微生物對裂隙巖樣滲透系數的影響

劉斯鳳， 楊思禹， 史翠平， 何國富

(1.同濟大學 材料科學與工程學院，上海 201804； 2.同濟大學 工程結構性能演化與控制教育部重點實驗室，上海 200092； 3.中石化上海工程有限公司，上海 200120)

0 引 言

1913年，Drew分離出巴式菌，該菌能在溶液中形成CaCO3晶體。1963年Greenfield發現假單胞菌在Na2CO3或(NH4)2CO3的人工海水中會形成文石晶體。Boquet等[1]發現土壤細菌也能形成CaCO3晶體。于是，他得出了土壤細菌形成CaCO3晶體的現象是普遍存在的結論。

在歐洲的石雕藝術品保護過程中，研究者們發現了細菌修復方法。如Adolphe[2]申請了該領域的專利。Buck等[3]發明了一種利用細菌誘導CaCO3沉積結晶形成栓塞以封堵開裂石質裝飾品的裂縫的專利。Tiano利用細菌誘導CaCO3沉積以保護石灰石不被進一步破壞，并用吸附水的大小評估沉積前后的效果，結果表明，細菌沉積作用后，生物貝屑灰巖的吸水率可以減少60%。

當裂隙巖石處于地下水/油等介質中，由于介質中含有大量的微生物[4-6]，它們在生長、代謝和繁殖的過程中產生一些中間產物，隨同固體顆粒在裂隙中沉積，就會充填裂隙，進而對巖石的滲透性產生影響[7-9]。因此，研究介質中的微生物對巖石裂隙的充填及其對滲透性的影響規律具有重要意義。

本文選取球形芽孢桿菌單獨、與原油共混以及與銅綠假單胞菌共同作用，研究其對裂隙巖石滲透系數的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗原材料

菌種選用球形芽孢桿菌和銅綠假單胞菌,球形芽孢桿菌培養基成分為：1 L球形芽孢桿菌培養基中包括1.5 g牛肉浸出物、1.5 g酵母提取物、5.0 g胰蛋白胨、1.0 g葡萄糖、3.5 g NaCl、4.8 g K2HPO4、1.32 g KH2PO4，pH 7.2。銅綠假單孢菌培養基成分為：1 L銅綠假單胞菌培養基中含有3.0 g牛肉浸出物、10.0 g蛋白胨、3.5 g NaCl，pH 7.0為了避免出現沉淀，將兩種細菌培養基分別滅菌后混合均勻備用。

1.2 實驗方法

1.2.1 細菌培養

將兩菌種接種于富集培養基中(搖床轉速160 r/min，37 ℃)增殖培養10 h，接種至沉積培養基進行礦化沉積實驗。1 L沉積培養基中含有7.96 g乙酸鈣、3 g酵母提取物、10 g氯化銨、20 g尿素、2.12 g碳酸氫鈉。將培養基的pH值用2 mol/L的氫氧化鈉調至8.0，分裝于三角燒瓶中密封，置于手提式加壓蒸汽滅菌鍋中(121 ℃、20 min)滅菌。

采用菌液注射法，每隔4 h向巖石裂隙中交替注射菌液和營養液填充裂隙，使得裂隙內含有足夠的菌液和營養液用于沉積碳酸鈣，進而充填裂隙。

1.2.2 巖石造隙及表征

將φ50 mm×100 mm的圓柱形片麻巖巖樣的上下兩端磨平，然后烘干/飽水至恒重，測得其吸水率為0.16%～0.27%。

利用微生物對試樣裂隙進行填充，并測試填充前后的巖石裂隙體積。具體步驟：首先將巖樣置于壓力機上沿中軸線劈開，然后烘干，利用生料帶、膠帶和硬質塑料板對巖樣周圍密封，通過稱重蒸餾水飽和前后的巖樣質量，粗略計算巖樣的裂隙體積。飽和水前后的巖樣質量差被估算為占據巖樣裂隙的蒸餾水質量。通過蒸餾水的密度估算蒸餾水的體積，即得到相應的裂隙體積。自然劈裂的巖石裂縫如圖1所示。劈裂后的巖石樣裂縫寬度平均為1 mm左右(上下方劈裂墊條的位置裂縫在3 mm左右)，6個樣品為一組。

