правило, выносятся значительно интенсивнее, чем ее основные компоненты. Чем слабее потенциал ионизации ионов, составляющих силикаты, тем легче эти ионы переходят в раствор. И чем больше таких ионов, тем менее устойчив кристаллический скелет.

Так, из микроклина труднее всего будут извлекаться БЮг, К и А1, а интенсивнее всего - Мд, Са и Бе, т.е. элементы, присутствующие в минерале в качестве изоморфно замещенных ионов или в составе посторонних примесей. Из биотита во всех случаях интенсивнее всего будут выноситься два элемента - Са (изоморфно замещенный ион) и калий, обладающий, как известно, высокой химической подвижностью. Остальные элементы будут извлекаться слабее, но все же в значительных размерах, что обусловлено относительной неустойчивостью и энергетической неуравновешенностью биотита благодаря присутствующему

ТПI

в нем иону ге .

Бентонитовая глина является цементирующим веществом в терри-генных и других осадочных породах нефтяных коллекторов и относится к группе монтмориллонита. Как правило, слабее будут выноситься из бентонита БЮг, А1 и Бе, более интенсивно Мд и сильнее всего К и Са, что связано с тем, что в минералах монтмориллонитовой группы Мд часто присутствует в качестве изоморфно замещенного иона и реже -в обменной форме; Са обычно находится в виде примеси кальцита или в обменном состоянии, а К - почти исключительно в обменной форме. Таким образом, порядок выноса элементов из минералов класса алюмосиликатов в основном определяется составом и свойством самого минерала; наименее интенсивно мобилизуются элементы, составляющие кристаллическую решетку минерала, а наиболее интенсивно - изоморфно замещенные или обменные ионы, находящиеся на периферийных участках минеральных частиц.

Воздействие микроорганизмов на породу, по существу, не будет ограничиваться очагами развития соответствующих колоний микроорганизмов (см. рис. 19), а проявляться и вдоль коллектора. Разрушение структуры пород нефтяного пласта с участием микроорганизмов отличается еще одной особенностью: они воздействуют на породообразующие минералы главным образом локально, в микрозонах, т.е. непосредственно в очагах развития их микроколоний (см. рис. 19). Кроме того, они не только химически воздействуют на входящие в ее состав минералы, но и механически ее разрушают.

Изменение всей структуры породы нефтяного коллектора - процесс постепенный и довольно медленный. Несмотря даже на незначительное изменение химического состава остаточных минералов, они уже характеризуются повышенной расшатанностью и присутствием относительно неустойчивых растворимых в воде продуктов. Накопление относительно неустойчивых вторичных образований в остаточных минеральных массах указывает на появление в них новых качественных признаков и переход материала в иную форму. В конечном итоге это приводит к процессу пластификации, сдвигу породы, миграции частиц песка под воздействием перепадов забойного и пластового давления, сложнонапряженного состояния породы призабойной зоны скважин, высокой вязкости, воздействия пульсационного режима работы скважин, зарождения и развития динамических нагрузок и т.д.

Таким образом, можно отметить следующую последовательность основных процессов, связанных с разрушением структуры породы при технологических воздействиях на нефтяной пласт с участием микроорганизмов:

  • • биологическая колонизация породы пласта микроорганизмами, активная жизнедеятельность различных групп микроорганизмов;
  • • постепенная дезинтеграция минералов, цементирующих породы, с одновременным удалением продуктов выветривания в составе пластовых флюидов при фильтрации;
  • • возникновение горизонтов выщелачивания и расшатывание структур пород;
  • • перемещение, миграция как растворимых минералов - продуктов выветривания, так и в определенных условиях и породы, освобожденной от цементирующих материалов.

Знание физико-химических особенностей коллектора - природы и цементирующего минерала породы, его содержания в породе, типа цемента (базальный, поровый и т.д.) и другие показатели, в определенной степени позволяют прогнозировать вероятность расшатывания структуры пород коллектора и скорость его разрушения в процессе технологического воздействия. Например, можно предположить, что песчаные коллекторы, в которых цементирующим материалом являются минералы монтмориллонитовой группы и их содержание незначительно, будут менее устойчивы к биологическому выщелачиванию, чем минералы каолинитовой группы. Это связано в первую очередь с тем, что в минералах монтмориллонитовой группы (их химическая формула 48Ю2,А120з,пН20) связь между пакетами слабая, в межпакетное пространство легко проникает вода - следовательно, и содержащиеся в ней клетки микроорганизмов и органические соединения, необходимые для их «разрушающей» жизнедеятельности. Они характеризуются высокой дисперсностью, содержат до 60% коллоидных частиц и до 80% частиц меньше 0,001мм, высокой емкостью поглощения - до 80-120 мг/экв. В отличие от монтмориллонита, каолинит (их химическая формула 2812ОА1203-пН20) не набухает, так как доступ воды в межпакетное пространство затруднен из-за сильной связи между пакетами. Дисперсность его невысока, емкость поглощения всего 20 мг/экв. Так, можно прогнозировать относительную устойчивость к химическому и микробному выщелачиванию пород горизонтов X, СП месторождения Гюнешли, а также ПК месторождений Балаханы-Сабунчи-Раманы, в которых одним из цементирующих породу минералов является каолинит. В свою очередь это дает основание считать, что на этих месторождениях могут быть использованы методы биотехнологии воздействия на пласт для повышения нефтеотдачи. Опасность разрушения структуры пород при микробном воздействии для этих горизонтов в долговременном масштабе будет минимальна.

При селективном выщелачивании минералов коллекторские свойства породы могут быть модифицированы как в сторону ухудшения, так и в сторону улучшения фильтрационных свойств порового пространства пласта. Ухудшение коллекторских свойств может проявиться, например, в проявлении пескования призабойных зон скважин (вероятнее всего в первую в песчаных коллекторах с малым содержанием цементирующего материала типа монтмориллонита). В коллекторах с высоким содержанием цементирующего материала (базальный или поровый тип цемента) выветривание может способствовать существенному улучшению коллекторских свойств в связи с повышением проницаемости за счет формирования вторичной пористости. Во всех случаях повышение пористости и фильтрационной способности за счет функциональной деятельности микроорганизмов будет создавать условия для эффективного использования нанотехнологий, в том числе нанобиотехнологий.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>