生物納米驅(qū)油劑體系的制備與性能評(píng)價(jià)*

王 博，鄧舒元，馮 青，佘躍惠，張 凡

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459；3.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100）

0 前言

納米驅(qū)油體系的制備與應(yīng)用在提高原油采收率方面已經(jīng)表現(xiàn)出了巨大的潛力，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。目前納米顆粒的制備主要包括物理方法、化學(xué)方法和生物方法，其中，物理方法合成納米顆粒需要大量的能源，并且產(chǎn)量較低［1］，而化學(xué)方法合成納米顆粒在還原過(guò)程中所需的能量較少，形成的顆粒均質(zhì)且尺寸和形狀精度高，但化學(xué)方法會(huì)使用各種危險(xiǎn)的化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)具有致癌性、遺傳毒性和細(xì)胞毒性，因此對(duì)環(huán)境不友好［2-4］。而生物方法合成納米顆粒是運(yùn)用生物材料介導(dǎo)、封端、包裹或微生物自身產(chǎn)生的生物納米顆粒［5］，生物方法一直被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)、高效和環(huán)境友好的合成納米顆粒的方法［6-7］。生物方法合成納米顆粒在提高采收率的研究及應(yīng)用中非常具有前景。

目前，納米驅(qū)油劑已在國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室和油田成功開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，證明了納米驅(qū)油劑的可行性［8］。侯吉瑞及其團(tuán)隊(duì)致力于研究2D 智能納米黑卡，并于2019年應(yīng)用于吉林油田中低滲透砂巖油藏中，使其含水量降低，產(chǎn)油量增加［9］。丁小慧等研制了一種化學(xué)型納米乳液驅(qū)油劑，可使靜態(tài)驅(qū)油率提高30%［10］。羅健輝等研制了具有破壞/減弱水分子強(qiáng)氫鍵締合作用的納米驅(qū)油劑iNanoW1.0，在長(zhǎng)慶油田現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)中效果顯著［11］。目前納米驅(qū)油劑的合成主要采用化學(xué)方法，生物合成的納米驅(qū)油劑體系還未得到廣泛研究，因此，開(kāi)發(fā)一種環(huán)境友好的納米顆粒合成方法，并有效調(diào)節(jié)納米顆粒的尺寸、形貌、穩(wěn)定性和特性是目前納米顆粒合成研究領(lǐng)域的主要重點(diǎn)［12］。此外，納米流體的穩(wěn)定分散與其它藥劑的配伍性，制約著納米材料提高油氣采收率礦場(chǎng)運(yùn)用，也是研究重點(diǎn)。

本文將希瓦氏菌CD-8 還原產(chǎn)生的生物納米顆粒與芽孢桿菌3096-3 產(chǎn)的生物表面活性劑進(jìn)行復(fù)配形成穩(wěn)定的生物納米驅(qū)油體系，評(píng)價(jià)了合成的生物納米驅(qū)油劑體系的分散穩(wěn)定性、乳化性與驅(qū)油潛力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

芽孢桿菌3096-3、希瓦氏菌CD-8，均由實(shí)驗(yàn)室分離而來(lái)；氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣、氯化銨、氯化鉀、磷酸氫二鉀、乙醇、丙酮、鹽酸、酵母粉、蛋白胨，赤鐵礦（Fe2O3），分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；人造致密巖心，直徑2.5 cm，滲透率為1.9×10-3μm2；實(shí)驗(yàn)用油為長(zhǎng)慶輕質(zhì)油，30 ℃下黏度為17.33 mPa·s，密度為0.837 g/cm3。

HH.B11-500型電熱恒溫培養(yǎng)箱，天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；UV-2102C 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，尤尼柯（上海）儀器有限公司；Neofuge 13R型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)，上海力申科學(xué)儀器有限公司；DK-98-Ⅱ型電熱恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司；巖心驅(qū)替裝置，江蘇珂地石油儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）生物納米驅(qū)油劑體系的制備

實(shí)驗(yàn)室利用芽孢桿菌3096-3 產(chǎn)脂肽類(lèi)表面活性劑，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：將12.5 mL 的芽孢桿菌3096-3 菌液加入250 mL 的ES 培養(yǎng)基（20 g 蔗糖+7 g 谷氨酸鈉+6.8 g KH2PO4+0.5 g KCl+0.2 g MgSO4+11 mg FeSO4+0.5 mg MnSO4+0.09 mg ZnSO4+0.07 g CuSO4+1.4 g NaOH）中，在搖床培養(yǎng)箱中培養(yǎng)120 h，然后采用離心機(jī)將獲得的發(fā)酵液進(jìn)行離心分離，取上層清液即為脂肽類(lèi)生物表面活性劑，其中表面活性劑有效含量為1.34 g/L。

