佘躍惠, 舒闖闖, 付健*, 劉宇龍, 孫珊珊, 喻高明

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院, 武漢 430100; 2. 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 武漢 430100)

石油價(jià)格是影響提高采收率(enhanced oil recovery, EOR)篩選的經(jīng)濟(jì)考慮的最關(guān)鍵因素之一。在石油和天然氣行業(yè)歷史上,有幾個(gè)時(shí)期的石油價(jià)格相對(duì)較低(低于50美元/桶),特別是在2010年美國(guó)頁巖油的重大發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)期間[1]。微生物提高原油采收率(microbial enhanced oil recovery,MEOR)將生物技術(shù)應(yīng)用與石油工業(yè)問題,現(xiàn)已證明生物表面活性劑、生物膜、生物聚合物以及生物產(chǎn)生的酸和有機(jī)溶劑等代謝產(chǎn)物可以提高原油采收率。這種方法與傳統(tǒng)的三次采油技術(shù)相比具有優(yōu)勢(shì),成本低,安全性高,易于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,減少對(duì)環(huán)境的污染。油價(jià)的劇烈變化和生物工程技術(shù)的發(fā)展確保了其可持續(xù)性。目前MEOR研究主要集中于將MEOR生物活性物質(zhì)原位和非原位注入油井。非原位注入方法是在井外將實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)或改造的外源微生物的代謝產(chǎn)物(如生物表面活性劑等)注入井中以提高采收率。原位方法則是通過注入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)刺激本源微生物的生長(zhǎng),使其原位產(chǎn)生和釋放生物表面活性劑、生物酸和生物溶劑等化合物,以此提高驅(qū)油效率[2]。Liu等[3]根據(jù)秘魯?shù)乃吞?、中?guó)的大靖和勝利油田的數(shù)據(jù),MEOR應(yīng)用的額外成本為每桶1～8美元。這種額外的提高原油采收率的采出成本低于化學(xué)方法,如表面活性劑或聚合物驅(qū)、CO2等注氣驅(qū)方法[4]。中國(guó)1955年開始對(duì)微生物提高原油采收率進(jìn)行研究,近10年主要對(duì)微生物產(chǎn)生的多糖和生物表面活性劑進(jìn)行研究[5]。開發(fā)出能夠在厭氧發(fā)酵中代謝CO2、H2與小分子有機(jī)酸的菌株,在大慶油田進(jìn)行采油實(shí)驗(yàn),開發(fā)了4種糖脂生物活性劑,即鼠李糖脂、槐糖脂、海藻糖和多糖脂[6]。大港油田自1993年以來一直在從事微生物采油技術(shù)的研究,其研究和應(yīng)用水平在國(guó)內(nèi)具有代表性,到目前為止,大港油田微生物采油技術(shù)的實(shí)施使油田增加了2×104t的產(chǎn)油量[7]。中國(guó)已經(jīng)進(jìn)行4 600多口井的MEOR現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,大約500口井進(jìn)行微生物驅(qū)采(microbial flooding recovery, MFR),在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了47次MFR現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),在大慶油田進(jìn)行了12次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。MFR現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的增量采收率高達(dá)4.95%。MFR在中國(guó)非常接近商業(yè)應(yīng)用[8]。

通過對(duì)近年來中外MEOR應(yīng)用的研究發(fā)現(xiàn),室內(nèi)實(shí)驗(yàn)大多使用滲吸、填砂管和驅(qū)替方法,其中自發(fā)滲吸廣泛應(yīng)用且效果較好?，F(xiàn)總結(jié)MEOR過程原油動(dòng)用的機(jī)制,有助于理解微生物與原油提高采收率的關(guān)系,為闡明MEOR機(jī)制和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法提供新的認(rèn)識(shí)。

