Исследование влияния химического состава и условий залегания нефтей на численность и активность пластовой микрофлоры в задачах повышения нефтеотдачи на основе статистического анализа Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ГЕОЛОГИЯ

УДК 553.982+579.66 35

Исследование влияния химического состава и условий залегания нефтей на численность и активность пластовой микрофлоры в задачах повышения нефтеотдачи на основе статистического анализа

И.Г. Ященко

к.г.-м.н., зав. лаб.1 [email protected]

Л.И.Сваровская

к.б.н., ст.н.с.1

Т.О. Перемитина

к.т.н., н.с.1

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии нефти Сибирского отделения РАН, Томск, Россия

В работе рассматривается решение фундаментальной проблемы, связанной с изучением влияния химического состава и условия залегания нефтей на численность, распространение и активность пластовой микрофлоры с применением статистических методов.

материалы и методы

База данных ИХН СО РАН по физико-химическим свойствам нефти общим объемом информации 20620 описаний образцов нефти мира, методы статистического анализа.

Ключевые слова

нефть, микробиологические свойства, физико-химические свойства, статистический анализ, метод главных компонент

Введение

Истощение запасов легкодоступных нефтей привело в последние годы к сокращению доли легких и маловязких нефтей в общем объеме мировой добычи и к постепенному увеличению доли трудноизвлека-емых нефтей, что приводит к существенному удорожанию добычи нефти. Одной из перспективных технологий увеличения нефтеотдачи пластов является микробиологическая нефтевытесняющая технология с применением стимулирующих субстратов, способствующих активному росту пластовой микрофлоры [1]. Ее применение позволяет значительно повысить коэффициент нефтеотдачи за счет уменьшения вязкости нефти, увеличения охвата пласта, снижения межфазного натяжения на границе раздела «нефть — вода — порода», увеличения подвижности пластовых флюидов и прироста коэффициента нефтевытеснения [2]. Однако в настоящее время не исследована зависимость численности и активности пластовой микрофлоры от химического состава нефтей и условий их залегания, что не позволяет решать задачи увеличения эффективности указанной технологии повышения нефтеотдачи в условиях добычи трудноизвлекаемых нефтей с особыми свойствами (тяжелые, вязкие, парафини-стые, сернистые, смолистые), что и определило основную цель данной работы.

Для выявления влияния химического состава нефти на изменение свойств пластовой микрофлоры, а также для выявления значимых характеристик нефти, которые обладают стимулирующим действием на динамику численности пластовой микрофлоры,

»с

1г /Г *

чвх /

Пайдугинская нефтегазоносная * область

— ТГ

Среднеобская нефтегазоносная область

ЙЕ -V

ч

Васюганская нефтегазоносная область

Каймысовская нефтегазоносная область

были применены нечеткие системы и статистические методы анализа многомерных данных. Объекты исследования

По результатам исследования различных свойств отобранных проб пластовых вод и нефти сформированы многомерные массивы данных. Всего в анализ включено 74 образца проб пластовых вод и нефти месторождений Западной Сибири, из них Вахское месторождение — 23, Самотлор-ское — 24 и Советское — 27 образцов. Район исследования представлен на рисунке 1, в таблице 1 представлен перечень свойств, включенных в исследования [3].

Советское и Самотлорское месторождения расположены на востоке Средне-обской нефтегазоносной области, Вахское месторождение находится в центральной части Васюганской нефтегазоносной области. В таблице 2 представлены пределы изменения и средние значения физико-химических свойств нефти рассматриваемых месторождений [3].

Плотность нефти является одной из интегральных характеристик нефти, объединяющих многие физико-химические параметры (фракционный состав, содержание примесей — серы, смол, асфальтенов, парафинов и т.д.). Общеизвестной является тенденция уменьшения плотности нефтей Западной Сибири при возрастании глубины залегания. Приведенные в таблице 2 данные показали, что данная тенденция справедлива для наших трех месторождений. Так, на Вахском и Самотлорском месторождениях при изменении глубин залежей от 1640-1708 м до 2485-2521 м уменьшается в среднем от 0,9006 до 0,8360 г/см3 для Вахского

1 Советское ::Вахское ^Самотлорское

600 500 400 ^

300 200

. — месторождения Западно-Сибирского нефтегазоносного бассейна | ^ 7 — границы нефтегазаносных районов

1 2 3 4 5 6

Рис. 2 — Сравнительный анализ средних значений свойств пластовой микрофлоры Советского, Вахского и Самотлорского месторождений

Рис. 1 — Зависимость степени обезвоживания нефтяной эмульсии от концентрации реагента

