生物納米驅油劑體系的制備與性能評價*

王 博，鄧舒元，馮 青，佘躍惠，張 凡

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083；2.中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300459；3.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100）

0 前言

納米驅油體系的制備與應用在提高原油采收率方面已經表現出了巨大的潛力，受到了越來越多的關注。目前納米顆粒的制備主要包括物理方法、化學方法和生物方法，其中，物理方法合成納米顆粒需要大量的能源，并且產量較低［1］，而化學方法合成納米顆粒在還原過程中所需的能量較少，形成的顆粒均質且尺寸和形狀精度高，但化學方法會使用各種危險的化學物質，這些化學物質具有致癌性、遺傳毒性和細胞毒性，因此對環境不友好［2-4］。而生物方法合成納米顆粒是運用生物材料介導、封端、包裹或微生物自身產生的生物納米顆粒［5］，生物方法一直被認為是經濟、高效和環境友好的合成納米顆粒的方法［6-7］。生物方法合成納米顆粒在提高采收率的研究及應用中非常具有前景。

目前，納米驅油劑已在國內外實驗室和油田成功開發和應用，證明了納米驅油劑的可行性［8］。侯吉瑞及其團隊致力于研究2D 智能納米黑卡，并于2019年應用于吉林油田中低滲透砂巖油藏中，使其含水量降低，產油量增加［9］。丁小慧等研制了一種化學型納米乳液驅油劑，可使靜態驅油率提高30%［10］。羅健輝等研制了具有破壞/減弱水分子強氫鍵締合作用的納米驅油劑iNanoW1.0，在長慶油田現場先導試驗中效果顯著［11］。目前納米驅油劑的合成主要采用化學方法，生物合成的納米驅油劑體系還未得到廣泛研究，因此，開發一種環境友好的納米顆粒合成方法，并有效調節納米顆粒的尺寸、形貌、穩定性和特性是目前納米顆粒合成研究領域的主要重點［12］。此外，納米流體的穩定分散與其它藥劑的配伍性，制約著納米材料提高油氣采收率礦場運用，也是研究重點。

本文將希瓦氏菌CD-8 還原產生的生物納米顆粒與芽孢桿菌3096-3 產的生物表面活性劑進行復配形成穩定的生物納米驅油體系，評價了合成的生物納米驅油劑體系的分散穩定性、乳化性與驅油潛力。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

芽孢桿菌3096-3、希瓦氏菌CD-8，均由實驗室分離而來；氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣、氯化銨、氯化鉀、磷酸氫二鉀、乙醇、丙酮、鹽酸、酵母粉、蛋白胨，赤鐵礦（Fe2O3），分析純，國藥集團化學試劑有限公司；人造致密巖心，直徑2.5 cm，滲透率為1.9×10-3μm2；實驗用油為長慶輕質油，30 ℃下黏度為17.33 mPa·s，密度為0.837 g/cm3。

HH.B11-500型電熱恒溫培養箱，天津市中環實驗電爐有限公司；UV-2102C 型紫外可見分光光度計，尤尼柯（上海）儀器有限公司；Neofuge 13R型臺式高速冷凍離心機，上海力申科學儀器有限公司；DK-98-Ⅱ型電熱恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司；巖心驅替裝置，江蘇珂地石油儀器有限公司。

1.2 實驗方法

（1）生物納米驅油劑體系的制備

實驗室利用芽孢桿菌3096-3 產脂肽類表面活性劑，具體實驗步驟如下：將12.5 mL 的芽孢桿菌3096-3 菌液加入250 mL 的ES 培養基（20 g 蔗糖+7 g 谷氨酸鈉+6.8 g KH2PO4+0.5 g KCl+0.2 g MgSO4+11 mg FeSO4+0.5 mg MnSO4+0.09 mg ZnSO4+0.07 g CuSO4+1.4 g NaOH）中，在搖床培養箱中培養120 h，然后采用離心機將獲得的發酵液進行離心分離，取上層清液即為脂肽類生物表面活性劑，其中表面活性劑有效含量為1.34 g/L。

實驗室利用希瓦氏菌CD-8 還原產納米鐵顆粒，具體實驗步驟如下：將0.5%的希瓦氏菌CD-8、70 mmol/L赤鐵礦（Fe2O3）作為電子受體和鐵源以及有機酸乳酸鈉10 mmol/L作為碳源和電子供體加入HEPES（4-羥乙基哌嗪乙磺酸）緩沖的特定培養基（主要含碳酸氫鈉、氯化鈣、β-甘油磷酸鈉、氯化銨、氯化鎂、KCl、氯化鈉、HEPES、酵母提取物、微量元素溶液和復合維生素溶液）中，在37 ℃的恒溫培養箱中預計培養30 d。將希瓦氏菌還原所得的產物通過0.25 μm的濾膜過濾得到納米鐵顆粒。

