生物酶提高原油采收率机理的研究进展

付 健，胡琳琪，张 凡，孙珊珊，董 浩，佘跃惠*

(1.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100；2.非常规油气湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430100；3.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083)

众所周知，在油田的生产过程中，主要利用一次采油(压力损耗)和二次采油(水驱)的方式开发油田，平均采油量通常在三分之一左右。这意味着在水驱后，大量的原油仍留在储层中。因此，为了回收剩余三分之二的原油，人们把注意力集中在提高原油采收率(enhanced oil recovery,EOR)技术的研究和应用上。近年来，报道了一种新兴的提高原油采收率技术——生物酶提高原油采收率(enzyme enhanced oil recovery,EEOR)[1-4]，目前，EEOR技术已被广泛应用[5]。2000年以来，美国Apollo Separation Technology Inc.致力于研究生物酶制剂，已经在诸多国家取得了良好的应用效果[6]。我国生物酶驱油技术研究和应用较晚，但也取得了许多应用成果。2004年3月,胜利油田进行了酶制剂试验，额外产出油高达10 961桶，增产持续了6个月[7]。2006年10月，吐哈油田鄯善采油厂引进生物酶解堵技术，成功疏通了结蜡严重的两口井，增产原油累计超过1 500 t[8]。2006年，大港油田进行改性生物酶驱油先导试验，在10个月的试验期，6口井累积增产原油2 920 t[9]。2010年，大庆油田进行了低渗透油田生物酶驱油先导试验，单井产油量由21.5 t·d-1提高到26.6 t·d-1，在10个月的试验期，16口井累计增产原油5 860 t，阶段原油采收率提高0.35%[10]。2016年，永宁油田进行生物酶驱油现场试验，40口试验井中32口井见效，累计增产原油1 237.89 t[11]。2018年，李啸南等[12]在渤海海上断块稠油油田开展生物酶解堵试验，单井产油量从7 m3·d-1提高到15 m3·d-1，产液量也增加2倍。2020年，龙军等[13]在新疆三叠系克上组油田开展生物酶解堵试验，产油量从0.8 t·d-1提高到2.0 t·d-1，产液量也有上升，有效期8个月。现场试验表明，生物酶驱油技术会显著提高原油产量。

尽管EEOR技术的发展历史还不是很长，但已有不少研究者对生物酶驱油技术进行了室内基础研究。Beverung等[14]检测了庚烷和球形蛋白溶液之间的界面张力，并指出通过向溶液中添加酶可以降低界面张力。Nemati等[15]利用一种酶来调整多孔介质的渗透性，结果表明，酶可以促进碳酸钙的生成，碳酸钙沉淀直接导致多孔介质渗透率降低，而且碳酸钙生成量会随着酶剂量的增加而逐渐增加，通过形成碳酸钙沉淀封堵高渗透层来改善注入流体的波及效率。Hamidreza[16]用酶-盐水溶液对砂岩和碳酸盐岩进行岩心驱油实验，发现酶可以改变砂岩和碳酸盐岩的润湿性，提高原油产量。Salahshoor等[17]将充满原油的Berea砂岩置于浓度为10%的酶-盐水溶液中，发现原油采收率超过50%。

目前文献报道的生物酶驱油实验大多使用的是商品混合物形式的酶，在这种混合物中，酶通常与稳定剂(表面活性剂)结合，最常见的如GreenZyme，它是一种绿色环保酶，具有良好的驱油效果。此外，发现在众多的生物酶驱油实验中，大都是细菌酶，而且主要是在常规油藏中实验。而近几年研究发现，真菌酶具有极大的驱油潜能，甚至比细菌酶更适合于工业化生产[18]；在类似页岩这种致密地层中，生物酶驱油同样适用。作者对生物酶驱油机理以及协同生物酶驱油增效的研究进展进行综述，为进一步提高原油采收率提供理论支持。

