生物表面活性剂在采油工程中的应用 [复制链接]

微生物在一定的条件培养下，在其代谢过程中会分泌出具有一定表面活性的代谢物，如糖脂、多糖脂、脂肽或中性类脂衍生物。它们与一般的表面活性剂分子在结构上相似，即在分子中不仅有脂肪烃链构成的非极性憎水基，而且含有极性的亲水基。这些物质称为生物表面活性剂（Biosurfactant）。其中最大的一类生物表面活性剂是糖脂类。生物表面活性剂通常比合成表面活性剂拥有更为复杂和庞大的分子结构。单个分子占据更大的空间，因而显示较低的临界胶团浓度（CMC）。它们能显著地降低表面张力、改善界面性质。和化学合成表面活性剂相比，生物表面活性剂具有选择性好、用量少、无毒、能够被生物降解、不对环境造成污染、可用微生物引入化学方法难以合成的新化学基团等优点。微生物采油可以提高采油率，近两年来在这个领域的研究开始受到重视，我国油藏及储集层类型多，原油性质变化大，对微生物驱油机理的研究非常重要。
1  采油用生物表面活性剂微生源的研究
采油用生物表面活性剂同一般的生物表面活性剂一样，其生产首先依赖于生产菌，不同的生产菌产生不同的表面活性剂。由于采油对生物表面活性剂属于粗放型，对生物表面活性剂的提取和纯化要求不高，因此对采油用生物表面活性剂的研究主要集中在生产菌（微生物）的筛选改良和培养上。
生物表面活性剂是微生物在一定条件下代谢过程的产物。这些微生物大部分来自自然界，从沙特和埃及的地层原油及地层水中分离出来10多种菌株；中国石化胜利油田公司采油工艺研究院从胜利油田井口土壤中分离并培育出一株可以产生生物表面活性剂的假单胞菌，命名为SP-7。梁凤来等针对华北油田马二断块的油藏条件和流体特征选育出解烃细菌NX-2，并在缺氧的条件下对菌的代谢和改善原油性质等方面进行了评价。在油藏藏温度（87℃）条件下用人造均质岩芯进行的物理模拟驱油实验表明，NX-2菌适应地层条件，具有增采和改善原油性质的作用。谢丹平等由实验室筛选保存的一株能以石油为碳源生长，并能产生表面活性物质的假单胞菌XD-1（Pseudomonas sp-XD-1）。通过营养培养基和原油培养基的培养，用正交优化法实验出产生表面活性剂的最佳发酵条件，并进行了菌XD-1产表面活性剂与原油降解关系的测定和表面活性剂万分的鉴定。宋茂勇等从胜利油田污水中分离到的一株假单胞菌（Pseudomonas sp.）G31，并对该菌进行培养，经过测试，该菌能够产生有机酸和表面活性物质，可以用于微生物三次采油。BDM石油技术的前期研究表明，杆菌（标记为NIPERIA）和梭菌（标记为NIPER6），能使岩石的湿润性向更加亲水性转变。Singer等人从含稠油和沥青烯的土壤中富集、培养、分离出在原油中生长的表面活性剂产生菌，并测试了它们形成的乳状液对原油开采的影响。
现阶段的生物表面活性剂的微生源的研究主要集中在从原油开采地土壤中分离选育生物表面活性剂的产生菌，即对于本源微生物进行研究和探索，然后对其进行培养并用于三次采油。上述的实验中通过室内实验或实际应用验证了生物表面活性剂对于采渍的作用。根据生物表面活性剂对采油过程的作用，对生物表面活性剂产生菌的筛选改良、优化培养条件（营养培养基和原油培养基）、优化条件产生生物表面活性剂的效率等方面将是以后研究的重点。
2  影响采油用生物表面活性剂“活性”的因素
对采油用生物表面活性剂“活性”影响因素的研究是使表面活性剂在采油工程中更好发挥作用的第一步，意义十分重要。
2．1  采油用生物表面活性剂对微生源，其中包括微生源的种类（筛选和改良）、营养培养基等培养基对微生源的影响。生物表面活性剂微生源对生物表面活性剂的生产起关键性作用，这主要是跟微生物的代谢生理功能和代谢过程有关。目前在微生物采油技术（MEOR）中应用的生物表面活性剂的生产菌主要是从矿井或者矿区的土壤中分离选育的，并结合油藏及储集类型和原油的性质筛选最佳的本源微生源。对非本源微生物的研究是一个新的领域，已有资料显示在这个方面的研究已初步开始。
