微生物技術在煤層分布及其尖滅邊界識別中的應用

馬 麗，段中會，梁永興，郝 純，周 蕾

(1.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，西安 710021； 2.陜西省煤田地質(zhì)集團有限公司，西安 710021；3.盎億泰地質(zhì)微生物技術(北京)有限公司，北京 100029)

0 引言

微生物地球化學勘探技術是近年來發(fā)展比較迅速的油氣勘探技術，該技術基于油氣藏輕烴微滲漏原理，主要研究近地表土壤層中烴氧化微生物異常與地下深部油氣藏的相關性。早在20世紀30年代蘇聯(lián)學者提出利用近地表土壤中的氧化菌氣勘探的設想，上世紀40年代美國首次從地表土壤樣中分離出烴氧化菌并用作油氣藏的指示[1-2]。近年來微生物勘探有了不少成功的例子，顏承志[3]等在珠江盆地白云凹陷深水區(qū)含油氣性評價，對新發(fā)現(xiàn)圈閉的含油氣性進行了預測，最終將油氣微生物地球化學勘探的研究成果與地震、鉆井、測井、巖心等資料相結(jié)合，對有利圈閉和區(qū)帶進行了含油氣評價，并成功預測了一口深水鉆井的結(jié)果。丁力[4]等在準噶爾盆地中拐凸起火山巖儲層油氣勘探中使用微生物技術，成功預測了6口鉆井的含油氣性差異等等。國外玻利維亞石油礦藏和美國地質(zhì)微生物技術公司，共同在玻利維亞安第斯子區(qū)預測了含油構造，預測的開拉斯科與卡塔里2個構造微生物異常區(qū)成功鉆獲了油氣；美國德克薩斯艾倫堡構造區(qū)、印度Bikaner-Nagaur盆地區(qū)微生物探技術等幾十個油氣區(qū)都成功應用了微生物勘探技術。

油氣勘探的理論基礎是油氣藏內(nèi)輕烴的近垂直向上微滲漏理論[5-8]，與地球化學方法滲漏烴檢測不同，微生物是直接檢測近地表因烴滲漏所引起的周圍介質(zhì)微生物變化的指標，只存在微滲漏頂部異常，具有普遍性、垂直性和動態(tài)性等特點。微生物方法和常規(guī)基于地球化學的烴類檢測方法相比，這種方法抓住了微滲漏輕烴在近地表轉(zhuǎn)化的關鍵因素，即微生物轉(zhuǎn)化過程，而這個過程以前常被地球化學檢測方法所忽略。

微生物油氣勘探常用的指標有：甲烷氧化菌、丁烷氧化菌、專性烴氧化菌(包括乙烷、丙烷、丁烷氧化菌總稱)、厭氧纖維素分解菌等。微滲漏輕烴在烴類上升中以物理化學過程為主，碳基本穩(wěn)定；在近地表60cm以內(nèi)表現(xiàn)為烴類的生物地球化學轉(zhuǎn)化過程，在氧氣和微生物作用下，烴類部分氧化生成碳酸鹽，部分以結(jié)合吸附等形式得以保存。與油氣藏相比，煤層埋藏深度淺，煤層中的CH4混合烴類氣體以游離和吸附兩種形式賦存，我們選擇煤層條件簡單、煤層厚大的侏羅紀煤田(郭家河井田)進行微生物技術嘗試，測試微生物技術對煤炭賦存的敏感性。

1 地質(zhì)概況與微生物工程施工

1.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于陜西省黃隴礦區(qū)郭家河井田，井田屬于彬長坳陷Ⅲ級構造單元，含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，總體為一走向NE、傾向NW的單斜構造，其上發(fā)育次級褶曲及張性斷裂，主采煤層3號煤層厚度0.55～26.83m，平均11.57m，結(jié)構簡單[9]，瓦斯含量0.06～3.38mL/gdaf，平均1.29mL/gdaf，該區(qū)煤層瓦斯含量有“低含量、高涌出”的特點[10]。研究區(qū)成煤環(huán)境受古地形影響，在沉積邊緣煤層急驟變薄至尖滅，尖滅邊界位置對煤炭開采設計影響極大，是目前急需解決的問題。

1.2 工程布置及數(shù)據(jù)采集

基本垂直于無煤邊界的方向，設計微生物探測測線，測點密度為50～100m/點，局部測點加密為20m/點，共布置A1/A2、B1/B2兩組測線，分別用于控制兩處無煤邊界。