100

0

Характеристики

1. Физико-химические

Исследуемые свойства

1.1 Плотность, г/см3

1.2 Вязкость при 200С, мм2/с

1.3 Содержание серы, мас. %

1.4 Содержание смол, мас. %

1.5 Содержание твердого парафина, мас. %

1.6 Содержание асфальтенов, мас. %

2.1 Степень кислотности или щелочности воды рН

2.2 Сухой остаток (минерализация), г/л

2.3 Численность гетеротрофной микрофлоры тысяч клеток/см3

2.4 Сульфовосстанавливающие бактерии (СВБ), тысяч клеток/см3

2.5 Денитрифицирующие бактерии (ДНБ), тысяч клеток/ см3

2.6 Углеводородокисляющие бактерии (УОБ), тысяч клеток/см3

Таб. 1 — Перечень физико-химических свойств нефти и характеристик микробиологического анализа пластовой воды

. Микробиологические

месторождения и от 0,9260 до 0,6870 г/см3 для Самотлорского месторождения. На Советском месторождении пласты залегают еще ниже и среднее значение плотности наименьшее (0,8462 г/см3) по сравнению со средними значениями плотности нефти Вахского и Самотлорского месторождений (табл. 2).

Достаточно близко данные тенденции повторяются при рассмотрении изменений вязкости нефти в пластовых условиях этих месторождений. Наибольшая величина вязкости нефти составляет в среднем 10,33 мм2/см на Самотлорском месторождении. На Советском месторождении вязкость нефти в пластовых условиях в среднем равна 8,06 мм2/см, что является наименьшим значением по сравнению с вязкостью нефти Вахского и Самотлор-ского месторождений.

С общими закономерностями изменений физических свойств нефти согласуются и изменения их химического состава. Нефти трех месторождений относятся к сернистому типу (от 0,5 до 1,5%). В Самотлорском месторождении, нефть которого имеет наибольшую плотность и вязкость, обладает наибольшим содержанием серы и смол. Наибольшая концентрация асфальтенов характерна для нефти Вахского месторождения. В тоже время на Советском месторождении, нефть которого с наименьшей плотностью и вязкостью, содержание парафинов самое высокое — в среднем 4,12% по сравнению с нефтью Вахского и Самотлорского месторождений.

Наличие большого массива информации по характеристике нефти позволяет выявить зависимости, свидетельствующие о влиянии пластовых вод на свойства нефти

в пласте. Для каждого месторождения, как было сказано выше, подсчитаны средние значения параметров нефти — плотность, вязкость в пластовых условиях, содержание серы, смол, асфальтенов и парафинов. Установлено, что пластовые воды на Вахском месторождении имеют изменение минерализации от 12,5 до 25,5 г/л (среднее значение 15,6 г/л), на Советском месторождении минерализация пластовых вод в пределах от 21,3 до 37,7 г/л (среднее значение 26,1 г/л). На Самотлорском месторождении пластовые воды имеют более высокую минерализацию — от 55 до 260 г/л (среднее значение 145,3 г/л). О влиянии подземных вод на свойства нефтей можно говорить, исходя из следующих позиций — сопоставление полученных средних величин по физико-химическим свойствам с соответствующей средней величиной минерализацией показало, что для Самотлорского месторождения нефти имеют наибольшую плотность и вязкость, обладают наибольшим содержанием серы и смол и в тоже время пластовые воды данного месторождения обладают самой высокой минерализацией. Для нефти Вахского и Советского месторождений характерно более низкая плотность и вязкость, более низкое содержание серы и смол, и минерализация пластовых вод для этих месторождений гораздо ниже — в 9 и 5 раз соответственно. Наличие такой зависимости можно предположить на основе того, что длительный контакт нефти в пласте с большим количеством связанной и свободной воды с высоким уровнем минерализации, видимо, приводит к метаморфизму нефти, ее окислению.

Для исследования особенностей свойств пластовой микрофлоры подготовлен массив данных описаний 50 образцов: 23 образца Советского месторождения, 13 — Вахского и 14 образцов Самотлорского месторождения. Проведен сравнительный анализ значений свойств пластовой микрофлоры (табл. 1). На рис. 2 представлены безразмерные количественные оценки усредненных значений показателей микробиологических свойств пластовой воды, порядок которых на рис. 2 по горизонтальной оси соответствует перечислению их в табл. 1.

Анализ свойств проб пластовой микрофлоры показал, что пробы Самотлорского месторождения отличаются наибольшей концентрацией денитрифицирующих бактерий (ДНБ) и только одна проба (скважина № 16068) отличается большей концентрацией гетеротроф, а пробы Советского месторождения обладают большей концентрацией сульфовосстанавливающих бактерий по сравнению с другими. Пробы пластовой микрофлоры Вахского месторождения отличаются наименьшими концентрациями денитрифицирующих и сульфовосстанавли-вающих бактерий.

