中高溫油藏內(nèi)源微生物厭氧激活

馮　云，段傳慧，林軍章，孫剛正

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營257000）

中高溫油藏內(nèi)源微生物厭氧激活

馮云，段傳慧，林軍章，孫剛正

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營257000）

為了明確中高溫油藏內(nèi)源微生物厭氧激活產(chǎn)氣的特點，在勝利油田選取了11個區(qū)塊開展產(chǎn)氣研究，溫度范圍分別為55～65℃、65～79℃、79～95℃。在模擬油藏條件下厭氧激活發(fā)現(xiàn)，低于79℃時，油藏內(nèi)源微生物普遍能被激活并代謝產(chǎn)氣；而高于79℃時，無明顯甲烷氣產(chǎn)生。利用不同碳源激活后發(fā)現(xiàn)，H2/CO2為碳源時，最大產(chǎn)甲烷速率可達1 500 μmol/（g·d），顯著高于乙酸鈉和淀粉，這表明中高溫油藏內(nèi)產(chǎn)甲烷古菌以氫營養(yǎng)型為主。進一步對正理莊正南區(qū)塊內(nèi)源微生物群落組成研究，發(fā)現(xiàn)厭氧激活后古菌中Methanobacterium被激活成為優(yōu)勢菌群，有利于在油藏內(nèi)代謝產(chǎn)甲烷氣。厭氧激活前油水樣中優(yōu)勢菌都是Pseudomonas，不同激活劑條件下優(yōu)勢菌群發(fā)生明顯變化，H2/CO2和淀粉以激活Thermotoga為主，而乙酸鈉則主要激活了油井中的Deferribacter。此外，該區(qū)塊不同油井在相同激活條件下，其優(yōu)勢菌群趨向于一致，但油井和水井中優(yōu)勢菌群存在明顯差異。通過對中高溫油藏內(nèi)源微生物厭氧激活的研究，為進一步提高微生物采油的效果奠定了基礎(chǔ)。

內(nèi)源微生物；厭氧激活；甲烷氣；群落結(jié)構(gòu)

油藏內(nèi)源微生物群落是油田注水開發(fā)過程中一定時期內(nèi)在數(shù)量和種類上保持相對穩(wěn)定的微生物群落，其隨注入水進入油藏［1-4］。通過注水井向地層中注入營養(yǎng)激活劑來激活油藏中的有益微生物群落，利用其自身在油藏中的代謝活動及代謝產(chǎn)物（生物表面活性劑、有機酸、有機溶劑和生物氣等）與巖石、原油和水的界面相互作用，降低界面張力，改善原油的流動性質(zhì)，提高原油采收率，即內(nèi)源微生物驅(qū)油［5-7］。內(nèi)源微生物激活過程可以分為兩個階段，第一階段為好氧發(fā)酵階段，第二階段為厭氧發(fā)酵階段，代謝產(chǎn)生的氣體一方面可以增加地層壓力，另一方面可溶解于原油中，降低原油黏度，提高原油采收率［8］。勝利油田常規(guī)水驅(qū)開發(fā)動用地質(zhì)儲量35億t，油藏溫度范圍在39～175℃，其中55～95℃的中高溫油藏占一半以上，技術(shù)應(yīng)用潛力巨大，但對中高溫油藏中內(nèi)源微生物的產(chǎn)氣潛力以及菌群利用激活劑產(chǎn)氣特點缺乏系統(tǒng)的評價和認識。

本文中，筆者針對勝利油田的11個中高溫油藏區(qū)塊的油（水）井樣品，在模擬高溫油藏條件下開展分析研究，利用不同激活劑進行厭氧激活產(chǎn)氣模擬研究，分析甲烷產(chǎn)生的潛力和速率，同時對中高溫油藏內(nèi)源微生物菌群結(jié)構(gòu)演變規(guī)律進行跟蹤分析，以期為中高溫油藏內(nèi)源微生物驅(qū)油現(xiàn)場試驗提供參考。