采樣執(zhí)行企業(yè)標準—《微生物地球化學勘探野外采集技術規(guī)程》(QWD 12-2011)。樣品采集通過GPS坐標定點，選擇土壤較多且沒有被擾動過的地方，采樣深度20～40cm；且每個樣點保證采集深度相同；樣品(若石塊較多，先過過篩)裝入特制樣品袋；標注土壤巖性特征、土質(zhì)顏色、潮濕度、表層沉積類型、樣品標號、采樣日期、采樣時間等信息。

共完成測線采樣長度4.2km，測點206個。

2 樣品處理與分析

2.1 樣品處理

目前主流油氣微生物勘探技術多采用傳統(tǒng)培養(yǎng)方法，培養(yǎng)方法是一種可靠的定量檢測微生物的方法，在食品衛(wèi)生等領域微生物檢測的國家和行業(yè)標準中，微生物定量檢測均使用的是培養(yǎng)方法。此外，也有采用各種分子生物學方法對烴氧化菌進行研究的方法[11-12]。分子生物學方法通過直接提取土壤總DNA，并采用PCR、生物芯片、高通量測序等各種方法對其進行研究分析。這種方法可以獲得大量未培養(yǎng)微生物的信息，但是由于DNA提取偏差，儀器分析偏差等[13]方法本身的缺點，造成了分子生物學技術在定量上的準確性和穩(wěn)定性差于傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法。

本次微生物相對含量(微生物值)的測定主要是采用平板培養(yǎng)法，檢測中采用特殊的選擇性培養(yǎng)基對土壤樣品中的烴氧化菌進行專一性的培養(yǎng)和計數(shù)。測定程序：①將土壤樣品進行脫水處理，稱取一定重量的土壤樣品待檢；②將稱量好的土壤樣品放入純凈水中制成待檢的稀釋懸浮液，稀釋比例一般為1∶100～1∶1 000；③取1mL稀釋懸浮液，接種到瓊脂培養(yǎng)基上，每個樣品都選取三個平行樣品進行檢測；④將接種之后的培養(yǎng)基放入37℃的恒溫培養(yǎng)箱進行培養(yǎng)6d 。⑤對培養(yǎng)出的烴氧化菌進行菌落計數(shù)，計算后得到微生物值(MV)。

2.2 微生物地表影響因素分析

在微生物成果分析之前，需要先對微生物數(shù)據(jù)進行地表影響因素分析，本次針對地形地貌、地表高程、土壤酸堿度和鹽度等主要影響因素進行分析。因為采樣中基本選擇在地貌相近的點進行采樣，盡量避開了環(huán)境因素的差異；高程與丁烷氧化菌無相關性，在圖1中也表現(xiàn)出來二者沒有明確相關關系；土壤pH值為6.3～6.8(圖2)，偏中性較穩(wěn)定，有利于微生物生長，pH值基本不影響烴氧化菌發(fā)育；土壤樣品鹽度小于0.08×10-12(圖3)，其值較低且與烴氧化菌無相關性；因此認為微生物的地表因素影響較小。

圖1 丁烷氧化菌與高程的相關性分析Figure 1 Correlation analysis between butane hydrocarbon

圖2 烴氧化菌與酸堿性的相關性分析Figure 2 Correlation analysis between oxidizing bacteria andelevation oxidizing bacteria and acid or base

圖3 烴氧化菌與鹽度相關性分析Figure 3 Correlation analysis between Hydrocarbon oxidizingbacteria and salinity

在地表環(huán)境下，生物死亡、機體分解均可產(chǎn)生甲烷，因此會對局部微生物檢測結(jié)果造成一定影響。為此，對比分析甲烷氧化菌(MMV)和丁烷氧化菌(BMV)的相關性(圖4)，二者相似系數(shù)R=0.64，相關性較好，故選擇丁烷氧化菌指標進行微生物綜合研究。

圖4 甲烷氧化菌與丁烷氧化菌相關性分析Figure 4 Correlation analysis between methane oxidizingbacteria and butane oxidizing bacteria

2.3 異常下限確定及微生物分布特征分析

1)通過數(shù)理統(tǒng)計的方法分別求取背景均值、標準偏差和異常下限。

(1)

②標準偏差S

(2)

式中：S為丁烷氧化菌的標準偏差，CFU/平板。

③異常下限V0。

(3)

式中：背景均值、標準偏差為66、61；V0為丁烷氧化菌的異常下限，CFU/平板。選取K=1，計算得到V0=90。

2)丁烷氧化菌頻率直方圖分析。微生物頻率直方圖能夠反映出微生物值分布的背景數(shù)據(jù)體(背景峰)和異常數(shù)據(jù)體(異常峰)，背景峰和異常峰的分界線，可認為是微生物異常下限。通過微生物頻率直方圖的分析(圖5)，本區(qū)微生物下限約為90CFU/平板，和數(shù)理統(tǒng)計方法計算的異常下限相當。