實(shí)驗(yàn)室利用希瓦氏菌CD-8 還原產(chǎn)納米鐵顆粒，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：將0.5%的希瓦氏菌CD-8、70 mmol/L赤鐵礦（Fe2O3）作為電子受體和鐵源以及有機(jī)酸乳酸鈉10 mmol/L作為碳源和電子供體加入HEPES（4-羥乙基哌嗪乙磺酸）緩沖的特定培養(yǎng)基（主要含碳酸氫鈉、氯化鈣、β-甘油磷酸鈉、氯化銨、氯化鎂、KCl、氯化鈉、HEPES、酵母提取物、微量元素溶液和復(fù)合維生素溶液）中，在37 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)計(jì)培養(yǎng)30 d。將希瓦氏菌還原所得的產(chǎn)物通過(guò)0.25 μm的濾膜過(guò)濾得到納米鐵顆粒。

將得到的納米鐵顆粒和脂肽生物表面活性劑溶液按一定比例混合，并在超聲處理20 min，直至溶液清澈透亮，制得生物納米驅(qū)油劑體系。

（2）液相色譜-質(zhì)譜（HPLC-MS/MS）分析

取20 μL的待測(cè)樣品點(diǎn)樣到HPTLC板上，利用自動(dòng)TLC取樣器定位裝置對(duì)樣品進(jìn)行定位，用TLC掃描儀和紫外線對(duì)待測(cè)物組分進(jìn)行定性檢測(cè)，并用TLC-interface 進(jìn)行提取與洗脫；將TLC-MS 接口頭連接到泵上，以10 mL/min 的流速用甲醇與乙腈（50%水稀釋?zhuān)w積比為1∶10的混合溶劑進(jìn)行萃取，用TLC-visualizer在紫外光下對(duì)HPTLC平板進(jìn)行評(píng)價(jià)，并同時(shí)采集圖像信息。

（3）紅外光譜（FT-IR）分析

將含有生物表面活性劑的游離細(xì)胞培養(yǎng)液離心處理，回收沉淀的生物表面活性劑。將沉淀的生物表面活性劑溶于去離子水中，調(diào)節(jié)溶液的pH 值至7.0，將氯仿/甲醇（體積比為2∶1）混合溶液加入粗生物表面活性劑中收集有機(jī)層，然后在40 ℃下蒸發(fā)，并將蒸發(fā)后的固體放在60 ℃的烘箱內(nèi)烘干，得到粉末樣品。采用Nicolet 6700 型傅立葉變換紅外掃描儀對(duì)生物表面活性劑粉末樣品進(jìn)行掃描，以4 cm-1的分辨率在4000～400 cm-1范圍內(nèi)掃描32次，記錄紅外光譜，并標(biāo)記信號(hào)峰。

（4）X射線粉晶衍射儀（XRD）測(cè)試

采用德國(guó)Bruker AXS D8-Focus 型X 射線粉晶衍射儀（XRD）對(duì)樣品進(jìn)行小角X-射線衍射（XRD）分析，使用X'Pert 數(shù)據(jù)采集器軟件收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)條件為：管電壓為40 kV，管電流為100 mA，掃描速率為1°/min，掃描角度為2°～80°。

（5）掃描電子顯微鏡（SEM）觀察

使用SU8010 超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察納米顆粒的形貌，測(cè)試前對(duì)樣品表面噴金。

（6）透射電子顯微鏡（TEM）觀察

用超聲液體處理機(jī)超聲處理待測(cè)樣品10 min，然后將溶液滴在銅柵上，將柵格風(fēng)干，最后在JEM-2100Plus電子顯微鏡下于50 nm波長(zhǎng)處顯影后觀察。

（7）粒徑與Zeta電位測(cè)試

采用激光粒度分析儀測(cè)定不同納米顆粒濃度下的生物納米驅(qū)油劑體系中納米顆粒的粒徑分布。將待測(cè)樣品溶液配制成質(zhì)量濃度為10 g/L的懸浮液，然后加入2.5 g 的石英顆粒，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，然后測(cè)量樣品的Zeta電位，測(cè)量3次取平均值。

（8）乳化性能評(píng)價(jià)

分別將不同納米顆粒濃度的生物納米驅(qū)油劑體系與原油按體積比1∶1 混合，使用高速剪切分散乳化機(jī)在剪切速率為6000 r/min 下剪切2 min 制得乳狀液。將乳狀液倒入具塞量筒中并以單位時(shí)間為基準(zhǔn)記錄乳狀液體積，并按式（1）計(jì)算乳化指數(shù)。

