In a porous medium consists of two or more immiscible fluids, surface energy of fluids/rock interfaces affect the saturation, distributions and displacement of fluids. Modification of the interfacial properties of fluids in minerals by using surfactants has widely been proposed aiming on increasing the mobility of fluids through porous media. Surfactants are proven to effectively modify the interfacial tension and wettability in multi-phase fluids and rock systems, improving the displacement and sweep efficiency of fluids in porous media. In the meantime, biosurfactants have been drawing much attention as an alternative to the chemical surfactants for their biodegradability, ecological suitability and low toxicity. However, the question as the extent of microbial alterations in fluid wettability and interfacial tension under reservoir pressure and temperature conditions still warrants further investigation. In this Ph. D. dissertation, in aspect of biosurfactant as an enhancer for geologic carbon storage (GCS) and microbial enhanced oil recovery (MEOR), the potential and feasibility of biosurfactant producing bacteria for the modification of fluids wettability in brine and rock mineral systems have been experimentally investigated in reservoir conditions.
In this dissertation, Bacillus subtilis was selected as a model bacterium, and cultivated at reservoir conditions such as high pressure, high temperature, high salinity and extreme pH environments. And lipopeptide biosurfactant, surfactin, produced by B. subtilis was evaluated for modifying interfacial properties of immiscible fluids (i.e., $CO_2$-brine and oil-brine) and rock wettability. Surfactin produced by B. subtilis lowered $CO_2$-brine interfacial tension (IFT) and modified quartz and calcite minerals more $CO_2$-wet which further increased $CO_2$ sweeping efficiency in porous media. The functionality of biosurfactants varied to the changes of $CO_2$ phase and the rock minerals types. The wettability of $CO_2$ in calcite was comparably unpredictable because it involved calcite dissolution, re-precipitation reactions which roughened the calcite surface, where the wetting of fluids in rough surface is hard to define due to the contact angle hysteresis occurrence.
The functionality of surfactin in oil-brine-quartz systems was further investigated at high pressure and various temperature conditions. Despite the observation that capillary factor of oil-brine-quartz reduced by surfactin, the biosurfactant production yield and rate were significantly affected at elevated temperature. Additionally, the pore network model (PNM) and microfluidics experiments were conducted to evaluate the effect of biosurfactant on displacement efficiency in porous media. Further, the synergistic effect of biosurfactant with low amount of chemical surfactants were experimentally investigated. The effect of surface charge of calcite minerals on effectiveness of biosurfactant/chemical surfactant mixtures were identified.
다공성 매질의 공극 내 다상 유체의 거동은 유체와 암상의 계면에서의 표면에너지의 영향을 받게 된다. 이에 따라 공극 내 유체의 이동 효율을 증진 시키기 위한 목적으로 계면 물성 개질능을 가진 계면활성제를 많이 이용하고 있다. 계면활성제는 섞이지 않는 다상 유체의 계면 장력과 암석의 습윤도를 개질 하여 모세관 압력을 감소시킴으로써 공극 내 유체의 이동 효율을 증진 시킬 수 있는데 최근에는 환경오염에 대한 우려로 인해 미생물이 생산하는 생계면활성제에 대한 수요가 증대하고 있다. 본 박사학위 논문에서는 박테리아가 생산하는 생계면활성제에 의한 암석-유체의 계면 물성 및 습윤도 개질 메커니즘 규명과 이를 통한 이산화탄소 지중 저장 및 석유회수증진법으로의 응용에 대한 연구를 진행하였다.
대표 생계면활성제 생성 박테리아인 바실러스 섭틸리스를 모델 박테리아로 선정하여 저류층 극한 조건에서 미생물을 배양하는 동시에 배양액 내 유체/암석의 계면물성을 실시간으로 모니터링하였으며 이산화탄소/오일과 염수의 계면장력, 암석의 습윤도가 생계면활성제 생성에 따라 변화하는 것을 관찰하였다. 또한 포어네트워크모델 및 미세유체칩 실험을 통해 계면물성 개질능을 가진 생계면활성제에 의해 공극 내 유체 이동 효율이 증진 됨을 밝혀내었다.
이산화탄소 지중 저장 조건인 고압, 고온 등의 조건에서 생계면활성제 생성 박테리아가 생산하는 생계면활성제가 모든 이산화탄소 상의 계면물성 변화능을 가지는 것을 밝혀내었으며, 생계면활성제의 이산화탄소 지중저장으로의 응용은 암석의 종류에 따라 다르게 접근되어야 함을 제안하였다. 석영에서는 이산화탄소의 용해로 인해 pH가 낮아져 생계면활성제의 용해도가 감소되고 이때에 침전 된 생계면활성제는 계면물성개질에 참여하지 못해, pH가 매우 주요한 인자로 작용할 수 있고, 방해석은 암석 표면이 시간이 지남에 따라 용해되고 표면 위에 방해석 결정이 재결정화 되는 반응이 관찰되어 그 때의 이산화탄소 습윤도가 크게 영향이 받는 것을 관찰하였다.
바실러스 섭틸리스가 생산한 서팩틴은 공극 내 오일의 습윤도 개질능을 가져 미생물 석유회수증진법에도 활용이 가능함을 제안하였다. 저류층 극한 조건에서 생산된 생계면활성제에 의한 계면물성 변화를 실시간으로 모니터링 하여 그 기능성을 확인하였으며 고온의 조건에서는 생계면활성제 생성량이 낮아 미생물을 활용한 석유회수증진법 적용 시 온도가 주요 인자로써 고려되어야 함을 확인하였다. 포어네트워크모델 시뮬레이션과 미세유체칩 실험을 추가적으로 진행하여 생계면활성제에 의한 석유회수증진 효과를 실험적으로 증명하였다. 탄산염 저류층에서의 생계면활성제 적용은 탄산암 표면 전하에 따라 그 적용이 제한될 수 있어 미량의 화학 계면활성제와 함께 사용하였을 때의 시너지 효과를 제안함으로써 그 한계를 극복하고자 하였다. 생계면활성제 공법 시 방해석의 제타 전위는 음전하를 띄어 계면활성제 흡착 측면에서 음이온 계면활성제 활용이 유리하고, 방해석의 습윤도 개질 또한 생계면활성제에 음이온 생계면활성제를 첨가하였을 때 더욱 그 효과가 증진 되는 것을 밝혀내었다.