(a) 沉積前

(b) 沉積后

1.2.3 裂隙巖石滲透性測試儀器及方法

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巖石的滲透系數采用自改裝設備[10]進行測試(見圖2)，儲水箱加滿水后啟動裝置，儲水箱內的水壓入進水管，水流經儲能器后可向滲透系統供水，壓力自動升至所調壓力值，并通過儲能器維持該壓力值不變，經電子天平稱量滲水穩定后(每隔3 min用電子天平測試滲水量，連續測試2 h)的滲水量[11]。巖樣透水性較好，計算試樣在不同壓力[13]下的滲透系數可采用達西定律[12]計算：

K=QγL(Δp·A)

(1)

式中：Q為流量,m3/s；γ為流體容重,kN/m3；L為試樣的長度,m；Δp為水頭壓力,kPa；A為試樣的截面面積,m2。

圖2 滲透實驗裝置圖

分別測試巖樣注射菌液和營養液誘導碳酸鈣沉積作用5、10、20以及30 d后的滲水量，并計算滲透系數。

2 實驗結果與討論

2.1 球形芽孢桿菌誘導碳酸鈣沉積速率

將培養10 h后的細菌接種于100 mL沉積培養基中，測試沉積過程中培養基內可溶性Ca2+濃度變化。溶液中可溶性鈣離子經細菌新陳代謝后轉化為不溶性鈣，即產生碳酸鈣沉淀。經不同時間點取樣分析培養液中的剩余可溶性鈣離子濃度，即可推算出已被轉化的鈣離子濃度，計算出對應的碳酸鈣沉積量，

m=VM(n1-n2)

(2)

式中：m為碳酸鈣沉積量，g；n1為溶液中的初始鈣離子濃度，mmol/L；n2為t時刻溶液中的鈣離子濃度，mmol/L；V為培養液的體積，L；M為碳酸鈣的相對分子質量，g/mol。

不同Ca2+濃度隨時間的沉積情況如圖3所示。

圖3 不同Ca2+濃度和沉積速率隨時間的變化曲線

2.2 球形芽孢桿菌單獨作用對裂隙巖樣滲透系數的影響

以150 mmol/L的乙酸鈣為鈣源，利用球形芽孢桿菌誘導碳酸鈣沉積作用充填巖樣裂隙，不同作用時間時巖樣的滲透系數結果見圖4，巖樣滲透系數的下降率如表1所示。

圖4 球形芽孢桿菌填充時間對巖樣滲透系數的影響

由圖4和表1可以看出，細菌誘導碳酸鈣沉積作用時間5 d時，巖樣的滲透系數下降率似乎與水壓作用不大，水壓在0.2～0.6 MPa變動時,巖樣的滲透系數下降率基本上在24%～30%波動；細菌誘導碳酸鈣沉積作用10 d及以上，水壓在0.2～0.5 MPa變化時，巖樣滲透系數下降率隨水壓增加而下降的趨勢非常明顯；當水壓在0.5～0.6 MPa變動和細菌作用少于20 d，巖樣滲透系數的下降率并不明顯，其值基本在2%左右波動；細菌誘導碳酸鈣沉積作用30 d，水壓在0.2～0.6 MPa變化時，巖樣滲透系數下降率隨水壓增加而下降的趨勢亦非常明顯。

相同水壓下，隨細菌作用時間延長，巖樣的滲透系數下降率越大；水壓越小，細菌誘導碳酸鈣沉積時間越長，巖樣的滲透系數下降率越大，0.2 MPa的水壓下作用30 d時，滲透系數可下降78%，而0.6 MPa水壓下作用相同時間時，滲透系數下降率為 56%；說明細菌誘導碳酸鈣沉積可以降低裂隙巖樣的滲透系數，但由于碳酸鈣沉積物比較松散，水壓加大后會使其剝離巖樣表面，致使滲透系數增大。

2.3 兩種細菌同時作用對裂隙巖石滲透系數的影響

選擇球形芽孢桿菌和銅綠假單胞菌復合菌液，用于球形芽孢桿菌相同的作用方式對裂隙巖樣進行充填作用，測試其滲水量的變化，相應的滲透系數結果見圖5，滲透系數下降率見表2。

