微生物降粘技術(shù)及其研究進展

牛建杰，劉琦，呂靜，楊磊磊，彭勃

(1.中國石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，溫室氣體封存與石油開采利用北京市重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京) 新能源與材料學(xué)院，北京 102249)

世界范圍內(nèi)的油藏在經(jīng)過一次和二次采油后，仍有2/3的原油殘存于油藏中[1-3]。這部分殘余油由于自身粘度較高和油-水界面間的較高毛細(xì)管力被保留在儲層巖石內(nèi)的毛細(xì)孔道中，限制了流動性[3-4]，導(dǎo)致通過常規(guī)方法難以開采。因此，如何有效的降低原油粘度，改善原油的流動性是提高原油采收率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。目前，常見的降粘技術(shù)包括加熱降粘、摻稀降黏、超聲降粘、表面活性劑降粘、油溶性降粘劑降粘以及微生物降粘等[6]。其中，微生物降粘技術(shù)因其環(huán)境友好性與成本不受原油價格波動影響而被研究、應(yīng)用于強化采油階段。微生物降粘是指利用油藏微生物及其代謝產(chǎn)物通過改變原油性質(zhì)、降低油-水界面張力和乳化原油等途徑達(dá)到原油降粘目的的一項生物降粘技術(shù)。油藏微生物根據(jù)代謝途徑及生理特性可大體分為解烴菌、厭氧發(fā)酵菌、產(chǎn)甲烷菌、硫酸鹽還原菌等，解烴菌/烴氧化菌是一類能利用烴類作為唯一碳源進行生長、繁殖、代謝的微生物統(tǒng)稱[7-9]。本文從微生物乳化降粘、降解降粘兩個方面闡述了微生物降粘方法的作用機理。此外，本文還介紹了微生物降粘技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并針對目前微生物降粘技術(shù)存在的問題與不足提出了相應(yīng)意見，與未來發(fā)展方向。

1 微生物降粘機理

微生物降粘機理主要可分為乳化降粘和降解降粘兩方面[3]。其中，乳化降粘主要利用生物表面活性劑獨特的兩親性質(zhì)吸附于巖石表面或油-水界面，以達(dá)到潤濕反轉(zhuǎn)、降低油/水界面張力和乳化原油的效果。降解降粘過程則通過微生物將長鏈、大分子組分轉(zhuǎn)化為短鏈、小分子組分，降低了原油中重組分組成，從而降低原油粘度。不同于其他降粘方法，降解降粘能通過降解原油中的重組分從根本上降低原油粘度，但其同時可能降解輕質(zhì)組分。

1.1 乳化降粘

乳化降粘作用主要通過生物表面活性劑的乳化、降低油水界面張力和潤濕反轉(zhuǎn)作用實現(xiàn)。生物表面活性劑作為一種由生物代謝產(chǎn)生的天然活性物質(zhì)，具有與化學(xué)表面活性劑相似的表面性能、乳化性能、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性等性質(zhì)，同時也具有化學(xué)表面活性劑不具備的低臨界膠束濃度(CMC)、低毒性、高生物降解性(近100%)及在極端環(huán)境下(溫度、pH和礦化度等)高穩(wěn)定性等特性[10-11]。大量的實驗結(jié)果也證實了生物表面活性劑具有較強的從高溫、高鹽度的多孔介質(zhì)體系中驅(qū)替殘余油的能力[4]。以下就生物表面活性劑的分類、作用機理進行詳細(xì)介紹。

