海安凹陷富安油气区微生物异常分布研究

文章编号:1673-064X(2014)06-0083-05海安凹陷富安油气区微生物异常分布研究杨帆1，2，汤玉平1，2，许科伟1，2，任春1，2，贾仲君3(1．中石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏无锡214151;2．中国石油化工集团公司油气成藏重点实验室，江苏无锡214151;3．中国科学院南京土壤所，江苏南京210008)摘要:为探索油气藏上方的微生物分布，采集了苏北海安凹陷已知区块油气藏上方的地表土壤样品，并对甲烷氧化菌、丁烷氧化菌和烃氧化菌3种油气指示微生物进行了MPN法培养计数。指出了土壤样品采样的合理深度，并通过该区A、B两剖面上的油气指示菌数量的分布，结合化探指标，对剖面上微生物异常进行了解析。研究表明，3种油气指示微生物在油藏上方地表土壤中都有发育，与地下油气藏的分布有很好的响应关系，其中丁烷氧化菌是本区块比较理想的油气勘探指示微生物。关键词:微生物勘探;甲烷氧化菌;丁烷氧化菌;烃氧化菌;微生物异常;富安区块中图分类号:TE132;P618．13文献标识码:A近年来，非构造型油气藏与隐蔽油气藏成为油气勘探的重点目标，勘探难度增大、勘探成本也急剧升高，勘探风险增加。因此，地表油气化探技术在油气勘探中的重要性越发突出，在油气化探理论基础上发展起来的油气微生物勘探技术具有成本低、周期短、效率高、适用范围广、工程应用性强等优势，日趋受到全球油气勘探界的重视，是目前国际油气勘探领域的前沿技术，也为我国油气勘探提供了一种全新思路［1-6］。油气微生物勘探技术的基本原理是:在深层油气藏压力的驱动下，油气藏中的轻烃组分持续向地表作垂直扩散和运移，被近地表土壤中的微生物所利用，定向改变油气藏上方地表土壤中的微生物群落结构，与非油气藏上方近地表土壤微生物群落结构相比，形成以土壤轻烃为碳源的油气指示微生物数量上的异常。因此，通过检测勘探区块地表土壤中油气指示微生物数量的异常分布可预测地下油气藏的位置［7-11］。1研究区地质特征研究工区位于苏北盆地海安凹陷的富安区块，是2010年新开发的一个区块(图1)。富安区块占海安凹陷总资源量的22%，资源量丰度达8．48×图1苏北盆地海安凹陷构造图Fig．1StructuralmapofHaianSaginSubeiBasin收稿日期:2014-04-13基金项目:国家自然科学基金(编号:41202241)作者简介:杨帆(1983-)，男，硕士，工程师，主要从事油气地球化学勘探及油气微生物勘探研究。E-mail:yangfan．syky@sinopec．com —84—西安石油大学学报(自然科学版)104t/km2，生烃强度为0．9×106t/km2，是海安凹陷资源潜力最大的一个次级凹陷，目前已达到形成小型油气田的标准。2009年在安丰油田南部提交的富安X1井于2010年3月份正式开采，日产凝析油6t，油藏深度约3300m，油藏为断块遮挡，所处层位为泰一段砂三组地层，保存条件较好。的生长，但地表浅部土壤中微生物的检测容易受到施肥、植物根系及腐殖质等人为活动和自然因素的干扰;而随着采样深度的增加，土壤中氧气浓度下降，含水率上升，不适合好氧菌的生长发育。综合考虑，地表以下60cm处是相对较稳定的采集深度，既保证了样品不受干扰，又保证了土壤样品中油气微生物的数量。2．2剖面采样信息根据本区块2条地震测线111I和1291X，在油气藏上方围绕富安X1井布置A、B2个试验剖面(图3)，A剖面约8．7km，B剖面约7．2km。在野外采样中采用GPS卫星定点，采样间距在油气藏上方100～150m，背景区为300～500m。采用取土钻、刮刀等采样工具在深度60cm处取土壤微生物样品200g，A、B2个剖面分别采集土壤微生物样品32个和25个，采集的样品置于无菌样品袋中并冷藏保存;此外在每个物理点同步采集了顶空轻烃样品，以便油气微生物指标与化探指标进行对比分析。2样品采集及测试2．1采样深度试验据国内外公开发表的资料，微生物土壤样品的采样深度为0．1～5．0m。本研究对不同深度土壤样品中的油气指示微生物数量纵向变化规律进行了探索，选择了适合本区的样品采集深度。深度试验具体样品采集情况为:在油藏上方水平方向间隔200m随机选取2点1#和2#，钻孔采集30cm、60cm、90cm、1．5m、2m共5个深度处的样品。