1 MEOR實(shí)驗(yàn)方法

1.1 自發(fā)滲吸

Kowalewski等[9]通過實(shí)驗(yàn)研究了細(xì)菌誘導(dǎo)的潤(rùn)濕性和界面張力對(duì)原油采出的影響,報(bào)告了6項(xiàng)使用Amott-Harvey潤(rùn)濕指數(shù)的自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn),顯示MEOR和非MEOR條件之間沒有顯著差異。Alkan等[10]利用本特海姆露頭巖心作為多孔介質(zhì),采用標(biāo)準(zhǔn)的Amott程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn):干燥巖心在真空下用標(biāo)準(zhǔn)Hassler巖心夾持器飽和地層水,然后注入研究油田的死油或作為模型油的正癸烷以達(dá)到束縛水飽和度;根據(jù)實(shí)驗(yàn)程序,使用無菌(過濾0.2 μm)或未滅菌地層水作為水相;之后,將巖心在37 ℃的油浴中老化2 d;用濕布擦拭巖心外表面上殘余的油后,將巖心放入Amott燒瓶中(圖1),并用水相裝滿Amott燒瓶;將燒瓶放入加熱室(37 ℃),并以規(guī)定的時(shí)間間隔從燒瓶頂部量筒中的刻度讀取滲吸出油量。王云龍等[11]利用數(shù)字巖心技術(shù)建立孔隙網(wǎng)絡(luò)模型,模擬低滲儲(chǔ)層數(shù)字巖心滲吸過程,與實(shí)驗(yàn)室?guī)r心自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)對(duì)照,解釋了油藏滲吸作用機(jī)理。

圖1 自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)裝置圖[10]Fig.1 Spontaneous imbibition experimental device diagram[10]

1.2 填砂管模型

Alkan等[12]采用干式填料色譜玻璃柱(直徑為5 cm,長(zhǎng)度為30 cm;YMC,德國(guó))制備,如圖2所示。步驟如下:將一層壓碎的儲(chǔ)層巖石(1～1 000 μm)倒入柱中并用研杵手動(dòng)壓實(shí);重復(fù)此過程,直到達(dá)到所需的長(zhǎng)度;填砂管的內(nèi)側(cè)和出口由燒結(jié)玻璃熔塊(孔徑40～100 μm)固定到位,這也提供了毛細(xì)管連續(xù)性,以減少毛細(xì)管末端效應(yīng)。在注射示蹤劑期間觀察生產(chǎn)概況,測(cè)試了填砂模型的均勻性。K?gler等[13]建立了玻璃珠、石英砂和原始儲(chǔ)層巖石等各種材料的厭氧填砂管,通過刺激Halanaerobiales發(fā)酵性嗜鹽菌的生長(zhǎng)來研究MEOR。

圖2 填砂管模型裝置圖[12]Fig.2 Sandpack device diagram[12]

為了將細(xì)菌污染的風(fēng)險(xiǎn)降至最低,填砂模型被包裝在本生燈氣氛下,以最大限度地降低空氣污染的風(fēng)險(xiǎn)。使用前,所有需要的設(shè)備都經(jīng)過高壓滅菌(121 ℃,30 min)或熱滅菌(180 ℃,3 h),包括未固結(jié)的多孔介質(zhì),石英砂、玻璃柱等。在實(shí)驗(yàn)前,其余的裝置(即閥門和管道)用異丙醇消毒,并用無菌過濾的氮?dú)獯祾?。液體分別使用活塞泵或液相色譜泵注入填砂模型和巖心。在流體注入期間連續(xù)監(jiān)測(cè)壓力變化。

1.3 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

Afrapoli等[14]在具有水濕和油濕的玻璃微模型中進(jìn)行可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn),如圖3所示。觀測(cè)結(jié)果表明,在水濕模型中油主要作為獨(dú)立的液滴存在,在油濕模型中剩余的油時(shí)連續(xù)相,細(xì)菌有能力驅(qū)替微模型中殘留的油。然而,Armstrong等[15]認(rèn)為,就驅(qū)油效率而言,MEOR驅(qū)油過程在中性潤(rùn)濕玻璃珠柱中比水濕系統(tǒng)更有效。這種差異是由于細(xì)菌和生物膜表面特性的變化引起的。但人們普遍認(rèn)為,在驅(qū)油過程中,儲(chǔ)層較強(qiáng)的非均質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致較差的波及效率。當(dāng)巖石性質(zhì)不均勻時(shí),驅(qū)替流體將主要流經(jīng)高滲區(qū),而低滲區(qū)將不被波及。通過提高流度比或減少巖石滲透率的變化,可以避免這種較差的波及效率。