1 生物酶驱油机理

因为酶由微生物产生，对环境友好，即使在极低的剂量下也可以起作用，所以被认为是理想的提高原油采收率物质。目前各实验室采用的都是生物酶制剂，这种制剂以蛋白质作为基础物质，不仅不受温度、压力、酸、碱、水矿化度等因素的影响，还可以分离油砂，在深部地层产生作用，增大水驱的波及体积、提高洗油效率[1-2]。目前，文献报道的生物酶驱油主要有4大机理：(1)改变润湿性。通过在岩石表面形成蛋白质膜，这种蛋白质膜由亲水的氨基(-NH2)和羧基(-COOH)组成，通过与水分子的氢键结合，改变岩石的润湿性，使其更接近亲水状态[1-2]。(2)降低界面张力。通过乳化作用降低油的黏度或油水界面张力[1]，因为酶是由亲水亲油分子组成的，表现出两亲性，可以在油水界面胶束化，降低界面张力。(3)渗吸作用[1,3]。在非常规油藏，如致密油藏和页岩地层中，酶通过渗吸作用使原油从岩石缝隙中置换出来。(4)降解作用[1,18]。这一机理主要针对真菌酶，研究发现，真菌胞外酶可降解原油中的大分子组分，从而降低原油黏度，提高原油采收率。也有研究表明，细菌也可以产降解酶，并且能够与自身所产生物表面活性剂协同作用，达到良好的原油降解效果。

1.1 改变润湿性

润湿性是指一种流体在其它非混相流体存在的情况下在岩石表面扩散或黏附的能力[19]。它通过影响储层岩石中流体的分布和流动，从而影响原油采收率[20]。Liu等[21]研究表明，生物酶可以改变岩石的润湿性，提高原油采收率。早期的室内水驱实验表明，添加生物酶可以使岩石向更亲水状态转变，随着亲水度的增加，原油采收率提高。

目前，润湿性测量有定性和定量方法。在实验室和工业规模上，表征原油/盐水/岩石系统(COBR系统)的润湿性最为普遍，广泛使用的定性方法是黏附性测试[22]，通用的定量方法是接触角测量。

1.1.1 黏附性测试

黏附性测试可用于表征润湿性的变化。Khusainova等[22]研究发现，每种酶都有不同的黏附行为。他们使用带倒针的注射器将一滴油沉积在置于盐水-酶溶液的方解石矿物晶面上，让油滴与矿物接触2 min，然后将针向下移动将其留在表面，观察油滴的黏附行为。结果显示，酯酶具有改变润湿性的最高能力，这意味着该类酶具有最高的表面活性。蛋白酶对黏附行为的影响不如酯酶明显，对于不同种类的方解石，反应非常不均匀。而GreenZyme使所有方解石矿物都表现出绝对非黏附行为，具有较高的改变润湿性的能力。由此认为，酶与矿物表面的相互作用是主要的影响因素，它取决于酶和矿物的组成。因此，根据黏附性测试，GreenZyme似乎是一种更好的商品酶，当然，也可能是因为该商品酶中存在与表面活性剂的协同作用。

1.1.2 接触角测量

对于平面，接触角是一种常用的润湿性测量方法，是指三相接触点中岩石(矿物)表面切线与油水界面切线的夹角，润湿性可以通过接触角值来量化[22]。将一滴油置于浸入水中的岩石表面(图1)时，形成的接触角θ范围为0°～180°。

图1 油/水/岩石体系中的接触角

一般将润湿性划分为以下几种情况：当θ=0°时，岩石表面表现为完全亲油；当0°<θ<90°时，岩石表面表现为亲油，且接触角越小，亲油性越强；当90°<θ<180°时，岩石表面表现为疏油(即亲水)，接触角越大，亲油性越弱，辅展性越差，油滴易收缩成球形；当θ=180°时，岩石表面完全不亲油(即完全亲水)。

2011年，Hamidreza[16]在探究生物酶驱油实验中进行了接触角测定，分别选取酯酶、蛋白酶、GreenZyme和α-乳清蛋白等4种酶。结果显示，酯酶和GreenZyme对接触角的影响最为显著，α-乳清蛋白与GreenZyme的结果相近。究其原因，酯酶可能是通过催化原油中的酯键断裂，产生更多酸性组分，从而增加原油/盐水/岩石界面之间的斥力，导致接触角向更亲水状态变化。GreenZyme对接触角改变的影响可能不仅仅是酶的直接影响，其中的添加剂(如表面活性剂等)也可能使接触角改变。推测α-乳清蛋白可能是由于蛋白质吸附引起表面改性，从而影响接触角的变化。

1.1.3 研究方法

由于EEOR被证明可以促进常规注水后毛细管圈闭油的运移，但毛细管圈闭油又存在于微观尺度，因此在该尺度下评价EEOR流体-流体相互作用至关重要。Rahayyem等[23]报道了一种微尺度方法——利用代表砂岩的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流体装置对提高原油采收率进行分析。PDMS微流体装置主要基于Bentheimer砂岩的X-射线微CT图像，分辨率为4.95 μm。其中微流体芯片是通过将固化剂与PDMS单体混合，然后在干燥器中脱气来制备。他们以GreenZyme为研究对象，另外还选取了一种商业表面活性剂(烷基醚硫酸盐表面活性剂ENORDET J13131)，使用PDMS微流体装置对两种体系的原油采收率进行比较，结果证实EEOR的有效性。该研究为EEOR的微观采油机制提供了证据和直接可视化方法，可用于设计有效的EEOR驱油体系。