用传统的MPN培养法对样品分别进行了甲烷氧化菌(methane－oxidizingbacteria，MOB)、丁烷氧化菌(butane－oxidizingbacteria，BOB)和烃氧化菌(hydro-carbon－oxidizingbacteria，HOB)的培养计数，3种油气指示微生物的数量在深度上的变化如图2所示。图3土壤样品采集部署图Fig．3Deploymentdiagramofsoilsampling2．3测试方法和流程土壤样品中油气指示微生物数量检测所采用的方法为最大或然数计数法(mostprobablenumber，MPN)，又称稀释培养计数，此方法适用于测定在一个混杂的微生物群落中虽不占优势，但却具有特殊生理功能的类群。其特点是利用待测微生物的特殊生理功能的选择性来摆脱其他微生物类群的干扰，并通过该生理功能的表现来判断该类群微生物的存在和丰度。最大或然数法是微生物活菌数测定的经典方法，根据稀释菌液接种培养后所生长的微生物的试管数，用统计数学方法计算出原始的含菌量。MPN法能够较准确地确定土壤样品中微生物的数量，操作方法比较简单，通过检测代谢产物产生与否来确定阳性管，易于快速判断结果。实验过程图2微生物数量与采样深度的关系Fig．2Ｒelationshipbetweenmicrobialquantityandsamplingdepth试验结果表明，随着采样深度的增加，油气指示微生物的数量均呈现减少的趋势。在地表之下30cm处油气指示微生物数量最高，在地表之下2m处微生物数量降幅最高可达3个数量级。这主要是因为油气指示微生物均属于严格好氧菌，地表浅部土壤营养成分多、氧气含量高，通气性好，适合微生物 —85—杨帆等:海安凹陷富安油气区微生物异常分布研究中涉及到的培养基的制备、分装均采用Hungate严格的厌氧操作技术［12］。培养结束后用MPN计数方法计算出每个样品原始的含菌量。实验主要内容为土壤样品的稀释、接种以及甲烷氧化菌、丁烷氧化菌、烃氧化菌3种油气指示微生物的培养和计数［13］。测试流程主要有以下几个步骤。液枪从①号至⑦号三角瓶中分别吸取0．5mL土壤样品稀释液，注入到所对应的无菌玻璃试管中(①号对应第1列，②号对应第2列，…，⑦号对应第7列)，此时玻璃试管中的土壤稀释度为1∶102、1∶103、1∶104、1∶105、1∶106、1∶107、1∶108;最后用橡皮塞密封试管，用注射器充入1mL甲烷气体，目的是为甲烷氧化菌的生长提供碳源。若培养丁烷氧化菌则充入1mL的正丁烷气体;培养烃氧化菌充入1．2mL乙烷、丙烷、正丁烷(体积比为1∶1∶1)的混合气体。2．3．3恒温培养与结果统计样品稀释接种完成后置入恒温培养箱中培养。3种油气指示菌均为中温菌(mesophiles)，培养温度设置为30℃，培养周期为15d。培养结束后对结果进行观察和统计，其中有油气指示菌生长的培养管中培养基液面上方有菌膜产生，呈阳性，而没有油气指示菌生长的培养管中没有菌膜的生成，呈阴性。统计不同稀释梯度阳性试管的个数，根据MPN统计分配表可计算出每个土壤样品中油气指示菌的数量。2．3．1培养基的配置3种油气指示菌的培养基组分如下:甲烷氧化菌培养基成分(g/L):NaNO3为1．0，NH4Cl为0．25，KH2PO4为0．26，K2HPO4·3H2O为0．74，MgSO4·7H2O为1．0，CaCl2·2H2O为0．2，微量元素液10mL，pH=7;微量元素溶液(mg/L):Fe-SO4·7H2O为0．4，ZnSO4·7H2O为0．34，CuSO4·5H2O为0．1，MnSO4为0．3，NaMoO4·2H2O为0．24，H3BO3为0．1。丁烷氧化菌培养基成分(g/L):MnSO4·7H2O为1．0，CaCl2为0．25，NH4Cl为2．3，(NH4)2SO4为1．089，KNO4为2．01，NaH2PO4为2．2，微量元素液5mL，pH=7。微量元素溶液(mg/L):K2HPO4为4．5，FeCl3·6H2O为3．0，MnCl2为4．31，ZnCl2为5．2，NiCl为2．0，NaCl为2．0，K2SO4为3．21，KI为3．0。烃氧化菌培养基成分(g/L):KNO3为1．2，Mg-SO4·7H2O为0．25，KH2PO4为2．1，K2HPO4·3H2O为3．65，NaCl为2．0，微量元素液5mL，pH=7;微量元素溶液(mg/L):MnCl为2．3，NH4Cl为2．0，KNO3为1．2，ZnCl2为4．2，H3BO3为1．5。培养基配置完成后，用纱布和牛皮纸对三角瓶进行包扎封口，置于高温高压蒸汽灭菌锅中121℃灭菌20min。2．3．