程明明 雷光倫 耿孝恒 張再旺 李學平 李甲亮 鐘豪健

1．濱州學院資源與環(huán)境工程學院2．中國石油大學(華東) 石油工程學院

微生物在油層中繁殖，會伴隨產(chǎn)生各種各樣的化學、生物等反應，如酶促反應、原油降解等。在這些反應過程中，會產(chǎn)生氣體、酯、酮類、有機酸、聚合物等[1-3]，這些物質(zhì)的存在會給儲層地質(zhì)特性及地層中的原油性質(zhì)帶來很大的改變。這些改變有利于提高采收率，如稠油降黏后可以大幅度提高原油在孔隙中的流動能力[4-5]。然而，油藏環(huán)境是極端缺氧的環(huán)境，微生物生長繁殖對氧含量極為敏感，注入地層的微生物繁殖效率低，限制了微生物提高采收率的進一步推廣應用。因此，開展空氣輔助微生物改變地層巖石與流體性質(zhì)的研究，可為提高微生物采收率應用效果奠定研究基礎(chǔ)[6-7]。

1 菌種來源

菌種分離自三疊系長6 油藏油樣和井旁的油污土壤[8]，在油藏溫度下富集培養(yǎng)，取最終富集的培養(yǎng)液，稀釋涂布后，利用油平板反復分離純化，將不同形態(tài)的單菌落挑出，保存于斜面培養(yǎng)基上[9]，于4℃冷藏備用。為了解菌種情況，對混合菌液進行了分離鑒定，分離得cq-1、cq-2、cq-3三株菌株。

2 空氣輔助微生物改變地層巖石與流體性質(zhì)的實驗研究

2.1 空氣輔助微生物改變巖石表面潤濕性實驗

將石英切片打磨后完全浸沒入油品中，浸泡3天，使巖片與油充分接觸。將5份菌株按體積分數(shù)3%的接種量接種于用模擬地層水配制的培養(yǎng)液中。同時，取同等質(zhì)量的模擬地層水作為對照實驗組。向菌液中通N210 min，去除菌液中溶解氧。通過空氣泵向菌液中通入氧氣，并通過氣體流量控制儀使培養(yǎng)液中的氧氣質(zhì)量濃度分別達到0.5 mg/L 、1.5 mg/L、3.0 mg/L 、4.5 mg/L、6.5 mg/L。以常規(guī)模擬地層水為對照試驗。將預處理過的石英切片放入菌液及空白對比水中，于油藏溫度下培養(yǎng)。間隔24 h，測試接觸角。

2.2 空氣輔助微生物改變油水界面張力效率實驗

用上述實驗方法配制微生物菌液，使培養(yǎng)液中的氧氣質(zhì)量濃度分別達到0.5 mg/L 、1.5 mg/L、3.0 mg/L 、4.5 mg/L、6.5 mg/L。以常規(guī)模擬地層水為對照試驗。向配制好的微生物菌液以及作為對照實驗的模擬地層水中加入50 mL試驗區(qū)原油，將培養(yǎng)瓶置于油藏溫度下恒溫培養(yǎng)10天，培養(yǎng)過程中保持試驗瓶靜置，避免擾動。測定不同時間的界面張力，研究不同溶氧條件下微生物生長時界面張力的變化[10-11]。

2.3 空氣輔助微生物改變巖石毛管力和黏附功變化實驗

微生物作用使巖石與水相的接觸角減小，接觸角越小，水相的黏附功越大，油相的黏附功越小，即油藏巖石越易水濕，注入水越易剝落滯留在巖石表面的油滴或油膜，利于提高采收率。

儲層巖石由于跟原油、地層水等長期接觸，這些流體中的某些組分(主要為膠質(zhì)、石蠟等)會慢慢吸附在巖石表面，對巖石的性質(zhì)造成一定的影響，主要表現(xiàn)為：大多數(shù)巖石從最初的親水性慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油性，因此大多數(shù)油藏具有親油性，剩余油滯留在巖石表面、孔隙喉道和小毛細管中。適宜的溶氧量增強了微生物改變巖石表面性質(zhì)的能力，使巖石表現(xiàn)為更強的水濕性，這樣的結(jié)果對于提高原油采收率具有有利作用[12-13]。通過測定不同溶氧含量的菌液與巖石接觸角及油水界面張力，可確定微生物生長時毛管力及黏附功的變化。

