張曉華，姜巖，岳希權(quán)，張賢明（重慶工商大學(xué)廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067）

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綜述與專(zhuān)論

生物表面活性劑驅(qū)油研究進(jìn)展

張曉華，姜巖，岳希權(quán)，張賢明
（重慶工商大學(xué)廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067）

摘要：第三次采油技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了表面活性劑在油田生產(chǎn)中成熟而穩(wěn)定的應(yīng)用。與化學(xué)合成表面活性劑相比，生物表面活性劑具有無(wú)毒等優(yōu)勢(shì)，在近些年呈現(xiàn)出熱點(diǎn)研究態(tài)勢(shì)，部分成果業(yè)已得到應(yīng)用。本文從生物表面活性劑的驅(qū)油機(jī)理、純化、應(yīng)用 3個(gè)方面進(jìn)行論述，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。在驅(qū)油機(jī)理方面，主要通過(guò)降低油水界面張力、乳化殘油以及潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn) 3種作用，保障開(kāi)采后期的油藏采收率。在純化方面，單一方法制備生物表面活性劑技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但這些方法均具有一定局限性；采用兩種或多種方法聯(lián)用，既可以降低純化成本又可以提高產(chǎn)率，成為未來(lái)生物表面活性劑純化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。在應(yīng)用方面，主要體現(xiàn)在與化學(xué)表面活性劑進(jìn)行復(fù)配后定向注入油藏進(jìn)行驅(qū)油；此外，近年來(lái)也開(kāi)發(fā)出利用高效營(yíng)養(yǎng)劑激活本源微生物，誘導(dǎo)其產(chǎn)生表面活性物質(zhì)繼而富集、驅(qū)油的新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：表面活性劑；驅(qū)油；分離純化；潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)

圖1 近20年生物表面活性劑驅(qū)油在SCI數(shù)據(jù)庫(kù)中的統(tǒng)計(jì)

圖2 生物表面活性劑驅(qū)油文獻(xiàn)分析

部分微生物在特定培養(yǎng)條件下能夠代謝產(chǎn)生兼具集親水基和疏水基的表面活性物質(zhì)，經(jīng)提取后研究發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)可以在流動(dòng)相（如氣/水、油/水）界面按照不同的氫鍵和極性規(guī)律分布，具有降低界面或表面張力及乳化等能力[1]。相比化學(xué)合成表面活性劑，生物表面活性劑具有更強(qiáng)的生物降解能力和極端環(huán)境適應(yīng)性，并且具有無(wú)毒或極低毒性[2]。因此，近十多年來(lái)生物表面活性劑在食品、醫(yī)藥、石油等諸多領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用，尤其隨著我國(guó)多數(shù)油田均已進(jìn)入到開(kāi)采后期，油藏儲(chǔ)層中存在大量孤立滴狀、柱狀、膜狀、簇狀和盲端狀的殘油[3-4]。油藏開(kāi)采過(guò)程面臨的難度及成本越來(lái)越大，單純依靠理化方法來(lái)處理解決這些問(wèn)題已力不從心，由此催生了生物表面活性劑在油田驅(qū)油中的應(yīng)用[5-7]。根據(jù)SCI數(shù)據(jù)庫(kù)（Web of Science）對(duì)正相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索（圖1）。關(guān)于生物表面活性劑驅(qū)油的研究在近20年來(lái)平穩(wěn)發(fā)展，自2006年以來(lái)呈現(xiàn)出急劇上升趨勢(shì)，當(dāng)前在該領(lǐng)域的研究方向主要集中在生物表面活性劑的驅(qū)油機(jī)理、純化、應(yīng)用3個(gè)方面（圖2）。生物表面活性劑已培育出新的研究熱點(diǎn)，并且該領(lǐng)域發(fā)展迅速，部分成果已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。

