微生物对裂隙岩样渗透系数的影响

刘斯凤， 杨思禹， 史翠平， 何国富

(1.同济大学 材料科学与工程学院，上海 201804； 2.同济大学 工程结构性能演化与控制教育部重点实验室，上海 200092； 3.中石化上海工程有限公司，上海 200120)

0 引 言

1913年，Drew分离出巴式菌，该菌能在溶液中形成CaCO3晶体。1963年Greenfield发现假单胞菌在Na2CO3或(NH4)2CO3的人工海水中会形成文石晶体。Boquet等[1]发现土壤细菌也能形成CaCO3晶体。于是，他得出了土壤细菌形成CaCO3晶体的现象是普遍存在的结论。

在欧洲的石雕艺术品保护过程中，研究者们发现了细菌修复方法。如Adolphe[2]申请了该领域的专利。Buck等[3]发明了一种利用细菌诱导CaCO3沉积结晶形成栓塞以封堵开裂石质装饰品的裂缝的专利。Tiano利用细菌诱导CaCO3沉积以保护石灰石不被进一步破坏，并用吸附水的大小评估沉积前后的效果，结果表明，细菌沉积作用后，生物贝屑灰岩的吸水率可以减少60%。

当裂隙岩石处于地下水/油等介质中，由于介质中含有大量的微生物[4-6]，它们在生长、代谢和繁殖的过程中产生一些中间产物，随同固体颗粒在裂隙中沉积，就会充填裂隙，进而对岩石的渗透性产生影响[7-9]。因此，研究介质中的微生物对岩石裂隙的充填及其对渗透性的影响规律具有重要意义。

本文选取球形芽孢杆菌单独、与原油共混以及与铜绿假单胞菌共同作用，研究其对裂隙岩石渗透系数的影响。

1 实验材料及方法

1.1 实验原材料

菌种选用球形芽孢杆菌和铜绿假单胞菌,球形芽孢杆菌培养基成分为：1 L球形芽孢杆菌培养基中包括1.5 g牛肉浸出物、1.5 g酵母提取物、5.0 g胰蛋白胨、1.0 g葡萄糖、3.5 g NaCl、4.8 g K2HPO4、1.32 g KH2PO4，pH 7.2。铜绿假单孢菌培养基成分为：1 L铜绿假单胞菌培养基中含有3.0 g牛肉浸出物、10.0 g蛋白胨、3.5 g NaCl，pH 7.0为了避免出现沉淀，将两种细菌培养基分别灭菌后混合均匀备用。

1.2 实验方法

1.2.1 细菌培养

将两菌种接种于富集培养基中(摇床转速160 r/min，37 ℃)增殖培养10 h，接种至沉积培养基进行矿化沉积实验。1 L沉积培养基中含有7.96 g乙酸钙、3 g酵母提取物、10 g氯化铵、20 g尿素、2.12 g碳酸氢钠。将培养基的pH值用2 mol/L的氢氧化钠调至8.0，分装于三角烧瓶中密封，置于手提式加压蒸汽灭菌锅中(121 ℃、20 min)灭菌。

采用菌液注射法，每隔4 h向岩石裂隙中交替注射菌液和营养液填充裂隙，使得裂隙内含有足够的菌液和营养液用于沉积碳酸钙，进而充填裂隙。

1.2.2 岩石造隙及表征

将φ50 mm×100 mm的圆柱形片麻岩岩样的上下两端磨平，然后烘干/饱水至恒重，测得其吸水率为0.16%～0.27%。

利用微生物对试样裂隙进行填充，并测试填充前后的岩石裂隙体积。具体步骤：首先将岩样置于压力机上沿中轴线劈开，然后烘干，利用生料带、胶带和硬质塑料板对岩样周围密封，通过称重蒸馏水饱和前后的岩样质量，粗略计算岩样的裂隙体积。饱和水前后的岩样质量差被估算为占据岩样裂隙的蒸馏水质量。通过蒸馏水的密度估算蒸馏水的体积，即得到相应的裂隙体积。自然劈裂的岩石裂缝如图1所示。劈裂后的岩石样裂缝宽度平均为1 mm左右(上下方劈裂垫条的位置裂缝在3 mm左右)，6个样品为一组。