圖3 用于驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的微模型裝置示意圖[14]Fig.3 Schematic diagram of microfluidics device for flooding experiments[14]

1.4 數(shù)學(xué)建模

鮮見有學(xué)者嘗試對(duì)多孔介質(zhì)中的MEOR機(jī)制進(jìn)行建模,包括對(duì)細(xì)菌壽命的預(yù)測(cè)。Islam[16]提出了一個(gè)三維模型,將細(xì)菌的運(yùn)輸模擬為水相中細(xì)胞的濃度,還考慮了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)巖石表面的吸附。細(xì)菌生長(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度和時(shí)間的依賴性用Monod方程表示。滲透率降低是由于堵塞造成的,并提供了經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性。該模型用于模擬具有細(xì)菌堵塞、界面張力(interfacial tension, IFT)還原和CO2生成的MEOR應(yīng)用。Chang等[17]發(fā)展了一個(gè)三維、三相、多組分的數(shù)值模型,并通過實(shí)驗(yàn)室的研究來描述多孔介質(zhì)中的微生物輸運(yùn)現(xiàn)象。建立的微生物傳輸公式考慮了微生物在水相中的分散、對(duì)流、堵塞和注采生產(chǎn)。Desouky等[18]提出了模擬微生物強(qiáng)化采油過程的一維模型,該模型涉及5個(gè)因素(油、水、細(xì)菌、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝物),細(xì)菌在巖石表面的吸附符合Langmuir等溫吸附模型。Tiwari[19]的工作主要集中在模擬生物膜,從而模擬孔隙度和滲透率的變化對(duì)水動(dòng)力的影響。Martin等[20]建立了包括堵塞在內(nèi)的地下水反應(yīng)運(yùn)移模型。以具有二維流場(chǎng)的流動(dòng)池中的堵漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為數(shù)據(jù)庫,對(duì)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。Kim[21]提出了描述飽和多孔介質(zhì)中細(xì)菌運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型,模型中考慮了細(xì)菌可逆/不可逆性附著和生長(zhǎng)/衰變、細(xì)菌沉積和生長(zhǎng)引起的孔隙度和滲透率變化。Nielsen等[22]建立了描述含有細(xì)菌、培養(yǎng)基和代謝產(chǎn)物的水相對(duì)原油驅(qū)替的MEOR過程的數(shù)值模型。謝昆等[23]基于Logistic方程、Luedeking-Piret方程和物質(zhì)守恒方程建立了銅綠假單胞菌在油藏環(huán)境中的菌體生長(zhǎng)、產(chǎn)物合成和營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)模型。

1.5 數(shù)值模擬

目前不存在商業(yè)油藏模擬器可以直接模擬MEOR過程,其主要原因是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的油藏建模[24]方案下對(duì)細(xì)菌及其生長(zhǎng)行為建模困難,其次是將單個(gè)機(jī)制從實(shí)驗(yàn)室工作中分離出來并校準(zhǔn)所提模型的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的困難。Büeltemeier等[25]利用CMG油藏模擬器的EOR模塊STARS進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。STARS是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件,用于對(duì)涉及蒸汽、溶劑、空氣和化學(xué)品的強(qiáng)化采油過程進(jìn)行先進(jìn)的三相多組分建模。MEOR的所有成分都被建模為水相和油相中的示蹤劑,提高采收率的作用被模擬為產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的作用,利用這一概念成功地模擬了主要的MEOR效應(yīng):生成的CO2降低原油黏度,生物表面活性劑降低界面張力,生物聚合物提高水的黏度,另外利用了STARS吸附選項(xiàng)模擬了生物質(zhì)產(chǎn)生的選擇性封堵效應(yīng)。Alkan等[26]在研究的現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目框架內(nèi),MEOR通過使用STARS的化學(xué)動(dòng)力選項(xiàng)進(jìn)行建模。兩位學(xué)者都使用來自靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)(填砂管和巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn))的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)新的模型進(jìn)行了適應(yīng)性分析及其校準(zhǔn)工作。