1 生物表面活性劑驅(qū)油機(jī)理

微生物驅(qū)油發(fā)展至今，鑒于驅(qū)油微生物種類(lèi)、代謝產(chǎn)物、影響因子等的多樣性，其驅(qū)油機(jī)制仍處于探索階段[8]。微生物代謝產(chǎn)生多糖、表面活性物質(zhì)、生物氣、酸性物質(zhì)等，產(chǎn)生的多糖最終形成生物聚合物，能夠在油藏多孔介質(zhì)中起到堵調(diào)作用；表面活性物質(zhì)能夠降低原油表面張力，直接用于驅(qū)油；生物氣在油藏中提高壓力，擠壓滯留在孔道中的殘油；酸性物質(zhì)能夠溶解地層中的碳酸鹽組分，能夠提高油藏的滲透性。其中表面活性物質(zhì)在驅(qū)油過(guò)程起到最為直接且主要的作用。

1.1 降低油水界面張力

油藏在經(jīng)過(guò)水驅(qū)后，一些滯留在孔隙和喉道內(nèi)、不易形變且流動(dòng)性差的殘油，難以在水驅(qū)動(dòng)力作用下推動(dòng)帶出，在生物產(chǎn)表面活性物質(zhì)的作用下，使殘油界面軟化變形而能夠在動(dòng)力攜帶作用下運(yùn)移，孔隙內(nèi)被堵塞的較大油滴在界面張力降低后被拉成絲狀，最終截?cái)喑尚∮偷?，在?dòng)力作用下流出喉道，實(shí)現(xiàn)驅(qū)油效率的提高[9]。

隨著油藏內(nèi)微生物生長(zhǎng)代謝，表面活性物質(zhì)濃度增加，使油-水表面張力降低后形成表面張力梯度，當(dāng)表面張力梯度強(qiáng)于黏滯力作用時(shí)，導(dǎo)致自發(fā)的界面形變運(yùn)動(dòng)而形成Marangoni對(duì)流，增強(qiáng)原油的流動(dòng)性[10]。羅莉濤等[11]利用表面活性劑與原油開(kāi)展微觀模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原油體系同表面活性劑體系接觸后產(chǎn)生的液-液界面，濃度較高的體系在界面張力梯度作用下將向四周擴(kuò)散，帶動(dòng)周?chē)黧w流動(dòng)，同時(shí)在液-液界面發(fā)生質(zhì)量遷移，形成Marangoni對(duì)流。通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Marangoni對(duì)流能帶動(dòng)相鄰體系液體呈漩渦狀流動(dòng)，有利于表面活性劑擴(kuò)散，使之與原油的接觸更加廣泛。

1.2 乳化分散殘油

微生物代謝產(chǎn)表面活性劑在油藏孔道內(nèi)遷移使殘油乳化，分散形成微乳液或膠束，在水驅(qū)油過(guò)程中改善了油水兩相的流度比，使存在于油藏內(nèi)大量孔道盲端殘余油隨水相流出[12]。

PEKDEMIR等[13]利用從斯克油田分離的菌株開(kāi)發(fā)生物表面活性劑，最終得到鼠李糖脂、單寧酸、皂素、卵磷脂和七葉皂苷。將得到的生物表面活性劑進(jìn)行原油乳化對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相比之下鼠李糖脂的乳化性能最好，用于油田驅(qū)油中能夠保證原油在達(dá)到適合的乳化程度后，更加容易分散并伴隨水相流出。乳化能力為考察表面活性劑驅(qū)油性能的標(biāo)準(zhǔn)之一，為生物表面活性劑的選擇提供參考。

1.3 改變油藏潤(rùn)濕性

油藏孔隙、喉道內(nèi)壁在與原油經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的接觸后逐漸轉(zhuǎn)為親油表面，當(dāng)微生物產(chǎn)表面活性物質(zhì)吸附于孔隙表面時(shí)，基于其兼具兩性基團(tuán)的功效，能夠?qū)崿F(xiàn)孔隙內(nèi)壁潤(rùn)濕性由親油性反轉(zhuǎn)為親水性表面（圖3），從而出現(xiàn)喉道殘油在毛管力作用下發(fā)生聚并現(xiàn)象形成油滴，實(shí)現(xiàn)地層潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)，從而達(dá)到預(yù)期的驅(qū)油效果[14]。作者課題組也在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分微生物也具有潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)特性[15-16]。