Проведение сравнительного анализа большого объема разнородной информации затруднителен, результаты не являются наглядными (табл. 2 и рис. 2), невозможно определить причинно-следственные связи влияния химического состава на численность, распространение и активность пластовой микрофлоры без применения статистических методов анализа многомерных данных. Одним из перспективных подходов к анализу многомерных разнородных данных можно считать подход, основанный на методе главных компонент.

Методы анализа

Проведение сравнительного анализа большого объема разнородной информации затруднено, так как графическое отображение объектов исследования в многомерном пространстве невозможно. В данной работе для определения причинно-следственной связи влияния физико-химических свойств на численность, распространение и активность пластовой микрофлоры предлагается использовать статистический метод главных компонент.

Метод главных компонент (МГК) позволяет описывать исследуемые образцы

00 чн

ЧЭ чн

II

СМ |_

0,9

0,3

V

• Советское г Вахское . Самотлорское

0,6

1 ГК 1 = 68,39%

£ 1

о.

уэ

Г 0 £ -1

3* 1 \о

0

II

Е -1

1

§ 0

-0,0168 ^^^В -0,0163 -0,6286

-0,0592 -0,0525

0,796

0,0148 0,0392

0,6703

-0,4658

1 2 3 4 5 6

Советское

Вахское

Самотлорское

0

Рис. 3 — Результаты МГК-анализа физико-химических свойств Рис. 4 — Значения нагрузок-проекций на первые главные компоненты нефти с отображением доверительных интервалов распределения значений физико-химических свойств исследуемых образцов нефти

Месторождение (глубина Пластовая Плотность, Вязкость, Содержание, мас. %

залегания пластов, м) температура, 0С г/см3 мм2/см парафинов серы смол асфальтенов

Вахское (1708-2485) 16,30-90,00 0,8360-0,9006 6,10-12,10 2,10-3,40 0,22-3,06 0,16-8,60 1,15-—,18

76,19 0,8507 8,—8 2,76 0,65 5,55 2,03

Самотлорское (1640-2521) 57,20-79,00 0,6870-0,9260 4,50-2—,50 0,10-6,56 0,02-3,41 1,70-14,66 0,40-4,01

66,99 0,8534 10,33 2,69 1,01 7—44 1—45

Советское (1618-2734) 52,50-90,50 0,7270-0,8690 5,31-12,60 1,17-20,20 0,12-1,08 0,24-11,90 0,52-2,05

63,21

0,8462

8,06

4,12

0,82

7,41

1,05

Таб. 2 — Физико-химические свойства нефти Вахского, Самотлорского и Советского месторождений* *Примечание: в числителе приведен интервал изменений показателя, в знаменателе — среднее значение

меньшим числом обобщенных показателей — главными компонентами. Последние являются удобными интегральными показателями, так как они отражают внутренние закономерности, которые не поддаются непосредственному наблюдению. При использовании МГК корреляционная матрица используется как исходная ступень для дальнейшего анализа и появляется возможность извлечения дополнительной информации об исследуемых образцах, проведения причинного анализа взаимосвязей характеристик и определения их стохастической связи с главными компонентами [4].

Результаты анализа

Для исследования особенностей физико-химических свойств нефти на рисунке 3 приведены результаты МГК-анализа, где первая и вторая главные компоненты описывают в сумме более 84%, что позволяет произвести переход из шестимерного пространства признаков в пространство двух главных компонент с потерей 16% исходной информации. Для решения вопроса о существовании или отсутствии значимого различия между свойствами образцов трех исследуемых месторождений использовано представление средних значений и доверительных интервалов [4] для образцов каждого месторождения в пространстве двух главных компонент. Из рисунка 3 следует, что с доверительной вероятностью в=90% между анализируемыми физико-химическими свойствами нефти образцов Советского, Вахского нет значимого различия, а образцы Самотлорского месторождения статистически значимо отличается от

остальных, что подтверждают отмеченные выше закономерности.

Для проведения сравнительного анализа и выявления наиболее значимых физико-химических показателей был проведен МГК-анализ массива данных о физико-химических свойствах нефти трех месторождений.