式中，IE—乳化指數(shù)；V1—乳液體積，mL；V2—體系總體積，mL。

通過(guò)FV1000 型激光共聚焦顯微鏡觀察乳狀液的顯微圖像，通過(guò)ImageJ 軟件處理顯微圖像，分析乳狀液的穩(wěn)定性。

（9）自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)

將巖心抽真空、飽和地層水后測(cè)定其滲透率和孔隙度；再將巖心置入巖心夾持器中以恒定流量飽和原油，將飽和油后的巖心在60 ℃下浸泡于原油中，老化36 h后取出，并擦干巖心表面多余的油；然后放入加有生物納米驅(qū)油體系的滲吸瓶中，使巖心完全浸沒(méi)在生物納米驅(qū)油劑溶液中，并使液體升高至刻度線處即可；將滲吸裝置于恒溫水浴鍋中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)節(jié)恒溫將水浴鍋溫度，記錄不同時(shí)刻的出油量。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物表面活性劑的結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 液相色譜-質(zhì)譜（HPLC-MS/MS）分析

利用液相色譜-質(zhì)譜（HPLC-MS/MS）對(duì)菌株3096-3產(chǎn)物進(jìn)行鑒定，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1（a）與圖1（b）可知，分子離子［M+Na+］的質(zhì)量電荷比為1072.77，［M+H+］的質(zhì)量電荷比為1053.38，故其相對(duì)分子質(zhì)量大約為1050，推斷為C13-Surfactin［13-14］；同樣地，由圖1（c）與圖1（d）可知，分子離子［M+Na+］的質(zhì)量電荷比為1054.16，［M+H+］的質(zhì)量電荷比為1023.84，故其相對(duì)分子質(zhì)量約為1022，推斷為C14-Surfactin。因此說(shuō)明菌株3096-3 產(chǎn)物明顯存在碳鏈為C13、C14-surfactin的脂肽類(lèi)化合物［15］。

圖1 高效液相色譜圖中各個(gè)保留時(shí)間下分離組分的質(zhì)譜圖

2.1.2 紅外吸收光譜（FT-IR）分析

圖2為芽孢桿菌3096-3產(chǎn)生的生物表面活性劑粗提物的紅外光譜圖。在3304.90 cm-1處為氨基振動(dòng)吸收峰；在波數(shù)為1646.55 cm-1處為酰胺基團(tuán)的振動(dòng)吸收峰；在1726.64 cm-1處為酯基振動(dòng)單峰；在2928.07cm-1處為亞甲基的振動(dòng)吸收峰；在2833.03cm-1處為甲基振動(dòng)吸收峰。生物表面活性劑的紅外光譜特征峰值與文獻(xiàn)報(bào)道的脂肽類(lèi)生物表面活性劑的官能團(tuán)峰值相一致［16-17］。因此推測(cè)芽孢桿菌3096-3 產(chǎn)生的活性物質(zhì)中含有脂肽類(lèi)生物表面活性劑。

圖2 菌株3096-3產(chǎn)生的生物表面活性劑的紅外吸收光譜圖

2.2 生物納米顆粒的分析

2.2.1 SEM分析

空白赤鐵礦和培養(yǎng)30 d 的希瓦氏菌CD-8 還原產(chǎn)生的納米顆粒的SEM 照片見(jiàn)圖3。從圖3（a）可以看出，空白樣品赤鐵礦在此培養(yǎng)條件下形貌和尺寸均不統(tǒng)一，片狀和塊狀居多；而在圖3b可以看出，希瓦氏菌CD-8皺縮的細(xì)胞膜內(nèi)還有未排出體外的納米顆粒，而且細(xì)胞緊緊連著大量平均粒徑20 nm左右的納米小球。通過(guò)與空白樣品對(duì)照可以推斷，希瓦氏菌CD-8能將天然赤鐵礦尺寸還原成納米級(jí)的球形納米顆粒，納米顆粒粒徑為20～40 nm。

圖3 空白赤鐵礦（a）和培養(yǎng)30 d的CD-8菌還原產(chǎn)生的納米顆粒（b）的SEM照片

2.2.2 XRD分析

XRD 物相分析結(jié)果是根據(jù)Jade 6 軟件經(jīng)平滑、尋峰、手動(dòng)擬合、限定元素物相檢索等操作得出，排除了完全不存在的元素。圖4 為希瓦氏菌CD-8 還原產(chǎn)物的XRD圖。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)峰比對(duì)發(fā)現(xiàn)，在2θ=21.092°、33.066°、47.145°和67.358°左右有4 個(gè)Fe2O3特征峰，在2θ=39.145°、41.131°左右有2 個(gè)FeO 特征峰，說(shuō)明產(chǎn)物均是鐵系化合物，因此證明希瓦氏菌CD-8的還原產(chǎn)物為納米鐵顆粒。