圖3 生物表面活性劑改變巖石表面潤(rùn)濕性

蔣平等[17]通過(guò)模擬分析地層表面潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)使油膜剝離過(guò)程，以及不同驅(qū)油階段力學(xué)變化規(guī)律，得出潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)主要受固液界面張力影響，油水界面張力的改變是潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)的決定性因素[18]。因此，通過(guò)檢測(cè)固液界面張力的變化，成為篩選生物表面活性劑的標(biāo)準(zhǔn)之一。AL-SULAIMANI等[19]在枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）產(chǎn)表面活性劑作用于油藏孔隙巖體前后，對(duì)巖體進(jìn)行接觸角測(cè)量發(fā)現(xiàn)其親油接觸角由70.6°降到25.32°。這樣通過(guò)測(cè)量接觸角變化能定量反映出微生物表面活性劑對(duì)油藏巖體潤(rùn)濕性的改變。

潤(rùn)濕性的變化將對(duì)儲(chǔ)層巖石的物理性質(zhì)產(chǎn)生重要影響，并決定原油在多孔介質(zhì)中的分布及流向。研究生物表面活性劑改變潤(rùn)濕性的機(jī)制有助于優(yōu)化驅(qū)油條件，但目前對(duì)潤(rùn)濕性的改變機(jī)制沒(méi)有明確定論，仍處于研究階段[20]。

2 生物表面活性劑的分離純化

生物表面活性劑在現(xiàn)有工藝制備過(guò)程中產(chǎn)率很低，又由于其親水親油特性造成了提取純化成本高，選擇適當(dāng)?shù)募兓椒ǔ蔀橹苽渖锉砻婊钚詣┑募夹g(shù)關(guān)鍵[21]?，F(xiàn)有純化方法主要有酸沉降法、溶劑萃取、吸附、色譜法等[22-24]。分離純化技術(shù)的發(fā)展促使生物表面活性劑在驅(qū)油領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用空間。

2.1 單一分離純化技術(shù)

各種單一分離純化方法均具有其特有的優(yōu)勢(shì)和不足，表1概述了部分主要方法的特點(diǎn)。

表1 主要單一純化方法對(duì)比

（1）酸沉降法 該方法利用生物表面活性劑遇酸產(chǎn)生沉淀的原理，將細(xì)胞發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理后，利用酸性溶液將脂肽類(lèi)的表面活性物質(zhì)在低溫環(huán)境中同酸反應(yīng)產(chǎn)生白色沉淀（酸作用時(shí)間根據(jù)脂肽類(lèi)物質(zhì)的不同而各異），收集沉淀后利用適當(dāng)?shù)木彌_溶液將其重懸，即可達(dá)到將酸性物質(zhì)去除的目的[25]。這種方法是應(yīng)用最早的純化方法。CHEN等[26]利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%的酸式鹽(NH4)2SO4作為沉淀劑，從枯草芽孢桿菌（bacillus subtilis）ATCC 21332的細(xì)胞發(fā)酵液中成功分離得到純度為68%的生物表面活性劑。JUANG等[27]則直接利用強(qiáng)酸溶液（HCl）作為沉淀劑對(duì)芽孢桿菌產(chǎn)生的表面活性劑進(jìn)行了分離純化，產(chǎn)品回收率達(dá)到了97%，但純度僅為55%。總體來(lái)說(shuō)，該方法雖然操作簡(jiǎn)單且技術(shù)成熟，但由于水溶性表面活性成分無(wú)法與酸作用產(chǎn)生沉淀，繼而造成該方法分離出的產(chǎn)品純度較低。

