生物纳米驱油剂体系的制备与性能评价*

王 博，邓舒元，冯 青，佘跃惠，张 凡

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459；3.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100）

0 前言

纳米驱油体系的制备与应用在提高原油采收率方面已经表现出了巨大的潜力，受到了越来越多的关注。目前纳米颗粒的制备主要包括物理方法、化学方法和生物方法，其中，物理方法合成纳米颗粒需要大量的能源，并且产量较低［1］，而化学方法合成纳米颗粒在还原过程中所需的能量较少，形成的颗粒均质且尺寸和形状精度高，但化学方法会使用各种危险的化学物质，这些化学物质具有致癌性、遗传毒性和细胞毒性，因此对环境不友好［2-4］。而生物方法合成纳米颗粒是运用生物材料介导、封端、包裹或微生物自身产生的生物纳米颗粒［5］，生物方法一直被认为是经济、高效和环境友好的合成纳米颗粒的方法［6-7］。生物方法合成纳米颗粒在提高采收率的研究及应用中非常具有前景。

目前，纳米驱油剂已在国内外实验室和油田成功开发和应用，证明了纳米驱油剂的可行性［8］。侯吉瑞及其团队致力于研究2D 智能纳米黑卡，并于2019年应用于吉林油田中低渗透砂岩油藏中，使其含水量降低，产油量增加［9］。丁小慧等研制了一种化学型纳米乳液驱油剂，可使静态驱油率提高30%［10］。罗健辉等研制了具有破坏/减弱水分子强氢键缔合作用的纳米驱油剂iNanoW1.0，在长庆油田现场先导试验中效果显著［11］。目前纳米驱油剂的合成主要采用化学方法，生物合成的纳米驱油剂体系还未得到广泛研究，因此，开发一种环境友好的纳米颗粒合成方法，并有效调节纳米颗粒的尺寸、形貌、稳定性和特性是目前纳米颗粒合成研究领域的主要重点［12］。此外，纳米流体的稳定分散与其它药剂的配伍性，制约着纳米材料提高油气采收率矿场运用，也是研究重点。

本文将希瓦氏菌CD-8 还原产生的生物纳米颗粒与芽孢杆菌3096-3 产的生物表面活性剂进行复配形成稳定的生物纳米驱油体系，评价了合成的生物纳米驱油剂体系的分散稳定性、乳化性与驱油潜力。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

芽孢杆菌3096-3、希瓦氏菌CD-8，均由实验室分离而来；氯化钠、氯化镁、氯化钙、氯化铵、氯化钾、磷酸氢二钾、乙醇、丙酮、盐酸、酵母粉、蛋白胨，赤铁矿（Fe2O3），分析纯，国药集团化学试剂有限公司；人造致密岩心，直径2.5 cm，渗透率为1.9×10-3μm2；实验用油为长庆轻质油，30 ℃下黏度为17.33 mPa·s，密度为0.837 g/cm3。

HH.B11-500型电热恒温培养箱，天津市中环实验电炉有限公司；UV-2102C 型紫外可见分光光度计，尤尼柯（上海）仪器有限公司；Neofuge 13R型台式高速冷冻离心机，上海力申科学仪器有限公司；DK-98-Ⅱ型电热恒温水浴锅，天津市泰斯特仪器有限公司；岩心驱替装置，江苏珂地石油仪器有限公司。

1.2 实验方法

（1）生物纳米驱油剂体系的制备

实验室利用芽孢杆菌3096-3 产脂肽类表面活性剂，具体实验步骤如下：将12.5 mL 的芽孢杆菌3096-3 菌液加入250 mL 的ES 培养基（20 g 蔗糖+7 g 谷氨酸钠+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，在摇床培养箱中培养120 h，然后采用离心机将获得的发酵液进行离心分离，取上层清液即为脂肽类生物表面活性剂，其中表面活性剂有效含量为1.34 g/L。

实验室利用希瓦氏菌CD-8 还原产纳米铁颗粒，具体实验步骤如下：将0.5%的希瓦氏菌CD-8、70 mmol/L赤铁矿（Fe2O3）作为电子受体和铁源以及有机酸乳酸钠10 mmol/L作为碳源和电子供体加入HEPES（4-羟乙基哌嗪乙磺酸）缓冲的特定培养基（主要含碳酸氢钠、氯化钙、β-甘油磷酸钠、氯化铵、氯化镁、KCl、氯化钠、HEPES、酵母提取物、微量元素溶液和复合维生素溶液）中，在37 ℃的恒温培养箱中预计培养30 d。将希瓦氏菌还原所得的产物通过0.25 μm的滤膜过滤得到纳米铁颗粒。