1.2 降低界面张力

原油和盐水之间的界面张力是水/油置换中的重要变量，这取决于原油组分、pH值和水相组成，实验发现，在油/水界面处吸附有机酸或碱会导致界面张力降低[1,24]。Hamidreza[16]根据平衡时间测量含有酶或蛋白质的原油/盐水间的界面张力，结果发现，原油/酶-盐水溶液间的界面张力和原油/盐水间的界面张力无显著差异，即酶对改变原油/盐水间的界面张力的贡献不显著。但GreenZyme是一个例外，它将原油/盐水间的界面张力降低了大约75%。GreenZyme溶液中存在的稳定剂(表面活性剂)使其在所有测试的酶和蛋白质中例外地具有更高的界面活性。尽管酯酶同样具有界面活性，但似乎其对原油/盐水界面的吸附不能改变界面张力，其对界面的亲和力似乎不足以取代原油组分。

Khusainova等[22]也对界面张力进行了测试，首先使用倒置针(500 μL Hamilton注射器，带倒针)生成油滴，浸入盐水溶液中(液滴的形成是缓慢的，最后阶段的液滴形成至少需要1～2 min)，然后确定针尖上的油滴脱落时刻的油滴体积(浮滴体积)，再对液体密度进行测量，最后用算法对界面张力进行计算。结果表明，酶对界面张力的影响不明显。

1.3 渗吸作用

目前，生物酶驱油研究大都集中在常规油藏，而在致密油藏中的应用研究还很有限。文献[25-26]报道，在渗透率<0.1 mD、孔径<100 nm的页岩和致密地层中，原油采收率均低于10%。2019年，Salahshoor等[17]选取Woodford页岩岩心作为研究对象，进行了一系列室内实验，结果表明,酶在致密油藏中通过渗吸作用来提高原油采收率。他们将充满原油的页岩岩心置于含有酶-盐水溶液的容器中，通过自吸实验观察酶置换油的效率(装置如图2所示)，被取代的油会上升到容器顶部，并随时间延长而增加。证实EEOR技术是可用于常规和页岩/致密油藏的有效方法。以10%酶溶液进行实验时，原油采收率在10%～20%之间，比平均原油采收率(8.4%)[26]高出很多，而且在比较不同浓度的酶溶液时发现，5%的酶溶液在页岩油藏中更有效。此外，对5%酶溶液与0.5%表面活性剂溶液的使用效果进行比较时发现，214 h后，使用5%酶溶液的原油采收率为20%，而使用0.5%表面活性剂的仅为15%，表明酶溶液驱油更有效。实验还证实，酶溶液有助于去除岩石表面的油，提高原油采收率。

图2 自吸实验装置

1.4 降解作用

1.4.1 真菌酶降解原油

EEOR的相关研究一般以细菌为主，常见的研究对象为细菌中的加氧酶和脱氢酶[18,27]。因为真菌很难在极度厌氧的含油地层中生长，所以在生物酶驱油实验中一直未考虑真菌。研究发现，真菌酶可以通过降解长链饱和烃来降低原油黏度、增强原油的流动性，从而提高原油采收率[18]，有很大的应用潜力。真菌虽不能以活菌形式直接参与微生物驱油，但可以合成并大量分泌催化活性很高的胞外酶。真菌烃降解酶是胞外的，异常的非特异性，具有生物降解能力强、酶解时间短、不需要使用活的微生物等特点，此外，真菌酶可以通过简单、高产、低成本的方法制备，适合工业化生产[28-30]。

生物多样性的真菌具有多种酶促机制，可以改变烃的化学结构，从短链脂族化合物到长链烃、多环芳族化合物。其中，木质素降解真菌专门产生胞外过氧化物酶和漆酶，可以氧化大量芳香烃和其它难降解污染物，主要通过以下3种途径来发挥作用:(1)高分子复杂化合物去芳构化，提高化合物溶解度，同时微生物降低原油黏度，提高生物利用度；(2)硫杂原子的生物脱硫；(3)镍(Ni)、钒(V)等重金属的脱金属化[30-33]。从原油或其衍生物浸渍的土壤、沉积物、流体、蒸气或水中分离出一类嗜极烃类碎屑真菌，在极端条件(高盐、高酸度或碱度、高浓度毒性污染物、重金属和硫杂原子等)下可以较好地生长，并且具有以烃类作为唯一碳源的强生长能力。所以，嗜极烃类碎屑真菌在原油及其衍生物的降解/转化中起着关键作用。