（2）溶劑萃取法 針對(duì)沉淀法不能純化的水溶性表面活性劑，利用兩種互不相容的組分在分配系數(shù)上的差異，將甲醇、氯仿、乙酸乙酯等有機(jī)溶劑加入到發(fā)酵液中分離、純化生物表面活性劑。ATIPAN等[28]采用甲醇萃取方法純化了石油分解菌（Oleomonas sagaranensis AT18）的表面活性劑，得到了純度為61%的烷基多苷，并且對(duì)萃取過(guò)程中產(chǎn)生的含甲醇有機(jī)廢液進(jìn)行了無(wú)害化處理。王靖等[29]則選用乙酸乙酯作為萃取劑，篩選出了銅綠假單胞菌代謝產(chǎn)生的鼠李糖脂粗產(chǎn)品，但其純度僅為56%，需要作進(jìn)一步的純化處理才能達(dá)到純度標(biāo)準(zhǔn)。溶劑萃取法能夠分離出水溶性生物表面活性劑，但得到的產(chǎn)品純度難以滿(mǎn)足較高的要求；該方法的另一弊端是在分離過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有待二次處理的有機(jī)廢液，這在一定程度上增加了純化成本。

（3）吸附法 該方法是基于各種生物表面活性劑在官能團(tuán)上存在差異，致使其疏水性不同的原理，通過(guò)調(diào)控pH這一技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，可以將附著在吸附柱上的非目標(biāo)純化物用蒸餾水沖洗下來(lái)，從而達(dá)到細(xì)胞上清液中非目標(biāo)組分與生物表面活性劑分離的目的，最后再利用有機(jī)溶劑將生物表面活性劑洗脫、收集，以達(dá)到分離純化的效果。該方法通常利用樹(shù)脂、活性炭和吸附膜等作為吸附材料。WANG等[30]利用苯酚甲醛離子交換樹(shù)脂吸附純化了芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）ES-2細(xì)胞發(fā)酵液中的表面活性物質(zhì)，樹(shù)脂回收率和產(chǎn)品純度分別達(dá)到56%和62%。在各種吸附材料的選擇上，樹(shù)脂的應(yīng)用最為廣泛，特別是苯酚甲醛離子交換樹(shù)脂和聚苯乙烯樹(shù)脂，不但具備高效吸附能力，同時(shí)具有良好的解吸性能，在吸附材料回收方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。除樹(shù)脂作為常規(guī)吸附材料被廣泛應(yīng)用外，活性炭也因其特有的優(yōu)勢(shì)而被逐漸開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。ABDEL-MAWGOUD等[31]利用活性炭作為吸附材料直接在無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中回收純化了枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）BS5的表面活性物質(zhì)，純度也達(dá)到了63%。由于活性炭作為吸附材料時(shí)易于從溶液中進(jìn)行分離，且制備與再生技術(shù)發(fā)展成熟，因此利用活性炭作為吸附劑分離純化生物表面活性劑將具有廣闊的發(fā)展前景。同溶劑萃取法一樣，吸附法得到的生物表面活性劑純度也有待提高，但由于吸附劑可循環(huán)再生，使得該方法可用于連續(xù)的分離純化工藝，減少了有機(jī)溶劑的用量，比萃取法有較大的成本優(yōu)勢(shì)。

（4）色譜法 傳統(tǒng)的酸沉降法、萃取法和吸附法難以達(dá)到較高的純度要求，催生了利用色譜技術(shù)分離純化生物表面活性劑的發(fā)展。由于目標(biāo)純化物在固定相與流動(dòng)相間的分配平衡過(guò)程中與其他細(xì)胞代謝產(chǎn)物在兩相間的分配系數(shù)存在差異，造成了二者在流動(dòng)相中的運(yùn)動(dòng)速度不同，從而達(dá)到相互分離的目的[32]。其中，凝膠滲透色譜法（gel permeation chromatography，GPC）和高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，HPLC）的應(yīng)用最為廣泛。YANG等[33]利用HPLC同時(shí)分離純化出多種脂肪酸，其中包括大量二元脂肪酸和長(zhǎng)鏈脂肪酸，且每種脂肪酸的純度均能夠達(dá)到75%以上，純度得到明顯提高。另一代表性成果是SIVAPATHASEKARAN等[34]分別采用膜濾法和GPC法分離純化得到的環(huán)狀脂肽純度分別為 73% 何89%，并且還發(fā)現(xiàn)利用GPC在得到較高產(chǎn)品純度的同時(shí)，還獲得了純化產(chǎn)物的分子量信息，對(duì)進(jìn)一步純化提供了數(shù)據(jù)支撐?？梢?jiàn)，采用色譜法可以獲得相對(duì)高純度的生物表面活性劑，這一優(yōu)勢(shì)是其它方法無(wú)法比擬的；但該方法也存在操作要求嚴(yán)苛、成本高等問(wèn)題，是制約其大規(guī)模發(fā)展的重要因素。