圖5 球形芽孢桿菌和銅綠假單胞菌同時作用下巖樣滲透系數的變化

從圖中可以看出，采用注射法將兩種細菌同時作用填充巖樣裂隙，對巖樣滲透系數的影響規律與球形芽孢桿菌單獨作用時基本相同。區別在于0.2 MPa的水壓下作用30 d時，滲透系數下降57%，比單一細菌作用時少20%；而0.6 MPa水壓下作用相同時間時，滲透系數下降率為 28%，只有單一細菌作用時下降率的50%。這是由于這兩種細菌共同作用時，營養液需供給兩種細菌，兩種細菌生長繁殖受到一定影響，因而細菌數量均小于單一細菌生長時的細菌數量，而銅綠假單胞菌引發碳酸鈣沉淀的能力低于芽孢桿菌，所以當這兩種細菌共同作用時，誘導碳酸鈣沉積的能力低于單一芽孢桿菌，相應的裂隙巖石的滲透系數下降率也較小。

2.4 原油與細菌同時作用對裂隙巖石滲透系數的影響

向巖樣裂隙內注入一定量的原油，再依次將培養好的球形芽孢桿菌菌液和營養液注入巖石裂隙內，置于恒溫培養箱中培養，并每隔4 h交替注射1次，分別在培養0、5、10、20和30 d時測試裂隙巖樣的滲水量，并根據式(1)計算巖樣滲透系數，結果見圖6。滲透系數下降率隨充填時間的變化見表3。

圖6 原油與球形芽孢桿菌同時作用下巖樣滲透系數的變化

從圖6和表3可以看出，注入原油的巖樣在細菌充填后，其滲透系數亦會隨充填時間的延長而減小。但是巖樣滲透系數的下降幅度要小很多。當水壓為0.2 MPa時，滲透系數下降率最大約為35%，比單一細菌作用時少23%；而當水壓增至0.6 MPa時，滲透系數下降率最大為28.5%左右，只有單一細菌作用時下降率的50%。

3 沉積物成分分析

將裂縫處沉積物取出烘干，觀察碳酸鈣沉積物為團簇狀的絮狀物(見圖7)。

圖7 沉積物顯微圖片(×640)

磨成粉末后進行X射線衍射(XRD)分析，其圖譜如圖8所示。由圖8可見，沉淀物粉末樣品中有方解石特征峰，主要衍射角2θ=23.0°、29.4°、35.9°、39.5°、43.1°、47.5°、48.5°、58.5°，分別對應(012)、(104)、(110)、(113)、(202)、(018)、(116)、(122)晶面；另外還出現了球文石特征峰，主要衍射角2θ=20.9°、24.8°、27.0°、32.7°、43.8°、49.9°、55.7°，分別對應(002)、(100)、(101)、(102)、(110)、(104)、(202)晶面。

圖8 沉積物的X射線衍射圖譜

4 結 論

本文利用細菌誘導碳酸鈣沉積作用填充巖石裂隙，研究單一細菌、兩種細菌同時作用對裂隙巖石滲透性的影響。結論如下：

(1) 球形芽孢桿菌使得裂隙巖石滲透系數隨著細菌作用時間延長逐漸降低。細菌誘導碳酸鈣填充裂隙30 d后，其滲水量下降約為55%～78%。而且隨著水壓的增大，裂隙巖石滲透系數下降幅度逐漸越小。

(2) 球形芽孢桿菌與銅綠假單胞菌同時作用使得裂隙巖石的滲透系數降低，而且作用時間越長，滲透系數越小；細菌作用30 d后，巖石的滲透系數下降約30%～60%。與單一芽孢桿菌作用比較，兩種細菌共同作用時巖石滲透系數下降率稍小。

(3) 相同作用時間段內，球形芽孢桿菌與原油共同作用對巖石裂隙的填充效果明顯比單一芽孢桿菌作用或者兩種細菌共同作用時的效果差，即原油存在的條件下會對微生物誘導碳酸鈣沉積的填充作用產生抑制作用。

(4) 微生物誘導鈣離子沉積方法得到的沉積物主要是球文石和方解石。