1　材料與方法

1.1樣品采集

油水井井口采集水樣至5～20 L塑料桶中，樣品采集后立即常溫運回實驗室，取樣信息及編號見表1。

表1 樣品采集及編號

Table 1 Sample collection and number

溫度/℃序號區(qū)塊名稱取樣油井取樣水井1正理莊正南高26塊ZL813 2林樊家林102塊L102 16ZL1220ZN5 23 3飛雁灘聚合物驅(qū)轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)FYC12610x4FYC1268G6FYC12610 55～6514L10229L102 6 4河口埕東東區(qū)館上CDC613CDC619CDC614 65～79 79～95 5孤島中一區(qū)Ng3（6 313 6孤島中二南Ng1+2GD2 13井區(qū)）GD1613GD17XNB11GD18 20 7孤島西區(qū)Ng3 22222GD22618GD226 4聚驅(qū)后續(xù)水驅(qū)GDX417GDX616GDX511 12 10羅家油田羅9LIL9 8正理莊通16塊沙二下ZL11X101ZL13C92ZL13X91 9孤島河灘油田沙二上HT247HT2455HT24 43LIL96G4LIL944 11羅家油田羅1710塊LIL175LIL1710LIL172

1.2模擬培養(yǎng)方法

利用Hungate厭氧操作平臺，取250 mL油水井采出液于厭氧瓶中，通入N2置換O2，依次加入Na2S溶液（50 g/L，維持低氧化還原電位）、維生素溶液和微量元素溶液，分別加入H2/CO2、乙酸鈉和淀粉，根據(jù)不同區(qū)塊的溫度條件，分別置于55、70和90℃條件下培養(yǎng)。

1.3分析檢測方法

1.3.1氣體組分測定

采用GC-2010型氣相色譜（日本島津公司）測定氣體組分中甲烷含量。安裝有TCD檢測器、Porapak Q不銹鋼填充柱的島津GC 2010，進樣口、柱箱和檢測器的溫度分別是50、50和70℃，載氣為高純H2（99.999%），流速為50 mL/min。以N2、CH4和CO2混合氣作為標準氣（三者體積比為29.96∶39.99∶30.05），進樣量為0.2 mL，采用面積歸一化測定甲烷相對百分含量，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式（PV=nRT）換算成氣體物質(zhì)的量。

1.3.2樣品DNA提取及高通量測序

為減少樣品中原油對菌體的吸附，離心前先在樣品中加入石油醚，攪拌靜置后取下層水相，12 000 r/min、4℃高速離心15 min，收集底部菌體沉淀。樣品菌體DNA的提取利用AxyPrep基因組提取試劑盒。提取后的DNA利用nanodrop進行濃度檢測后用于細菌16S擴增［9-10］，所有樣品送至華大基因進行16S rDNA V4區(qū)高通量測序及后續(xù)生物信息學分析，解析其中的微生物群落結(jié)構(gòu)信息。

2　結(jié)果與討論

2.1不同區(qū)塊內(nèi)源微生物厭氧產(chǎn)甲烷潛力評價

將收集到的水井和油井的采出液中分別添加H2/CO2、乙酸鈉和淀粉作為激活劑碳源，分別在55、70和90℃條件下厭氧靜置培養(yǎng)，通過氣相色譜測定氣體組分中甲烷的含量。培養(yǎng)后分析不同區(qū)塊的油藏微生物厭氧激活后產(chǎn)甲烷氣潛力，結(jié)果見圖1。

圖1　各區(qū)塊內(nèi)源微生物厭氧激活產(chǎn)甲烷潛力Fig.1 Methane production potential of endogenous microbial by anaerobic activation in each block