將得到的納米鐵顆粒和脂肽生物表面活性劑溶液按一定比例混合，并在超聲處理20 min，直至溶液清澈透亮，制得生物納米驅油劑體系。

（2）液相色譜-質譜（HPLC-MS/MS）分析

取20 μL的待測樣品點樣到HPTLC板上，利用自動TLC取樣器定位裝置對樣品進行定位，用TLC掃描儀和紫外線對待測物組分進行定性檢測，并用TLC-interface 進行提取與洗脫；將TLC-MS 接口頭連接到泵上，以10 mL/min 的流速用甲醇與乙腈（50%水稀釋）體積比為1∶10的混合溶劑進行萃取，用TLC-visualizer在紫外光下對HPTLC平板進行評價，并同時采集圖像信息。

（3）紅外光譜（FT-IR）分析

將含有生物表面活性劑的游離細胞培養液離心處理，回收沉淀的生物表面活性劑。將沉淀的生物表面活性劑溶于去離子水中，調節溶液的pH 值至7.0，將氯仿/甲醇（體積比為2∶1）混合溶液加入粗生物表面活性劑中收集有機層，然后在40 ℃下蒸發，并將蒸發后的固體放在60 ℃的烘箱內烘干，得到粉末樣品。采用Nicolet 6700 型傅立葉變換紅外掃描儀對生物表面活性劑粉末樣品進行掃描，以4 cm-1的分辨率在4000～400 cm-1范圍內掃描32次，記錄紅外光譜，并標記信號峰。

（4）X射線粉晶衍射儀（XRD）測試

采用德國Bruker AXS D8-Focus 型X 射線粉晶衍射儀（XRD）對樣品進行小角X-射線衍射（XRD）分析，使用X'Pert 數據采集器軟件收集數據并進行處理。實驗條件為：管電壓為40 kV，管電流為100 mA，掃描速率為1°/min，掃描角度為2°～80°。

（5）掃描電子顯微鏡（SEM）觀察

使用SU8010 超高分辨率場發射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察納米顆粒的形貌，測試前對樣品表面噴金。

（6）透射電子顯微鏡（TEM）觀察

用超聲液體處理機超聲處理待測樣品10 min，然后將溶液滴在銅柵上，將柵格風干，最后在JEM-2100Plus電子顯微鏡下于50 nm波長處顯影后觀察。

（7）粒徑與Zeta電位測試

采用激光粒度分析儀測定不同納米顆粒濃度下的生物納米驅油劑體系中納米顆粒的粒徑分布。將待測樣品溶液配制成質量濃度為10 g/L的懸浮液，然后加入2.5 g 的石英顆粒，充分攪拌混合均勻，然后測量樣品的Zeta電位，測量3次取平均值。

（8）乳化性能評價

分別將不同納米顆粒濃度的生物納米驅油劑體系與原油按體積比1∶1 混合，使用高速剪切分散乳化機在剪切速率為6000 r/min 下剪切2 min 制得乳狀液。將乳狀液倒入具塞量筒中并以單位時間為基準記錄乳狀液體積，并按式（1）計算乳化指數。

式中，IE—乳化指數；V1—乳液體積，mL；V2—體系總體積，mL。

通過FV1000 型激光共聚焦顯微鏡觀察乳狀液的顯微圖像，通過ImageJ 軟件處理顯微圖像，分析乳狀液的穩定性。

（9）自發滲吸實驗

將巖心抽真空、飽和地層水后測定其滲透率和孔隙度；再將巖心置入巖心夾持器中以恒定流量飽和原油，將飽和油后的巖心在60 ℃下浸泡于原油中，老化36 h后取出，并擦干巖心表面多余的油；然后放入加有生物納米驅油體系的滲吸瓶中，使巖心完全浸沒在生物納米驅油劑溶液中，并使液體升高至刻度線處即可；將滲吸裝置于恒溫水浴鍋中，根據實驗需求調節恒溫將水浴鍋溫度，記錄不同時刻的出油量。

2 結果與討論

2.1 生物表面活性劑的結構分析

2.1.1 液相色譜-質譜（HPLC-MS/MS）分析

利用液相色譜-質譜（HPLC-MS/MS）對菌株3096-3產物進行鑒定，結果見圖1。由圖1（a）與圖1（b）可知，分子離子［M+Na+］的質量電荷比為1072.77，［M+H+］的質量電荷比為1053.38，故其相對分子質量大約為1050，推斷為C13-Surfactin［13-14］；同樣地，由圖1（c）與圖1（d）可知，分子離子［M+Na+］的質量電荷比為1054.16，［M+H+］的質量電荷比為1023.84，故其相對分子質量約為1022，推斷為C14-Surfactin。因此說明菌株3096-3 產物明顯存在碳鏈為C13、C14-surfactin的脂肽類化合物［15］。