目前，除上述4種應(yīng)用最為廣泛的分離純化方法外，還出現(xiàn)了泡沫分離法和膜濾法，從表1可見(jiàn)，這兩種方法均對(duì)產(chǎn)品的分離有較強(qiáng)的選擇性，同時(shí)膜濾法還具有樣品損失小的優(yōu)勢(shì)，但這兩者分別存在分離純度低和周期較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。未來(lái)生物表面活性劑分離純化技術(shù)的開(kāi)發(fā)要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)操作技術(shù)及工藝參數(shù)，有效提高產(chǎn)品純度，降低純化成本。

2.2 兩種或多種分離純化技術(shù)聯(lián)用

各種分離純化方法均有其優(yōu)點(diǎn)和劣勢(shì)，選擇單一方法往往無(wú)法達(dá)到理想的純化效果，若綜合各種方法的優(yōu)勢(shì)，將兩種或多種分離純化技術(shù)耦合聯(lián)用，在一定程度上可彌補(bǔ)各方法的缺陷和不足。

CHEN等[35]對(duì)比了使用單一的膜濾法、沉降法與二者耦合工藝對(duì)生物表面活性劑的純化效果，結(jié)果證實(shí)耦合工藝對(duì)樣品的回收率達(dá)到78%，產(chǎn)品純度也提高到81%，不僅克服了單獨(dú)使用膜濾法樣品回收率低（68%）的問(wèn)題，而且較單一方法得到的產(chǎn)品純度（65%）有明顯提高。不僅如此，采用兩種工藝聯(lián)用，基本避免了有機(jī)廢液的產(chǎn)生，有效地減少了濾膜的污染。劉洋等[36]利用酸沉降和色譜柱結(jié)合的方法，對(duì)通過(guò)好氧發(fā)酵培養(yǎng)的綠膿假單胞桿菌（Pseudomonas aeruginosa）CCTCC AB93066產(chǎn)生的鼠李糖脂進(jìn)行深度純化，純化過(guò)程中考慮到生物表面活性劑物質(zhì)分子具有極性，因此利用氯仿淋洗除去弱極性的中性脂，再通過(guò)HPLC-MS技術(shù)和薄層色譜（TLC）顯色技術(shù)定量化分析了各成分的百分含量，進(jìn)而采取二次純化的手段將非目標(biāo)組分分離除去，最終達(dá)到鼠李糖脂深度提純效果（純度達(dá) 87%）。利用多種方法聯(lián)用技術(shù)得到的生物表面活性劑不僅能夠達(dá)到較高的純度要求，還有助于提高其生物活性。MUKHERJEE等[37]在分離提純環(huán)狀芽孢桿菌的表面活性物質(zhì)時(shí)，利用高效薄層色譜法進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵26 h后表面活性物質(zhì)含量達(dá)到最高峰，此時(shí)向發(fā)酵液中加入交聯(lián)葡萄糖G-50基質(zhì)進(jìn)行萃取，再利用凝膠過(guò)濾層析技術(shù)將表面活性物質(zhì)進(jìn)行分離、純化，經(jīng)3種純化方法聯(lián)用得到的生物表面活性物質(zhì)不僅活性得到提高，且抗菌能力也得到提升。