圖4 CD-8菌系統(tǒng)產(chǎn)物X-射線衍射圖

2.3 生物納米驅(qū)油劑體系的分散性與穩(wěn)定性

不同納米顆粒濃度的生物納米驅(qū)油劑體系中納米顆粒的粒徑分布如圖5所示。生物納米驅(qū)油劑體系中納米顆粒的粒徑分布范圍主要在40～80 nm之間。隨納米顆粒濃度的增加，粒徑分布略微右移變大，但也主要分布在40～80 nm 范圍內(nèi)。說(shuō)明高納米濃度對(duì)體系的粒徑分布影響很小，生物納米驅(qū)油劑體系有著良好的分散穩(wěn)定性。并且通過(guò)TEM觀察發(fā)現(xiàn)，納米鐵顆粒在生物表面活性劑中分布均勻，形狀上均呈圓球狀且大小穩(wěn)定，平均粒徑在40 nm左右。

圖5 生物納米驅(qū)油劑體系中納米顆粒的粒徑分布及分散性

不同納米顆粒濃度的生物納米驅(qū)油劑體系的Zeta電位測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，濃度梯度范圍內(nèi)Zeta 電位絕對(duì)值在35.6～37.1 mV 之間，在濃度為100 mg/L 時(shí)的Zeta 電位絕對(duì)值最大，為37.1 mV。Zeta電位絕對(duì)值越大，溶液體系的穩(wěn)定性能越好［18-19］。在后續(xù)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中，使用納米顆粒質(zhì)量濃度為100 mg/L的生物納米驅(qū)油劑體系。

表1 不同納米顆粒濃度的生物納米驅(qū)油劑體系的Zeta電位

2.4 乳化性能

納米顆粒質(zhì)量濃度（20～100 mg/L）不同的生物納米驅(qū)油劑體系與原油的乳化性能如圖6所示。從圖6可以看出，初始時(shí)，不同納米顆粒濃度的生物納米驅(qū)油劑體系均表現(xiàn)出乳化行為，生物納米驅(qū)油劑體系溶液與原油間的乳化指數(shù)均大于60%，具有良好的乳化性能，并且納米顆粒濃度越高乳化效果越好；2 h后，乳化指數(shù)仍然保持在50%以上，并且可以保持在24 h以上，這說(shuō)明納米顆粒的存在提高了界面的機(jī)械強(qiáng)度和黏彈性，產(chǎn)生了空間位阻，防止了液滴變形和碰撞合并［20-21］，從而使生物納米驅(qū)油劑體系乳化性能穩(wěn)定。

圖6 不同納米顆粒濃度的生物納米驅(qū)油劑體系與原油間的乳化指數(shù)隨測(cè)試時(shí)間的變化

圖7為不同納米顆粒濃度的生物納米驅(qū)油劑體系與原油混合形成乳化液的顯微圖像。乳狀液的平均粒徑大小隨納米顆粒濃度的增加而減小，小液滴的數(shù)量隨濃度的增加而增多，致使油相和水相的接觸面積增加，形成了穩(wěn)定的水包油型乳液。納米顆粒在油滴表面的積累降低了乳狀液滴間的黏結(jié)力，導(dǎo)致布朗運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，且小液滴粒徑的乳狀液比大液滴粒徑的乳狀液具有更好的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性［22-23］，因此，生物納米驅(qū)油劑體系具有良好的乳液穩(wěn)定性和高效的乳化性能，適合用于提高原油采收率。