2.4 不同溶氧條件下微生物作用后的原油組分變化

地層中的微生物可以以原油中蠟為碳源，在以原油為碳源進行繁殖代謝過程中，消耗掉原油中的蠟。原油蠟含量減小，表現(xiàn)為原油黏度減小，凝固點降低，原油結(jié)蠟現(xiàn)象減弱，這也是微生物的防蠟機理。通過微生物作用后蠟含量分析，研究微生物作用前后原油蠟含量變化，確定微生物“吃蠟”能力。

用上述實驗方法配制微生物菌液，使培養(yǎng)液中的氧氣質(zhì)量濃度分別達到0.5 mg/L 、5.5 mg/L、6.5 mg/L。向配制好的微生物菌液中加入50 mL試驗區(qū)原油，將培養(yǎng)瓶置于油藏溫度下恒溫培養(yǎng)10天，培養(yǎng)結(jié)束后利用吸附色譜法測定原油膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量，研究氧含量對微生物降解原油能力的影響。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 菌株鑒定及結(jié)果

觀察菌落的形態(tài)特征，進行生理生化特性試驗，根據(jù)《伯杰細菌鑒定手冊》(布坎南R E等 1984)和《常見細菌系統(tǒng)鑒定手冊》(東秀珠等 2001)對篩選到的菌株進行初步鑒定[12]。

由表1可知：三株菌液中一株為假單胞菌(Pseudomonas)，為好氧菌，有極強分解有機物的能力，可以將多種有機物作為能量來源，代謝產(chǎn)物主要由中性脂、糖脂和脂肽組成；一株為腸桿菌(Enterobacter xiangfangenis)，為厭氧菌，化能有機營養(yǎng)，易于培養(yǎng)，繁殖快，可通過氧化多種簡單有機化合物或發(fā)酵糖、多元醇、有機酸來獲取生長代謝所需能量，糖類發(fā)酵的一種代謝主要終產(chǎn)物為混合有機酸，包括甲酸、乙酸、琥珀酸和乳酸，另一代謝主要終產(chǎn)物為中性溶劑，包括乙醇和丁二醇等；一株為地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis)，為兼性厭氧菌，生命力旺盛，耐酸耐堿、耐高低溫、存活力極強，不受外界干擾。缺氧條件下，由三株菌復配的混合菌液中厭氧菌腸桿菌(Enterobacter xiangfangenis)會迅速繁殖，產(chǎn)生有效代謝產(chǎn)物。富氧條件下，混合菌液中處于休眠狀態(tài)的好氧菌假單胞菌(Pseudomonas)和兼性好氧菌地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis)迅速繁殖擴張，占領(lǐng)空間優(yōu)勢，產(chǎn)生多種有效代謝產(chǎn)物，包括脂肽類、肽聚糖、肽類、核酸類、磷酸類、腐殖酸類等。

表1 三株供試細菌的16SrDNA序列的Blast結(jié)果Table1 Blastresultofthetestedbacteriastrains'16SrDNA待鑒定菌株參比菌株編號NCBI登錄號名稱NCBI登錄號同源性/%鑒定結(jié)果cq3-1KJ782614PseudomonasveroniiCIP104663CIP10466399.93Pseudomonascq3-2KJ782615Enterobacterxiangfangenis10-1710-1799.78Enterobacterxiangfangeniscq3-3KJ782616BacilluslicheniformisATCC14580ATCC1458098.86Bacilluslicheniformis

3.2 溶氧條件對微生物改變巖石潤濕性的影響

微生物改變巖石潤濕性的主要機理包括：極性基團之間的相互作用、微生物的沉淀效應、酸性基團之間的相互作用和離子之間的相互締合作用。石英試片在對比水和不同溶氧條件下的菌液作用后的潤濕角見圖1。

由圖1可知，石英試片經(jīng)原油潤濕處理后，水滴在試片上呈近球形，試片為油濕。生物作用后的試片表現(xiàn)出與之前不同的潤濕性。通過觀察可發(fā)現(xiàn)，水滴的高度比之前有所減小，而長度卻有所增加，這說明試片的親水性在增強。試片浸泡的時間越久，水滴越呈現(xiàn)出扁平狀，其親水性增強。在對比水中作用后的試片，水滴高度也減小，親水性有增強，但強度均小于在菌液中，即微生物菌液對巖石潤濕性的改變效率明顯高于水。