利用單一方法分離純化生物表面活性劑已較為成熟，但這些方法均具有一定的局限性；采用多種方法聯(lián)用，發(fā)揮每種方法的優(yōu)勢(shì)，在顯著提高產(chǎn)品純度的同時(shí)還有效提高了純化效率，成為未來(lái)生物表面活性劑純化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 生物表面活性劑的應(yīng)用

化學(xué)合成表面活性劑在油田生產(chǎn)中已經(jīng)得到穩(wěn)定應(yīng)用，目前技術(shù)發(fā)展指向開(kāi)發(fā)高效驅(qū)油表面活性劑及其無(wú)害化回收再利用兩個(gè)方面[38-39]?；瘜W(xué)表面活性劑在油田驅(qū)油收到良好效果，一定程度上促進(jìn)生物表面活性劑在驅(qū)油領(lǐng)域的發(fā)展[40]?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，油藏中本源微生物能夠利用原油進(jìn)行代謝產(chǎn)生表面活性物質(zhì)，繼而證實(shí)生物表面活性劑用于驅(qū)油具有切實(shí)可行性。

潘洪哲等[41]利用內(nèi)酯型槐糖脂生物表面活性劑同化學(xué)表面活性劑石油磺酸鹽進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)內(nèi)酯型槐糖脂比石油磺酸鹽有更好的表面活性、界面活性以及更穩(wěn)定乳化性能，同時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)酯型槐糖脂有很好的耐溫性能及耐鹽性，在高溫（60～90℃）和高鹽（20000～60000mg/L）的油藏環(huán)境下，投加濃度為10000 mg/L的內(nèi)酯型槐糖脂，可使采收率提高 7.15%。在這一實(shí)驗(yàn)中，生物表面活性劑表現(xiàn)出比化學(xué)合成表面活性劑更好的驅(qū)油特性。生物表面活性劑驅(qū)油應(yīng)用主要包括以下兩方面：一是通過(guò)激活油藏本源微生物，使其增殖產(chǎn)生表面活性劑；二是向油藏中注入表面活性劑。

3.1 激活本源微生物產(chǎn)表面活性劑

油藏本源微生物在油藏高溫高壓環(huán)境下進(jìn)行生長(zhǎng)代謝產(chǎn)生的表面活性物質(zhì)具備兩親性、乳化原油及使油藏巖層潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)等功能，在此基礎(chǔ)上激活本源微生物能夠提高其產(chǎn)生的活性成分濃度，繼而達(dá)到理想驅(qū)油效果。韓松等[42]從遼河油田稠油中篩選出一株命名為BIT-BS002的枯草芽孢桿菌（Bacillus subitlis），該菌能產(chǎn)生一種環(huán)脂肽類(lèi)表面活性物質(zhì)，在50℃條件下富集培養(yǎng)24h，能使發(fā)酵液表面張力從54.88mN/m降至26.99mN/m，并且經(jīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)該環(huán)脂肽類(lèi)物質(zhì)能使液體石蠟和煤油的乳化率分別達(dá)到94%和100%，同時(shí)對(duì)遼河油田稠油的降黏率高達(dá)81.93%，驅(qū)油效率提高14.75%，該表面活性物質(zhì)在未來(lái)油田生產(chǎn)中有望得到應(yīng)用。

以原油為唯一碳源的微生物難以產(chǎn)生足夠量的生物表面活性劑，在實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)及時(shí)向儲(chǔ)層中注入營(yíng)養(yǎng)元素，在一定程度上提高含該類(lèi)元素代謝產(chǎn)物產(chǎn)量[43]。程海鷹等[44]開(kāi)發(fā)了淀粉-纖維素顆粒營(yíng)養(yǎng)劑，在油田應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)微生物利用該營(yíng)養(yǎng)劑可產(chǎn)生大量表面活性物質(zhì)用于驅(qū)油，使采收率提高12%～20%，投入產(chǎn)出比超過(guò)1∶9。本源微生物在油藏環(huán)境適應(yīng)性上比外源微生物更有優(yōu)勢(shì)，且產(chǎn)表面活性物質(zhì)具有良好的驅(qū)油特性，通過(guò)激活本源微生物加速其生長(zhǎng)代謝，進(jìn)而提高表面活性物質(zhì)在油藏中的濃度用于加速驅(qū)油過(guò)程（圖4）。