1.1.1 常見生物表面活性劑 生物表面活性劑根據(jù)其親水部分的結(jié)構(gòu)不同可分為糖脂類、磷脂或脂肪酸類、脂蛋白或脂肽類以及聚合物表面活性劑類[12]；根據(jù)極性部分所帶電荷不同，生物表面活性劑亦可分為陽離子型、陰離子型、非離子型和兩性離子型[13]；根據(jù)分子量大小可分為生物表活劑(低分子量)與生物乳化劑(高分子量)，前者在降低界面張力方面性能優(yōu)異，后者則主要作用在形成與穩(wěn)定乳狀液方面[14]。其中，糖脂類和脂肽類生物表面活性劑因產(chǎn)量較高而具有較高的現(xiàn)場應(yīng)用價值，由假單胞菌和芽孢桿菌代謝產(chǎn)生的糖脂類生物表面活性劑(鼠李糖脂、槐糖脂等)已廣泛應(yīng)用于微生物采油相關(guān)的室內(nèi)及現(xiàn)場試驗。表1列出了MEOR(Microbial Enhanced Oil Recovery)中常見的生物表面活性劑及其來源菌株[4]。

表1 應(yīng)用于MEOR的數(shù)種具有代表性的生物表面活性劑及其代謝菌株Table 1 Representative various biosurfactants used inMEOR with their microbial sources

1.1.2 生物表面活性劑作用機理 微生物代謝產(chǎn)生的生物表面活性劑通過吸附在巖石表面和油水界面以改變巖石潤濕性、降低油/水界面張力、形成水包油型乳狀液，從而降低原油粘度[10，15]。

1.1.2.1 改變地層巖石潤濕性(如圖1a所示) 油藏內(nèi)毛細(xì)孔道及喉管多為混合潤濕或油濕，各種驅(qū)替水/水溶液難以吸附到巖石表面從而降低了驅(qū)替過程波及系數(shù)。而當(dāng)生物表面活性劑吸附在巖石表面后，將有效增加巖石的水潤濕性，有助于提高波及系數(shù)并使殘油在毛細(xì)管力作用下聚集成油滴[16]。AL-Sulaimani等[17]對枯草芽孢桿菌所產(chǎn)的生物表面活性劑的研究中發(fā)現(xiàn)，生物表面活性劑在0.25%(w/v)的濃度下可將巖石接觸角從70.6°降低至25.32°，且因吸附造成的生物表面活性劑損失為1.2 mg/g巖石，與化學(xué)表面活性劑相當(dāng)。Salehi等[18]的研究表明，表面活性劑分子與原油之間離子對的形成是潤濕性改變的主要機制，且一些生物表面活性劑較化學(xué)表面活性劑在這一性能表現(xiàn)更良好。

1.1.2.2 降低油水界面張力(如圖1b所示) 原油存在于油藏中復(fù)雜的毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)中，而毛細(xì)管力在油藏喉管內(nèi)常表現(xiàn)為油/水彎曲界面兩側(cè)的壓力差。毛細(xì)管數(shù)定義為流體粘性力與毛細(xì)管力的比值，可表征油藏中殘余油飽和度，其表達(dá)式如式(1)所示。毛細(xì)管數(shù)越大越有利于兩相流體間形變、破碎，因此隨著油/水界面張力的降低和毛細(xì)管數(shù)的增大，油藏內(nèi)殘余油將發(fā)生形變與破碎從而在水驅(qū)作用下流出吼道。

(1)

其中，NCap為毛細(xì)管數(shù)；θ為油/巖界面接觸角，(°)；μ為置換流體的粘度，mPa·s；σ為油水界面張力，N/m；υ為置換流體速度，m/s。

此外，有研究顯示油/水界面張力降低將形成表面張力梯度產(chǎn)生Marangoni對流，從而帶動流體流動，增加原油流動性[11]。Armstrong等[19]的實驗結(jié)果顯示，在大尺度孔隙(毫米級及以上)中生物表面活性劑可通過降低油/水界面張力將殘余油破碎成小液滴以便形成油/水乳狀液，而小尺度孔隙中則需要生物表面活性劑與堿復(fù)配才能達(dá)到相同效果，此外小尺度孔隙還有被由生物表面活性劑形成的乳狀液堵塞的風(fēng)險。脂肽類生物表面活性劑中的表面活性素(Surfactin)作為目前已知的表面活性最高的生物表面活性劑，可在0.017 g/L的濃度下將水表面張力從72.8 mN/m降低至27.9 mN/m，油水界面張力由23.53 mN/m降低至4.57 mN/m[20]。

