基于储层孔隙结构原位观测技术的微生物生长行为及驱油特性研究

本综述系统探讨了利用可视化微流控芯片技术模拟真实储层孔隙结构，结合原位显微观测，揭示微生物（WJ-8菌株）在孔隙尺度下的生长动力学、扩散规律及驱油机制。研究明确了微生物代谢产物（如生物表面活性剂）对原油黏度降低、界面张力调控及岩石润湿性改变的关键作用（MEOR），为微生物采油技术的理论优化与现场应用提供了重要数据支撑。

　　

引言

微生物强化采油（Microbial Enhanced Oil Recovery, MEOR）是一种通过注入外源微生物或激活地层原生菌群，利用其代谢产物（如生物表面活性剂、有机酸、气体等）改善原油流动性、降低界面张力、调整岩石润湿性的绿色采油技术。与传统化学驱相比，MEOR具有环境友好、碳源可持续（如利用原油重质组分或糖蜜、淀粉等可再生资源）及潜在生态修复能力等优势。然而，微生物在储层孔隙中的生长特性、扩散行为及驱油机制尚不明确，限制了该技术的规模化应用。近年来，微流控技术与可视化观测的结合为孔隙尺度微生物行为研究提供了新途径。

实验方法

材料制备

研究采用黏度为300 mPa·s的矿物油（经Oil Red O染色）作为模拟原油，驱替水为添加染料的去离子水（一次水驱用1.5%亚甲基蓝，二次水驱用绿色食用色素）。实验菌株为胜利油田研究院提供的WJ-8（假单胞菌属），可通过糖脂途径合成鼠李糖脂类生物表面活性剂。菌悬液与营养液按4:1体积比混合制备接种液。

微流控芯片设计与加工

通过X射线微计算机断层扫描（Xradia 630 Versa）构建高分辨率三维数字岩心模型，经图像拼接生成120 mm × 120 mm大规模孔隙结构。采用无掩膜激光光刻技术（激光频率60 kHz，曝光4次）在钠钙玻璃基板上刻蚀深度约150 μm的微通道。芯片经超声清洗（硅酸钠-丙酮混合液、表面活性剂溶液、去离子水）后与盖板叠合，在650°C真空炉中烧结成型。针对微生物观测实验，芯片底部经研磨抛光至0.2 mm厚度以优化成像质量。

微生物生长观测

使用Nikon ECLIPSE-Ti2显微镜及NIS-Elements D软件记录细菌生长动态。在拱形芯片通道内设置7个观测点（A–G），每日监测菌群数量、形态变化及扩散行为。细菌生长曲线采用Logistic模型拟合，函数形式为：

y = k / [1 + a e^{?b t}]

其中y为菌数，k为最大菌数，b为资源浓度相关参数，a为微分常数。通过拟合参数计算生长相变时间点：

t₁ = (ln a ? 1.317)/b（滞后期与早期生长相边界）

t₂ = ln a / b（最大增长率点）

t₃ = (ln a + 1.317)/b（生长后期与稳定期边界）

微生物扩散系数测定

通过监测菌悬液在通道中的最大扩散距离与时间关系，利用误差函数互补公式计算扩散系数：

c = c₀ erfc(ζ)

ζ = z / (4 D t)^1/2

其中c为位置z处浓度，c₀为初始浓度，D为扩散系数（m²/s），t为时间（s）。以C/C₀=50%为有效浓度阈值，结合时间-距离数据拟合D值。

微生物驱油物理模拟实验

在150 mm × 150 mm芯片中进行驱油实验：

1. 1.
   芯片饱和油相后，以15 μL/min速率进行一次水驱（亚甲基蓝染色）；
2. 2.
   注入20%菌悬液（绿色染色），直至驱替区域稳定；
3. 3.
   60°C恒温培养箱中闷井30天；
4. 4.
   二次水驱（绿色染色）至产液区无扩张。
   通过MATLAB图像处理（HSV色彩空间分割）计算各阶段采收率，油相（红色）、水相（蓝色/绿色）阈值范围经实验优化确定。

结果与讨论

微生物生长特性

细菌生长符合Logistic模型，快速生长期为1–3天，随后进入稳定期并大量分泌生物表面活性剂。拱形芯片结构中，两端生长较慢而中部较快。原位观测显示：

• •
  喉道盲端（图10A）：低流速与多附着点促进细菌聚集，形成簇状聚集体，增强生物膜稳定性与原油剥离能力；
• •
  喉道内部（图10C,D）：高剪切力导致细菌分散生长，驱油效率较低；
• •
  喉道边缘（图10B）：边界层低流速与丰富附着点利于大型菌簇形成，类似呼吸道细菌定植生态位。

拟合生长曲线R²=0.993，参数k=12.68×10⁷ cells/mL, a=15.51, b=1.49 d^?1。计算得滞后期t₁=22.89 h，稳定期起始t₃=2.71天。建议现场闷井时间延长至7–30天以适配地层条件。

微生物扩散规律

菌悬液扩散系数为5.0×10^?9–3.0×10^?8 m²/s，远高于表面活性剂（~10^?10 m²/s）。近注入点扩散系数较低，随距离增加而升高。细菌从主通道扩散至侧支末端需≥8.14天。

微生物驱油特征

闷井30天后，二次水驱采收率提高21.21%（从28.44%至49.65%）。机制包括：

1. 1.
   细菌乳化降黏作用；
2. 2.
   菌簇堵塞高渗通道，改变孔隙压力分布，驱动盲端残余油动用。
   与表面活性剂驱油（采收率47.35%）相比，MEOR具可比效果。

结论

本研究通过原位观测技术定量揭示了孔隙尺度微生物生长动力学与驱油机制：

1. 1.
   WJ-8菌生长遵循Logistic模型，稳定期始于第3天，建议闷井时间30天；
2. 2.
   细菌在盲端与喉道边缘易形成簇状聚集体，增强生物膜稳定性；
3. 3.
   菌悬液扩散系数为10^?9–10^?8 m²/s级，扩散至侧支需8.14天；
4. 4.
   微生物驱油通过乳化降黏与堵调高渗通道双机制提高采收率。
   研究局限性包括微流控模型与真实储层差异、单菌种条件简化及长期稳定性未评估，需进一步开展多菌群互作、地层环境复杂度耦合研究。