微生物降粘技术及其研究进展

牛建杰，刘琦，吕静，杨磊磊，彭勃

(1.中国石油大学(北京) 非常规油气科学技术研究院，温室气体封存与石油开采利用北京市重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学(北京) 新能源与材料学院，北京 102249)

世界范围内的油藏在经过一次和二次采油后，仍有2/3的原油残存于油藏中[1-3]。这部分残余油由于自身粘度较高和油-水界面间的较高毛细管力被保留在储层岩石内的毛细孔道中，限制了流动性[3-4]，导致通过常规方法难以开采。因此，如何有效的降低原油粘度，改善原油的流动性是提高原油采收率的关键环节[5]。目前，常见的降粘技术包括加热降粘、掺稀降黏、超声降粘、表面活性剂降粘、油溶性降粘剂降粘以及微生物降粘等[6]。其中，微生物降粘技术因其环境友好性与成本不受原油价格波动影响而被研究、应用于强化采油阶段。微生物降粘是指利用油藏微生物及其代谢产物通过改变原油性质、降低油-水界面张力和乳化原油等途径达到原油降粘目的的一项生物降粘技术。油藏微生物根据代谢途径及生理特性可大体分为解烃菌、厌氧发酵菌、产甲烷菌、硫酸盐还原菌等，解烃菌/烃氧化菌是一类能利用烃类作为唯一碳源进行生长、繁殖、代谢的微生物统称[7-9]。本文从微生物乳化降粘、降解降粘两个方面阐述了微生物降粘方法的作用机理。此外，本文还介绍了微生物降粘技术国内外研究现状，并针对目前微生物降粘技术存在的问题与不足提出了相应意见，与未来发展方向。

1 微生物降粘机理

微生物降粘机理主要可分为乳化降粘和降解降粘两方面[3]。其中，乳化降粘主要利用生物表面活性剂独特的两亲性质吸附于岩石表面或油-水界面，以达到润湿反转、降低油/水界面张力和乳化原油的效果。降解降粘过程则通过微生物将长链、大分子组分转化为短链、小分子组分，降低了原油中重组分组成，从而降低原油粘度。不同于其他降粘方法，降解降粘能通过降解原油中的重组分从根本上降低原油粘度，但其同时可能降解轻质组分。

1.1 乳化降粘

乳化降粘作用主要通过生物表面活性剂的乳化、降低油水界面张力和润湿反转作用实现。生物表面活性剂作为一种由生物代谢产生的天然活性物质，具有与化学表面活性剂相似的表面性能、乳化性能、热稳定性、化学稳定性等性质，同时也具有化学表面活性剂不具备的低临界胶束浓度(CMC)、低毒性、高生物降解性(近100%)及在极端环境下(温度、pH和矿化度等)高稳定性等特性[10-11]。大量的实验结果也证实了生物表面活性剂具有较强的从高温、高盐度的多孔介质体系中驱替残余油的能力[4]。以下就生物表面活性剂的分类、作用机理进行详细介绍。

1.1.1 常见生物表面活性剂 生物表面活性剂根据其亲水部分的结构不同可分为糖脂类、磷脂或脂肪酸类、脂蛋白或脂肽类以及聚合物表面活性剂类[12]；根据极性部分所带电荷不同，生物表面活性剂亦可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性离子型[13]；根据分子量大小可分为生物表活剂(低分子量)与生物乳化剂(高分子量)，前者在降低界面张力方面性能优异，后者则主要作用在形成与稳定乳状液方面[14]。其中，糖脂类和脂肽类生物表面活性剂因产量较高而具有较高的现场应用价值，由假单胞菌和芽孢杆菌代谢产生的糖脂类生物表面活性剂(鼠李糖脂、槐糖脂等)已广泛应用于微生物采油相关的室内及现场试验。表1列出了MEOR(Microbial Enhanced Oil Recovery)中常见的生物表面活性剂及其来源菌株[4]。