将得到的纳米铁颗粒和脂肽生物表面活性剂溶液按一定比例混合，并在超声处理20 min，直至溶液清澈透亮，制得生物纳米驱油剂体系。

（2）液相色谱-质谱（HPLC-MS/MS）分析

取20 μL的待测样品点样到HPTLC板上，利用自动TLC取样器定位装置对样品进行定位，用TLC扫描仪和紫外线对待测物组分进行定性检测，并用TLC-interface 进行提取与洗脱；将TLC-MS 接口头连接到泵上，以10 mL/min 的流速用甲醇与乙腈（50%水稀释）体积比为1∶10的混合溶剂进行萃取，用TLC-visualizer在紫外光下对HPTLC平板进行评价，并同时采集图像信息。

（3）红外光谱（FT-IR）分析

将含有生物表面活性剂的游离细胞培养液离心处理，回收沉淀的生物表面活性剂。将沉淀的生物表面活性剂溶于去离子水中，调节溶液的pH 值至7.0，将氯仿/甲醇（体积比为2∶1）混合溶液加入粗生物表面活性剂中收集有机层，然后在40 ℃下蒸发，并将蒸发后的固体放在60 ℃的烘箱内烘干，得到粉末样品。采用Nicolet 6700 型傅立叶变换红外扫描仪对生物表面活性剂粉末样品进行扫描，以4 cm-1的分辨率在4000～400 cm-1范围内扫描32次，记录红外光谱，并标记信号峰。

（4）X射线粉晶衍射仪（XRD）测试

采用德国Bruker AXS D8-Focus 型X 射线粉晶衍射仪（XRD）对样品进行小角X-射线衍射（XRD）分析，使用X'Pert 数据采集器软件收集数据并进行处理。实验条件为：管电压为40 kV，管电流为100 mA，扫描速率为1°/min，扫描角度为2°～80°。

（5）扫描电子显微镜（SEM）观察

使用SU8010 超高分辨率场发射扫描电子显微镜（SEM）观察纳米颗粒的形貌，测试前对样品表面喷金。

（6）透射电子显微镜（TEM）观察

用超声液体处理机超声处理待测样品10 min，然后将溶液滴在铜栅上，将栅格风干，最后在JEM-2100Plus电子显微镜下于50 nm波长处显影后观察。

（7）粒径与Zeta电位测试

采用激光粒度分析仪测定不同纳米颗粒浓度下的生物纳米驱油剂体系中纳米颗粒的粒径分布。将待测样品溶液配制成质量浓度为10 g/L的悬浮液，然后加入2.5 g 的石英颗粒，充分搅拌混合均匀，然后测量样品的Zeta电位，测量3次取平均值。

（8）乳化性能评价

分别将不同纳米颗粒浓度的生物纳米驱油剂体系与原油按体积比1∶1 混合，使用高速剪切分散乳化机在剪切速率为6000 r/min 下剪切2 min 制得乳状液。将乳状液倒入具塞量筒中并以单位时间为基准记录乳状液体积，并按式（1）计算乳化指数。

式中，IE—乳化指数；V1—乳液体积，mL；V2—体系总体积，mL。

通过FV1000 型激光共聚焦显微镜观察乳状液的显微图像，通过ImageJ 软件处理显微图像，分析乳状液的稳定性。

（9）自发渗吸实验

将岩心抽真空、饱和地层水后测定其渗透率和孔隙度；再将岩心置入岩心夹持器中以恒定流量饱和原油，将饱和油后的岩心在60 ℃下浸泡于原油中，老化36 h后取出，并擦干岩心表面多余的油；然后放入加有生物纳米驱油体系的渗吸瓶中，使岩心完全浸没在生物纳米驱油剂溶液中，并使液体升高至刻度线处即可；将渗吸装置于恒温水浴锅中，根据实验需求调节恒温将水浴锅温度，记录不同时刻的出油量。

2 结果与讨论

2.1 生物表面活性剂的结构分析

2.1.1 液相色谱-质谱（HPLC-MS/MS）分析

利用液相色谱-质谱（HPLC-MS/MS）对菌株3096-3产物进行鉴定，结果见图1。由图1（a）与图1（b）可知，分子离子［M+Na+］的质量电荷比为1072.77，［M+H+］的质量电荷比为1053.38，故其相对分子质量大约为1050，推断为C13-Surfactin［13-14］；同样地，由图1（c）与图1（d）可知，分子离子［M+Na+］的质量电荷比为1054.16，［M+H+］的质量电荷比为1023.84，故其相对分子质量约为1022，推断为C14-Surfactin。因此说明菌株3096-3 产物明显存在碳链为C13、C14-surfactin的脂肽类化合物［15］。

