[发明专利]一种基于反应动力学模型的微生物采油数值模拟方法

权利要求书

1.一种基于反应动力学模型的微生物采油数值模拟方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤S1：确定微生物反应动力学组分：微生物反应动力学组分包括微生物、氧气、营养物质、生物表面活性剂、生物聚合物、甲烷和水；微生物组分的确定：实验和微生物成分元素分析证明，驱油用微生物细胞元素组成稳定，化学式表示为C_4-7H_7-10O_1-3N，相对分子质量为85-156；营养物质组分的确定：营养物质由碳源和氮源组成，碳源由调和油(C_18-60H_30-116O_2-15)、葡萄糖(C₆H₁₂O₆)、果糖(C₆H₁₂O₆)、蔗糖(C₁₂H₂₂O₁₁)、麦芽糖(C₁₂H₂₂O₁₁·H₂O)和淀粉((C₅H₁₀O₅)_n)组成，对于复杂的有机碳源没有固定的分子式；氮源分为无机氮源和有机氮源，无机氮源用NH₃代替，有机氮源由氨基酸组成；生物表面活性剂组分的确定：驱油用表面活性剂主要指鼠李糖脂、槐脂和甘露醇脂，其分子式为C_16-32H_30-58O_7-13，相对分子质量为334-650；生物聚合物组分的确定：驱油用生物表面活性剂主要指黄原胶(单体化学式C₆₇H₉₉O₅₆)、硬葡聚糖(单体化学式C₂₄H₄₀O₂₀)和韦兰胶(单体化学式C₃₀H₄₈O₂₄)，假设生物聚合物由上述物质混合组成，其化学式为C_24-67H_40-99O_20-56，相对分子质量为648-1799；针对微生物采油现场应用，可用元素分析仪器分析上述各组分的元素组成，从而准确得到其化学式和相对分子质量；

步骤S2：建立微生物反应动力学方程：根据步骤S1所确定的微生物反应动力学组分，建立如下的微生物反应动力学方程；

①微生物生长代谢反应动力学方程：

式中：C_iH_mO_nN_f为微生物；C_x1H_y1O_z1为碳源；H_y2O_z2N_j2为氮源；C_u1H_v1O_w1为生物表面活性剂；C_u2H_v2O_w2为生物聚合物；下标i、m、n、f、x₁、y₁、z₁、y₂、z₂、j₂、u₁、v₁、w₁、u₂、v₂、w₂为各元素的原子数；Y_x/c为以碳元素为基准的细胞产率系数；Y_p/c′为以碳元素为基准的生物表面活性剂产率系数；Y_p/c″为以碳元素为基准的生物聚合物产率系数；a、b、c为待求系数；

②聚合物降解反应动力学方程：

式中：C_u2H_v2O_w2为生物聚合物；u₂、v₂、w₂为C、H、O元素的原子数；

③微生物死亡反应动力学方程：

式中：C_iH_mO_nN_f为微生物；i、m、n、f为C、H、O、N元素的原子数；

④微生物降解原油反应动力学方程：

C_iH_mO_nN_f+aX₁＝C_iH_mO_nN_f+bX₂

这里，因为原油成分复杂多变，故不用具体的化学元素去表征其元素组成，假设微生物降解原油前后不发生变化，根据质量守恒配平反应方程式；

式中：C_iH_mO_nN_f为微生物；X₁为高粘油相；X₂为低粘油相；a、b为高粘油相、低粘油相反应系数；

步骤S3：确定微生物反应动力学参数：微生物反应动力学参数包括反应级数n、反应频率因子k₀和活化能E_a；

①微生物生长代谢反应动力学参数的确定：

根据莫诺方程，当营养物浓度较低时，微生物生长繁殖代谢受营养物浓度制约，遵循一级反应规律，故反应级数n＝1；

反应频率因子k₀用阿伦尼乌斯方程来确定：

式中：k为反应速率常数；k₀为反应频率因子；E_a为活化能，kJ·mol^-1；R为摩尔气体常数，8.314J·mol^-1·K^-1；T为绝对温度，K；t_1/2为营养物浓度半衰期，d；

在微生物生长代谢过程中，不考虑温度变化对反应速率的影响，故活化能E_a＝0；

②聚合物降解反应动力学参数的确定：

生物聚合物降解反应为一级反应，反应级数n＝1，反应频率因子k₀＝k，活化能E_a＝0；

式中：k为反应速率常数，d^-1；t_1/2为聚合物半衰期，d；

③微生物死亡反应动力学参数的确定：

微生物死亡反应为一级反应，反应级数n＝1，反应频率因子k₀＝k，活化能E_a＝0；

式中：k为反应速率常数，d^-1；t_1/2为微生物半衰期，d；

④微生物降解原油反应动力学参数的确定：

C_iH_mO_nN_f+aX₁＝C_iH_mO_nN_f+bX₂

微生物降解原油反应符合一级反应规律，不考虑温度变化对反应速率的影响，反应速率与高粘原油浓度关系为：

对时间积分得：

式中：C为任意时刻培养液中高粘原油浓度，g/L；C₀为初始时刻培养液中高粘原油浓度，g/L；k为反应速率常数，d^-1；

这里，微生物降解原油反应动力学参数确定为：反应级数n＝1，反应频率因子k₀＝k，活化能E_a＝0；

步骤S4：建立微生物反应动力学模型：在CMG数值模拟软件中，将微生物自催化反应方程得到的微生物及其代谢产物分别定义为溶于水的组分，考虑生长、运移、扩散、吸附等特性(模型中采取CMG缺省值或实验测定值)，即可实现对微生物及其代谢产物运移的模拟计算；

微生物运移方程：

营养物运移方程：

代谢产物运移方程：

步骤S5，基于CMG软件创建地质概念模型，验证微生物反应动力学模型的准确性；通过CMG中Builder模块，创建地质概念模型，利用热采及化学驱模拟器STARS，创建微生物反应动力学模型，进行微生物采油数值模拟实验，验证微生物反应动力学模型的准确性。