Проследить особенности исследуемых образцов для каждого месторождения позволяют значения нагрузок на главные компоненты. Для вычисления значений главных компонент для образцов каждого из трех месторождений были отдельно проанализированы массивы данных. МГК-анализ массива данных о свойствах пластовой микрофлоры 23 образцов Советского месторождения показал, что первая главная компонента описывает более 86% исходной информации. Анализ массива данных о свойствах 13 образцов Вахского месторождения значение ГК 1 составило более 84% и для 14 образцов Самотлорского месторождения значение ГК 1 превысило 97%. В каждом из трех случаев, переход из исходного шестимерного признакового пространства к одномерному пространству первой главной компоненты сопровождается потерей не более 15% исходной информации. На рисунке 6 приведены значения нагрузок (проекций) шести свойств пластовой микрофлоры на первую главную компоненту для образцов трех исследуемых месторождений.

Как видно на рисунке 6, образцы пластовой воды Советского месторождения отличаются наибольшим значением нагрузки — минерализация (показатель 2) по сравнению с образцами Вахского и Самотлорского месторождений. Образцы пластовой

воды Вахского месторождения отличаются максимальным значением нагрузки — численность гетеротрофной микрофлоры (показатель 3). В целом, наиболее значимым показателем по значениям нагрузок для образцов воды всех трех месторождений является количество денитрифицирующих бактерий (ДНБ, показатель 5). Известно, что денитрифицирующие бактерии в большей степени способны к использованию жидких легкокипящих н-алканов и ароматических углеводородов. Другой причиной их преимущественного распространения в нефтяных пластах является принадлежность к факультативным анаэробам, т.е. они способны существовать в анаэробных и микро-аэрофильных условиях [5].

Известно [5], что ДНБ играют существенную роль в геохимическом цикле азота. Дени-трификация сопряжена с окислительно-восстановительным процессом, в ходе которого происходит не только восстановление нитратов до свободного азота и углекислого газа, но и окисление органических веществ нефти. Все эти процессы зависят не столько от численности ДНБ, заселяющих пластовые воды нефтяных месторождений, сколько от их активности. Как видно из рисунка 6, максимальная численность ДНБ определялась в пластовой воде Самотлорского месторождения. На остальных месторождениях также отмечалось преимущественное распространение ДНБ. Бактерии СВБ и УОБ на исследуемых месторождениях по сравнению с денитрифицирующими бактериями определялись в меньшей численности.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 11-05-рв023-р_сибирь_а

& 3,37 $ 2,87 8 2,37

1,87

1,37 0,87 0,37

-0,13 -0,63 -1,13 -1,63 -2,13 -2,63

Советское ? Вахское Самотлорское

0,16 1,16 2,16 3,16

4,16 5,16 ГК 1 = 76,71%

-0,6009

0,7764

-0,0615 -0,0953

-0,6199

| Самотлорское |

-о,°725 -0,1543

0,8014

-0,0004 -0,0009

1 2 3 4 5 6

Советское

0

Вахское

0

: 0

Рис. 5 — Результаты МГК-анализа свойств пластовой микрофлоры с отображением доверительных интервалов распределения

Рис. 6 — Значения нагрузок-проекций на первые главные компоненты значений микробиологических свойств исследуемых образцов пластовой воды

Итоги

Проведен статистический анализ многомерных данных о микробиологических свойствах пластовой воды и физико-химических свойствах нефти Советского, Вахского и Самот-лорского месторождений. Выявлены закономерности изменений физико-химических свойств трудноизвлекаемой нефти и микробиологического состава пластовой воды.

Выводы

Применение МГК-анализа позволило проанализировать многомерные данные о микробиологических и физико-химических свойствах образцов Советского, Вахского и Самотлор-ского месторождений. Расчет доверительных интервалов в пространстве двух первых главных компонент позволил установить значимое различие микробиологических свойств образцов трех месторождений с доверительной вероятностью в=90%. Анализ нагрузок на первую главную компоненту позволил выявить наибо-

Abstract

In this paper the solution of fundamental problems associated with the study of chemical composition and mode of oil occurrence in abundance influence, distribution and activityof microflora in formation with the use of statistical methods has been considered.

Materials and methods

Database IPC SB RAS on physico-chemical properties of oil, information scope 20,620 samples oils of the world , geo-information system (GIS ArcGis), methods of statistical analysis.

Results

Statistical analysis of multivariate data on microbiological properties of the produced water and the physicochemical

лее значимые свойства исследуемых образцов. Выявленные закономерности пространственных и статистических изменений физико-химических свойств нефти и микробиологического состава пластовой воды с помощью метода главных компонент могут быть в дальнейшем использованы для выбора экономически выгодных и эффективных методов увеличения нефтеотдачи, в том числе микробиологических. Установление закономерностей распространения и численности микроорганизмов СВБ позволит своевременно спланировать и провести ряд мероприятий по ингибированию сульфа-тредуцирующей микрофлоры, участвующей в процессах коррозии скважинного оборудования и нефтепроводов.