图1 高效液相色谱图中各个保留时间下分离组分的质谱图

2.1.2 红外吸收光谱（FT-IR）分析

图2为芽孢杆菌3096-3产生的生物表面活性剂粗提物的红外光谱图。在3304.90 cm-1处为氨基振动吸收峰；在波数为1646.55 cm-1处为酰胺基团的振动吸收峰；在1726.64 cm-1处为酯基振动单峰；在2928.07cm-1处为亚甲基的振动吸收峰；在2833.03cm-1处为甲基振动吸收峰。生物表面活性剂的红外光谱特征峰值与文献报道的脂肽类生物表面活性剂的官能团峰值相一致［16-17］。因此推测芽孢杆菌3096-3 产生的活性物质中含有脂肽类生物表面活性剂。

图2 菌株3096-3产生的生物表面活性剂的红外吸收光谱图

2.2 生物纳米颗粒的分析

2.2.1 SEM分析

空白赤铁矿和培养30 d 的希瓦氏菌CD-8 还原产生的纳米颗粒的SEM 照片见图3。从图3（a）可以看出，空白样品赤铁矿在此培养条件下形貌和尺寸均不统一，片状和块状居多；而在图3b可以看出，希瓦氏菌CD-8皱缩的细胞膜内还有未排出体外的纳米颗粒，而且细胞紧紧连着大量平均粒径20 nm左右的纳米小球。通过与空白样品对照可以推断，希瓦氏菌CD-8能将天然赤铁矿尺寸还原成纳米级的球形纳米颗粒，纳米颗粒粒径为20～40 nm。

图3 空白赤铁矿（a）和培养30 d的CD-8菌还原产生的纳米颗粒（b）的SEM照片

2.2.2 XRD分析

XRD 物相分析结果是根据Jade 6 软件经平滑、寻峰、手动拟合、限定元素物相检索等操作得出，排除了完全不存在的元素。图4 为希瓦氏菌CD-8 还原产物的XRD图。通过与标准峰比对发现，在2θ=21.092°、33.066°、47.145°和67.358°左右有4 个Fe2O3特征峰，在2θ=39.145°、41.131°左右有2 个FeO 特征峰，说明产物均是铁系化合物，因此证明希瓦氏菌CD-8的还原产物为纳米铁颗粒。

图4 CD-8菌系统产物X-射线衍射图

2.3 生物纳米驱油剂体系的分散性与稳定性

不同纳米颗粒浓度的生物纳米驱油剂体系中纳米颗粒的粒径分布如图5所示。生物纳米驱油剂体系中纳米颗粒的粒径分布范围主要在40～80 nm之间。随纳米颗粒浓度的增加，粒径分布略微右移变大，但也主要分布在40～80 nm 范围内。说明高纳米浓度对体系的粒径分布影响很小，生物纳米驱油剂体系有着良好的分散稳定性。并且通过TEM观察发现，纳米铁颗粒在生物表面活性剂中分布均匀，形状上均呈圆球状且大小稳定，平均粒径在40 nm左右。

图5 生物纳米驱油剂体系中纳米颗粒的粒径分布及分散性

不同纳米颗粒浓度的生物纳米驱油剂体系的Zeta电位测试结果见表1。从表1可以看出，浓度梯度范围内Zeta 电位绝对值在35.6～37.1 mV 之间，在浓度为100 mg/L 时的Zeta 电位绝对值最大，为37.1 mV。Zeta电位绝对值越大，溶液体系的稳定性能越好［18-19］。在后续驱油实验中，使用纳米颗粒质量浓度为100 mg/L的生物纳米驱油剂体系。

表1 不同纳米颗粒浓度的生物纳米驱油剂体系的Zeta电位

2.4 乳化性能

纳米颗粒质量浓度（20～100 mg/L）不同的生物纳米驱油剂体系与原油的乳化性能如图6所示。从图6可以看出，初始时，不同纳米颗粒浓度的生物纳米驱油剂体系均表现出乳化行为，生物纳米驱油剂体系溶液与原油间的乳化指数均大于60%，具有良好的乳化性能，并且纳米颗粒浓度越高乳化效果越好；2 h后，乳化指数仍然保持在50%以上，并且可以保持在24 h以上，这说明纳米颗粒的存在提高了界面的机械强度和黏弹性，产生了空间位阻，防止了液滴变形和碰撞合并［20-21］，从而使生物纳米驱油剂体系乳化性能稳定。

