油藏微生物潤濕改性機理研究進展

陳子慧，林軍章，汪衛(wèi)東，，汪廬山

（1.中國石化勝利石油管理局有限公司博士后科研工作站，山東東營 257001；2.中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院，山東東營 257000；3.中國石化微生物采油重點實驗室，山東東營 257000；4.中國石化勝利油田分公司，山東東營 257001）

微生物提高原油采收率技術（Microbial Enhanced Oil Recovery，簡稱MEOR）可分為內源微生物驅和外源微生物驅，主要是指單獨注入營養(yǎng)液激活油層內微生物或將地面分離培養(yǎng)的微生物菌液注入油層，通過其生長代謝活動來改變油層中的界面性質或增強原油的滲流能力，并達到提高采收率的目的［1-3］。與其他采油方法相比，微生物采油技術不僅具有施工成本低、增產效果持續(xù)時間長、對環(huán)境污染少等優(yōu)勢［4-5］，還具有廣泛的應用范圍，比如高含水油藏、稠油油藏［6］、低滲透油藏［7］和化學驅后油藏［8］等。所以，在目前低油價時期，微生物采油技術顯示出了巨大的應用潛力。

前期研究證實，微生物采油技術同時具備提高洗油效率以及擴大水驅波及體積的作用［9-11］。比如，微生物代謝產物中的生物酶和生物表面活性劑分別通過嗜烴降黏以及降低油水界面張力、提高油水乳化能力的方式改善洗油效率［4，12-13］。此外，生物氣在原油中的易溶性使得原油體積增大，油層壓力增加，進而降低原油黏度［14］。另一方面，在油藏高滲透區(qū)，微生物生長繁殖后形成的生物團或代謝活動中產生的多糖聚合物和生物源礦物沉淀可有效堵塞大孔道，從而控制油水流度比，最終擴大水驅波及面積［15］。

潤濕性主要指的是當存在一種混相流體時，另一種流體在固體表面鋪展或者黏附的傾向性［16］。油藏潤濕性在很大程度上決定著孔隙中的流體分布，所以必然會影響水驅效率［17］。目前，各類室內實驗結果都表明改變巖石表面潤濕性可顯著提高驅油效率［18］，比如各類化學表面活性劑［19-20］、分子膜驅油劑［21］、堿溶液［22］和納米顆粒［23］等。對于中國微生物采油技術來說，現(xiàn)階段的礦場試驗主要集中在勝利或大慶等油田的中高滲透水驅油藏，因此前期驅油機理研究方向主要為利用微生物乳化、產氣、降黏等提高采收率。但隨著近幾年該技術在中低滲透油藏的應用，研究重心也開始逐步向微生物潤濕改性這個方向轉移［24］。前期微生物在潤濕改性中的作用研究仍處于室內實驗階段，對于其微觀潤濕改性機理認識也不系統(tǒng)，因此還無法精準利用該機理進行礦場試驗。因此，探討微生物及其代謝產物在潤濕改性中的作用和變化規(guī)律可進一步揭示微生物的微觀潤濕改性機理，從而為后續(xù)的礦場應用提供理論支撐。

1 微生物潤濕改性研究發(fā)展歷程

油藏微生物及代謝產物的潤濕改性研究始于2003 年，ZEKRI 等發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌對天然石灰?guī)r表面具有潤濕性改變能力［25］，此后挪威、伊朗、德國等國學者都相繼根據(jù)各自國家和地區(qū)的油藏條件開展了不同類型的微生物、代謝產物以及其他影響因素（如溫度、礦化度、原油黏度、壓力等）對巖石潤濕性改變的研究。微生物潤濕改性研究目前可以分為2個階段，第1個階段是從2003年到2012年期間的表觀現(xiàn)象及機理認識提出階段。2012 年，KARIMI 等首次通過AFM 等儀器對微生物潤濕改性的微觀機理進行了初步闡述［26］。此后，針對微生物不同組分對提高采收率的貢獻展開研究，從2012 年開始，微生物潤濕改性研究進入到了微觀機理初步研究和物理模擬提高采收率研究階段。但由于微生物驅油機理具有協(xié)同性，因此目前以微生物潤濕改性為主導的提高采收率技術的礦場試驗較少，尚未進入到規(guī)?；瘧秒A段。綜合微生物不同組分在潤濕改性研究中的部分重要研究成果（表1）可以發(fā)現(xiàn)，微生物菌體、代謝產物以及菌液（菌體及代謝產物的混合溶液）均顯示出了不同程度的潤濕改性能力，而菌體在巖石表面或油水界面生長繁殖后形成的生物膜及代謝產物在固體表面的吸附可能是造成潤濕性改變的主要原因。