2．2  油藏及储集类型和原油的性质的影响
原油的油藏及储集类型和原油的性质对于微生源的筛选起决定性的作用。这也是现阶段采油用生物表面活性剂的产生菌是在采油区分离选育的原因。即使同一种生物表面活性剂的产生菌对原油的降解效果也不相同。实验表明，对同系列的烃类化合物，微生物优先降解较短链的石油烃类。在原油的油藏及储集类型和原油的性质对于微生源方面的深入研究是使生物表面活性剂更好地发挥作用的一个重要突破点。
2．3  其它采油用化学试剂、高压高温高盐的影响
在采油的各个过程中会使用到各种作用不同的化学试剂，这些化学试剂在一定程度上影响生物表面活性剂产生菌的正常分泌。化学试剂对微生物的影响主要在两个方面，一方面是化学试剂对微生物细胞结构的影响，一些具有表面活性的物质可以直接破坏细胞结构，使微生物死亡；另一方面，化学试剂与微生物细胞中的某些生化物质结合，使基丧失原有的生化性能，不能正常代谢，最终导致死亡。高压、高温、高盐的条件使微生物自下而上的条件遭到破坏或使其不能政党地分泌生物表面活性剂，无法发挥作用。
为了消除化学试剂和高压、高温、高盐对微生源的抑止作用，必须在微生物菌种筛选及微生物育种上着手，在含有化学试剂的地层水中，往往存在由于自发突变而抵抗化学试剂不利影响的微生物。可以从产出液中筛选出这些微生物，经过二次筛选得到采油用菌种既可以满足微生物采油的需要，又能抵制化学试剂的不利影响。也可以在工业菌种的培育运用跗学原理和技术对某个用于特定生物技术目的的菌株进行多方位的改造，通过诱变和基因重组等技术改良得到能抵抗化学试剂的微生源。
2．4  生物表面活性剂和微生物产生的气、溶剂在优化采油条件上的协同作用
近50年来，产气和产溶剂的梭菌已广泛地用于溶剂的商业生产中，这些厌氧菌在发酵过程的初始生长期能够代谢产生H2、CO2、乙酸和丁酸，当培养进入发酵的第二阶段时，即平稳期，在细胞代谢中有一个转变，产生溶剂，产生的溶剂有丙酮、丁醇、乙醇、异丙醇和少量其它试剂。这些气体和液体的代谢产物溶解在原油中使得黏度下降，乙醇也充当助表面活性剂，与微生物产生的表面活性剂协同作用降低表面张力，促进束缚油的流动。最终达到提高原油开采率的目的。R.S.Bryant等通过实验表明，用微生物体系可以提高原油采收率。岩心驱替实验采用两种菌的组合，一是产生表面活性剂的杆菌属（NIPERIA），二是产溶剂和CO2的菌（NIPERIA），协同作用使降解的效果大大加强。
在MEOR中，微生物的产生物表面活性剂和产气、产溶剂的协同作用有利于原油的降解和降低原油的黏度，在采油工程中有一定的使用价值。另外，侯兆伟等对微生物与三元复合驱油提高原油采收率进行了探索。
3  生物表面活性剂在采油工程中的应用
近年来，生物表面活性剂在提高采油量的应用上日益发展，在采油工程中的应用主要是利用微生物表面活性剂回收岩石层中的石油，作为石油三次收回剂（MEOR），提高石油采收率，我国在微生物驱油上作了一定的研究，但主要是室内模拟。
大庆头台油田微生物驱油先导性矿场实验室根据美国R.S.Bryant所设计微生物驱油藏筛选标准，选取了头台油田用一个五点法小型井网作为微生物驱油先导试验区，并在菌种和筛选、菌种性能评价、菌种对油藏条件的配伍性研究上进行了研究。结果表明6个菌体（P24、SHB、X2、RB、A白、AQ）在65℃下，与头台原油共同发酵后，原油中轻组分增加，按参数ΣC21/ΣC22计算的增加率为41.0-97.0%，以X2（97.0%）和SHB（94%）为最高；原油黏度（48.9mPa•s）下降17.7-44.2%,以A白（44.2%）和SHB(41.5%)下降最多;发酵液pH值由7.0降至5.0-6.0。