由圖1可知:油藏溫度低于79℃的區(qū)塊中，內(nèi)源微生物普遍被激活，并能代謝產(chǎn)甲烷氣；而溫度范圍在79～95℃的區(qū)塊中，只有孤島河灘油田沙二上和羅17-10塊的水井具有微弱的產(chǎn)甲烷潛力，而正理莊通16塊沙二下、羅家油田羅9、羅家油田羅17-10塊的實驗中均不能通過厭氧激活內(nèi)源微生物來代謝產(chǎn)氣。此外，在所有能代謝產(chǎn)甲烷氣的區(qū)塊中，當以H2/CO2作為激活劑碳源時，能激活較多區(qū)塊的油水井，且甲烷產(chǎn)量都顯著高于乙酸鈉和淀粉，這表明中高溫油藏內(nèi)產(chǎn)甲烷古菌以氫營養(yǎng)型為主。

2.2激活劑對厭氧激活產(chǎn)甲烷能力的影響

考察不同激活劑對厭氧激活產(chǎn)甲烷能力的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可知:以H2/CO2為激活劑碳源，大部分區(qū)塊的內(nèi)源微生物被有效激活，產(chǎn)甲烷速率較快，普遍能達到500～1 000 μmol/（g·d），最快能達到1 500 μmol/（g·d）；添加乙酸鈉的甲烷產(chǎn)生速率在200～350 μmol/（g·d）之間，且能激活的區(qū)塊較少，僅有3個區(qū)塊的兩口油井和兩口水井檢測到甲烷氣，而添加淀粉組的甲烷產(chǎn)生速率普遍低于200 μmol/（g·d），這也進一步驗證了在中高溫油藏中氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的活性高于乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌。通過厭氧激活，發(fā)現(xiàn)不添加激活劑的油/水井幾乎都檢測不到甲烷的產(chǎn)生（數(shù)據(jù)未顯示），并且添加的激活劑中碳源不同，其甲烷產(chǎn)生速率也存在明顯差異。

圖2　各區(qū)塊在不同激活劑條件下的產(chǎn)甲烷速率Fig.2 Methane production rate of each block under different activator

綜合圖1和圖2分析可知，正理莊正南沙一、飛雁灘、孤島中一區(qū)Ng3（6-13井區(qū)）和孤島河灘油田沙二上這4個區(qū)塊的內(nèi)源微生物具有較好的產(chǎn)氣潛力，可作為微生物采油現(xiàn)場試驗的候選區(qū)塊。

2.3激活劑對內(nèi)源微生物菌群結(jié)構(gòu)的影響

不同區(qū)塊激活后產(chǎn)甲烷潛力存在明顯差異，主要是不同區(qū)塊油/水井中內(nèi)源微生物群落差異造成的，因此進一步對產(chǎn)甲烷潛力較高的正里莊正南高26塊激活前后的微生物群落結(jié)構(gòu)進行研究，以分析原始油/水樣和添加不同激活劑的實驗組之間細菌和古菌群落組成的差別。

2.3.1不同激活劑對古菌群落結(jié)構(gòu)的影響

首先考察不同激活劑對古菌群落結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可知:正里莊正南區(qū)塊的原始油水井樣品中優(yōu)勢古菌類群是Methanobacterium，在水井中的豐度高達76.7%，油井中的豐度為31.1%～ 37.0%，其次是Fervidicoccus和Methanosaeta。在添加以H2/CO2為碳源的激活劑后，氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌Methanobacteriu成為群落中的絕對優(yōu)勢菌，豐度明顯上升到88.4%～91.4%，這表明Methanobacterium是轉(zhuǎn)化利用H2/CO2的主要功能菌，不能利用乙酸產(chǎn)甲烷［11］。而在添加乙酸鈉的實驗組中，只有水井和油井2可以產(chǎn)生甲烷，油井2中Methanosaeta的豐度最高（50.6%），Methanosaeta可以直接裂解乙酸產(chǎn)生甲烷［12-13］。在淀粉作為激活劑的實驗組中，只有水井和油井2中檢測到產(chǎn)生的甲烷，優(yōu)勢菌群均是Methanobacterium，豐度分別是45.1%和72.1%，這表明淀粉轉(zhuǎn)化為甲烷的主要途徑也是通過氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌完成。