表1 应用于MEOR的数种具有代表性的生物表面活性剂及其代谢菌株Table 1 Representative various biosurfactants used inMEOR with their microbial sources

1.1.2 生物表面活性剂作用机理 微生物代谢产生的生物表面活性剂通过吸附在岩石表面和油水界面以改变岩石润湿性、降低油/水界面张力、形成水包油型乳状液，从而降低原油粘度[10，15]。

1.1.2.1 改变地层岩石润湿性(如图1a所示) 油藏内毛细孔道及喉管多为混合润湿或油湿，各种驱替水/水溶液难以吸附到岩石表面从而降低了驱替过程波及系数。而当生物表面活性剂吸附在岩石表面后，将有效增加岩石的水润湿性，有助于提高波及系数并使残油在毛细管力作用下聚集成油滴[16]。AL-Sulaimani等[17]对枯草芽孢杆菌所产的生物表面活性剂的研究中发现，生物表面活性剂在0.25%(w/v)的浓度下可将岩石接触角从70.6°降低至25.32°，且因吸附造成的生物表面活性剂损失为1.2 mg/g岩石，与化学表面活性剂相当。Salehi等[18]的研究表明，表面活性剂分子与原油之间离子对的形成是润湿性改变的主要机制，且一些生物表面活性剂较化学表面活性剂在这一性能表现更良好。

1.1.2.2 降低油水界面张力(如图1b所示) 原油存在于油藏中复杂的毛细管网络中，而毛细管力在油藏喉管内常表现为油/水弯曲界面两侧的压力差。毛细管数定义为流体粘性力与毛细管力的比值，可表征油藏中残余油饱和度，其表达式如式(1)所示。毛细管数越大越有利于两相流体间形变、破碎，因此随着油/水界面张力的降低和毛细管数的增大，油藏内残余油将发生形变与破碎从而在水驱作用下流出吼道。

(1)

其中，NCap为毛细管数；θ为油/岩界面接触角，(°)；μ为置换流体的粘度，mPa·s；σ为油水界面张力，N/m；υ为置换流体速度，m/s。

此外，有研究显示油/水界面张力降低将形成表面张力梯度产生Marangoni对流，从而带动流体流动，增加原油流动性[11]。Armstrong等[19]的实验结果显示，在大尺度孔隙(毫米级及以上)中生物表面活性剂可通过降低油/水界面张力将残余油破碎成小液滴以便形成油/水乳状液，而小尺度孔隙中则需要生物表面活性剂与碱复配才能达到相同效果，此外小尺度孔隙还有被由生物表面活性剂形成的乳状液堵塞的风险。脂肽类生物表面活性剂中的表面活性素(Surfactin)作为目前已知的表面活性最高的生物表面活性剂，可在0.017 g/L的浓度下将水表面张力从72.8 mN/m降低至27.9 mN/m，油水界面张力由23.53 mN/m降低至4.57 mN/m[20]。

1.1.2.3 乳化作用(如图1c所示) 当生物表面活性剂注入油藏后，其低临界胶束浓度使得胶束、乳状液或微乳液更易形成，从而导致更多的残余油被回收。如上所述，生物表面活性剂中的高分子量生物乳化剂能紧密吸附在油水界面，从而形成稳定的油/水乳状液，如聚合表面活性剂类和颗粒表面活性剂类。此外，一些低分子量生物表活剂也表现出了优异的乳化性能，如地衣素和鼠李糖脂等。一般认为，在水中乳化原油的单位面积自由能变化由增加油水界面接触面积和克服毛细管压力两方面引起，其表达式为[21]：

W=σΔA+2σcosθΔV/R

(2)