圖1 高效液相色譜圖中各個保留時間下分離組分的質譜圖

2.1.2 紅外吸收光譜（FT-IR）分析

圖2為芽孢桿菌3096-3產生的生物表面活性劑粗提物的紅外光譜圖。在3304.90 cm-1處為氨基振動吸收峰；在波數為1646.55 cm-1處為酰胺基團的振動吸收峰；在1726.64 cm-1處為酯基振動單峰；在2928.07cm-1處為亞甲基的振動吸收峰；在2833.03cm-1處為甲基振動吸收峰。生物表面活性劑的紅外光譜特征峰值與文獻報道的脂肽類生物表面活性劑的官能團峰值相一致［16-17］。因此推測芽孢桿菌3096-3 產生的活性物質中含有脂肽類生物表面活性劑。

圖2 菌株3096-3產生的生物表面活性劑的紅外吸收光譜圖

2.2 生物納米顆粒的分析

2.2.1 SEM分析

空白赤鐵礦和培養30 d 的希瓦氏菌CD-8 還原產生的納米顆粒的SEM 照片見圖3。從圖3（a）可以看出，空白樣品赤鐵礦在此培養條件下形貌和尺寸均不統一，片狀和塊狀居多；而在圖3b可以看出，希瓦氏菌CD-8皺縮的細胞膜內還有未排出體外的納米顆粒，而且細胞緊緊連著大量平均粒徑20 nm左右的納米小球。通過與空白樣品對照可以推斷，希瓦氏菌CD-8能將天然赤鐵礦尺寸還原成納米級的球形納米顆粒，納米顆粒粒徑為20～40 nm。

圖3 空白赤鐵礦（a）和培養30 d的CD-8菌還原產生的納米顆粒（b）的SEM照片

2.2.2 XRD分析

XRD 物相分析結果是根據Jade 6 軟件經平滑、尋峰、手動擬合、限定元素物相檢索等操作得出，排除了完全不存在的元素。圖4 為希瓦氏菌CD-8 還原產物的XRD圖。通過與標準峰比對發現，在2θ=21.092°、33.066°、47.145°和67.358°左右有4 個Fe2O3特征峰，在2θ=39.145°、41.131°左右有2 個FeO 特征峰，說明產物均是鐵系化合物，因此證明希瓦氏菌CD-8的還原產物為納米鐵顆粒。

圖4 CD-8菌系統產物X-射線衍射圖

2.3 生物納米驅油劑體系的分散性與穩定性

不同納米顆粒濃度的生物納米驅油劑體系中納米顆粒的粒徑分布如圖5所示。生物納米驅油劑體系中納米顆粒的粒徑分布范圍主要在40～80 nm之間。隨納米顆粒濃度的增加，粒徑分布略微右移變大，但也主要分布在40～80 nm 范圍內。說明高納米濃度對體系的粒徑分布影響很小，生物納米驅油劑體系有著良好的分散穩定性。并且通過TEM觀察發現，納米鐵顆粒在生物表面活性劑中分布均勻，形狀上均呈圓球狀且大小穩定，平均粒徑在40 nm左右。

圖5 生物納米驅油劑體系中納米顆粒的粒徑分布及分散性

不同納米顆粒濃度的生物納米驅油劑體系的Zeta電位測試結果見表1。從表1可以看出，濃度梯度范圍內Zeta 電位絕對值在35.6～37.1 mV 之間，在濃度為100 mg/L 時的Zeta 電位絕對值最大，為37.1 mV。Zeta電位絕對值越大，溶液體系的穩定性能越好［18-19］。在后續驅油實驗中，使用納米顆粒質量濃度為100 mg/L的生物納米驅油劑體系。

表1 不同納米顆粒濃度的生物納米驅油劑體系的Zeta電位

2.4 乳化性能

納米顆粒質量濃度（20～100 mg/L）不同的生物納米驅油劑體系與原油的乳化性能如圖6所示。從圖6可以看出，初始時，不同納米顆粒濃度的生物納米驅油劑體系均表現出乳化行為，生物納米驅油劑體系溶液與原油間的乳化指數均大于60%，具有良好的乳化性能，并且納米顆粒濃度越高乳化效果越好；2 h后，乳化指數仍然保持在50%以上，并且可以保持在24 h以上，這說明納米顆粒的存在提高了界面的機械強度和黏彈性，產生了空間位阻，防止了液滴變形和碰撞合并［20-21］，從而使生物納米驅油劑體系乳化性能穩定。