(a) 沉积前

(b) 沉积后

1.2.3 裂隙岩石渗透性测试仪器及方法

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岩石的渗透系数采用自改装设备[10]进行测试(见图2)，储水箱加满水后启动装置，储水箱内的水压入进水管，水流经储能器后可向渗透系统供水，压力自动升至所调压力值，并通过储能器维持该压力值不变，经电子天平称量渗水稳定后(每隔3 min用电子天平测试渗水量，连续测试2 h)的渗水量[11]。岩样透水性较好，计算试样在不同压力[13]下的渗透系数可采用达西定律[12]计算：

K=QγL(Δp·A)

(1)

式中：Q为流量,m3/s；γ为流体容重,kN/m3；L为试样的长度,m；Δp为水头压力,kPa；A为试样的截面面积,m2。

图2 渗透实验装置图

分别测试岩样注射菌液和营养液诱导碳酸钙沉积作用5、10、20以及30 d后的渗水量，并计算渗透系数。

2 实验结果与讨论

2.1 球形芽孢杆菌诱导碳酸钙沉积速率

将培养10 h后的细菌接种于100 mL沉积培养基中，测试沉积过程中培养基内可溶性Ca2+浓度变化。溶液中可溶性钙离子经细菌新陈代谢后转化为不溶性钙，即产生碳酸钙沉淀。经不同时间点取样分析培养液中的剩余可溶性钙离子浓度，即可推算出已被转化的钙离子浓度，计算出对应的碳酸钙沉积量，

m=VM(n1-n2)

(2)

式中：m为碳酸钙沉积量，g；n1为溶液中的初始钙离子浓度，mmol/L；n2为t时刻溶液中的钙离子浓度，mmol/L；V为培养液的体积，L；M为碳酸钙的相对分子质量，g/mol。

不同Ca2+浓度随时间的沉积情况如图3所示。

图3 不同Ca2+浓度和沉积速率随时间的变化曲线

2.2 球形芽孢杆菌单独作用对裂隙岩样渗透系数的影响

以150 mmol/L的乙酸钙为钙源，利用球形芽孢杆菌诱导碳酸钙沉积作用充填岩样裂隙，不同作用时间时岩样的渗透系数结果见图4，岩样渗透系数的下降率如表1所示。

图4 球形芽孢杆菌填充时间对岩样渗透系数的影响

由图4和表1可以看出，细菌诱导碳酸钙沉积作用时间5 d时，岩样的渗透系数下降率似乎与水压作用不大，水压在0.2～0.6 MPa变动时,岩样的渗透系数下降率基本上在24%～30%波动；细菌诱导碳酸钙沉积作用10 d及以上，水压在0.2～0.5 MPa变化时，岩样渗透系数下降率随水压增加而下降的趋势非常明显；当水压在0.5～0.6 MPa变动和细菌作用少于20 d，岩样渗透系数的下降率并不明显，其值基本在2%左右波动；细菌诱导碳酸钙沉积作用30 d，水压在0.2～0.6 MPa变化时，岩样渗透系数下降率随水压增加而下降的趋势亦非常明显。

相同水压下，随细菌作用时间延长，岩样的渗透系数下降率越大；水压越小，细菌诱导碳酸钙沉积时间越长，岩样的渗透系数下降率越大，0.2 MPa的水压下作用30 d时，渗透系数可下降78%，而0.6 MPa水压下作用相同时间时，渗透系数下降率为 56%；说明细菌诱导碳酸钙沉积可以降低裂隙岩样的渗透系数，但由于碳酸钙沉积物比较松散，水压加大后会使其剥离岩样表面，致使渗透系数增大。

2.3 两种细菌同时作用对裂隙岩石渗透系数的影响

选择球形芽孢杆菌和铜绿假单胞菌复合菌液，用于球形芽孢杆菌相同的作用方式对裂隙岩样进行充填作用，测试其渗水量的变化，相应的渗透系数结果见图5，渗透系数下降率见表2。