为了探究真菌酶在提高原油采收率方面的潜力，2016年，Zhang等[18]从原油污染土样中分离出6株曲霉属菌株，通过培养、提取菌株产生的酶类制成粗酶制剂，再与原油作用考察降解效果。结果发现，酶制剂有效地降解了如胶质、沥青质等不同的原油组分，并降低了原油黏度，同时还产生了气体(CO2和H2)和有机酸盐(草酸盐和丙酸盐)。此外，2017年，高卉等[32]采用真菌胞外酶的酶液和细菌发酵液交替驱油的双重强化采油方法，取得了显著效果，其原油采收率远高于传统水驱的，其中，高细胞密度发酵液与真菌粗酶液交替驱油的累计原油采收率较水驱提高了518.7%，低细胞密度发酵液与真菌粗酶液交替驱油的累计原油采收率较水驱提高了814.2%。可见，真菌胞外酶能起到提高原油采收率的作用，而且效果显著，有待进一步研究。

1.4.2 细菌酶降解原油长链烃和多环芳烃

除了真菌酶具有降解原油的作用以外，细菌也能产降解酶，它们可以与自身所产的生物表面活性剂协同作用，达到较高的原油降解率。

2017年，Punniyakotti等[33]将枯草芽孢杆菌A1接种到无机盐培养基中，37 ℃振荡培养7 d，然后将培养物与无菌原油混合再培养7 d。经傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析和气相色谱-质谱(GC-MS)定性分析，发现在菌株A1存在下，原油的生物降解率7 d达到了87%。GC-MS分析表明，菌株A1能完全降解C10～C14化合物，而C15～C19化合物降解了近97%，其它高分子化合物降解了约78%，表明菌株A1具有降解原油中不同链长烷烃化合物的高能力。对所产表面活性剂和降解酶分别进行了分析，发现菌株A1产的生物表面活性剂是脂肽，降解酶为烷烃羟化酶和乙醇脱氢酶。脂肽类表面活性剂具有较高的乳化活性，首先对原油中的烃类进行有效的吸收，随后再利用降解酶对原油大分子进行降解，二者结合可以达到极好的原油降解效果。

Nur等[34]分离了十多株嗜热土杆菌，大多数菌株能完全降解长链蜡C37～C40，并增加短链蜡C14～C18的比例，原油的降解与烷烃单加氧酶、醇脱氢酶、脂肪酶和酯酶等降解酶的产生有关。这些嗜热菌具有相对较高的总乙醇脱氢酶、脂肪酶和酯酶活性，其中烷烃单加氧酶活性最高的菌株为嗜热脂肪土杆菌。同时，Yusoff等[35]通过对10株嗜热菌株的筛选，发现所有菌株均为烷烃羟化酶产生菌，其中7株同时产生脂肪酶。3株最佳菌株分别为地杆菌D4、地杆菌D7和地热厌氧杆菌D9，均能降解原油中的烷烃、有毒多环芳烃等。另外，Sakshi等[36]报道假单胞菌所产的烷烃羟化酶可氧化降解多种烷烃和芳香烃化合物。

2 生物酶提高原油采收率的增效研究

2.1 生物表面活性剂增效生物酶活性

2020年，Janek等[37]首先对解脂耶氏酵母进行预培养(在28 ℃的摇床上以140 r·min-1孵育72 h)，再在罐式生物反应器中发酵48 h，离心除去细胞获取粗酶溶液，最后采用离子交换色谱法纯化得到脂肪酶YlLip2，并用比色法测试YlLip2活性。分别采用7种浓度的2种环状脂肽生物表面活性剂(Amphisin和Viscosinamide)与脂肪酶YlLip2作用，结果发现，在0.15 mmol·L-1Amphisin和0.2 mmol·L-1Viscosinamide存在下，YlLip2酶活性分别提高了2倍和1.6倍，表明这两种表面活性剂可以提高YlLip2的酶活性。这是由于，大多数脂肪酶在催化位点周围都有一个非常疏水的区域，在与表面活性剂相互作用时，大的疏水区域被暴露出来，使脂肪酶对底物的活性更高，这也说明脂肽生物表面活性剂能够减弱脂肪酶蛋白内的疏水相互作用，为底物与活性位点相互作用提供了有利环境。Morgan等[38-39]报道了蛋白酶协同生物表面活性剂能在低盐度生物表面活性剂溶液中生成Winsor Ⅲ型微乳液，从而具有优异的驱油性能。生物表面活性剂能使长链石蜡烃和沥青质等分散溶解，从岩石矿物表面剥离下来，促进生物酶等对其生物降解，因而在驱油应用中取得了明显效果。