发酵液与原油间的界面张力（35.6mN/m）下降56.8-66.3;5个菌种(P24、SHB、X2、A白、UI-6)在45-65℃下能生长，菌数达108-1010个/mL以上；7个菌种（P24、SHB、X2、A白、UI-6、AUI、5号）尺寸最大为1.2-2.4μm。与头台油藏的渗透率相适应；在渗透率0.559、0.581、0.590μm2的2个均质、4个非均质人造岩心上，水驱之后（水驱采收率为33.1%、36.5%、53.6%）注入菌数为107-108个/mL的菌液0.3PV，继续水驱，流出液菌数为108-109个/mL，采收率提高6.08%、5.81%、4.60%，平均为5.81%。
新疆克拉玛依油田对微生物开采稠油技术进行了研究并用于实际的采油作业中，通过室内筛选复壮，选育出对克拉玛依稠油具有显著降黏作用的微生物菌种。室内降黏实验结果表明，菌种对稠油的降黏率可达70%，同时菌种可以改善稠油的流体性质。原油组分分析结果表明，菌种能够降解稠油中的非烃和长链饱和烃。并首次在克拉玛依油田进行了6口井的微生物吞吐开采稠油矿场试验，累计增油865吨。
周玲革等从青海油田地层水中分离培养出4株微生物菌种，对其进行了耐温、耐盐性等进行了探讨，分析了微生物处理前后原油组分及物性变化情况，并用岩芯流动试验探讨了微生物驱渍效果。结果表明，这几种微生物菌种均能适应青海油田温度及高矿化度地质环境。作用于原油后对原油中的长链饱和烃类物质有较好的降解作用，能使其分子链变短，并产生有机酸或石油羧酸盐类表面活性剂等低分子物质，使原油的黏度、凝点及蜡含量均出现明显地下降，改善原油的流动性能，提高石油采收率。在2口井的现场试验证明，微生物采油具有良好的提高石油采收率的效果和清蜡减阻效果。
吉林油田在微生物提高采收率技术上进行了研究，通过筛选微生物菌种、菌种分类、菌种性能评价等室内研究和微生物放大发酵工艺、注入工艺，综合评价微生物采油现场实验研究及试验效果，读者论论微生物在地层中的生长繁殖、运移及提高采收机大港油田近年来应用微生物驱油的注入工艺技术在大港油田进行了大量的现场研究和2个油田断块的试注，使注入工艺得到逐步完善，形成了体系。
近年来国内有微生物驱油上的研究比较多，除了以上所述外，还有文留油田、河南油田、百口泉采油厂、文明寨极复杂断块油田、新北油田、徐家围子低渗透油田等都进行了相关的研究。现阶段主要是室内模拟，也有已经在采油井上试用，在提高采收率上取得了明显的效果。
4  采油用生物表面活性剂的前景预测
采油用生物表面活性剂的应用在我国主要集中在微生物驱油上，在这个领域的研究是上世纪九十年代中期开始的，现在大部分还处于室内模拟阶段，部分已应用于实际的采用中。尤其是在三次采油上表现出比其它三次采油方法明显的优越性，有很强的应用前景。本源微生物提高石油采收率是一项具有巨大发展潜力的新技术。
MEOR技术的局限性在于：微生物在温度较高，盐度较大，重金属离子含量较高的油藏以及其它采油用试剂作用下易于遭到破坏，微生物产生的表面活性剂和生物聚合物有造成沉淀的危险性，培养微生物的条件不易把握。为了突破这个局限，在现在菌种的筛选分离、选育技术的基础上，加强原油的油藏及储集类型和原同的性质对于生物表面活性剂生产和作用的影响，加强在菌种分泌和作用机理的研究（有资料显示这个方面已经有初步研究），在油藏通过生物工程、遗传工程和基因工程等手段，改良培育优良的菌种。在微生物驱油的工艺上进行研究，提高原油的采收率。
生物表面活性剂的优点就是能够进行生物降解，不造成污染，是一种环保的生物化学试剂。但微生物也会对环境等造成一定的影响，加强后期处理减少这种影响也是以后研究一个课题。