圖3　正理莊正南高26塊不同激活條件下的古菌群落結(jié)構(gòu)Fig.3 Archaeal community structure of Zhengli Zhuang south block under different activator

2.3.2不同激活劑對細菌群落結(jié)構(gòu)的影響

再次考察不同激活劑對細菌群落結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知:在正理莊正南高26塊的原始油水樣中，優(yōu)勢菌都是Pseudomonas（20.2%～47.9%），水井中的優(yōu)勢菌還有Marinobacterium（15.7%）、Petrobacter（6.4%）和Deferribacter（5.4%），油井1中的優(yōu)勢菌還有Deferribacter（14.7%）。

不同激活劑在油水樣中所激活的細菌不同，H2/CO2和淀粉分別作為激活劑碳源時，油井中的Thermotoga普遍被激活，豐度分別為11.9%～ 18.2%和27.3%，而乙酸鈉則主要激活了油井中的Deferribacter（28.4%）。

此外，相同激活劑在同一區(qū)塊的油井和水井中所激活的細菌群落也存在明顯差異。當H2/CO2作為激活劑時，水井中優(yōu)勢菌群分別為Marinobacterium（23.2%）、Thermococcoides（18.3%）和Petrobacter（4.5%），而油井1和2中的共同細菌類群是Thermotoga（11.9%～18.2%），此外Fervidobacterium（11.4%）還是油井2中的優(yōu)勢細菌類群之一，在油井1中也存在一定豐度的Petrobacter（4.8%）。

圖4　正理莊正南高26塊不同激活條件下的細菌群落結(jié)構(gòu)Fig.4 Bacterial community structure of Zhengli Zhuang south block under different activator

3　結(jié)論

對勝利油田11個中高溫油藏共33口油（水）井樣品開展了厭氧激活和產(chǎn)氣分析研究，發(fā)現(xiàn)低于79℃的油藏，其內(nèi)源微生物普遍能被激活并代謝產(chǎn)甲烷氣，而高于79℃時無明顯甲烷氣產(chǎn)生。正理莊正南高26、飛雁灘區(qū)塊、孤島中一區(qū)Ng3（6-13井區(qū)）和孤島河灘油田沙二上中的內(nèi)源微生物具有較好產(chǎn)氣潛力，可作為微生物采油現(xiàn)場試驗的候選區(qū)塊。

厭氧激活研究表明，不同油水井中微生物產(chǎn)甲烷的速率不同，說明在油水井中微生物代謝活性存在顯著差異，以H2/CO2作為激活劑碳源時，最大產(chǎn)甲烷速率可達1 500 μmol/（g·d），明顯高于乙酸鈉和淀粉，這說明中高溫油藏中產(chǎn)甲烷古菌以氫營養(yǎng)型甲烷菌為主導。

考察正理莊正南的古菌和細菌群落結(jié)構(gòu)的變化發(fā)現(xiàn)，添加不同激活劑后，氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanobacterium演變?yōu)榻^對優(yōu)勢菌群。另外，添加的激活劑不同，所激活的優(yōu)勢細菌類群不同，正理莊正南高26塊不同油井在相同的激活條件下，其優(yōu)勢細菌類群趨向于一致，但油井和水井中優(yōu)勢菌群存在明顯差異。

［1］ 程杰成，王德民，李群，等.大慶油田三元復合驅(qū)礦場試驗動態(tài)特征［J］.石油學報，2002，23（6）:37-40.

［2］ 王修垣.俄羅斯利用微生物提高石油采收率的新進展［J］.微生物學通報，1995，22（6）:383-384.

［3］ 汪衛(wèi)東.我國微生物采油技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.石油勘探與開發(fā)，2002，29（6）:87-90.

［4］ 汪衛(wèi)東，魏斌，譚云賢，等.微生物采油需要進一步解決的問題［J］.石油勘探與開發(fā)，2004，31（6）:88-91.

