油藏內源乳化功能微生物對剩余油的微觀驅替機理

朱維耀，田英愛，汪衛東，宋智勇，韓宏彥，宋永亭，李彩風

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油藏內源乳化功能微生物對剩余油的微觀驅替機理

朱維耀1，田英愛1，汪衛東2，宋智勇1，韓宏彥1，宋永亭2，李彩風2

(1. 北京科技大學土木與環境工程學院，北京，100083；2. 中國石化勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營，257000)

以產乳化劑菌株(SL-1)為對象，利用微觀滲流物理模型模擬油藏條件(65 ℃，10 MPa)，研究該菌株對剩余油的驅替作用和機理。通過對比其與菌群的綜合作用，揭示乳化功能菌對整體驅油效果的貢獻；通過對比外源發酵與內源激活2種方式對剩余油驅替效果的差異，揭示生命活動的獨特驅油機理。研究結果表明：該微生物及其代謝產物能夠有效乳化分散剩余油，促進其剝離與滲流；該產物促使原油分散形成的油水乳液黏度較原油的原始黏度提高2~70倍，有助于改善深部孔隙的油水流度比、增大波及體積；并能夠改變孔隙壁面的潤濕性，提高膜狀剩余油的驅替效果；模型內激活的微生物依靠特有的界面趨向性和原位代謝，比外源發酵方式多采出21%的盲端剩余油，包括化學驅無法波及的深層盲端。依靠上述機理提高微觀模型總采收率達11.2%~13.5%。

物理模擬；微觀可視模型；生物乳化劑；采收率

內源微生物驅油技術是依靠人工激活油藏中的微生物群落，依靠微生物的生命活動及代謝產物提高原油采收率的綠色開發技術，經多年研究已在部分現場顯示出與化學驅相近的良好驅油效果及更優的經濟 性[1]。但因內源菌群依托多種功能微生物及代謝產物(如生物表面活性劑、生物氣、生物聚合物、有機酸等)共同作用于原油和油藏孔隙來影響滲流以致殘余油飽和度[2?5]，多種機理摻混使得各自的貢獻程度及相互影響尚不清晰，導致現場工藝優化缺乏明確方向，嚴重延緩了微生物技術的新區塊篩選和實施進度。而物理模擬實驗是驅油技術獲取清晰機理與準確參數不可或缺的研究手段。其中，微觀滲流模擬能夠為機理描述提供直觀現象及半定量數據支撐，是重要和必要的物理模擬方法。目前，多數微觀研究僅針對常壓、不同的油藏溫度開展微生物滲流實驗[6?8]，忽視了環境壓力對微生物代謝速率和生物氣的重要影響。因微觀模型材質不耐高壓，已有報道僅在模型外培養微生物時保持壓力，模型驅替階段仍降至常壓[9]，無法為內源微生物在孔隙中的原位代謝研究提供高壓模擬條件。針對這一問題，朱維耀等[10?11]建立了具備高溫高壓模擬能力(壓力≤25 MPa，溫度≤150 ℃)的微觀可視滲流模擬系統，發現內源混合菌群在油藏(65 ℃，10 MPa)條件下對剩余油起到了降解、溶解氣降黏、乳化分散、降低界面張力、改變潤濕性等多種作用[10]。針對這一由多機理混合的復雜系統，亟需準確辨識不同條件下的主導驅油機理，即明確不同驅油功能對整體效果的貢獻程度。為實現該綜合目標，首先應以清晰認識各功能菌的獨立驅油機理為基礎。作為其中的重要環節之一，本文作者針對油藏優勢菌群中普遍存在的產乳化劑功能菌(嗜熱脂肪地芽孢桿菌SL-1作為模式研究對象)開展微觀模擬研究，并與前期針對整體菌群作用的研究結果進行對比，揭示產乳化劑功能菌在整體群落作用效果中的貢獻方式；另外，通過對比外源發酵與內源激活效果的微觀差異，研究微生物在孔隙中的生長繁殖等生命活動對剩余油動用所發揮的作用及機理。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用原油來自勝利油田沾3區塊，65 ℃黏度為59.4 mPa·s。微觀模型驅替水為模擬地層水，NaCl質量濃度為3.2 g/L，CaCl2質量濃度為0.2 g/L，MgCl2質量濃度為0.1 g/L，pH為7.0；

本研究的研究對象菌株SL-1分離自油田產出液，產生物乳化劑，經鑒定為嗜熱脂肪地芽孢桿菌，以石油烴為唯一碳源生長，最適生長溫度為65~70 ℃[12]，是中高溫油藏最常見、且與驅油效果高度相關的內源優勢菌種之一[3, 13?14]。