圖5 丁烷氧化菌頻率直方圖Figure 5 Frequency histogram of butane oxidizing bacteri

2.4 微生物分布特征及地質(zhì)分析

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計和頻率直方圖微生物數(shù)據(jù)分析結(jié)果，根據(jù)BMV值大小在研究區(qū)內(nèi)劃分5級微生異常：超高異常(微滲漏高)138～395CFU/平板，高異常(微滲漏較高)114～138CFU/平板，中異常(微滲漏中等)90～114CFU/平板，低異常(微滲漏較低)66～90CFU/平板，背景值(微滲漏低)11～66CFU/平板。制作4條(2組)丁烷微生物剖面。西部兩條測線(A1、A2)有煤區(qū)：微生物均值123CFU/平板，最大395CFU/平板、最小20CFU/平板，異常比例67%，高異常比例45%；無煤區(qū)：微生物均值74CFU/平板，最大285CFU/平板、最小11CFU/平板，異常比例27%，高異常比例13%。A1剖面的異常邊界約在10測點處(1～10測點為異常區(qū)，10～22測點為背景區(qū))(圖6)，A2剖面(圖7)的異常邊界約在16測點處(1～16測點為異常區(qū)，16～38測點為背景區(qū))。東部兩條測線(B1、B2)有煤區(qū)：微生物均值119CFU/平板，最大293CFU/平板、最小56CFU/平板，異常比例72%，高異常比例43%；無煤區(qū)：微生物均值78CFU/平板，最大367CFU/平板、最小20CFU/平板，異常比例18%，高異常比例10%。B1剖面(圖7)的異常范圍為14～25測點間，背景范圍為1～14和25～38測點間；B2剖面(圖6)微生物背景區(qū)范圍在11～20測點范圍，微生物異常范圍在1～11測點和20～38測點間兩段式分布。

沿各條微生物測線切取地震垂直時間剖面和地質(zhì)剖面，選擇連井剖面進行對比分析(圖6)，A2線地震剖面處于研究區(qū)邊界，地震剖面中間中斷，僅能反映出在G18-2孔處煤層反射波T3波連續(xù)性好、能量強，對應鉆孔處該煤層厚10.5m，C12孔處無T3波發(fā)育，對應無煤區(qū)；微生物剖面與地質(zhì)、地震剖面特征一致。B1剖面上三種剖面對煤層賦存反映清晰，鉆探成果對兩個鉆孔之間的控制精度較差，微生物剖面與地震剖面精度較高。

圖6 A1、B2線微生物剖面Figure 6 Microbial section of lines A1 and B2

a.A2線地質(zhì)剖面、微生物剖面及地震剖面 b.B1線地質(zhì)剖面、微生物剖面及地震剖面圖7 微生物剖面、地質(zhì)剖面及物探剖面對比圖Figure 7 Comparison chart of microbial section, geological section and geophysical section

2.5 煤層尖滅微生物響應模型

通過含煤區(qū)和無煤區(qū)的地表丁烷氧化菌分布特征的分析，可以看出含煤區(qū)之上的微生物異常發(fā)育強度大于無煤區(qū)，意味著含煤區(qū)煤層中的輕烴可以滲透到地表，且其滲漏強度大于無煤區(qū)。原理是含煤地層中烴類含量高于無煤區(qū)圍巖地層，經(jīng)過地層裂隙、裂縫等通道垂直運移到達地表，在近地表形成烴類相關指標異常，根據(jù)上述分析結(jié)果，可建立煤層尖滅邊界的微生物響應模型(圖8)，在煤層賦存區(qū)上部，微生物值呈現(xiàn)高異常，在無煤帶上部，微生物值呈低的背景值。

圖8 煤層尖滅微生物模型Figure 8 Coal seam pinch-out microbial model

3 結(jié)論

1)通過煤田微生物試驗，驗證了微生物油氣勘探技術對煤層賦存與否具有敏感性，微生物地質(zhì)結(jié)果與地震勘探及鉆探成果相吻合。

2)初步建立了郭家河煤礦煤層尖滅的微生物響應模型。

3)微生物剖面具有一定的統(tǒng)計效應，測點數(shù)及測點密度對地質(zhì)結(jié)果會有較大影響。

盡管目前取得了一定的煤層與無煤帶微生物特征，但如何提高其分辨率和減少影響因素還有待開展進一步工作。