海安凹陷富安油气区微生物异常分布研究.docx

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 1 Structural map of Haian Sag in Subei Basin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 sykysinopec com 84 西安石油大学学报( 自然科学版)104 t / km2 ，生烃强度为 0 9 106 t / 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6 t，油藏深度约 3 300 m，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 60 cm 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、B 2 个 试 验 剖 面( 图 3) ，A 剖面约 8 7 km，B 剖面约 7 2 km。在野外采样中采用 GPS 卫星定点，采样间距在油气藏上方100 150 m，背 景 区 为 300 500 m。采 用 取 土 钻、刮刀等采样工具在深度 60 cm 处取土壤微生物样品200 g，A、B 2 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 0 m。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 200 m 随机 选 取 2 点 1# 和 2# ，钻 孔 采 集 30cm、60cm、90 cm、1 5 m、2 m 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 oxidizing bacteria，BOB) 和烃氧化菌( hydro-carbon oxidizing bacteria，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 3 Deployment diagram of soil sampling2 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 ( most probable number， 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 2 elationship between microbial quantityand sampling depth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 30 cm 处油气指示微生物数量最高，在地表之下 2 m 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。液枪从号至号三角瓶中分别吸取 0 5 mL 土壤样品稀释液，注入到所对应的无菌玻璃试管中 ( 号对 应 第 1 列， 号 对 应 第 2 列， 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 1 mL 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 1 mL 的 正 丁 烷 气 体; 培 养 烃 氧 化 菌 充 入1 2 mL 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 15 d。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，NH4 Cl 为 0 25，KH2 PO4 为 0 26，K2 HPO4 3H2 O 为0 74，MgSO4 7H2 O 为 1 0，CaCl2 2H2 O 为 0 2，微量元素液 10 mL，pH = 7; 微量元素溶液( mg / L) : Fe-SO4 7H2 O 为 0 4，ZnSO4 7H2 O 为 0 34，CuSO4 5H2 O 为 0 1，MnSO4 为 0 3，NaMoO4 2H2 O 为0 24，H3 BO3 为 0 1。丁烷氧化菌培养基成分 ( g / L) : MnSO4 7H2 O为 1 0，CaCl2 为 0 25，NH4 Cl 为 2 3，( NH4 ) 2 SO4 为1 089，KNO4 为 2 01，NaH2 PO4 为 2 2，微量元素液5 mL，pH = 7。微 量 元 素 溶 液 ( mg / L) : K2 HPO4 为4 5，FeCl3 6H2 O 为 3 0，MnCl2 为 4 31，ZnCl2 为5 2，NiCl 为2 0，NaCl 为2 0，K2 SO4 为 3 21，KI 为3 0。烃氧化菌培养基成分 ( g / L) : KNO3 为 1 2，Mg-SO4 7H2 O 为 0 25，KH2 PO4 为 2 1，K2 HPO4 3H2 O 为 3 65，NaCl 为2 0，微量元素液 5 mL，pH =7; 微 量 元 素 溶 液 ( mg / L ) : MnCl 为 2 3，NH4 Cl 为2 0，KNO3 为 1 2，ZnCl2 为4 2，H3 BO3 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 20 min。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 100 mL 的三角瓶( 编号号 至号) ，分别加入 45 mL 无菌 生 理 盐 水; 称 取 5 g 土壤样品置入号三角瓶中，震荡稀释后，号三角 瓶中土壤样品稀释度为 1 10; 之后从号三角瓶中 吸取 5 mL 稀释液加入号三角瓶中，此时号三角 瓶中土壤样品稀释度为 1 100; 照此方法 进 行 依 次 稀释，最终号至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 5 mL 量程的移液枪吸取 4 5 mL 甲烷氧 化菌培养基，分别加入到 21 个( 7 列，每列 3 个) 容 积为 10 mL 的无菌玻璃试管中; 再用 1 mL 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 6 Distribution of hydrocarbon-oxidizing bacteria quantityFig 4 Distribution of methane-oxidizing bacteria quantity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 5 m 处土壤样 品，迅速装入 300 mL 预先已加入 100 mL 过饱和氯 化钠溶液的盐 水 瓶 中，剩 余 50 mL 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15 d) ，经动态平衡后，用微量注射器直接抽取顶部 空间气体 100 L 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 5 Distribution of butane-oxidizing bacteria quantity3 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:1Davis J B Studies of soil samples from “paraffine dirt”bedJ AAPG Bulletin，1952，36: 2186-2188Strawinski J A microbiological method of prospectingfor oilJ World Oil，1955( 11) : 104-115Soli Giorgio G Geomicrobiological prospectingJ AAPGBulletin，1954，38: 2555-2558Soli Giorgio G Microorganisms and geochemical methodsof oil prospectingJ AAPG Bulletin，1957，41: 134-140Strawinski J，Cox W B Microbes locate gas productionin field testJ World Oil，1959( 7) : 93Hitzman D O Comparison of geomicrobiological prospec-ting methods used by various investigatorsJ Develop-ments in Industrial Microbiology，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 M 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) : 82-87WU Chuan-zhi Micobial oil and gas exploration techniqueand its applicationJ Natural Gas Geoscience，2005，16( 1) : 82-8723456789图 7 顶空气含量分布图Fig 7 Distribution of headspace gas content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