低滲透巖心利用自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)和驅(qū)替實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У靥岣卟墒章?但是Amott瓶只能在常壓條件下使用,模擬地層條件下的高溫高壓滲吸實(shí)驗(yàn)需要結(jié)合核磁共振等方法;其中,微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫赜^察油水滲流和分布規(guī)律,以及細(xì)菌的繁殖情況,這需要在精密的儀器和嚴(yán)格的無菌條件下進(jìn)行。填砂管模型制作簡(jiǎn)單,操作方便,但無法準(zhǔn)確模擬真實(shí)儲(chǔ)層條件。數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬能的預(yù)測(cè)微生物生長(zhǎng)和儲(chǔ)層產(chǎn)量,但由于各類微生物在不同環(huán)境下的繁殖速度、生長(zhǎng)周期、代謝產(chǎn)物等存在較大差異,需要綜合考慮儲(chǔ)層條件、流體力學(xué)、微生物生長(zhǎng)、原油物性等因素的影響,建模和模擬工作較為困難。

2 MEOR促進(jìn)原油動(dòng)用機(jī)制

2.1 細(xì)菌/細(xì)菌群落

細(xì)菌是用于MEOR的唯一微生物[27],其體積小,產(chǎn)生大量有用的代謝物,如氣體、酸、有機(jī)溶劑、生物表面活性劑、生物聚合物等,并且它們能夠承受儲(chǔ)層下各類惡劣環(huán)境。大量學(xué)者對(duì)各種細(xì)菌進(jìn)行MEOR研究。

表1揭示了生物堵塞在MEOR中的重要性,細(xì)菌的代謝產(chǎn)物會(huì)引起生物封堵,使巖石滲透率發(fā)生改變,其可以選擇性地封堵高滲區(qū),使液相分流至低滲區(qū)驅(qū)替出原油,提高原油采收率。

通過MEOR改變潤(rùn)濕性的研究較多(表2),細(xì)菌的代謝產(chǎn)物可以改變儲(chǔ)層巖石的潤(rùn)濕性,通過靜態(tài)、動(dòng)態(tài)滲吸,微觀可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)證明,巖石由中性/油濕變?yōu)樗疂?并發(fā)現(xiàn)潤(rùn)濕性的改變是由于細(xì)菌的存在以及生物膜的形成造成的。

細(xì)菌通過或外源微生物異地產(chǎn)生的生物表面活性劑,其可以降低界面張力,界面張力的減少可以解釋為氮的有機(jī)物含量影響[38-44]。MEOR中代表性的界面張力數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 研究報(bào)告MEOR過程中界面張力降低Table 3 Studies on MEOR IFT reduction

細(xì)菌在儲(chǔ)層適宜環(huán)境下繁殖生長(zhǎng),微生物將碳水化合物代謝產(chǎn)生的CO2等氣體,CO2溶解于原油中使黏度降低,增加原油體積(表4)。原油黏度的變化主要?dú)w因于油的生物降解,生物降解可定義為由微生物活動(dòng)產(chǎn)生的一系列自然過程,通過這些過程,有機(jī)物(油、較重組分)轉(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)單的化合物(油、較輕組分)。

表4 通過MEOR產(chǎn)生CO2降低原油黏度的研究Table 4 Studies on the decrease of oil viscosity through CO2 generation by MEOR