其中，W为水中乳化原油的单位面积自由能变化，N·m；ΔA为油团形成乳状液引起的油水界面接触面积变化，m2；ΔV为被乳化的油滴体积，m3；R为岩石孔隙半径，m。

由此可见，乳化降粘中的乳化作用与润湿反转和油/水界面张力降低之间直接相关：即油水界面张力越低、油岩界面接触角越大(越水湿)、岩石孔隙半径越大，在水中乳化原油越容易实现。Pekdemir等[20]通过对比鼠李糖脂、单宁、皂苷、卵磷脂、七叶皂苷和十二烷基硫酸钠，发现鼠李糖脂显示出了最高的乳化能力。Suthar等[22]从油藏中分离出的地衣芽孢杆菌K125所产的生物乳化剂显示出了66%(E24)的乳化活性，并能在较宽的pH值、温度和盐度范围内都能保持乳状液稳定。

图1 生物表面活性剂作用机理Fig.1 Pathway for the viscosity reducing of biosurfactantsa.润湿反转；b.降低油/水界面张力；c.乳化作用

1.2 降解降粘

降解降粘主要通过微生物的降解作用使原油组分碳链断裂，重组分转变为轻组分，从而改变原油的族组成，降低原油粘度[15-16]。按照降解降粘过程电子受体是否为氧气，可将降解降粘过程分为有氧降解和厌氧降解。目前，虽沥青质、胶质的微生物可降解性已被证实，但对其降解机理的研究非常有限，研究主要集中在原油粘度、胶质和沥青质的含量及官能团变化，尚未形成共识[23-24]。因此，本文重点讨论降解机理已基本明确的烃类有氧及厌氧降解降粘过程。

1.2.1 有氧降解 在有氧降解过程中，除无机营养物外还需注入溶解氧或空气以提供电子供体。直链烷烃的有氧降解过程已基本明确，一般认为直链烷烃的有氧降解过程为：首先通过羟基作用生成初级醇，再经醇脱氢酶进一步氧化生成醛，之后由醛脱氢酶氧化生成脂肪酸以进入β-氧化循环被彻底氧化，而环烷烃的有氧降解途径依次为：环烷烃→环醇→环酮→脂肪酸→β-氧化循环。直链烷烃的氧化方式可细分为末端氧化、次末端氧化和双末端氧化，具体途径见图2[25]。

对芳香烃而言，若其带有侧链则降解反应往往先从其侧链开始，然后在加氧酶作用下对芳香环引入羟基以生成酚类物质，之后酚类发生环开裂进入脂肪族化合物的有氧代谢途径。各类芳香烃有氧降解的起始步骤略有不同，但其中间产物多涉及双酚类物质，如邻苯二酚等。此双酚类物质再进一步降解为琥珀酸和乙酰辅酶A等，其后进入三羧酸循环彻底降解。Zhang等[26]的研究表明，代谢产物类型取决于双酚类物质的开环方式，若邻位开环则生成己二烯二酸，其再进一步氧化生成乙酰辅酶A；若间位开环则生成2-羟己二烯半醛酸，其再进一步氧化生成琥珀酸，见图3。

图2 烷烃的末端、双末端和次末端氧化代谢途径Fig.2 Pathways for the degradation of alkanes by terminal，sub- and biterminal oxidation

图3 芳香烃有氧降解机理Fig.3 Pathway for the aerobic degradation of aromatic hydrocarbon

1.2.2 厌氧降解 厌氧降解指厌氧或兼性厌氧微生物以非氧物质作电子受体的情况下，将有机物进行氧化分解为小分子物质的过程。原油开采过程中远离注入井的大部分区域均为厌氧环境，故油藏内的厌氧降解较之有氧降解更为普遍[27]。目前，已证实微生物在厌氧条件下能够代谢多种碳氢碳氧化合物如苯、甲苯、萘、菲、烷烃、支链烷烃与烃类混合物等，且已分离出多种中间产物[9]。不同于有氧降解，厌氧降解过程的电子受体通常为硫酸盐、硝酸盐、三价铁等。此外，其降解途径更为多样可分为：延胡索酸依赖型、脱氢作用型、羧基化作用型和甲基化作用型，这主要取决于菌株种类和烃的类型。其中羧基化作用型和甲基化作用型于油藏中发生较少，故本文着重就最常见的延胡索酸依赖型和脱氢作用型进行讨论。