由圖2可知，試片對潤濕角的作用效果與微生物作用的時間有關(guān)，時間越久，微生物在巖石表面產(chǎn)生的酸性物質(zhì)越多，會使得潤濕角發(fā)生一定程度的減小，然而這種減小的幅度卻是不一樣的。最終結(jié)果顯示，與水相比，在改變潤濕性方面菌液效果更好，也就意味著可以從巖石洗下更多量的原油。實驗條件下，地層水對石英試片的潤濕角降低23.21%左右，5.5 mg/L溶氧條件下菌液使?jié)櫇窠墙档?6.94%，4.5 mg/L溶氧條件下菌液中試片潤濕角降低50.14%，常規(guī)模擬水條件下菌液中試片潤濕角降低43.98%。

3.3 不同溶氧條件下油水界面張力變化

微生物及其代謝產(chǎn)物在油水界面吸附是個動態(tài)平衡過程。微生物代謝產(chǎn)生的表面活性物質(zhì)具有兩親性，親水基是極性基團，親油基是碳氫鏈，表面活性物質(zhì)會借助其水溶性在孔隙水中溶解，在靜電引力及分子間力的雙重作用下，其親水的基團插入水中，疏水的基團富集在油水界面上，形成定向排列的單分子層[14]。將水相的表面轉(zhuǎn)變成了親油基緊密排列的表面，油水界面張力顯著降低。

不同溶氧濃度下，菌液作用前后原油的界面張力隨時間變化曲線見圖3。

圖3表明，實驗過程中測得油與空白水的界面張力略有減小，表明水與原油接觸時，界面張力基本不變化。在微生物生長實驗過程中，測得的菌液與原油的界面張力不斷減小，且在5天前界面張力幾乎呈直線降低，5天后下降程度減緩。這是由于：5天前微生物大量生長繁殖，其代謝的活性劑、醇、酮、酸等溶劑迅速增加，并作用在油水界面上，這些兩性物質(zhì)在界面上的分布造成界面張力減小。10天時測得的模擬地層水作用的原油界面張力下降了19.81%，與0.5 mg/L溶氧條件下菌液作用后原油界面張力下降66.75%，與4.5 mg/L溶氧條件下菌液作用后原油界面張力下降80%以上。這表明，4.5 mg/L溶氧條件下，細菌生長繁殖迅速，產(chǎn)生表面活性物質(zhì)較多，顯著降低油水界面張力。所以，增加水中溶氧含量，有利于提高菌液降低油水界面張力的能力。

3.4 微生物改變巖石毛管力與黏附功大小計算

水及微生物與巖石作用毛管力變化曲線見圖4。

由圖4可看出，由于原油長期與巖石接觸，油中的膠質(zhì)、石蠟、瀝青質(zhì)等有機組分吸附在巖石表面，使巖石具有親油特性。實驗開始時，測得的驅(qū)油毛管力均為負值，毛管力將阻止水、菌液進入毛細管，是驅(qū)油阻力，但水驅(qū)的毛管阻力比菌液驅(qū)的毛管阻力大。菌液與巖石接觸兩天后，菌液驅(qū)的毛管阻力下降程度遠比水驅(qū)時大，即菌液比水更容易注入地層驅(qū)油。在菌液作用兩天后，菌液驅(qū)的毛管力從負變?yōu)檎?，即從阻力變?yōu)閯恿?。地層水、菌液與巖石持續(xù)作用3天后，對比水作用下的毛管力也變?yōu)檎页掷m(xù)增加，即在純水作用下油水界面力在變化很小的情況下，巖石變?yōu)橛H水時，水驅(qū)油毛管力變?yōu)閯恿Σ⒃黾雍芸?，表明長時間水驅(qū)時，水的流動速度會越來越大，造成水的指進，形成明顯的優(yōu)勢通道，對滲透率較低的孔道中的油波及較少，使得水驅(qū)采收率較低，殘余油飽和度較。而菌液驅(qū)時，水指進減緩。在4.5～5.5 mg/L溶氧條件下，菌液驅(qū)毛管力由負變正，增加最快，表明溶氧量顯著影響微生物改變巖石毛管力的能力，在適宜的溶氧條件下，微生物繁殖效率高，可較早突破適應期，進入對數(shù)生長期，大量菌體沉積在巖石表面，形成生物膜，改變巖石潤濕性，另外代謝的有效活性物質(zhì)增多，也有利于毛管力從阻力變?yōu)閯恿?。對比水及微生物與巖石作用黏附功變化曲線見圖5。

