微生物油氣勘探的應用現狀及發展

馬健生

中國地質調查局沈陽地質調查中心（沈陽地質礦產研究所），遼寧沈陽110032

微生物油氣勘探的應用現狀及發展

馬健生

中國地質調查局沈陽地質調查中心（沈陽地質礦產研究所），遼寧沈陽110032

微生物油氣勘探（MPOG）是利用地表土壤中專屬性微生物的生理生化特性對油氣表征的異常進行油氣勘探的一門綜合性應用技術，目前國內外均有利用此種方法成功圈定異常區獲得油氣發現的實例，證明利用微生物技術進行油氣勘探可以作為一種常規手段來應用.本文主要概述了微生物油氣勘探的原理、技術方法、以及相關研究現狀及發展方向.

微生物；油氣勘探；MPOG；土壤；分子生物學

0 引言

常規的油氣勘探主要是根據大地電磁、地震波等地球物理方面的方法進行勘探，進而圈定含油氣遠景區，這種方法優點在于能夠相對準確地找到油氣成藏區域，然而其對設備、人員以及對圖譜的解析都有著較高的要求.因此現在國內外在進行油氣勘探時，同時使用一些化探方法來輔助進行油氣勘探，從而提高勘探的準確性.油氣化探理論基本是輕烴微滲漏理論，認為油氣藏的輕烴在運移過程中的方向是垂直向上的，其地表檢測的指標主要分為兩類：一類以地下儲層的滲漏上浮烴類檢測為主的直接指標，通常包括酸解烴、熱釋烴、芳烴衍生物及稠環芳烴等指標；另一類是近地表由于受到來自地下滲漏烴類影響其環境介質中化學成分、生物種群等發生相對變化的間接指標，比如蝕變碳酸鹽（ΔC）、專屬性微生物等［1］.本文主要概述利用微生物進行油氣勘探的技術方法、原理及特點，以及在國內外的發展情況及展望.

1 概念及發展歷史

油氣微生物勘探技術是地表化探法的一個分支，主要研究近地表土壤層中微生物異常與地下深部油氣藏的相關性.在現代勘探法中，油氣微生物勘探技術能為初期勘探提供廉價有效的方法和指示，能預測有利勘探區塊以降低勘探風險［2］.油氣微生物勘探技術源于蘇聯，早在20世紀30年代，蘇聯研究者就提出利用近地表土壤中烴氧化菌進行油氣勘探的設想.20世紀40年代美國從地表土壤樣品中分離出烴氧化菌并將其作為地下油氣藏的指示菌.50年代，美國Phillips石油公司利用丁烷氧化菌的高抗丁醇的特性來探測烴微滲現象，發明了微生物石油勘查技術（MOST，Microbial Oil Survey Technique）.與此同時，德國亦開發了一項新型的地表勘探技術——油氣微生物勘探技術（MPOG，MicrobialProspectionforOilandGas），并一直應用至今［3］.到20世紀90年代末期，MPOG技術進入成熟階段，形成了現代油氣微生物勘探技術系統.微生物油氣勘探技術同油氣化探其他技術一樣在我國的發展并不順利，起步較晚，20世紀50年代初我國才進行試驗性研究，中間一度還停滯了幾十年，近些年隨著油氣化探又重新受到重視，對此項技術又開展了進一步的研究工作［4］.

2 技術原理

國內外很多地球化學家們經常在土壤氣和土壤中檢測到輕烴異常，大多數情況下這種異常都直接位于含油氣沉積物上方.實際調查也顯示在異常區內約有79%的井鉆遇到可采油氣藏，同時碳同位素研究也為輕烴的垂直運移提供了強有力的支持.Jones和Drozd于1983年論證了地表土壤中微滲烴與下伏沉積物中的熱成因烴類在化學組成上具有良好的相關性.在此基礎上，地球化學家們提出并論證了由微裂隙水驅使微氣泡上升的垂直運移機制——“上浮的微泡”.地下油氣層中的烴類物質在濃度及壓力的作用下向地表運移，從而使在地表的某些特定微生物種群數量表現出異常，據此判斷該地區是否含有油氣藏［5-7］.