延胡索酸依赖型厌氧降解过程是指微生物借助延胡索酸与烷基链结合，生成苄基琥珀酸脂类中间产物，后被继续氧化生成烷基琥珀酸和芳基琥珀酸的过程。其中，烷基链或芳香烃侧链的活化主要依赖甘氨酸残基，一般的延胡索酸依赖型厌氧降解过程见图4[28]。

脱氢作用型厌氧代谢过程大多发生在具有较低C—H键能的物质中，如乙苯、丙苯等。硝酸盐还原菌EbN1和EB1都可利用水提供的羟基通过脱氢作用生成1-苯乙醇，其随后进一步降解生成苯乙酮，再通过羧化作用产生苯乙酸，最后经硫醇裂解产生苯甲酰辅酶A这一公共中间代谢物[29]。以乙苯为例说明硝酸还原菌中发生的脱氢作用型厌氧代谢过程见图5。

图4 依赖延胡索酸的烃类厌氧代谢过程Fig.4 Anaerobic metabolism of hydrocarbonsdependent on fumaric acid

图5 硝酸还原菌厌氧降解乙苯过程Fig.5 Anaerobic degradation of ethylbenzeneby nitrate reducing bacteria

1.3 其他微生物降粘机理

除了降解降粘和乳化降粘外，微生物的其他代谢产物，诸如生物酶、生物气和低分子量有机溶剂也会在一定程度上协助原油降粘作用，表2总结了其他能够降低原油粘度的微生物代谢产物及其降粘机理[2，9，16]。其中生物酶作为特定高分子蛋白质可通过改变油藏润湿性和降解原油重组分实现原油降粘，并已成为微生物采油新的研究方向，即生物酶强化采油(EEOR)[16]。常见的用于微生物降粘的生物酶主要有水解酶、脱氢酶和木糖醇酶等，其独特的吸附能力和水润湿性可促进微生物与原油、岩石的接触及其相互作用，因此酶制剂可提高原位微生物降粘效果[30]。在EEOR现场应用中，酶试剂通常为生物酶、表面活性剂的混合物和/或微生物以增加酶的反应活性位点和/或增强原位微生物降粘效果[30]。目前，制约EEOR大规模应用的主要因素为成本过高，因此其现场应用非常有限，主要集中在亚洲，如中国和马来西亚[31-32]。

表2 其他微生物代谢产物及其降粘机理Table 2 Microbial metabolites with viscosityreducing routes

2 微生物降粘研究现状

与传统降粘技术相比，微生物降粘有着环境友好、代谢产物易生物和能通过降解作用改变原油组成等优点[33]。但微生物降粘技术还存在需进一步解决的问题，例如常见的解烃菌大多只能降解直链烷烃(见表3)，而对胶质和沥青质降解效果较差；非原位发酵成本较高而原位发酵产量较低；单一菌株降粘效果差，单一生物表面活性剂难以将油水界面张力降至超低(<10-3mN/m)等。现阶段，微生物降粘技术的研究主要集中在优势菌株筛选与开发以及复配降粘体系等方面。

表3 MEOR中常见的直链烷烃解烃菌及其降解范围Table 3 Bacterial strains capable of utilizing long-chainn-alkanes as a sole carbon source

2.1 菌株筛选与开发

优势菌株的筛选是微生物降粘乃至微生物采油的前提和首要任务，一种高效优势菌株的出现可能引起革新性的变化。对微生物降粘而言，优势菌株主要包括高效解烃菌、高产生物表面活性剂的菌株以及高产生物表面活性剂的解烃菌。此外，若该菌株被用作原位生产，则其还需要具有适应油藏环境的特性。