1.1.2.3 乳化作用(如圖1c所示) 當(dāng)生物表面活性劑注入油藏后，其低臨界膠束濃度使得膠束、乳狀液或微乳液更易形成，從而導(dǎo)致更多的殘余油被回收。如上所述，生物表面活性劑中的高分子量生物乳化劑能緊密吸附在油水界面，從而形成穩(wěn)定的油/水乳狀液，如聚合表面活性劑類和顆粒表面活性劑類。此外，一些低分子量生物表活劑也表現(xiàn)出了優(yōu)異的乳化性能，如地衣素和鼠李糖脂等。一般認(rèn)為，在水中乳化原油的單位面積自由能變化由增加油水界面接觸面積和克服毛細(xì)管壓力兩方面引起，其表達(dá)式為[21]：

W=σΔA+2σcosθΔV/R

(2)

其中，W為水中乳化原油的單位面積自由能變化，N·m；ΔA為油團形成乳狀液引起的油水界面接觸面積變化，m2；ΔV為被乳化的油滴體積，m3；R為巖石孔隙半徑，m。

由此可見，乳化降粘中的乳化作用與潤濕反轉(zhuǎn)和油/水界面張力降低之間直接相關(guān)：即油水界面張力越低、油巖界面接觸角越大(越水濕)、巖石孔隙半徑越大，在水中乳化原油越容易實現(xiàn)。Pekdemir等[20]通過對比鼠李糖脂、單寧、皂苷、卵磷脂、七葉皂苷和十二烷基硫酸鈉，發(fā)現(xiàn)鼠李糖脂顯示出了最高的乳化能力。Suthar等[22]從油藏中分離出的地衣芽孢桿菌K125所產(chǎn)的生物乳化劑顯示出了66%(E24)的乳化活性，并能在較寬的pH值、溫度和鹽度范圍內(nèi)都能保持乳狀液穩(wěn)定。

圖1 生物表面活性劑作用機理Fig.1 Pathway for the viscosity reducing of biosurfactantsa.潤濕反轉(zhuǎn)；b.降低油/水界面張力；c.乳化作用

1.2 降解降粘

降解降粘主要通過微生物的降解作用使原油組分碳鏈斷裂，重組分轉(zhuǎn)變?yōu)檩p組分，從而改變原油的族組成，降低原油粘度[15-16]。按照降解降粘過程電子受體是否為氧氣，可將降解降粘過程分為有氧降解和厭氧降解。目前，雖瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的微生物可降解性已被證實，但對其降解機理的研究非常有限，研究主要集中在原油粘度、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的含量及官能團變化，尚未形成共識[23-24]。因此，本文重點討論降解機理已基本明確的烴類有氧及厭氧降解降粘過程。

1.2.1 有氧降解 在有氧降解過程中，除無機營養(yǎng)物外還需注入溶解氧或空氣以提供電子供體。直鏈烷烴的有氧降解過程已基本明確，一般認(rèn)為直鏈烷烴的有氧降解過程為：首先通過羥基作用生成初級醇，再經(jīng)醇脫氫酶進一步氧化生成醛，之后由醛脫氫酶氧化生成脂肪酸以進入β-氧化循環(huán)被徹底氧化，而環(huán)烷烴的有氧降解途徑依次為：環(huán)烷烴→環(huán)醇→環(huán)酮→脂肪酸→β-氧化循環(huán)。直鏈烷烴的氧化方式可細(xì)分為末端氧化、次末端氧化和雙末端氧化，具體途徑見圖2[25]。