3.2 油藏外加生物表面活性劑

油藏本源微生物產(chǎn)表面活性劑雖有成本低的優(yōu)勢(shì)，但作用周期長(zhǎng)，由此衍生出直接向油藏中注入生物表面活性劑技術(shù)，以提高驅(qū)油效率。SHE等[45]將XDS123生物表面活性劑注入大慶油田，在半月內(nèi)使采收率提高4.89%～6.96%，短期內(nèi)即可收到良好的驅(qū)油效果，也是目前主要的微生物驅(qū)油技術(shù)之一。

開(kāi)發(fā)表面活性劑的一項(xiàng)重要指標(biāo)是使油-水界面張力降低至10–3mN/m，由于單一表面活性劑難以達(dá)到此數(shù)量級(jí)，需要將不同類(lèi)型表面活性劑復(fù)配，產(chǎn)生協(xié)同增效作用使油-水界面張力降低，同時(shí)減少表面活性劑在基質(zhì)上的吸附和增加膠體穩(wěn)定性[46-47]。鄭江鵬等[48]在勝利油田考察了碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～1.2%時(shí)，鼠李糖脂（RL）和槐糖脂（SL）兩種生物表面活性劑復(fù)配體系的界面性能，結(jié)果表明經(jīng)復(fù)配后能達(dá)到超低界面張力數(shù)量級(jí)范圍，原油的采收率提高了 22.80%～30.30%。較單獨(dú)使用Na2CO3驅(qū)油體系采收率高2倍左右，該研究發(fā)現(xiàn)將兩種生物表面活性劑進(jìn)行一定比例復(fù)配后能產(chǎn)生協(xié)同增效作用。

圖4 油藏本源微生物產(chǎn)表面活性劑驅(qū)油機(jī)制

除利用不同生物表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，將生物表面活性劑同化學(xué)合成表面活性劑復(fù)配也取得一定成效。在實(shí)際應(yīng)用中表面活性劑復(fù)配最多的為鼠李糖脂同化學(xué)合成表面活性劑進(jìn)行復(fù)配驅(qū)油。夏文杰等[49]從蒙古林油田的水樣中篩選出一株高產(chǎn)表面活性劑的銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa），經(jīng) 96 h發(fā)酵后測(cè)得發(fā)酵液中鼠李糖脂含量為55g/L，該含量在鼠李糖脂產(chǎn)量中屬較高水平。將含鼠李糖脂的發(fā)酵液同化學(xué)表面活性劑復(fù)配后，用于物理模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采油率提高23.08%，目前鼠李糖脂與化學(xué)表面活性劑復(fù)配驅(qū)油已應(yīng)用于大慶油田生產(chǎn)[50]。劉皓等[51]分離提取了枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis THY-8）發(fā)酵液中的生物表面活性劑，經(jīng)質(zhì)譜測(cè)定為鼠李糖脂、表面活性素及芬芥素的混合物。利用正辛醇助劑同該生物表面活性劑復(fù)配后進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)油水界面張力降到 3～10mN/m，驅(qū)油效率提高3.2倍。AL-SULAIMANI等[19]從阿曼油田污染土壤中分離出的一株枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）中提取其表面活性物質(zhì)，并在油田開(kāi)展驅(qū)油實(shí)驗(yàn)且收到良好驅(qū)油效果，進(jìn)而將該生物表面活性劑同化學(xué)表面活性劑以 1∶1的比例混合，在其他條件不變的情況下進(jìn)行驅(qū)油，得到比單使用生物表面活性劑高達(dá)50%的產(chǎn)油量。