表1 微生物潤濕改性研究的主要發(fā)展進程Table1 Main research process in microbial wettability alteration

2 微生物各組分在潤濕改性中的作用

目前研究認為微生物及其代謝產物均具有改變巖石表面潤濕性的能力，其改變程度主要取決于油藏的初始潤濕狀態(tài)，既可將初始油濕油藏轉變?yōu)樗疂裼筒?，也可將初始水濕油藏轉變?yōu)槿跛疂窕蛑行詽櫇裼筒兀?7，29，38］。

2.1 微生物菌體在潤濕改性中的作用

油藏作為一類典型的極端環(huán)境，具有高溫（40～130 ℃）、高壓（10～50 MPa）、高礦化度、貧營養(yǎng)及厭氧等特點，在該極端環(huán)境中存在著種類多樣、代謝類型豐富的微生物，其中對微生物采油有利的菌株稱為微生物采油功能菌，包括嗜烴氧化的不動桿菌、產表面活性劑的假單胞菌和地衣芽孢桿菌、產甲烷菌、產生物多糖的黃單胞菌等［33］。前期研究表明微生物菌體具有改變巖石表面潤濕性的能力，其改性規(guī)律為將強油（水）濕巖石變?yōu)槿跤停ㄋ駧r石［27，39］。微生物菌體濃度、溫度、原油含硫量以及巖石表面老化時間等因素都會影響微生物菌體在潤濕改性中的作用效率。總的來說，菌體濃度越高［26］、溫度越高［25］、巖石老化時間越長［26］、原油含硫量越低［25］，微生物菌體作用后的巖石表面水濕程度越高［39］。但菌體濃度及環(huán)境溫度對巖石表面潤濕性的影響程度存在極值，一旦超過這個極值，接觸角不再隨著該因素的變化而變化。

前期室內實驗結果表明微生物菌液的潤濕改性能力要優(yōu)于單純代謝產物溶液［34］，這也就意味著微生物菌體在潤濕改性中的作用不可忽視。一方面，通過原子力顯微鏡等儀器觀測到微生物菌液處理后的疏水玻片表面上形成一層生物膜，從而大幅度降低了疏水玻片的表面粗糙度［21］。因此，目前普遍認為微生物引起巖石潤濕性改變的原因在于菌體吸附在巖石表面并形成了一層生物膜，而微生物菌體能夠吸附在巖石表面的原因可分為以下幾點：①微生物菌體作為活體，能動性強，可以在水體中以原油為營養(yǎng)生存，具有靶向找油［40］（圖1a）、在油水界面富集的特點［41］（圖1b），所以憑借著自身“自動尋的”的特性吸附到由油膜覆蓋的巖石表面［42］。②疏水性是造成微生物菌體沉淀的驅動力，由于疏水菌株的酸-堿（A-B）值是負數(shù)，疏水作用使得疏水菌株與巖石之間的總能量是負值，因此疏水菌株在巖石表面的吸附數(shù)量最多，其次是低電荷細胞，最后是低zeta 電位的親水細胞［43］。王修垣認為細胞表面的疏水性是影響其在界面行為上的主要原因［44］，而菌體在巖石表面上吸附的穩(wěn)定性取決于菌體的分子結構。ALKAN 等對于微生物潤濕改性機理提出了一種新的假設［36］，認為低濃度的菌體并不具有快速且大幅度改變潤濕性的能力，且其實驗結果也并不支持微生物菌體將原油作為碳源，通過生物降解的方式將油膜和巖石分開的說法。如圖2 所示，在油水界面發(fā)現(xiàn)了一層由微生物和其他胞外多糖、DNA 或蛋白質等物質形成的具有黏彈性的生物膜［45-46］，該現(xiàn)象可以通過微生物自身的界面趨向性來解釋［41］。由于這層黏彈性薄膜會隨著時間使油滴向中心收縮，從而改變油滴在巖石表面的接觸角，所以認為菌體在油水界面聚集形成的具有黏彈性的生物膜可能是造成潤濕性改變的原因。