目前常用的筛选解烃菌的方法为在烃类或原油为唯一碳源的条件下培养较长时间，即筛选出能以烃类为碳源的菌株。Tavassoli等[23]在带有玻璃泡罩的柱形生物反应器中加入2 L含有10 g沥青质的矿物培养基，接种后在温度为28 ℃，pH为7.4的条件下连续培养60 d，从而分离出五种分别属于假单胞菌、地衣芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌的能高效降解沥青质的菌株。而筛选高产生物表面活性剂菌株的方法较为多样，常见的筛选法如液滴塌陷法(Drop collapse)、排油圈法(Oil spreading)、血平板法(Blood agar lysis)、溶血法(Hemolytic assay)、蓝色凝胶平板筛选法(Blue agar plate screening)以及表/界面张力测试(Tensiometric measurement)等[38]。Youssef等[39]通过对比液滴塌陷法、排油圈法和血平板法的易用性和可靠性发现血平板法所得数据与表面张力相关性较差，而利用液滴塌陷法检测生物表面活性剂产生菌株后再以排油圈法筛选出高产菌株，可作为快速筛选高产生物表面活性剂菌株的有效方法。此外，在进行高产生物表面活性剂菌株筛选前还可进行解烃菌筛选，即得高产生物表面活性剂的解烃菌[3]。

除优势菌株筛选外，利用基因工程技术如重组工程、原生质融合和诱变来组合各菌株的有利性状以开发出新的高效优势降粘菌株也是非常重要的，即基因工程微生物采油技术(GEMEOR)。Zhao等[40]通过对解淀粉芽孢杆菌ES-2-4利用紫外线、亚硝基胍和离子束诱变后进行原生质体融合，在进行两轮基因组改组后，获得高产的F2-38菌株，其在摇床和发酵罐中的表面活性素产量增加3.5倍和10.3倍。

2.2 复配体系开发

近年来，由于微生物降粘中单一菌株和代谢产物的局限性，国内外在微生物降粘复配体系开发方面开展了大量研究，主要集中在：生物表面活性剂与化学合成表面活性剂的复配、不同类型菌株间的复配、生物表面活性剂与聚合物和/碱的复配等方面。王浩等[41]研究了表面活性素(Surfactin)和三种长链烷基苯磺酸盐(C17ABS、C18ABS、C19ABS)之间的相互作用，发现复配体系的临界胶束浓度和静电排斥力小于单一体系，其推测是由于两种表面活性剂的混合吸附单层和胶束体系中形成了特殊的有利于表面活性剂分子间紧密结合的空间结构。Onaizi等[42]对Surfactin和十二烷基磺酸钠的复配研究发现复配体系能将水-空气界面张力降低至27.9 mN/m，临界胶束浓度降低至435 μmol/L。表4总结了国内外典型微生物复配降粘研究及应用实例。

表4 近年来国内外微生物复配降粘研究、应用实例Table 4 Research and field trials of microbial viscosity reduction in China in recent years

3 结论与展望

微生物降粘技术有着绿色环保、价格友好、独特的油藏适应性和能通过降解作用改变原油组成的特点，是降粘技术发展新的方向。经过多年的开发，国内各大油田开始逐步进入高含水、高采出程度的阶段，面对这类“双高”油藏，环境友好的微生物降粘技术将会是新的出路。除此之外，对于边缘油藏、断块油藏、聚合物驱后枯竭油藏与常规驱油手段已达经济极限的油藏，只要油藏温度及渗透率合适均可考虑微生物降粘技术。

微生物降粘技术自20世纪五六十年代至今已开展了大量研究和现场试验但仍未形成大规模工业化应用，其自身机理的复杂性是重要的原因。因此，深入解释微生物降粘机理，如沥青质与胶质的厌氧降解过程和生物表面活性剂及其复配体系独特的表界面性质是其大规模应用的前提。此外，微生物降粘的复配体系开发、地面菌株培养发酵过程的优化、地下微生物及营养物的运移、数学模型的建立和技术规范的制定等方面也将是微生物降粘技术下一步重要的发展方向。