由圖5可知，實驗過程中測得與地層水接觸巖石上油的黏附功有所降低。這一結(jié)果說明，地層水與巖石長期接觸時，也能使巖石從油濕轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂瘢从鸵子趶膸r石表面脫落。在微生物生長實驗過程中，測得的菌液與巖石的黏附功不斷減小，且在前4天黏附功幾乎呈直線降低，5天后下降程度減緩。原因是此段時間內(nèi)微生物在繁殖過程中產(chǎn)生大量的代謝物，這些代謝物中含有的大量有機物質(zhì)(醇、酮、酸等)吸附在油水界面上，使黏附功有所降低，原油易于剝落[15-16]；6天時測得石英巖在模擬地層水作用下的黏附功下降了28.14%，在5.5 mg/L溶氧菌液作用下下降了86.52%以上。這表明，菌液降低黏附功的能力很強，即微生物驅(qū)時，很容易洗下巖石表面吸附的原油。增加溶氧，有利于提高微生物洗出原油的能力。

3.5 微生物改變原油性質(zhì)能力分析

對0.5 mg/L、5.5 mg/L、6.5 mg/L溶氧條件下微生物作用原油以及對照原油的油、蠟質(zhì)以及膠質(zhì)含量測定結(jié)果見表2。

表2 不同溶氧條件下原油組分含量分析Table2 Contentanalysisofoilcomponentsunderdifferentdissolvedoxygenconditions項目對照原油0.5mg/L溶氧變化率/%5.5mg/L溶氧變化率/%6.5mg/L溶氧變化率/%w(油質(zhì))/%46.79548.226↑3.05950.733↑8.41448.948↑4.600w(蠟質(zhì))/%45.25943.845↓3.12641.762↓7.72843.356↓4.206w(膠質(zhì))/%7.9467.929↓0.2087.506↓5.5387.697↓3.134

由表2可看出，與對照原油相比，不同溶氧條件下微生物作用原油的油質(zhì)都有所增加，蠟質(zhì)以及膠質(zhì)含量有所降低，溶氧含量不同，變化程度不同。其中,5.5 mg/L溶氧條件下微生物作用原油油質(zhì)含量增加最高，達8.414(w)%，0.5 mg/L溶氧條件下微生物作用原油膠質(zhì)含量降低程度最低，為0.208%(w)。說明增加溶氧能提高微生物的活性，提高微生物以原油為碳源的繁殖能力?？赡艿脑蚴窃诟谎醐h(huán)境中，好氧與兼性菌生長繁殖迅速，在加氧酶催化作用下，通過末端氧化或者次末端氧化等羥化途徑，將氧分子的兩個氧原子結(jié)合到長鏈烷烴或者芳烴的芳環(huán)內(nèi)，將高碳烴轉(zhuǎn)化為脂肪酸等物質(zhì)進入三羧酸循環(huán)，使原油的高碳烴含量降低。

4 結(jié) 論

(1) 空氣輔助可提高微生物菌液改變石英表面潤濕角速度：接觸7天后，模擬地層水中潤濕角降低23.21%，未加氧的微生物菌液中潤濕角降低43.98%；溶氧4.5～5.5 mg/L菌液中潤濕角降低50.14%～56.94%。

(2) 溶氧濃度越高，菌液與原油作用后的界面張力下降越大：作用7天后，與模擬地層水接觸的原油界面張力下降明顯，與0.5 mg/L溶氧條件下菌液作用后原油界面張力下降66.75%，與4.5 mg/L溶氧條件下菌液作用后原油界面張力下降80%。

(3) 溶氧能加速原油在巖石表面吸附的黏附功下降，7天后，石英表面對原油的黏附功在模擬地層水中下降28.14%，在溶氧5.5 mg/L的菌液中下降達86.52%。

(4) 微生物降解原油后，油質(zhì)組分增加，蠟質(zhì)組分、膠質(zhì)組分減小。與含溶氧0.5 mg/L培養(yǎng)的微生物作用后原油膠質(zhì)組分降低0.208%；與含溶氧5.5 mg/L培養(yǎng)的微生物作用后，原油膠質(zhì)組分降低5.538%。表明適宜的溶氧含量有利于提高微生物降解原油能力。

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