2土壤样品梯度稀释接种土壤样品梯度稀释接种主要步骤如下(以甲烷氧化菌为例):首先取7个容积为100mL的三角瓶(编号①号至⑦号)，分别加入45mL无菌生理盐水;称取5g土壤样品置入①号三角瓶中，震荡稀释后，①号三角瓶中土壤样品稀释度为1∶10;之后从①号三角瓶中吸取5mL稀释液加入②号三角瓶中，此时②号三角瓶中土壤样品稀释度为1∶100;照此方法进行依次稀释，最终①号至⑦号三角瓶中土壤样品稀释度分别为1∶10、1∶102、1∶103、1∶104、1∶105、1∶106、1∶107。然后用5mL量程的移液枪吸取4．5mL甲烷氧化菌培养基，分别加入到21个(7列，每列3个)容积为10mL的无菌玻璃试管中;再用1mL量程的移3油气指示菌异常分布根据3种油气指示微生物的检测结果和油气微生物菌落数量的分布，结合研究区构造地质、油藏分布范围等特征，讨论油气微生物异常分布与地下油气藏及顶空轻烃之间的对比关系。油气指示微生物数量检测结果如图4、图5、图6所示，图中气泡颜色的深浅及大小与微生物数量成正比，多边形灰色区域为油藏的分布范围。3．1甲烷氧化菌甲烷氧化菌是一类高度专一地利用C1化合物的细菌群体，是为识别石油与天然气聚集体而研究的第一类细菌，甲烷氧化菌对地下油气藏特别是天然气藏具有很好的指示性。由图4中甲烷氧化菌数量的分布情况可知:A剖面上油气藏边界有2个异常高值点，其余异常值大多数分布在油气藏上方。在油气藏范围之外的剖面上，甲烷氧化菌数量较少，在剖面南部有个别高值点;B剖面上甲烷氧化菌高值区主要分布在油气藏上方，相对于A剖面分布较集中。在油藏范围之外剖面东西方向上，微生物数量呈低值。虽然甲烷氧化菌数量高值大多数分布在油气藏上方，但相对较离散，且其计数结果在同一个数量级上，因此甲烷氧化菌指标对下伏油气藏的指 —86—西安石油大学学报(自然科学版)示性并不明显。指示性最好，甲烷氧化菌和烃氧化菌次之。图4甲烷氧化菌数量分布图图6烃氧化菌数量分布图Fig．6Distributionofhydrocarbon-oxidizingbacteriaquantityFig．4Distributionofmethane-oxidizingbacteriaquantity丁烷氧化菌在地表微渗漏轻烃C1—C5气体中，丁烷主要来3．24顶空轻烃指标分析源于油气藏，采用丁烷氧化菌作为研究对象对油气渗漏最有指示性。图5中A、B剖面油气藏上方丁烷氧化菌非常发育，异常高值均集中在油藏上方区域，背景区其数量明显降低，表明丁烷氧化菌对研究区油藏分布有很好的指示作用。顶空(又称顶空气)轻烃是指赋存于地表土壤颗粒孔隙当中及弱吸附于土壤颗粒表面的烃类物质。顶空轻烃指示分析的原理是根据拉乌尔定律，当气、液(固)相平衡时，各组分的蒸气压与其在液(固)相中的浓度及饱和蒸气压成正比。顶空气及其他易挥发组分蒸气压大，在气相中的浓度远大于液(固)相中的浓度。因此，在密封容器中可以不经任何分离处理，土壤样品中的轻烃自然游离出来，直接抽取顶部空间气体注入气相色谱仪分析。测试流程是在野外取地表以下1．5m处土壤样品，迅速装入300mL预先已加入100mL过饱和氯化钠溶液的盐水瓶中，剩余50mL空间(液面平行于瓶体上部刻度线)，立即密封，倒置一定时间(约15d)，经动态平衡后，用微量注射器直接抽取顶部空间气体100μL注入气相色谱仪测定。在研究区，将顶空轻烃作为辅助指标，分析油藏上方地表土壤中是否真实存在烃类异常。顶空气甲烷和C2+含量(C1—C5轻烃总含量)分布如图7所示。由图7可知，A剖面上顶空气甲烷和C2+含量较高，在油藏上方形成顶端异常，B剖面甲烷在油藏上方有较弱的异常显示，C2+基本上无显示。这种分布情况的形成可能是由于油气藏受断裂控制，且断层封堵性良好，因此甲烷和C2+异常在面上呈线状分布。在油气藏上方，顶空轻烃在A剖面上的含量高于B剖面上的含量，这和油气指示菌在A剖面上比B剖面上更为发育的情况类似，说明了地表土壤中油气指示菌数量的高低在一定程度上取决于地下油气藏中轻烃组分向地表垂向渗漏量的大小。图5丁烷氧化菌数量分布图Fig．5Distributionofbutane-oxidizingbacteriaquantity3．3烃氧化菌从图6中烃氧化菌数量的分布情况可知，A剖面上在油藏范围以外出现2个高值点，B剖面在油藏范围之外也出现2个较高值点，其余各高值点集中在油藏上方。油气藏范围以外的个别高值点有可能是样品的随机误差或者实验人为误差，如果多个高值点集中出现，此区域可能是轻烃的渗漏区。