烴氧化菌與其他所有類型的細菌一樣，分布于全世界.只要下伏地層存在烴類聚集，在地表土壤中就會有此類專屬微生物大量繁殖.但這種專屬性有可能使細菌根據其自身的生物化學特性而以不同的群體分布出現.從微生物勘探的研究角度來看，有兩類細菌是最基本的，即甲烷氧化菌和短鏈烴氧化菌.甲烷氧化菌也是烴氧化菌群體之一，但它是一個選擇性地利用化合物的細菌群體.甲烷氧化菌不能夠消耗葡萄糖或短鏈烴，因此，甲烷氧化菌就與包括所有利用甲烷、甲醛和其他一些化合物的細菌和酵母菌形成了甲基類營養菌的種群.由于這種細菌的高度專屬性，故可以將甲烷氧化菌從其他細菌中分離出來并加以分析.短鏈烴氧化菌利用短鏈烴作為碳源，它們能大量利用短鏈烴如乙烷、丙烷、丁烷等，但不能夠代謝甲烷.對這些高度專屬性細菌的成功分離可為判別土壤中是否存在甲烷及短鏈輕烴提供依據.研究發現，甲烷氧化菌、丁烷氧化菌、專性烴氧化菌、硫酸鹽還原菌等在油氣田上方表現出較為明顯的頂端異常特征，其中甲烷氧化菌、丁烷氧化菌等表現出明顯的頂端異常，專性烴氧化菌在氣田上方顯示稍弱，甲烷氧化菌在油田上方顯示稍弱，專性氧化菌和丁烷氧化菌在油田上方表現出明顯異常.油田與氣田地表土壤中特異性微生物的不同異常表現也表明在油氣勘探中要注意指標的選擇［1］.

3 應用方法

培養測定法操作流程，首先選取一定重量的土壤樣品，按適當比例進行混合，然后在礦物介質中進行懸浮，并經過震動器加以沖洗，最后，通過系列稀釋法將每個樣品用選擇性的生長營養液稀釋，并分別注入甲烷和丙烷/丁烷氣體后再放入30℃的生化培養箱中恒溫培養12～14天.只有那些能在短期內以提供的烴源為食料的專性甲烷氧化菌或烴氧化菌，才能生長并消耗掉一定量的輕烴氣.在上述流程的每一階段，均可劃分出7個不同的微生物活性判別參數，這些參數可用在培養后測量甲烷及輕烴氣的消耗量.生化活性參數可運用氣相色譜和壓力測量計算出加入烴類的消耗量（甲烷和丙烷/丁烷），或者確定甲烷氧化菌或烴氧化菌生成CO2的速率.綜合生化活性參數和顯微鏡鑒定結果以及每克土壤樣品中的細胞數目，可計算出甲烷（氣指示）和輕烴（油指示）的測量單元，進而確定油氣異常區域［8］.上述方法主要是由德國的Wagner博士［9］所發明.然而這種方法存在一些問題：細菌具有極強的環境適應能力，某些非烴氧化菌可能經過烴類氣體的馴化而生長，從而導致檢測的偏差.美國的Hitzman博士［10］使用了對于非烴氧化菌具有毒害作用的醇類作為碳源進行烴氧化菌的選擇性培養，可以克服微生物被馴化生長的干擾，獲得更為可靠的結果.此外，有專家也提出采用原位采集的環境樣品從微生物的群落角度分析其組成和變化規律，能夠更接近地反映實際油氣藏的情況［11］.