2.2 滲透率變化

Jenneman等[51]研究表明,細(xì)菌代謝產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物選擇性地堵塞了高滲區(qū),物理堵塞導(dǎo)致原始滲透率降低,從而使巖心中的流量分布更加均勻,使驅(qū)替液分流到低滲區(qū)。這種效應(yīng)可能會(huì)提高驅(qū)油過程的宏觀波及效率。Bae等[52]研究了一種帶孢子的微生物調(diào)剖(microbial profile modification, MPM)方株,通過特定配方的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),使它們很容易在滲透率超過500 mD的Berea巖心中繁殖并產(chǎn)生生物膜,從而降低巖石的滲透性。通過不同的注入方案可以控制注入深度和滲透率降低程度。Gray等[53]針對(duì)含有輕質(zhì)原油的典型北海砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行MEOR研究。油藏中表面活性細(xì)菌的刺激可能通過產(chǎn)生涂有細(xì)菌的乳狀油滴來影響流體的流動(dòng),油水界面處生物膜的形成改變了界面的流變性,細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物堵塞裂縫降低儲(chǔ)層原始滲透率。Klueglein等[54]對(duì)Wintershall油田的嗜鹽細(xì)菌群落的細(xì)胞行為進(jìn)行研究。結(jié)果表明,在多孔介質(zhì)中細(xì)菌聚集和附著的生物膜的生長(zhǎng)不僅會(huì)改變儲(chǔ)層巖石顆粒的表面特性,還可能導(dǎo)致滲透性的強(qiáng)烈降低。其原因是在MEOR過程中細(xì)菌將在整個(gè)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流動(dòng)路徑的區(qū)域生長(zhǎng),在這些區(qū)域,細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖后可以堵塞孔隙改變滲透率,并重新定向水流驅(qū)替原油。

2.3 潤(rùn)濕性變化

Zekri等[34]報(bào)道了4種不同類型原油和4種不同礦物學(xué)巖石成分的接觸角測(cè)量(圖4)和界面張力法。分離并鑒定了一個(gè)耐鹽、產(chǎn)孢的嗜中溫生物菌測(cè)量結(jié)果,使用了從熱水流中的芽孢桿菌屬(Bacillusfamily)的混合菌群,在較大范圍內(nèi)對(duì)微生物細(xì)胞濃度、礦化度和溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明,所有體系的接觸角隨溫度、原油硫濃度和細(xì)胞濃度的增加而增加,達(dá)到一定程度后,細(xì)胞濃度對(duì)接觸角沒有影響。Kowalewski等[9]通過自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)研究了細(xì)菌誘導(dǎo)的潤(rùn)濕性和界面張力對(duì)原油生產(chǎn)的影響,指出在動(dòng)態(tài)條件下,自發(fā)滲吸顯示出潤(rùn)濕性從強(qiáng)水濕到弱水濕的變化。Polson等[55]通過環(huán)境掃描電子顯微鏡(environmental scanning electron microscope, ESEM)研究生物膜對(duì)石英(砂巖主要成分)潤(rùn)濕性的影響。結(jié)果表明,細(xì)菌/真菌生物膜可以很容易地在石英表面上生長(zhǎng),其具有疏水性,由于以石英為主的砂巖潤(rùn)濕性通常是親水性,從而生物膜可以促進(jìn)砂巖從親水性變?yōu)槭杷?。Afrapoli等[56]使用紅球菌屬sp 094(Rhodococcussp. 094)作為細(xì)菌進(jìn)行潤(rùn)濕性對(duì)微生物驅(qū)油微觀兩相流驅(qū)替機(jī)制影響的研究。Afrapoli等[56]報(bào)道了在具有水濕和油濕表面的玻璃微模型中的可視化實(shí)驗(yàn),兩種微模型中的微生物驅(qū)油降低了殘余油飽和度,水濕模型比油濕模型降幅更大。同年,Karimi等[57]使用陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)菌株,測(cè)定了細(xì)菌代謝產(chǎn)物、細(xì)菌粘附和含有兩種不同碳源的細(xì)菌溶液不同老化期的潤(rùn)濕性的影響。結(jié)果表明,表面潤(rùn)濕性可以從中性潤(rùn)濕或油濕到水濕狀態(tài)變化,細(xì)菌粘附和生物膜的形成似乎是潤(rùn)濕性改變的主要機(jī)制。Sarafzadeha等[58]為了量化潤(rùn)濕性改變和界面張力降低這兩種機(jī)制的影響,進(jìn)行了原位和非原位巖心驅(qū)替。結(jié)果表明,這兩種機(jī)制對(duì)采收率都有顯著影響,其中潤(rùn)濕性變化是主要因素。從處理過的巖心中獲取的SEM圖像顯示,巖石孔隙表面形成了生物膜,這被認(rèn)為是導(dǎo)致巖心表面潤(rùn)濕性改變的原因。Khajepour等[59]使用透明玻璃微模型中兩相流的微觀可視化研究了MEOR過程對(duì)潤(rùn)濕性和剩余油飽和度的影響。利用生物表面活性劑生產(chǎn)細(xì)菌菌株[陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)]通過測(cè)量微生物處理前后的相對(duì)滲透率,研究了生物膜和生物表面活性對(duì)微模型孔壁潤(rùn)濕性的影響。結(jié)果表明,孔隙的潤(rùn)濕性向更濕潤(rùn)的方向改變,這也得到了玻璃微模型中油/水相飽和度的視覺觀察的支持。Hajibagheria等[60]研究了陰離子和陽離子化學(xué)表面活性劑以及細(xì)菌溶液對(duì)碳酸鹽巖潤(rùn)濕性變化的協(xié)同效應(yīng)。使用陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)菌株作為生物表面活性劑產(chǎn)生菌的細(xì)菌溶液的單獨(dú)和聯(lián)合效應(yīng)分別與作為陰離子的SDBS和陽離子表面活性劑的C12TAB進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,細(xì)菌溶液可以改變方解石表面的潤(rùn)濕性,其程度與C12TAB相同,甚至比SDBS更高。