Список используемой литературы

1. Алтунина Л.К., Сваровская Л.И.,

Овсянникова В.С. Микробиологические аспекты комплексного физико-химического метода увеличения нефтеотдачи //

properties samples of the Sovietskoe, Vakhskoye and Samotlorskoye deposits was performed. Patterns of change in physical properties of hard-to oil and microbiological composition of produced water identified.

inclusions

Application of PCA-analysis allows to analyze multidimensional data on microbiological and physico-chemical properties samples of Sovietskogo, Vakhskogo and Samotlorskogo deposits. The calculation of confidence intervals in the space of two first principal components allowed to establish a significant difference microbiological properties of a sample of three deposits with a confidence level of 3=90%. Analysis of loads on the first principal component revealed the most significant properties of the samples. The patterns of

Нефтехимия. 2008. Т. 48. № 3. С. 234-237.

2. Сваровская Л.И., Алтунина Л.К. Исследование микробиологического метода увеличения нефтеотдачи на керновой модели месторождения Белый Тигр, Вьетнам. Материалы II Междун. научного симпозиума. Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов. Москва, 2009. Т. 1. С. 151-156.

3. Ященко И.Г. Географическое распределение трудноизвлекаемых нефтей Томской области и

их физико-химические свойства // Экспозиция Нефть Газ. 2012. № 3 (21). С. 41-46.

4. Перемитина Т.О. Алгоритмы статистического прогнозирования состава и свойств нефти // Автоматизация и современные технологии. 2011. № 9. С. 36-39.

5. Нетрусов А.И., Егорова М.А., Захарчук Л.М. и др. Практикум по микробиологии. М.: Издательский центр Академия. 2005. 605 с.

UDC 553.982+579.66

spatial and statistical changes in physical and chemical properties of oils and microbiological composition of produced water using the method of principal components can then be used to select cost-effective and efficient methods of enhanced oil recovery, including microbiology. Establishment of the laws of distribution and the number of microorganisms SRB allow timely to plan and host a number of activities for inhibition of sulfate-reducing microorganisms involved in the corrosion of well equipment and pipelines.

Keywords

oil, microbiological properties, physicochemical properties, statistical analysis, principal component analysis

References Mezhdun. nauchnogo simpoziuma. and their physical and chemical

1. Altunina L.K., Svarovskaya L.I. Teoriya i praktika primeneniya properties]. Exposition Oil Gas,

Ovsyannikova V.S. Mikrobiologicheskie metodov uvelicheniya nefteotdachi 2012, issue 3 (21), pp. 41-46.

aspekty kompleksnogo plastov [The study of microbial 4. Peremitina T.O. Algoritmy

fiziko-khimicheskogo metoda enhanced oil on drill core field statisticheskogo prognozirovaniya

uvelicheniya nefteotdachi model White Tiger, Vietnam. sostava isvoystvnefti [Algorithms

[Microbiological aspects Materials II Intern. Scientific for statistical prediction of

of complex physical and chemical Symposium. Theory and practice oil structure and properties].

improved recovery methods]. of enhanced oil recovery]. Moscow: Automation and modern technology,

Petrochemicals, 2008, Vol. 48, 2009, Vol. 1, pp. 151-156. 2011, issue 9, pp. 36-39.

issue 3, pp. 234-237. 3. Yashchenko I.G. Geograficheskoe 5. Netrusov A.I., Egorov M.A.,

2. Svarovskaya L.I., Altunina L.K. raspredelenie trudnoizvlekaemykh Zakharchuk L.M. etc. Praktikum

Issledovanie mikrobiologicheskogo neftey Tomskoy oblasti i ikh po mikrobiologii [Workshop

metoda uvelicheniya nefteotdachi fiziko-khimicheskie svoystva on microbiology]. Moscow:

na kernovoy modeli mestorozhdeniya [Geographical distribution Academy Publishing Center,

Belyy Tigr, V'etnam. Materialy II of hard oil Tomsk region 2005, 605 p.

ENGLISH GEOLOGY

Studies of influence the chemical composition and mode of oil occurrence and activity of microflora in the problems of increasing oil based on statistical analysis

Authors:

Irina G. Yashchenko — Ph.D. in geology and mineralogy, head of the laboratory1; [email protected] Lidiya I. Svarovskaya — Ph.D. in biology, senior researcher1 Tat'yana O. Peremitina — Ph.D. of technical sciences, researcher1

institute of Petroleum Chemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russian Federation