對芳香烴而言，若其帶有側(cè)鏈則降解反應(yīng)往往先從其側(cè)鏈開始，然后在加氧酶作用下對芳香環(huán)引入羥基以生成酚類物質(zhì)，之后酚類發(fā)生環(huán)開裂進入脂肪族化合物的有氧代謝途徑。各類芳香烴有氧降解的起始步驟略有不同，但其中間產(chǎn)物多涉及雙酚類物質(zhì)，如鄰苯二酚等。此雙酚類物質(zhì)再進一步降解為琥珀酸和乙酰輔酶A等，其后進入三羧酸循環(huán)徹底降解。Zhang等[26]的研究表明，代謝產(chǎn)物類型取決于雙酚類物質(zhì)的開環(huán)方式，若鄰位開環(huán)則生成己二烯二酸，其再進一步氧化生成乙酰輔酶A；若間位開環(huán)則生成2-羥己二烯半醛酸，其再進一步氧化生成琥珀酸，見圖3。

圖2 烷烴的末端、雙末端和次末端氧化代謝途徑Fig.2 Pathways for the degradation of alkanes by terminal，sub- and biterminal oxidation

圖3 芳香烴有氧降解機理Fig.3 Pathway for the aerobic degradation of aromatic hydrocarbon

1.2.2 厭氧降解 厭氧降解指厭氧或兼性厭氧微生物以非氧物質(zhì)作電子受體的情況下，將有機物進行氧化分解為小分子物質(zhì)的過程。原油開采過程中遠(yuǎn)離注入井的大部分區(qū)域均為厭氧環(huán)境，故油藏內(nèi)的厭氧降解較之有氧降解更為普遍[27]。目前，已證實微生物在厭氧條件下能夠代謝多種碳?xì)涮佳趸衔锶绫?、甲苯、萘、菲、烷烴、支鏈烷烴與烴類混合物等，且已分離出多種中間產(chǎn)物[9]。不同于有氧降解，厭氧降解過程的電子受體通常為硫酸鹽、硝酸鹽、三價鐵等。此外，其降解途徑更為多樣可分為：延胡索酸依賴型、脫氫作用型、羧基化作用型和甲基化作用型，這主要取決于菌株種類和烴的類型。其中羧基化作用型和甲基化作用型于油藏中發(fā)生較少，故本文著重就最常見的延胡索酸依賴型和脫氫作用型進行討論。

延胡索酸依賴型厭氧降解過程是指微生物借助延胡索酸與烷基鏈結(jié)合，生成芐基琥珀酸脂類中間產(chǎn)物，后被繼續(xù)氧化生成烷基琥珀酸和芳基琥珀酸的過程。其中，烷基鏈或芳香烴側(cè)鏈的活化主要依賴甘氨酸殘基，一般的延胡索酸依賴型厭氧降解過程見圖4[28]。

脫氫作用型厭氧代謝過程大多發(fā)生在具有較低C—H鍵能的物質(zhì)中，如乙苯、丙苯等。硝酸鹽還原菌EbN1和EB1都可利用水提供的羥基通過脫氫作用生成1-苯乙醇，其隨后進一步降解生成苯乙酮，再通過羧化作用產(chǎn)生苯乙酸，最后經(jīng)硫醇裂解產(chǎn)生苯甲酰輔酶A這一公共中間代謝物[29]。以乙苯為例說明硝酸還原菌中發(fā)生的脫氫作用型厭氧代謝過程見圖5。

圖4 依賴延胡索酸的烴類厭氧代謝過程Fig.4 Anaerobic metabolism of hydrocarbonsdependent on fumaric acid

圖5 硝酸還原菌厭氧降解乙苯過程Fig.5 Anaerobic degradation of ethylbenzeneby nitrate reducing bacteria