培養法面臨一個問題就是，目前人類可以用人工培養基培養的微生物僅占所有微生物的10%左右，因此很有可能具有油氣資源指示作用的微生物并無法被人工培養.然而隨著分子生物學的發展，應用分子生物學技術來解決這項問題逐漸成為人們的研究熱點.甲烷氧化菌是最常用的油氣指示菌種.湯玉平等［11］利用甲烷氧化菌中的pmoA基因，采用限制性片段多樣性分析（T-RLFP）、聚合酶鏈式反應（PCR）等對勝利油田典型油氣藏上方的指示微生物群落進行了精確的識別和解析，研究結果表明甲烷氧化菌的pmoA基因的豐度在油氣藏上方的異常可以用于預測下伏油氣藏的存在.滿鵬等［12］利用PCE-DGGE和克隆測序等分子生物學技術對未開發的油氣田和非油氣田區域不同深度土壤微生物分布進行了研究，目的在于尋找潛在油氣藏指示菌.結果表明：甲基孢囊菌可作為氣田指示菌，食烷菌和噬甲基菌可作為潛在的油田指示菌，但仍需進一步大范圍試驗驗證.楊旭等［13］以勝利油田沾化凹陷某油田內油區、氣區和背景區上方近地表為例，構建了甲烷氧化菌的pmoA的克隆文庫，探討甲烷氧化菌群落結構與地下油氣藏的關系，結果表明：Ia型甲烷氧化菌在各區域分布差別不明顯，Ib型甲烷氧化菌在油氣區的豐度較高，而Ⅱ型甲烷氧化菌在背景區的豐度遠遠高于油氣區.由此可知，在地質歷史時期的持續輕烴供應下，長期的油氣微滲漏環境可能會促使微生物群落結構產生差異，Ⅱ型到I型甲烷氧化菌緩慢地演替.

4 國內外應用實例

4.1 國內應用實例及分析

國內利用微生物油氣勘探技術在部分盆地油氣田都開展過試驗性研究.在已開發的油氣田中，袁志華等［14］在大慶升平油田利用MPOG技術進行了油氣勘探，通過結合當地的區域地質背景、測井、鉆井等資料對微生物異常區進行了分析研究，部署了2口建議評價井，結果證實2口井的含油氣性與微生物異常性均相吻合，驗證了微生物勘探技術在油田區應用的可行性.苗成浩等［15］在大慶宋芳屯油氣區進行的研究油異常值頻率分布特征其微生物油氣異常值大于30的樣品數共21個，占總樣品數17.4%；油異常值在25～30的樣品數為23個，占總樣品數19%；而屬于背景值區（小于25）的樣品數為77個，占樣品總數的63.6%.鉆井驗證結果表明，芳23－1井、芳23－6井及F26井均位于異常值較強烈的區域，其含油氣情況與微生物異常相吻合，反證了該技術的實用性.通過這次宋芳屯地區的油氣微生物勘探，其微生物異常是比較明顯的，體現了MPOG的優點：可勘探規模相對較小的、非構造型油氣藏.另外袁志華等［16］還研究了利用微生物油氣勘探方法勘探氣田，在阿拉新氣田東部的湯池構造地區以微生物異常為基礎，對異常區域進行了分析研究.

顏承志等［17］利用MOST技術在珠江口盆地白云凹陷深水區首次應用了微生物勘探技術，通過微生物勘探異常與相應地震、鉆井、測井等資料相結合，對有利圈閉區進行了含油氣性評價.應用實踐表明，在白云凹陷深水區采用微生物勘探技術與常規勘探技術相結合的綜合勘探新模式，能夠較好地預測有利圈閉的含油氣性.中海油在瓊東南盆地深水區陵水凹陷也應用MOST技術進行了圈閉的含油氣預測，以南部已證實的含氣構造為正演模型，對研究區的微生物異常值進行了劃分，總結出了該研究區含油氣構造的微生物異常值分布特征，據此預測相鄰待鉆構造的含油氣性，并以土壤吸附烴分析為輔助手段預測待鉆構造的油氣性質為干氣.該構造的預測結果與實鉆結果相吻合，證實了微生物地球化學勘探技術在瓊東南盆地深水區勘探目標烴類檢測方面具有較高的可行性［18］.此外，MOST技術還在天然氣水合物、致密氣及頁巖氣等非常規油氣勘探方面開展過先導性實驗工作，取得了豐富的成果，表現出廣闊的應用前景.