图6 不同纳米颗粒浓度的生物纳米驱油剂体系与原油间的乳化指数随测试时间的变化

图7为不同纳米颗粒浓度的生物纳米驱油剂体系与原油混合形成乳化液的显微图像。乳状液的平均粒径大小随纳米颗粒浓度的增加而减小，小液滴的数量随浓度的增加而增多，致使油相和水相的接触面积增加，形成了稳定的水包油型乳液。纳米颗粒在油滴表面的积累降低了乳状液滴间的黏结力，导致布朗运动增强，且小液滴粒径的乳状液比大液滴粒径的乳状液具有更好的动力学稳定性［22-23］，因此，生物纳米驱油剂体系具有良好的乳液稳定性和高效的乳化性能，适合用于提高原油采收率。

图7 不同纳米颗粒浓度的生物纳米驱油剂与原油的乳状液的显微图像

2.5 自发渗吸实验效果

在60 ℃下，不同纳米颗粒浓度的生物纳米驱油剂体系的渗吸实验岩心相关参数及实验结果见表2，采收率随测试时间的变化见图8。实验结果表明，生物纳米驱油剂体系渗吸排油效果明显，相比于对照组模拟地层水可大幅提高原油采收率。随生物纳米驱油剂体系中纳米颗粒浓度的增加，渗吸速度加快，渗吸采收率增大，当纳米颗粒浓度由20 mg/L 增至100 mg/L 时，渗吸排油的最终采收率由36.10%增至54.89%。这说明体系中纳米颗粒浓度与渗吸排油采收率和渗吸排油速度呈正相关关系，高纳米颗粒浓度的生物纳米驱油剂体系可以有效地改善油水界面性能，通过降低界面张力、润湿性和乳化作用的协同作用可以有效地降低附着在孔隙表面上的油膜厚度和增加毛管力［24-25］，扩大波及效率，并最终达到提高采收率的目的。实验结果表明，该生物纳米驱油剂体系在提高原油采收率方面具有良好的性能，且在实验范围内纳米颗粒浓度越高效果越好。

表2 不同纳米颗粒浓度的生物纳米驱油剂体系的渗吸排油实验结果

表3 不同温度下渗吸排油实验结果

图8 不同纳米颗粒浓度的生物纳米驱油剂体系的渗吸采收率随时间的变化

不同温度下，纳米颗粒质量浓度为100 mg/L的生物纳米驱油剂体系的渗吸排油实验岩心相关参数及实验结果见3，采收率随测试时间的变化见图9。实验结果表明，随实验温度的升高，渗吸速度与渗吸采收率也随着升高。一方面，当实验温度升高时，饱和在岩心孔隙中的原油黏度降低，导致原油的流动性与形变能力增强［26］；另一方面，温度升高会导致整个驱油体系与原油间的界面张力降低［27］，波及效率与洗油能力增加，更有利于岩心孔隙中的毛管力作用驱替原油，最终提高了原油采收率。

图9 不同温度下渗吸采收率随时间的变化

为了更加直观地体现生物纳米驱油剂体系的正协同作用，进行了生物纳米驱油剂体系、生物表面活性剂和纳米铁流体3种不同类型驱油剂的渗吸排油对比实验，3种驱油剂的质量浓度均为100 mg/L，实验温度均为60 ℃，渗吸排油实验岩心相关参数及实验结果见表4，采收率随测试时间的变化见图10。生物纳米驱油剂体系、生物表面活性剂和纳米铁流体的采收率分别为53.70%、35.26%和47.92%，生物纳米驱油剂体系的采收率最高，这说明生物纳米驱油剂体系提高采收率的效果优于单一的生物表面活性剂与纳米铁流体。生物纳米驱油剂体系作为复合驱油体系，纳米颗粒可以在生物表面活性剂中稳定分散，并且在改变润湿性、降低界面张力与乳化作用的协同作用下，能更好地降低存在于岩心细微孔道中的毛管力，所以生物纳米驱油体系作为复合驱油体系具有正协同效应，能更高效地提高原油采收率。

表4 不同驱油体系下渗吸排油实验结果

图10 3种不同驱油体系的渗吸采收率随时间变化曲线

3 结论

通过脂肽类生物表面活性剂与纳米铁颗粒复配得到的生物纳米驱油剂体系，纳米颗粒可以在生物表面活性剂中稳定分散，平均粒径约为40 nm，生物制剂间有着优质的配伍性，并且具有低界面张力、高效的润湿反转能力和乳化性能等优点。

体系乳化效果与纳米颗粒浓度呈正相关关系，并且纳米颗粒浓度越高，乳状液的平均粒径越小，油水两相间的接触面积越大，使得生物纳米驱油剂体系具有良好的乳液稳定性和高效的乳化性能。生物纳米驱油剂体系的渗吸采收率随纳米颗粒浓度和温度的增高而增加。高浓度的生物纳米驱油剂体系可以有效地改善油水界面性能，而且生物纳米驱油剂体系作为复合体系在纳米颗粒与生物表面活性剂的协同作用下，可更高效地提高原油采收率。