圖1 微生物找油及油水界面富集能力Fig.1 Microbial abilities of oil seeking and enrichment on water-oil interface

圖2 微生物在油水界面上形成生物膜Fig.2 Biofilms formed by microorganisms on water-oil interface

目前研究表明微生物在油固或油水界面上形成的生物膜可能是造成潤濕性改變的重要原因，但是究竟哪類生物膜是主導巖石潤濕性改變的關鍵原因以及其作用機理仍需要進一步研究。

2.2 微生物代謝產物在潤濕改性中的作用

油藏中的微生物會在生長代謝過程中產生各類代謝產物，包括多糖聚合物、生物表面活性劑、生物酶等，而不同的代謝產物具有不同的驅油機理。研究表明生物表面活性劑和生物酶作用后，巖石表面的潤濕性均可發(fā)生改變。

常見的生物表面活性劑包括脂肽和鼠李糖脂。表面活性劑的分子結構一端為親水基團，另一端為疏水基團，可通過在溶液的表面定向排列達到降低溶液表面張力的目的。生物表面活性劑可降低表面張力、界面張力和臨界膠束濃度以及增強油水乳化降黏［47-48］，同時兼具了潤濕改性的功能［1，33］。與微生物菌體一樣，巖石表面潤濕性改變的幅度與生物表面活性劑的濃度和作用時間成正比［26］，但是溫度和礦化度對于這2種生物表面活性劑在潤濕改性中的作用影響卻不同。對于脂肽來說，溫度升高并不會抑制脂肽的潤濕改性能力［37，47］，可是在高礦化度的環(huán)境中，脂肽的潤濕改性能力卻基本可以忽略不計［37］。而對于鼠李糖脂來說，溫度變化對其潤濕改性能力的影響較小［49］，但隨著礦化度的增高，鼠李糖脂處理后的親油巖石的水濕程度進一步提高［37］。

一般來說，表面活性劑的潤濕機理主要分為2類：清洗機理和覆蓋機理［50-51］。如圖3 所示，清洗機理指的是表面活性劑通過競爭吸附的方式將膠質瀝青從巖石表面脫附，從而完成潤濕性改變［50］。覆蓋機理則指的是表面活性劑通過在膠質瀝青表面的直接吸附而完成的潤濕性改變［51］。其中陽離子表面活性劑中的親水基團可在靜電力的作用下與羧酸鹽基團形成穩(wěn)定的離子對，從而使原油中的極性物質從固體表面脫附，因此陽離子表面活性劑的潤濕機理為清洗機理［18］。對于陰離子表面活性劑來說，其疏水端通過疏水作用與吸附在固體表面上的極性分子的疏水端形成雙層吸附，因此陰離子表面活性劑的潤濕機理為覆蓋機理［18］。

圖3 表面活性劑的吸附機理Fig.3 Adsorption mechanism of surfactants

脂肽是由7種氨基酸形成的親水基肽環(huán)和脂肪酸鏈組成，在靜電力的作用下，脂肽的精氨酸水溶液環(huán)境呈正電性，所以極易在帶負電性的巖石表面上吸附后形成一層分子膜，并將親水基團暴露在外，使得中性潤濕的巖石表面轉變?yōu)閺娝疂窕驅⑹杷畮r石轉變?yōu)橹行詽櫇瘢?2］。鼠李糖脂是一種糖脂類表面活性劑，其分子結構包括糖環(huán)和脂肪酸鏈，因此在羥基氫鍵的作用下，鼠李糖脂在帶負電性的砂巖表面形成Si—OH水化膜，而兩者間的氫鍵作用力大于原油中極性分子與砂巖表面間的范德華力，進而將油膜從巖石上剝離下來，改變其潤濕性［53］。