2.2 油藏本源菌产嗜热酶

2016年，Lewin等[40]为了鉴定新型耐高温酯酶，利用序列和功能筛选技术对来自挪威大陆架近海油藏的元基因组的综合序列数据库和克隆的Fosmid库进行筛选，通过功能方法发现一种新型酯酶，并进行了更深层次的表征。在80 ℃下温育长达5 h后仍可检测到高酶活性，在90 ℃下至少1 h是热稳定的，而且活性没有明显下降，在90 ℃下温育更长时间会降低酶活性，而100 ℃下温育导致酶快速失活，表明该酶具有很高的热稳定性；而且，在短链酯类底物上具有最高的酯酶活性，对溶剂和金属离子也具有耐受性。2018年，Aurepatipan等[41]以从泰国Fang盆地某油田采集的含油砂岩岩心作为研究对象，筛选出了3株显示最高脂肪酶-酯酶活性的菌株(L3-1、L3-2和L4-4)，鉴定出L3-1、L3-2为地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)，L4-4为Paenibacilluscookii。通过测试粗酶制剂在pH值 9.5(脂肪酶-酯酶活性的最佳pH值)下的活性发现，脂肪酶-酯酶活性随温度升高而提高，其中L3-1、L3-2在80 ℃时达到了酶的最高活性水平(分别为377 U·mL-1和431 U·mL-1)，而L4-4则在70 ℃时达到最高活性水平(227 U·mL-1)。此外，还与已有的新型脂肪酶-酯酶分别在60 ℃、70 ℃和80 ℃下进行了热稳定性对比，结果显示，已有的新型脂肪酶-酯酶在70 ℃下仅0.5 h就丧失50%的活性，而在80 ℃下仅0.5 h就丧失80%以上的活性，而L3-1和L3-2的脂肪酶-酯酶在60 ℃下1 h时可以保留最高活性的70%，在4 h时保留最高活性的50%。而L4-4在60 ℃下1 h时，损失了超过70%的最高活性，并在较高温度下立即被灭活。同样，这3株菌在pH值 7.5(与油井的pH值接近)下也观察到了较低但可接受的活性程度。综合看来，地衣芽孢杆菌L3-1和L3-2的粗脂肪酶-酯酶似乎是最有前途的酶，它们在生产井的pH值范围内的高温下显示出可接受的酶活性。2019年，Curci等[42]对嗜热细菌GeobacillusthermodenitrifcansNG80-2产生的一种新型嗜热酯酶EstGtA3进行了鉴定。结果显示，EstGtA3的活性不需要辅助因子，在pH值7.0～8.5范围内具有活性，而且在60 ℃时具有最高酶活性，55 ℃孵育16 h时具有100%的稳定性。

3 结语

在全球石油枯竭的严峻形势下，生物酶驱油技术以自身环保、高效的优势引起了大众的关注。通过对生物酶驱油技术的机理分析，发现酶在不同的油藏环境中的作用机理不同，在常规油藏中生物酶主要通过改变润湿性和降低界面张力驱油，而在致密油藏及页岩地层等非常规油藏中则是通过渗吸作用及降解作用驱油。此外，不同类型的酶所发挥的作用也不同，真菌酶一般是利用自身的降解作用去降解原油大分子，从而提高原油采收率；细菌酶则是通过与自身产的生物表面活性剂的协同作用，对原油起到很好的降解作用。目前，生物酶驱油的实验研究主要集中在商品混合物酶(Greenzyme)、酯酶等酶类，这类酶确实具有很好的驱油效果，但关于其它酶类的驱油效果及驱油作用机理，还需要大量的实验去探究。现场应用也表明，生物酶可以很好地投用到实际生产中，而且作用范围广，对提高原油采收率有广泛的实用价值。生物酶驱油的发展历史还不是很长，大量的实验研究仍在继续，更多的现场应用也有待实施，生物酶驱油的潜能有待更大程度地挖掘。