模型驅替用微生物注劑包括：1) 發酵液：微生物接種于無菌激活劑中(接種量(體積分數)為8%)，在 65 ℃，以轉速120 r/min震蕩培養2周(時長與模型靜態培養一致)；2) 菌體：經培養的發酵液以3 000 r/min離心10 min，棄上清液，菌體重新懸浮于等體積無菌水中，即得到該菌體懸液；3) 激活劑：包括葡萄糖3.0 g/L、酵母粉3.0 g/L、蛋白胨3.0 g/L、NaCl 5.0g/L、K2HPO42.7 g/L，pH 7.2。

1.2 實驗儀器

實驗儀器為NDJ?1B旋轉黏度計、顯微鏡、BZY?1全自動表面張力儀、恒溫水浴震蕩培養箱、微觀仿真可視模型(圖1)、高溫高壓微觀驅替系統[10](包括微量泵、模型夾持器、容器罐、加壓系統、圖像采集系統、溫控系統等)。

(a) 微觀可視模型；(b) 水驅流場理論分區示意圖

為便于定位觀察、明確驅替過程的波及情況，根據距離主流通道的距離將模型進行理論分區。

1.3 微生物培養

SL-1菌接種于無菌激活劑(接種量(體積分數)為8%)，在65 ℃以120 r/min震蕩培養，每24 h測定細菌數[13]和發酵液的表面張力。

1.4 原油乳化實驗及黏度測定

原油與微生物發酵液按照不同油水體積比混合，在65 ℃以150 r/min震蕩5 min，靜置10 min后觀察、拍照記錄，并測定乳液脫水率和黏度。

1.5 微觀驅替實驗

模型恒溫65 ℃、恒壓10 MPa，注入速度0.08 mL/min，觀察并記錄實驗過程。實驗步驟包括：

1) 微觀模型抽真空、飽和水。

2) 模型飽和油。

3) 一次水驅1.3p，p為孔隙體積。

4) 分組注入上述微生物注劑0.8p。第1組(發酵液直接驅替組)：注入發酵液，之后直接進行第5)步；第2組(模型內培養組)：注入菌體與激活劑，保持溫度壓力靜態放置2周，同期觀察剩余油變化，之后進行第5)步；第3組(空白對照組)：省略步驟4)，直接進行第5)步。

5) 二次水驅1.6p。

6) 分析實驗圖片及數據。

觀察剩余油變化，分析拍攝圖片中孔隙剩余油的像素灰度，得到原油像素占孔隙像素的比值，即視野孔隙中含油飽和度。某一時刻的飽和度為同期的20個視野的平均值。

2 結果與討論

2.1 產生物乳化劑功能菌的生長、乳化特性

經過對勝利油田多個區塊及我國多個油田的內源微生物檢測、調研發現，地芽孢桿菌屬()是中高溫油藏最為常見、且與驅油效果高度相關的內源優勢菌種之一[3, 14?15]。勝利油田從高溫油藏產出液中分離得到產生物乳化劑菌株SL-1，經核酸鑒定為[12]，其最適生長溫度(65~70 ℃)和耐高礦化度(8% NaCl)等特征均符合油藏的自然屬性。尤其能以原油為唯一碳源生長、合成乳化劑，乳化效果顯著且穩定，可提高填砂巖心采收率8.3%。鑒于該菌株來自實際油藏、且其種屬分布廣泛，本文將其作為乳化功能的模式菌株開展研究。

實驗發現：該菌經培養可將發酵液的表面張力降至36.6 mN/m(圖2)，明顯高于內源混合菌群發酵液的最低表面張力(23.2 mN/m)[10]，說明該菌代謝產物(生物乳化劑)的表面活性相對糖脂、脂肽等生物表面活性劑較低。但其乳化性能突出，產生的乳化劑能夠迅速將原油分散，形成水包油型乳液(圖3)，油滴直徑約10 μm[12]。乳液黏度較高，可達原油初始黏度的2~70倍(表1)，有助于在驅油過程中增大高滲通道的滲流阻力、擴大整體的波及體積，對滲流有顯著影響，并已在本研究的微觀實驗中得到證實。值得注意的是，油水體積比為1.5:1時油水乳液黏度增幅出現最大值，因此，該作用更易出現在含油飽和度較高(50%~70%)的區域，或是通過水驅于沿途孔隙不斷富集原油，進而在油藏深部發揮作用。而對于含油飽和度極低的注水井周圍，則不會因此增大滲流阻力，即不會造成注水壓力提高等不良影響。