圖6 不同納米顆粒濃度的生物納米驅油劑體系與原油間的乳化指數隨測試時間的變化

圖7為不同納米顆粒濃度的生物納米驅油劑體系與原油混合形成乳化液的顯微圖像。乳狀液的平均粒徑大小隨納米顆粒濃度的增加而減小，小液滴的數量隨濃度的增加而增多，致使油相和水相的接觸面積增加，形成了穩定的水包油型乳液。納米顆粒在油滴表面的積累降低了乳狀液滴間的黏結力，導致布朗運動增強，且小液滴粒徑的乳狀液比大液滴粒徑的乳狀液具有更好的動力學穩定性［22-23］，因此，生物納米驅油劑體系具有良好的乳液穩定性和高效的乳化性能，適合用于提高原油采收率。

圖7 不同納米顆粒濃度的生物納米驅油劑與原油的乳狀液的顯微圖像

2.5 自發滲吸實驗效果

在60 ℃下，不同納米顆粒濃度的生物納米驅油劑體系的滲吸實驗巖心相關參數及實驗結果見表2，采收率隨測試時間的變化見圖8。實驗結果表明，生物納米驅油劑體系滲吸排油效果明顯，相比于對照組模擬地層水可大幅提高原油采收率。隨生物納米驅油劑體系中納米顆粒濃度的增加，滲吸速度加快，滲吸采收率增大，當納米顆粒濃度由20 mg/L 增至100 mg/L 時，滲吸排油的最終采收率由36.10%增至54.89%。這說明體系中納米顆粒濃度與滲吸排油采收率和滲吸排油速度呈正相關關系，高納米顆粒濃度的生物納米驅油劑體系可以有效地改善油水界面性能，通過降低界面張力、潤濕性和乳化作用的協同作用可以有效地降低附著在孔隙表面上的油膜厚度和增加毛管力［24-25］，擴大波及效率，并最終達到提高采收率的目的。實驗結果表明，該生物納米驅油劑體系在提高原油采收率方面具有良好的性能，且在實驗范圍內納米顆粒濃度越高效果越好。

表2 不同納米顆粒濃度的生物納米驅油劑體系的滲吸排油實驗結果

表3 不同溫度下滲吸排油實驗結果

圖8 不同納米顆粒濃度的生物納米驅油劑體系的滲吸采收率隨時間的變化

不同溫度下，納米顆粒質量濃度為100 mg/L的生物納米驅油劑體系的滲吸排油實驗巖心相關參數及實驗結果見3，采收率隨測試時間的變化見圖9。實驗結果表明，隨實驗溫度的升高，滲吸速度與滲吸采收率也隨著升高。一方面，當實驗溫度升高時，飽和在巖心孔隙中的原油黏度降低，導致原油的流動性與形變能力增強［26］；另一方面，溫度升高會導致整個驅油體系與原油間的界面張力降低［27］，波及效率與洗油能力增加，更有利于巖心孔隙中的毛管力作用驅替原油，最終提高了原油采收率。

圖9 不同溫度下滲吸采收率隨時間的變化

為了更加直觀地體現生物納米驅油劑體系的正協同作用，進行了生物納米驅油劑體系、生物表面活性劑和納米鐵流體3種不同類型驅油劑的滲吸排油對比實驗，3種驅油劑的質量濃度均為100 mg/L，實驗溫度均為60 ℃，滲吸排油實驗巖心相關參數及實驗結果見表4，采收率隨測試時間的變化見圖10。生物納米驅油劑體系、生物表面活性劑和納米鐵流體的采收率分別為53.70%、35.26%和47.92%，生物納米驅油劑體系的采收率最高，這說明生物納米驅油劑體系提高采收率的效果優于單一的生物表面活性劑與納米鐵流體。生物納米驅油劑體系作為復合驅油體系，納米顆?？梢栽谏锉砻婊钚詣┲蟹€定分散，并且在改變潤濕性、降低界面張力與乳化作用的協同作用下，能更好地降低存在于巖心細微孔道中的毛管力，所以生物納米驅油體系作為復合驅油體系具有正協同效應，能更高效地提高原油采收率。

表4 不同驅油體系下滲吸排油實驗結果

圖10 3種不同驅油體系的滲吸采收率隨時間變化曲線

3 結論

通過脂肽類生物表面活性劑與納米鐵顆粒復配得到的生物納米驅油劑體系，納米顆?？梢栽谏锉砻婊钚詣┲蟹€定分散，平均粒徑約為40 nm，生物制劑間有著優質的配伍性，并且具有低界面張力、高效的潤濕反轉能力和乳化性能等優點。

體系乳化效果與納米顆粒濃度呈正相關關系，并且納米顆粒濃度越高，乳狀液的平均粒徑越小，油水兩相間的接觸面積越大，使得生物納米驅油劑體系具有良好的乳液穩定性和高效的乳化性能。生物納米驅油劑體系的滲吸采收率隨納米顆粒濃度和溫度的增高而增加。高濃度的生物納米驅油劑體系可以有效地改善油水界面性能，而且生物納米驅油劑體系作為復合體系在納米顆粒與生物表面活性劑的協同作用下，可更高效地提高原油采收率。