因为油气藏轻烃渗漏并不总是沿着垂直方向运移，轻烃扩散运移过程与地质裂缝、断层等各种构造特征紧密相关。整体而言，3种油气指示微生物数量在油藏上方的分布情况类似，说明油气藏上方地表土壤中3种油气指示菌都有发育，呈顶端异常特征。通过实验结果对比分析，研究区丁烷氧化菌对油藏分布的 —87—杨帆等:海安凹陷富安油气区微生物异常分布研究其特定的应用条件和局限性，在应用时应结合地质、化探等手段综合分析，才能更好地发挥其作用。参考文献:［1］DavisJB．Studiesofsoilsamplesfrom“paraffinedirt”bed［J］．AAPGBulletin，1952，36:2186-2188．StrawinskiＲJ．Amicrobiologicalmethodofprospectingforoil［J］．WorldOil，1955(11):104-115．SoliGiorgioG．Geomicrobiologicalprospecting［J］．AAPGBulletin，1954，38:2555-2558．SoliGiorgioG．Microorganismsandgeochemicalmethodsofoilprospecting［J］．AAPGBulletin，1957，41:134-140．StrawinskiＲJ，CoxWB．Microbeslocategasproductioninfieldtest［J］．WorldOil，1959(7):93．HitzmanDO．Comparisonofgeomicrobiologicalprospec-tingmethodsusedbyvariousinvestigators［J］．Develop-mentsinIndustrialMicrobiology，1961，2:33-42．张树政．石油微生物学在中国的发展［M］．北京:科学出版社，1998．阿特拉斯ＲM．石油微生物［M］．北京:石油工业出版社，1991．吴传芝．微生物油气勘探技术及其应用［J］．天然气地球科学，2005，16(1):82-87．WUChuan-zhi．Micobialoilandgasexplorationtechniqueanditsapplication［J］．NaturalGasGeoscience，2005，16(1):82-87．［2］［3］［4］［5］［6］［7］［8］［9］图7顶空气含量分布图Fig．7Distributionofheadspacegascontent顶空轻烃指标表明，在油藏上方地表土壤中确实存在烃类异常，而烃类异常直接引起了土壤中微生物的生长发育，最终在油藏上方形成了油气微生物高值异常分布。［10］袁志华，赵青，王石头，等．大庆卫星油田微生物勘探技术研究［J］．石油学报，2008，29(6):827-831．YUANZhi-hua，ZHAOQing，WANGShi-tou，etal．Micro-bialprospectingtechnologyforoilandgasinsatelliteoil-fieldofDaqingarea［J］．ActaPetroleiSinica，2008，29(6):827-831．［11］梅海，林壬子，梅博文，等．油气微生物检测技术:理论、实践和应用前景［J］．天然气地球科学，2008，19(6):888-892．MEIHai，LINＲen-zi，MEIBo-wen，etal．Microbialoil-gasdetectiontechnologies:theory，practiceandapplicationprospect［J］．NaturalGasGeoscience，2008，19(6):888-892．［12］HansonＲS，HansonTE．Methanotrophicbacteria［J］．MicrobiologicalＲeviews，1996，60(2):439-471．［13］黄秀梨．微生物学实验指导［M］．北京:高等教育出版社，1999．责任编辑:董瑾5认识与结论通过富安区块油气藏上方地表土壤中油气指示微生物数量的异常分布研究，可以得出以下认识和结论:(1)地表土壤中特定微生物的生长发育与下伏油气藏有着密切的关系，通过MPN法能够检测到这类特定微生物，并可判断出其分布情况与油气藏的响应关系。(2)甲烷氧化菌、丁烷氧化菌和烃氧化菌在油藏上方地表土壤中异常发育，均对油气藏分布有良好的指示作用，在本区丁烷氧化菌是最理想的应用指标。(3)作为一种勘探方法，油气微生物技术具有