1.3 其他微生物降粘機理

除了降解降粘和乳化降粘外，微生物的其他代謝產(chǎn)物，諸如生物酶、生物氣和低分子量有機溶劑也會在一定程度上協(xié)助原油降粘作用，表2總結(jié)了其他能夠降低原油粘度的微生物代謝產(chǎn)物及其降粘機理[2，9，16]。其中生物酶作為特定高分子蛋白質(zhì)可通過改變油藏潤濕性和降解原油重組分實現(xiàn)原油降粘，并已成為微生物采油新的研究方向，即生物酶強化采油(EEOR)[16]。常見的用于微生物降粘的生物酶主要有水解酶、脫氫酶和木糖醇酶等，其獨特的吸附能力和水潤濕性可促進微生物與原油、巖石的接觸及其相互作用，因此酶制劑可提高原位微生物降粘效果[30]。在EEOR現(xiàn)場應(yīng)用中，酶試劑通常為生物酶、表面活性劑的混合物和/或微生物以增加酶的反應(yīng)活性位點和/或增強原位微生物降粘效果[30]。目前，制約EEOR大規(guī)模應(yīng)用的主要因素為成本過高，因此其現(xiàn)場應(yīng)用非常有限，主要集中在亞洲，如中國和馬來西亞[31-32]。

表2 其他微生物代謝產(chǎn)物及其降粘機理Table 2 Microbial metabolites with viscosityreducing routes

2 微生物降粘研究現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)降粘技術(shù)相比，微生物降粘有著環(huán)境友好、代謝產(chǎn)物易生物和能通過降解作用改變原油組成等優(yōu)點[33]。但微生物降粘技術(shù)還存在需進一步解決的問題，例如常見的解烴菌大多只能降解直鏈烷烴(見表3)，而對膠質(zhì)和瀝青質(zhì)降解效果較差；非原位發(fā)酵成本較高而原位發(fā)酵產(chǎn)量較低；單一菌株降粘效果差，單一生物表面活性劑難以將油水界面張力降至超低(<10-3mN/m)等?，F(xiàn)階段，微生物降粘技術(shù)的研究主要集中在優(yōu)勢菌株篩選與開發(fā)以及復(fù)配降粘體系等方面。

表3 MEOR中常見的直鏈烷烴解烴菌及其降解范圍Table 3 Bacterial strains capable of utilizing long-chainn-alkanes as a sole carbon source

2.1 菌株篩選與開發(fā)

優(yōu)勢菌株的篩選是微生物降粘乃至微生物采油的前提和首要任務(wù)，一種高效優(yōu)勢菌株的出現(xiàn)可能引起革新性的變化。對微生物降粘而言，優(yōu)勢菌株主要包括高效解烴菌、高產(chǎn)生物表面活性劑的菌株以及高產(chǎn)生物表面活性劑的解烴菌。此外，若該菌株被用作原位生產(chǎn)，則其還需要具有適應(yīng)油藏環(huán)境的特性。

目前常用的篩選解烴菌的方法為在烴類或原油為唯一碳源的條件下培養(yǎng)較長時間，即篩選出能以烴類為碳源的菌株。Tavassoli等[23]在帶有玻璃泡罩的柱形生物反應(yīng)器中加入2 L含有10 g瀝青質(zhì)的礦物培養(yǎng)基，接種后在溫度為28 ℃，pH為7.4的條件下連續(xù)培養(yǎng)60 d，從而分離出五種分別屬于假單胞菌、地衣芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌的能高效降解瀝青質(zhì)的菌株。而篩選高產(chǎn)生物表面活性劑菌株的方法較為多樣，常見的篩選法如液滴塌陷法(Drop collapse)、排油圈法(Oil spreading)、血平板法(Blood agar lysis)、溶血法(Hemolytic assay)、藍(lán)色凝膠平板篩選法(Blue agar plate screening)以及表/界面張力測試(Tensiometric measurement)等[38]。Youssef等[39]通過對比液滴塌陷法、排油圈法和血平板法的易用性和可靠性發(fā)現(xiàn)血平板法所得數(shù)據(jù)與表面張力相關(guān)性較差，而利用液滴塌陷法檢測生物表面活性劑產(chǎn)生菌株后再以排油圈法篩選出高產(chǎn)菌株，可作為快速篩選高產(chǎn)生物表面活性劑菌株的有效方法。此外，在進行高產(chǎn)生物表面活性劑菌株篩選前還可進行解烴菌篩選，即得高產(chǎn)生物表面活性劑的解烴菌[3]。