图5 球形芽孢杆菌和铜绿假单胞菌同时作用下岩样渗透系数的变化

从图中可以看出，采用注射法将两种细菌同时作用填充岩样裂隙，对岩样渗透系数的影响规律与球形芽孢杆菌单独作用时基本相同。区别在于0.2 MPa的水压下作用30 d时，渗透系数下降57%，比单一细菌作用时少20%；而0.6 MPa水压下作用相同时间时，渗透系数下降率为 28%，只有单一细菌作用时下降率的50%。这是由于这两种细菌共同作用时，营养液需供给两种细菌，两种细菌生长繁殖受到一定影响，因而细菌数量均小于单一细菌生长时的细菌数量，而铜绿假单胞菌引发碳酸钙沉淀的能力低于芽孢杆菌，所以当这两种细菌共同作用时，诱导碳酸钙沉积的能力低于单一芽孢杆菌，相应的裂隙岩石的渗透系数下降率也较小。

2.4 原油与细菌同时作用对裂隙岩石渗透系数的影响

向岩样裂隙内注入一定量的原油，再依次将培养好的球形芽孢杆菌菌液和营养液注入岩石裂隙内，置于恒温培养箱中培养，并每隔4 h交替注射1次，分别在培养0、5、10、20和30 d时测试裂隙岩样的渗水量，并根据式(1)计算岩样渗透系数，结果见图6。渗透系数下降率随充填时间的变化见表3。

图6 原油与球形芽孢杆菌同时作用下岩样渗透系数的变化

从图6和表3可以看出，注入原油的岩样在细菌充填后，其渗透系数亦会随充填时间的延长而减小。但是岩样渗透系数的下降幅度要小很多。当水压为0.2 MPa时，渗透系数下降率最大约为35%，比单一细菌作用时少23%；而当水压增至0.6 MPa时，渗透系数下降率最大为28.5%左右，只有单一细菌作用时下降率的50%。

3 沉积物成分分析

将裂缝处沉积物取出烘干，观察碳酸钙沉积物为团簇状的絮状物(见图7)。

图7 沉积物显微图片(×640)

磨成粉末后进行X射线衍射(XRD)分析，其图谱如图8所示。由图8可见，沉淀物粉末样品中有方解石特征峰，主要衍射角2θ=23.0°、29.4°、35.9°、39.5°、43.1°、47.5°、48.5°、58.5°，分别对应(012)、(104)、(110)、(113)、(202)、(018)、(116)、(122)晶面；另外还出现了球文石特征峰，主要衍射角2θ=20.9°、24.8°、27.0°、32.7°、43.8°、49.9°、55.7°，分别对应(002)、(100)、(101)、(102)、(110)、(104)、(202)晶面。

图8 沉积物的X射线衍射图谱

4 结 论

本文利用细菌诱导碳酸钙沉积作用填充岩石裂隙，研究单一细菌、两种细菌同时作用对裂隙岩石渗透性的影响。结论如下：

(1) 球形芽孢杆菌使得裂隙岩石渗透系数随着细菌作用时间延长逐渐降低。细菌诱导碳酸钙填充裂隙30 d后，其渗水量下降约为55%～78%。而且随着水压的增大，裂隙岩石渗透系数下降幅度逐渐越小。

(2) 球形芽孢杆菌与铜绿假单胞菌同时作用使得裂隙岩石的渗透系数降低，而且作用时间越长，渗透系数越小；细菌作用30 d后，岩石的渗透系数下降约30%～60%。与单一芽孢杆菌作用比较，两种细菌共同作用时岩石渗透系数下降率稍小。

(3) 相同作用时间段内，球形芽孢杆菌与原油共同作用对岩石裂隙的填充效果明显比单一芽孢杆菌作用或者两种细菌共同作用时的效果差，即原油存在的条件下会对微生物诱导碳酸钙沉积的填充作用产生抑制作用。

(4) 微生物诱导钙离子沉积方法得到的沉积物主要是球文石和方解石。