除了生物表面活性劑外［54］，微生物代謝活動中產生的生物酶也具有潤濕改性的能力，且不同類型生物酶的潤濕改性能力不同。KHUSAINOVA 等研究發(fā)現(xiàn)，相較于糖酶、蛋白酶和氧化還原酶，脂肪酶具有更強的改變方解石表面潤濕性的能力［55］。當將弱親水的天然方解石放置在含有不同濃度的脂肪酸堿溶液中，油滴在方解石表面的吸附狀態(tài)也隨之發(fā)生了變化：隨著濃度及作用時間的增加，油滴從一開始的完全吸附狀態(tài)變成了完全脫附狀態(tài)。這意味著脂肪酶可打破液-固界面的相互作用，直接吸附在方解石的表面，從而完成巖石潤濕性的改變。

2.3 微生物潤濕改性對提高采收率的貢獻

目前室內已通過數(shù)學模擬或者物理模擬等手段計算和推測得出微生物潤濕改性對于提高采收率具有顯著貢獻［33，36，56-61］。ALKAN等利用CMGSTARS 預測微生物潤濕改性單機理對提高采收率的貢獻，分析得出若激活內源微生物7個月后，日采油速率可提高5 倍以上，該驅油機理對提高采收率的貢獻相當于其他驅油機理的總和［36］。SARAFZADEH 等通過長巖心驅替物理模擬實驗預測微生物潤濕改性機理對提高采收率的功效，發(fā)現(xiàn)外源微生物注入后，短時間內采收率的提升是由界面張力降低引起的，而經過長時間悶井后，采收率的進一步提升是因為微生物在巖心表面進行吸附并改變其潤濕性，所以微生物的潤濕改性機理對于提高采收率的貢獻明顯高于降低界面張力［33］。

微生物采油礦場試驗尚無法準確描述微生物潤濕改性機理對提高采收率的貢獻。由于微生物采油機理復雜且各機理之間存在協(xié)同性，因此現(xiàn)場試驗中單純微生物潤濕改性機理對于提高采收率的貢獻難以定量描述。已報道微生物采油技術主要應用在中高滲透水驅油藏，其調控的主要方向為嗜烴乳化降黏等機理，對于微生物潤濕改性機理對提高采收率的貢獻研究少且缺乏系統(tǒng)性，因此微生物潤濕改性機理在采油中的貢獻尚未充分發(fā)揮。但近幾年在中低滲透油藏應用具有潤濕作用的鼠李糖脂等生物表面活性劑取得良好的應用效果，使微生物潤濕改性功能展現(xiàn)出巨大的應用潛力。

3 結束語

微生物菌體本身及代謝產物可有效改變巖石潤濕性，從而提高原油滲流能力。而微生物本身的生物體特性及代謝產物官能團多等特點也使得其潤濕改性的作用程度、作用機理和作用范圍與常規(guī)潤濕劑不同，顯示出具有較強的獨特性。

雖然目前普遍認為生物膜的形成是微生物驅油過程中巖石表面潤濕性改變的關鍵原因，但是微生物不同組分在界面上的吸附機理仍不明確，因此對于微生物潤濕改性微觀機理仍需要進一步深入研究。此外，目前微生物潤濕改性研究主要集中在輕質原油，針對稠油作用研究較少，微生物潤濕改性在不同油藏中的貢獻率也不明晰。因此在明確微生物潤濕改性機理的基礎上，開展關于微生物驅的油藏適應性研究可為之后礦場試驗的現(xiàn)場調控提供理論依據(jù)。

東部老油田面臨著含水率高、開采成本高但采收率低的難題，稠油油藏或中低滲透油藏的高效開發(fā)對于老油田的穩(wěn)定發(fā)展至關重要，構建微生物潤濕改性為主導的驅油體系將在這些油藏開發(fā)中發(fā)揮更大的作用。