除優(yōu)勢菌株篩選外，利用基因工程技術(shù)如重組工程、原生質(zhì)融合和誘變來組合各菌株的有利性狀以開發(fā)出新的高效優(yōu)勢降粘菌株也是非常重要的，即基因工程微生物采油技術(shù)(GEMEOR)。Zhao等[40]通過對解淀粉芽孢桿菌ES-2-4利用紫外線、亞硝基胍和離子束誘變后進行原生質(zhì)體融合，在進行兩輪基因組改組后，獲得高產(chǎn)的F2-38菌株，其在搖床和發(fā)酵罐中的表面活性素產(chǎn)量增加3.5倍和10.3倍。

2.2 復(fù)配體系開發(fā)

近年來，由于微生物降粘中單一菌株和代謝產(chǎn)物的局限性，國內(nèi)外在微生物降粘復(fù)配體系開發(fā)方面開展了大量研究，主要集中在：生物表面活性劑與化學(xué)合成表面活性劑的復(fù)配、不同類型菌株間的復(fù)配、生物表面活性劑與聚合物和/堿的復(fù)配等方面。王浩等[41]研究了表面活性素(Surfactin)和三種長鏈烷基苯磺酸鹽(C17ABS、C18ABS、C19ABS)之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)復(fù)配體系的臨界膠束濃度和靜電排斥力小于單一體系，其推測是由于兩種表面活性劑的混合吸附單層和膠束體系中形成了特殊的有利于表面活性劑分子間緊密結(jié)合的空間結(jié)構(gòu)。Onaizi等[42]對Surfactin和十二烷基磺酸鈉的復(fù)配研究發(fā)現(xiàn)復(fù)配體系能將水-空氣界面張力降低至27.9 mN/m，臨界膠束濃度降低至435 μmol/L。表4總結(jié)了國內(nèi)外典型微生物復(fù)配降粘研究及應(yīng)用實例。

表4 近年來國內(nèi)外微生物復(fù)配降粘研究、應(yīng)用實例Table 4 Research and field trials of microbial viscosity reduction in China in recent years

3 結(jié)論與展望

微生物降粘技術(shù)有著綠色環(huán)保、價格友好、獨特的油藏適應(yīng)性和能通過降解作用改變原油組成的特點，是降粘技術(shù)發(fā)展新的方向。經(jīng)過多年的開發(fā)，國內(nèi)各大油田開始逐步進入高含水、高采出程度的階段，面對這類“雙高”油藏，環(huán)境友好的微生物降粘技術(shù)將會是新的出路。除此之外，對于邊緣油藏、斷塊油藏、聚合物驅(qū)后枯竭油藏與常規(guī)驅(qū)油手段已達(dá)經(jīng)濟極限的油藏，只要油藏溫度及滲透率合適均可考慮微生物降粘技術(shù)。

微生物降粘技術(shù)自20世紀(jì)五六十年代至今已開展了大量研究和現(xiàn)場試驗但仍未形成大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，其自身機理的復(fù)雜性是重要的原因。因此，深入解釋微生物降粘機理，如瀝青質(zhì)與膠質(zhì)的厭氧降解過程和生物表面活性劑及其復(fù)配體系獨特的表界面性質(zhì)是其大規(guī)模應(yīng)用的前提。此外，微生物降粘的復(fù)配體系開發(fā)、地面菌株培養(yǎng)發(fā)酵過程的優(yōu)化、地下微生物及營養(yǎng)物的運移、數(shù)學(xué)模型的建立和技術(shù)規(guī)范的制定等方面也將是微生物降粘技術(shù)下一步重要的發(fā)展方向。