［5］ 程海鷹，王修林，徐登霆，等.內(nèi)源微生物提高采收率實驗研究［J］.石油勘探與開發(fā)，2006，33（1）:91-94.

［6］ 宋智勇，郭遼原，袁書文，等.高溫油藏內(nèi)源微生物的調(diào)堵及種群分布［J］.石油學報，2010，31（6）:975-979.

［7］ 馮慶賢，向廷生，NAZINA T N，等.高溫油藏內(nèi)源微生物及其提高采收率潛力研究［J］.微生物學通報，2008，35（4）:496-501.

［8］ 包木太，孔祥平，宋永亭，等.勝利油田S12塊內(nèi)源微生物群落選擇性激活條件研究［J］.石油大學學報（自然科學版），2004，28（6）:44-48.

［9］ 王慧，宋智勇，郝濱，等.微生物驅(qū)產(chǎn)出液群落結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場生產(chǎn)動態(tài)的關(guān)系［J］.石油學報，2013，34（3）:535-538.

［10］ BAO M，LIU T，CHEN Z，et al.A laboratory study for assessing microbial enhanced oil recovery［J］.Energy Sources，2013，35（22），2141-2148.

［11］ SCHIRMACK J，KAI M，GANZERT L，et al.Methanobacterium movilense sp.nov.，a hydrogenotrophic，secondary alcohol utilizing methanogen from the anoxic sediment of the subsurface lake in Movile Cave，Romania［J］.Int J Syst Evol Microbiol，2014，64: 522-527.

［12］ PATEL G，SPROTT G.Methanosaeta concilii gen.nov.，sp.nov.（＂Methanothrix concilii＂）and Methanosaeta thermoacetophila nom.rev.，comb.nov.［J］.Int J Syst Bacteriol，1990，40（1）:79-82.

［13］ ZHENG D，RASKIN L.Quantification of Methanosaeta species in anaerobicbioreactorsusinggenus-andspecies-specific hybridization probes［J］.Microbl Ecol，2000，39（3）:246-262.

（責任編輯 荀志金）

Anaerobic activation of indigenous microorganism in the middle and high temperature reservoir

FENG Yun，DUAN Chuanhui，LIN Junzhang，SUN Gangzheng
（Research Institute of Petroleum Engineering Technology，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying 257000，China）

In order to define the characteristics of gas production by indigenous microorganism under anaerobic activation，11 blocks of middle and high temperature reservoir were selected to research in the Shengli Oilfield，which temperature ranges were 55 to 65℃，65 to 79℃and 79 to 95℃.Indigenous microorganism could be activated to produce gas below 79℃under simulated reservoir condition，whereas no significant methane gas was produced when temperature was above 79℃.The maximum methane production rate was up to 1 500 μmol/（g·d）when H2/CO2was used as carbon source，significantly higher than those of sodium acetate and starch.Furthermore，Methanobacterium was activated to become the dominant microflora under anaerobic condition in Zhengli Zhuang Zhengnan block，which favored to produce methane gas in the reservoir.Before anaerobic activation，the dominant bacteria were Pseudomonas in the samples and the dominant bacteria were changed under different activation conditions.H2/CO2and starch can activate Thermotoga，whereas sodium acetate mainly activated Deferribacter in oil wells.In addition，the dominant flora of different oil wells tended to be identical in the block，but there were significant differences in the dominant microflora between oil well and water well.Our findings on theanaerobic activation of the internal microorganism could serve reference for further enhancing the effect of microbial oil recovery.

indigenous microorganism；anaerobic activation；methane gas；community structure

Q934；TE357.9

A

1672-3678（2016）03-0012-05

10.3969/j.issn.1672-3678.2016.03.003

2016-03-18

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2013AA064401）

馮 云（1986—），女，河南鹿邑人，研究方向:微生物采油，E-mail:fengyun866.slyt@sinopec.com