在未來(lái)生物表面活性劑的應(yīng)用中，結(jié)合營(yíng)養(yǎng)劑的開(kāi)發(fā)刺激本源微生物代謝產(chǎn)生微生物表面活性劑，同適當(dāng)比例化學(xué)合成表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，產(chǎn)生協(xié)同增效將驅(qū)油效率達(dá)到最大化。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于生物表面活性劑驅(qū)油機(jī)理的認(rèn)識(shí)正處于摸索階段；表面活性劑的制備方法也較多，但各種單一方法均存在一定局限性，與開(kāi)發(fā)新方法相比，在現(xiàn)有成果基礎(chǔ)上，將多種制備工藝有機(jī)耦合則更具可行性，有望在短期內(nèi)取得事半功倍的效果；當(dāng)前的三元驅(qū)油技術(shù)主要采用化學(xué)合成表面活性劑及化學(xué)與生物表面活性劑復(fù)配工藝，短期內(nèi)復(fù)配工藝仍是油田實(shí)際生產(chǎn)中最為經(jīng)濟(jì)適用的選擇，該技術(shù)需將復(fù)配比、注水量及流速作為控制關(guān)鍵。隨著生物表面活性劑技術(shù)的發(fā)展，在油藏開(kāi)采后期，只要滲透率、溫度及含氧條件適合即可考慮利用生物表面活性劑驅(qū)油。不過(guò)，該技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用依然需要系統(tǒng)而深入的研究，關(guān)鍵控制點(diǎn)包括針對(duì)生物表面活性劑的類(lèi)型及驅(qū)油效果做進(jìn)一步的量化研究，建立與油藏特點(diǎn)相匹配的模型，深化微生物代謝機(jī)制及運(yùn)移等工藝參數(shù)的闡釋與優(yōu)化，繼而建立系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范，最終有望實(shí)現(xiàn)生物表面活性劑驅(qū)油的規(guī)?；瘧?yīng)用。

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第一作者：張曉華（1990—），男，碩士研究生。E-mail xyxzxh@126.com。

聯(lián)系人：姜巖，博士，教授。E-mail jiangyan@ctbu.edu.cn。

中圖分類(lèi)號(hào)：X592；X172

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6613（2016）07-2033-08

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.014

收稿日期：2015-12-03；修改稿日期：2016-01-10。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（21376285）、重慶市科學(xué)基金（CSTC2013jcyjA20014）、教育部平臺(tái)科技項(xiàng)目（FYKF201515）、重慶市應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目（cstc2014yykfB90002）及重慶市教委科技重點(diǎn)項(xiàng)目（KJZH14210）。

Progress in the research of displacement of reservoir oil by biosurfactants

ZHANG Xiaohua， JIANG Yan，YUE Xiquan，ZHANG Xianming
（Engineering Research Center for Waste Oil Recovery Technology and Equipment of Ministry of Education，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

Abstract：The development of the oil recovery technique for the third generation has greatly promoted the stable application of surfactant oil displacement in oil field production.Compared with the chemically synthesized surfactant，biosurfactants has the outstanding advantage of being non-toxic，which has been extensively studied and applied.The objectives of this paper are to expound the displacement mechanism，the purification and the biological application of surfactant oil displacement，and to prospect the future development of the biosurfactants.Regarding the oil displacement mechanism，the exploitation of the late reservoir recovery efficiency would be guaranteed mainly through reducing the oil-water interfacial tension，emulsifying oil residue，and enhancing the wettability reversal.As for purification，single method preparation of biosurfactants is relatively mature，yet with certain limitations，therefore，the combinations of two or more methods would be the future trend for biosurfactants’ purification technology by lowering the cost and improving the productivity.In application，biosurfactants are compounded with chemical surfactant，and then directionally injected into reservoir for oil displacement.In addition，the use of efficient nutrition agent indigenous microbial activation has been developed in recent years，to induce the surface activesubstance so as to enrich and displace the reservoir oil.

Key words：surfactants；displacement of reservoir oil；separation and purification；wettability alteration