圖4 接觸角測(cè)試示意圖[34]Fig.4 Contact angle test diagramt[34]

2.4 界面張力變化

原油中的微生物會(huì)代謝生成生物表面活性劑(微生物生產(chǎn)的兩親性表面活性劑)起著關(guān)鍵作用,可以降低油水間的界面張力,提高原油采收率。Wang等[61]使用生產(chǎn)的鼠李糖脂作為提高原油采收率的工程菌進(jìn)行MEOR研究。結(jié)果表明,使用銅綠假單胞菌PEER02(PseudomonasaeruginosaPEER02)菌株純化的鼠李糖脂結(jié)構(gòu)與其他銅綠假單胞菌菌株結(jié)構(gòu)相似,PEER02菌生成的生物表活劑鼠李糖脂可以使界面張力減少了一個(gè)數(shù)量級(jí),顯示出提高原油采收率應(yīng)用的巨大潛力。Sen[62]綜述了通過使用微生物及其代謝產(chǎn)物來提高原油采收率的機(jī)制和進(jìn)展。研究表明,微生物代謝生成的表面活性劑用于降低水、油與巖石之間的界面張力;聚合物用于增加水驅(qū)的黏度;酸、氣體和溶劑用于增加多孔介質(zhì)的滲透性,并增加地下油層壓力。Al-Sulaimani等[63]綜述了從早期階段開始的MEOR發(fā)展情況。研究表明,生物表面活性劑是兩性分子,具有親水和疏水部分,生物表面活性劑主要有5種類型,即脂肽、磷脂、糖脂、脂肪酸和中性脂,它們能降低表面和界面張力,增加疏水性或不溶性有機(jī)物的溶解度和流動(dòng)性。Maechant[64]認(rèn)為目前最有前途的生物表面活性劑是糖脂類,并對(duì)白假絲酵母(Candida)產(chǎn)生的槐糖脂類、芽生孢子(Pseudozyma)產(chǎn)生的甘露糖赤蘚糖醇酯 (MELs )和假單胞菌(Pseudomonas)產(chǎn)生的鼠李糖脂進(jìn)行研究,這些生物表活劑可以很好地降低油水界面張力,并且為未來大規(guī)模商業(yè)產(chǎn)品的可持續(xù)性提供了良好的前景。Daryasafar等[65]研究了從伊朗Zilaei油田油樣中分離出的地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis)在極端條件下的生物表面活性劑生產(chǎn)潛力。結(jié)果表明,在溫度為50 ℃、鹽度為1wt%、酵母提取物濃度為1 g/L的礦物鹽溶液中生長(zhǎng)的細(xì)菌生長(zhǎng)速率最高,在該條件下通過分離培養(yǎng)基的細(xì)菌獲得的生物表面活性劑可以將油水的界面張力從36.8 mN/m降低到0.93 mN/m,將水的表面張力從72 mN/m降低到23.8 mN/m。Guimar?es等[66]研究在高鹽度油藏的極端條件下,貝萊斯芽孢桿菌H2O-1(BacillusvelezensisH2O-1)表面活性素能有效地保持其界面性質(zhì)。結(jié)果表明,貝萊斯芽孢桿菌H2O-1產(chǎn)生5種不同的表面活性素同源物,其脂肪酸鏈從C11～C16,具有較高的減少表面張力(24.8 mN/m)和降低界面張力(1.5、0.88 mN/m,分別使用輕油、中油和正十六烷)的能力。Dong等[67]描述了從低滲透油藏中分離出新型的產(chǎn)生表面活性劑的波茨坦短芽孢桿菌YZ-2(BrevibacillusborstelensisYZ-2)菌株的性能。界面張力測(cè)試顯示,在室溫下YZ-2生產(chǎn)的生物表面活性劑能將油水界面張力從(18.51±0.1) mN/m降低到(1.32±0.09) mN/m;通過巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)表明,YZ-2產(chǎn)生的生物表面活性劑能顯著提高采收率;微觀模型實(shí)驗(yàn)表明,在油濕模型中,降低界面張力,即降低作為阻力的毛細(xì)管壓力,能使油更好地被液相驅(qū)替出。