4.2 國外應用實例及分析

1991～1992年玻利維亞石油礦藏管理局和美國地質微生物技術公司合作，在玻利維亞安第斯子區進行了地表微生物勘探和地球物理測量綜合研究，專門對近地表微生物的分布特征與地震探明構造分布區之間的空間關系進行的研究發現，在數個地震探明構造上方，存在微生物高值異常.根據構造的規模及其上方微生物異常強度，對地震探明構造進行了評價.開拉斯科與卡塔里2個構造微生物異常最為明顯，因此被預測為含油氣構造，后來在這2個構造中成功地鉆獲了油氣［19］.

1995年，美國德克薩斯艾倫堡構造區進行的地震帶勘探結果顯示這一地區為一級含油氣遠景，然而在布鉆開采后產油量很低3年累計產油量只有340桶，同年底在該構造及其附近區域進行了地表微生物測量，發現構造上方只存在微生物低值異常，而在構造南部1英里（1.6km）處的構造槽地區出現了大面積的微生物高值異常.在構造槽地區的微生物高值異常區內布了一口井，獲得5×105立方英尺每天（1.4×104m3/d）的產氣量和5桶每天的產油量.在該異常區內打的另一口井獲得1×106立方英尺每天（2.8×104m3/d）的產氣量.并最終在構造帶的微生物異常區建立了Park Springs油氣田［20］.

Mohammed Abdul Rasheed等［21］在印度Bikaner-Nagaur盆地區應用了微生物勘探技術，通過富集在這一地區地表土壤中的以正戊烷和正己烷為能源供給的專性細菌為研究對象，通過計數這兩種專性微生物的菌落數量對這一地區含油氣性區域進行預測，研究結果顯示在Bikaner-Nagaur盆地地區有4塊異常區，結果表明應用微生物油氣勘探技術是一種簡單而且廉價的油氣勘探方法，能夠在研究區域內起到積極的作用. Wagner等［19］應用微生物勘探技術一共研究了17個油氣區，研究結果表明成功有效的比例達到了90%.

5 研究前景及展望

世界范圍內油氣資源的受重視程度不言而喻，隨著全球油氣資源的逐漸消耗，使得各個國家在油氣勘探方面投入更大的資金和技術.微生物油氣勘探技術作為油氣化探的一種有效手段，發展勢頭極為迅速，其以適用范圍廣、成本低、可直接查明和區分油藏和氣藏等優勢而具有廣闊的應用前景.雖然目前石油界對于油氣微滲漏理論還有些爭議，但是許多國內外實際應用的例子都證實了輕烴垂直向上滲漏的客觀事實，證明了微生物油氣勘探技術能夠作為一種油氣勘探的常規輔助手段來提高勘探的準確性，減小前期勘探的風險.

隨著科技水平的提高，對于生物本身更深入的認識，在分子生物學水平上進行研究將是微生物與油氣勘探相結合這方面技術的主要研究方向.通過基因片段特性來確定異常區，從而能夠排除復雜環境介質及生物某些特性所帶來的錯誤信息，為微生物油氣勘探取得更準確的評價提供堅實的理論基礎.總的來說，微生物勘探法是一種簡單、高效的油氣勘探方法，通過常規手段進行油氣勘探的同時采用這種方法，綜合所獲取的各種資料信息能夠進一步提高對含油氣遠景區的預測與評價.

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APPLICATION STATUS AND DEVELOPMENT OF THE MICROBIAL PROSPECTION FOR OIL AND GAS

MA Jian-sheng
Shenyang Institute of geology and Mineral Resources，CGS，Shenyang 110032，China

Microbial prospection for oil and gas（MPOG）is a comprehensive application to find the anomaly by the physiological and biochemical characteristics of the specific microorganisms in the surface soil.Up to now，both China and abroad have seen the successful examples to delineate abnormal areas with this method，showing that MPOG can be used as the conventional means to prospect oil and gas.This paper mainly summarizes the principles，technical methods，as well as the research status and developing direction of MPOG.

microbiology；oil and gas exploration；MPOG；soil；molecule biology

1671-1947（2016）03-0287-04

TE132.1；P618.13

A

2015－08－27；

2016-03-01.編輯：李蘭英.

馬健生（1983—），男，碩士，工程師，主要從事有機地球化學研究工作，通信地址遼寧省沈陽市皇姑區北陵大街26號甲3，E-mail// mjs1015@163.com