1—細菌濃度；2—菌液表面張力。

表1 不同油水體積比時乳液黏度及脫水率

(a) 油水體積比1.5:1時空白；(b) 油水體積比1.5:1時乳化效果；(c) 油水體積比1:1時空白；(d) 油水體積比1:1時乳化效果

2.2 產乳化劑功能菌的驅油效果

經一次水驅后剩余原油40%左右，無論發酵液直接驅替還是模型內培養后驅替，總體驅油效果相似。其表現為，主流通道內剩余油進一步降低，過渡區甚至模型邊界剩余油飽和度也顯著降低(圖4)，與單純的水驅實驗(總采收率64.0%)相比，采收率分別提高13.5%和11.2%。發酵液直接驅替組不同形態剩余油的變化如表2所示。從表2可見：對膜狀剩余油的采收率最高(54.3%)，簇狀、柱狀和盲端也達到40%左右，最低的孤島狀剩余油采出僅13.7%。

表2發酵液直接驅替組不同形態剩余油的變化

(a) 注入微生物前；(b) 注入微生物后

前期研究內源混合菌驅油機理的成果[10]主要包括對原油的降解作用、生物氣降黏作用，生物表面活性劑的剝離、乳化作用等。SL-1菌未體現出顯著的產氣降黏功能，而以乳化分散、改變潤濕性等功能為主。圖5表明，SL-1發酵液注入的同時就體現出較高的驅油效果，相比一次水驅剩余油采收率減少10.2%；但模型內培養組的菌體與激活劑剛注入時驅替效果相對較低，經孔隙內培養2周后水驅，采收率進一步提高9.4%，總體接近發酵液直接驅替效果，說明模型內的菌體要在激活后配合代謝產物才能充分發揮驅油作用。

圖5 不同驅油方式下總剩余油變化分析

從提高采收率看，模型內培養組的總體驅油效果比發酵液直接驅替組的總體驅油效果略低(圖5)。搖床震蕩使發酵液具有充足的溶氧和較高的傳質效率，促進了微生物代謝；而模型孔道內的靜置培養限制了微生物的活動范圍、營養物傳遞和代謝速率，最終表現出稍低的驅替效率。

2.3 產乳化劑功能菌驅油機理分析

2.3.1 產乳化劑功能菌乳化分散剩余油

SL-1菌及其代謝產生的乳化劑使原油更易從大塊剩余油上逐步剝離分散成較小的油滴、便于通過喉道，增強整體剩余油的運移能力[16?18]。由表2可見：相比一次水驅，注入發酵液后孤島狀原油體積分數由3.4%增至5.8% (增幅68%)，正是由于發酵液的乳化分散作用使其他類型的剩余油變成易被驅替的油滴分散在孔道中。在靜態圖像分析時被歸入孤島狀剩余油，實際上是已被釋放的流動狀態。另外，孔道內含油量較多時，油滴在流動過程中會與其他剩余油相互碰撞聚并成油帶，逐步形成更大的連續油相，進而減小油相的流動阻力(圖6)。

(a) 簇狀剩余油乳化前；(b) 簇狀剩余油乳化后；(c) 盲端剩余油被剝離前；(d) 盲端剩余油被剝離后

2.3.2 產乳化劑功能菌改變孔隙壁面潤濕性

孔道潤濕性改變如圖7所示。由圖7可見：隨著模型內培養組的原位靜置培養時間延長，膜狀剩余油因壁面潤濕性改變逐漸收縮直至形成球形，減小了與孔隙壁面的附著力而更易被驅動。同時，盲端中的剩余油與壁面的接觸角也顯著增大，體現了生物細胞及其代謝產物具有沿界面聚集和滲透的能力。配合其引起的界面張力梯度對流(Marangoni對流)[19]，在沒有水驅動力的靜止培養階段，部分剩余油即可自發地從圓形盲端內剝離并推出，以游離的油珠形式分布在孔道內，成為易被驅替的形式。

(a) 一次水驅后剩余油狀態；(b)微生物作用后

2.3.3 產乳化劑功能菌擴大水驅波及體積

隨著菌液注入，模型主流通道附近出現較多O/W型的乳狀液[20?21]，由于模型孔喉半徑差異大，分散液珠經過細小喉道時必須消耗能量改變形狀，剩余油轉向流至其他喉道，進而擴大發酵液和水驅的波及范圍。反復實驗均觀察到發酵液進入一次水驅完全未波及的模型邊緣，并在邊緣部分觀察到與主流通道一致的原油乳化、剝離現象(圖8)。這一現象驗證了該菌產生的乳化劑使油水乳液黏度顯著增大的特征，因而改善了油水流度比和整體波及效率。