2.5 原油黏度變化

細(xì)菌代謝原位產(chǎn)生的氣體會(huì)增加地下原油的壓力,能降低原油黏度,從而增加原油的流動(dòng)性。Guo等[68]對(duì)短芽孢桿菌屬(BrevibacillusShida)進(jìn)行MEOR機(jī)理研究,在大慶低滲透油藏(1～25 mD)進(jìn)行微生物水驅(qū)試驗(yàn)。結(jié)果表明,生產(chǎn)液分析中得到所選擇的細(xì)菌能很好地適應(yīng)地層條件,并能繁殖生長(zhǎng),其能降解重質(zhì)烴,改善原油的特性并代謝活性物質(zhì)。Alkan等[69]通過滲吸、填砂管和驅(qū)替實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬對(duì)本特海姆砂巖進(jìn)行MEOR研究。結(jié)果表明,氣體(CO2)和醇作為注入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與原位微生物和流體之間反應(yīng)的產(chǎn)物,可以溶解到油中并降低油的黏度,導(dǎo)致油的成分及其物理性質(zhì)發(fā)生變化;另外,采用標(biāo)準(zhǔn)方法建模,研究了聚合物和表面活性劑在水相中的作用以及生成的氣體對(duì)原油黏度的影響。Isty等[70-71]研究評(píng)價(jià)了一種嗜熱厭氧菌AR80(CaldicellulosiruptorbesciiAR80)的MEOR應(yīng)用。該細(xì)菌可以在40～65 ℃和0.5%～9%鹽度(最佳溫度60 ℃,最佳鹽度0.5%～1%)之間生長(zhǎng),可以優(yōu)先降解原油的長(zhǎng)鏈烷烴,并在60 ℃的溫度和1%的鹽度下培養(yǎng)幾天后,將原油黏度降低到其原始黏度的60%。Gao等[72]從受油污染的土壤中分離出兩種使用原油作為碳源的銅綠假單胞菌菌株(Gx和Fx),通過測(cè)試Gx和Fx降解純?yōu)r青和原油瀝青質(zhì)的能力,評(píng)估其對(duì)原油驅(qū)替的能力。結(jié)果表明,利用含細(xì)胞發(fā)酵液降解約10%的純?yōu)r青和59%～72%的原油瀝青質(zhì),原油黏度(35 ℃)從76.5 mPa·s降低了近一半,處理后濾紙上吸附的油90%被去除。Zhao等[73]從油藏產(chǎn)水中分離出枯草芽孢桿菌AnPL-1(BacillussubtilisAnPL-1),在厭氧條件下培養(yǎng)代謝產(chǎn)生150 mg/L的生物表面活性劑。該生物表面活性劑的原位乳化作用使原油黏度降低了40.6%,在巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中提高采收率9.98%。