圖7 不同納米顆粒濃度的生物納米驅(qū)油劑與原油的乳狀液的顯微圖像

2.5 自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)效果

在60 ℃下，不同納米顆粒濃度的生物納米驅(qū)油劑體系的滲吸實(shí)驗(yàn)巖心相關(guān)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，采收率隨測(cè)試時(shí)間的變化見(jiàn)圖8。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，生物納米驅(qū)油劑體系滲吸排油效果明顯，相比于對(duì)照組模擬地層水可大幅提高原油采收率。隨生物納米驅(qū)油劑體系中納米顆粒濃度的增加，滲吸速度加快，滲吸采收率增大，當(dāng)納米顆粒濃度由20 mg/L 增至100 mg/L 時(shí)，滲吸排油的最終采收率由36.10%增至54.89%。這說(shuō)明體系中納米顆粒濃度與滲吸排油采收率和滲吸排油速度呈正相關(guān)關(guān)系，高納米顆粒濃度的生物納米驅(qū)油劑體系可以有效地改善油水界面性能，通過(guò)降低界面張力、潤(rùn)濕性和乳化作用的協(xié)同作用可以有效地降低附著在孔隙表面上的油膜厚度和增加毛管力［24-25］，擴(kuò)大波及效率，并最終達(dá)到提高采收率的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該生物納米驅(qū)油劑體系在提高原油采收率方面具有良好的性能，且在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)納米顆粒濃度越高效果越好。

表2 不同納米顆粒濃度的生物納米驅(qū)油劑體系的滲吸排油實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 不同溫度下滲吸排油實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 不同納米顆粒濃度的生物納米驅(qū)油劑體系的滲吸采收率隨時(shí)間的變化

不同溫度下，納米顆粒質(zhì)量濃度為100 mg/L的生物納米驅(qū)油劑體系的滲吸排油實(shí)驗(yàn)巖心相關(guān)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)3，采收率隨測(cè)試時(shí)間的變化見(jiàn)圖9。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨實(shí)驗(yàn)溫度的升高，滲吸速度與滲吸采收率也隨著升高。一方面，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度升高時(shí)，飽和在巖心孔隙中的原油黏度降低，導(dǎo)致原油的流動(dòng)性與形變能力增強(qiáng)［26］；另一方面，溫度升高會(huì)導(dǎo)致整個(gè)驅(qū)油體系與原油間的界面張力降低［27］，波及效率與洗油能力增加，更有利于巖心孔隙中的毛管力作用驅(qū)替原油，最終提高了原油采收率。

圖9 不同溫度下滲吸采收率隨時(shí)間的變化

為了更加直觀地體現(xiàn)生物納米驅(qū)油劑體系的正協(xié)同作用，進(jìn)行了生物納米驅(qū)油劑體系、生物表面活性劑和納米鐵流體3種不同類(lèi)型驅(qū)油劑的滲吸排油對(duì)比實(shí)驗(yàn)，3種驅(qū)油劑的質(zhì)量濃度均為100 mg/L，實(shí)驗(yàn)溫度均為60 ℃，滲吸排油實(shí)驗(yàn)巖心相關(guān)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，采收率隨測(cè)試時(shí)間的變化見(jiàn)圖10。生物納米驅(qū)油劑體系、生物表面活性劑和納米鐵流體的采收率分別為53.70%、35.26%和47.92%，生物納米驅(qū)油劑體系的采收率最高，這說(shuō)明生物納米驅(qū)油劑體系提高采收率的效果優(yōu)于單一的生物表面活性劑與納米鐵流體。生物納米驅(qū)油劑體系作為復(fù)合驅(qū)油體系，納米顆?？梢栽谏锉砻婊钚詣┲蟹€(wěn)定分散，并且在改變潤(rùn)濕性、降低界面張力與乳化作用的協(xié)同作用下，能更好地降低存在于巖心細(xì)微孔道中的毛管力，所以生物納米驅(qū)油體系作為復(fù)合驅(qū)油體系具有正協(xié)同效應(yīng)，能更高效地提高原油采收率。

表4 不同驅(qū)油體系下滲吸排油實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 3種不同驅(qū)油體系的滲吸采收率隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

通過(guò)脂肽類(lèi)生物表面活性劑與納米鐵顆粒復(fù)配得到的生物納米驅(qū)油劑體系，納米顆?？梢栽谏锉砻婊钚詣┲蟹€(wěn)定分散，平均粒徑約為40 nm，生物制劑間有著優(yōu)質(zhì)的配伍性，并且具有低界面張力、高效的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)能力和乳化性能等優(yōu)點(diǎn)。

體系乳化效果與納米顆粒濃度呈正相關(guān)關(guān)系，并且納米顆粒濃度越高，乳狀液的平均粒徑越小，油水兩相間的接觸面積越大，使得生物納米驅(qū)油劑體系具有良好的乳液穩(wěn)定性和高效的乳化性能。生物納米驅(qū)油劑體系的滲吸采收率隨納米顆粒濃度和溫度的增高而增加。高濃度的生物納米驅(qū)油劑體系可以有效地改善油水界面性能，而且生物納米驅(qū)油劑體系作為復(fù)合體系在納米顆粒與生物表面活性劑的協(xié)同作用下，可更高效地提高原油采收率。