(a) 一次水驅未能波及邊界；(b) 菌液進入模型邊界；(c) 乳化油滴增多；(d) 后續水驅剩余油進一步減少

2.3.4 產乳化劑功能菌生命活動對剩余油的作用

多次重復實驗表明，微生物在模型內培養需要3~5 d的適應期，剩余油變化一般出現在菌體和激活劑注入后第5天，14 d后孔道內剩余油一般不再有顯著變化，因而靜置實驗觀察時間均定為14 d。根據模型靜置培養期間觀察(圖9，沒有外加水驅動力)，在微生物活動和代謝產物的作用下，剩余油的內聚力降低，較細喉道內的原油被割裂并乳化[20]，膜狀和簇狀剩余油表面產生較多乳化油滴；同時，因固體表面潤濕性的改變，膜狀剩余油發生不同程度的收縮現象，盲端內的原油也被剝離。體現了微生物生命活動的特點：自發生長、作用效果隨時間積累。

(a) 一次水驅后初始狀態；(b) 培養觀察第7天；(c) 培養觀察第14天

從不同類型剩余油的驅替情況來看(表3)，模型內培養組對盲端剩余油的采收率顯著高于發酵液直接驅替組(提高21%)。從動態圖像來看，發酵液直接驅替的作用機理類似于化學劑作用，僅對長徑比為1:2~ 1:0.8范圍內的圓形、梯形盲端剩余油有明顯驅替效果；而菌體經激活培養數日之后，則能夠對長徑比3:1以上的深層、甚至口袋型(內腔大而出口窄)盲端有顯著的驅替效果(圖10)。該現象體現了微生物生命活動的第2個突出特點：對難波及剩余油的活化作用，即微生物在培養期間依靠特有的界面趨向性[22]和原油降解作用，令菌體細胞主動沿界面向深部運移，使得代謝產物在盲端深部油/水/固體界面形成局部高濃度，依靠原油分散和壁面潤濕性改變將深部剩余油逐步瓦解、排擠到水流通道中，這是各類化學劑所不具備的盲端深部剩余油驅替能力。

表3 不同注入方式下不同形狀剩余油變化

(a) 發酵液驅替前；(b) 發酵液驅替后；(c) 菌培養前；(d) 培養15 d后

3 結論

1) 嗜熱脂肪地芽孢桿菌(SL-1)，作為油藏內源菌群中乳化功能優勢菌種的代表，對微觀模型中膜狀、柱狀、簇狀以及盲端剩余油的驅替可達38%~54%，各類剩余油的采收率總體提高11.2%~13.5%。

2) 模型內激活的微生物依靠特有生命活動(界面趨向性及原位代謝等)，較發酵液直接驅替組多驅出21%的盲端剩余油，并且采出了一般化學驅技術無法波及的深層盲端剩余油。

3) 作為油藏菌群的主要功能菌之一，產乳化劑菌對采收率的貢獻主要體現在乳化分散、改變流度比(增大油水乳液黏度)和改變孔隙表面潤濕性，因此具備同時提高洗油效率和波及體積的能力。而油藏菌群涵蓋的產生物氣降黏和產生物表面活劑降低界面張力則并非該單一菌種的主要機理。

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Mechanisms of oil displacement by indigenous microorganism producing bio-emulsifier using microscopic modeling

ZHU Weiyao1, TIAN Ying’ai1, WANG Weiding2, SONG Zhiyong1, HAN Hongyan1, SONG Yongting2, LI Caifeng2

(1. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Oil Production Technology Research Institute, Shengli Oilfield Company of SINOPEC, Dongying 257000, China)

A strain producing emulsifier,SL-1, was isolated from community of oil reservoir and chosen as target species. A microscopic seepage model was used to simulate reservoir environment and to determine the displacement effect and mechanism of on residual oil by the strain. The oil displacement mechanisms betweenSL-1 and indigenous microbial community was contrasted; meanwhile, the different of displacement phenomena and mechanism between activating microbial in model and flooding with fermentation broth was studied intensively for illustrating the unique property of microbial flooding. The results show that the product of this strain can efficiently emulsify the residual oil to improve flow capacity. The viscosity of emulsion increased by 7-20 times than the crude oil, therefore, the enhancement of mobility ratio can shift the flow into the edges where flooding could not reach. Moreover, the wettability of surface of solid is altered, and the oil displacement in membranes and blind ends are improved. Particularly, the oil recovery in blind end is improved by 21%, due to the unique characteristics of cells activated in the model, such as chemotaxis and in-situ metabolism, which is absent in chemical displacement. In general, the oil recovery in the whole model increases by 11.2%?13.5%.

physical simulation; microscopic model; bioemulsifier; oil recovery

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.050

TE357.9

A

1672?7207(2016)09?3280?09

2015?04?09；

2015?08?26

國家自然科學基金資助項目(11372033)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(FRF-MP-12-006A，FRF-TP-14-037A1) Project(11372033) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(FRF-MP-12-006A, FRF-TP-14-037A1) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

宋智勇，博士，副教授，從事微生物提高采收率領域研究；E-mail: songzhy232@163.com

(編輯 趙俊)