2.6 礦物溶解

微生物代謝產(chǎn)生的酸性生物氣、酸和有機(jī)溶劑可以在一定程度上溶解碳酸鹽巖儲(chǔ)層中的礦物,增加巖石的孔隙度,從而增加原油的滲透性。K?gler等[13]使用純石英砂和兩種類型的儲(chǔ)層巖石,在有無原油的動(dòng)態(tài)填砂管裝置中,研究了高鹽度油田的不同微生物群落在提供MEOR營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后的代謝活化和生物群落的變化。微生物誘導(dǎo)的表面礦物溶解表現(xiàn)為比表面和表面結(jié)合的亞鐵減少。趙繼勇等[74]以分離自冀東油田的典型油藏微生物竿屬(Bacillussp.)菌株XJ02為例,探索微生物與白云石、云母和方解石相互作用的情況。結(jié)果表明,菌株XJ02可以增大儲(chǔ)層礦物的溶解度,增溶程度受礦物種類和礦物顆粒粒徑的影響。菌株XJ02的代謝活動(dòng)及其對(duì)環(huán)境理化性質(zhì)的改變促進(jìn)了礦物的溶解,而礦物的溶解又有效地促進(jìn)了菌株XJ02的生長(zhǎng),影響程度云母>0.074 mm(粒徑)方解石>0.900 mm方解石>白云石。

3 結(jié)論

MEOR不是一種未經(jīng)測(cè)試的新技術(shù),而是自1954年首次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模測(cè)試以來經(jīng)過廣泛研究的較為成熟的技術(shù)。現(xiàn)通過對(duì)微生物及其產(chǎn)物驅(qū)油技術(shù)的機(jī)制進(jìn)行總結(jié)分析,發(fā)現(xiàn)各種細(xì)菌在不同的儲(chǔ)層條件和營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下會(huì)代謝出不同的產(chǎn)物,生物表面活性劑的效果尤為明顯。還有,微生物在代謝出不同的產(chǎn)物時(shí)對(duì)原油的作用機(jī)理不同,代謝產(chǎn)生的生物表面活性劑可以改變油和水的界面張力,也可以改變巖石表面,使親油表面變成親水表面;產(chǎn)生的氣體,如CO2會(huì)增加地下原油的壓力,降低原油黏度,從而增加原油的流動(dòng)性,增加巖石孔隙度;產(chǎn)生的酸可以在一定程度上溶解儲(chǔ)層巖石中的礦物,增加巖石的孔隙度,從而增加原油的滲透性;當(dāng)微生物在高滲透地層中繁殖時(shí),代謝的生物聚合物可以選擇性地堵塞孔隙,使液相分流至低滲區(qū)域驅(qū)替原油。另外,微生物及其代謝產(chǎn)物可以提高水相的黏度,降低水相的流動(dòng)性,提高驅(qū)油效率。通過總結(jié)發(fā)現(xiàn),生物表面活性劑是微生物產(chǎn)生的備受推崇的化合物之一,在MEOR中具有巨大的應(yīng)用潛力,因此可以針對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的具體情況,通過原位或非原位的方式生成生物表面活性劑。最后,微生物驅(qū)油的機(jī)制較多,滲透率、油水界面張力、潤(rùn)濕性等變化背后的原因有待進(jìn)一步研究,希望后續(xù)有更多新的成果來豐富人們對(duì)微生物提高采收率的認(rèn)知,更加全面地了解微生物促進(jìn)原油動(dòng)用的機(jī)制。