油氣微生物勘探理論與技術研究進展

湯玉平，許科偉，顧 磊，楊 帆，高俊陽，任 春，王國建

(中國石化 石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126)

當代微生物學和分子生物學的迅速發展，為開展微生物與油氣之間的相關性研究提供了技術支持，推動了微生物勘探技術的發展。近年來，油氣微生物勘探技術逐漸被勘探家重視，其理論方法研究和勘查思路方面也有了較大的創新。本文就國內外近幾年油氣微生物勘探進展結合筆者所在課題組的勘探實踐作一簡要評述。

1 油氣微生物檢測技術研究進展

大量的油氣指示微生物可能是難培養微生物，無法通過純培養技術開展研究[1-2]。21世紀以來，分子生態學技術飛速發展，特別是近年來得到廣泛關注的“穩定性同位素核酸探針”(DNA/RNA-SIP)技術，使得研究者能利用該技術原位示蹤較復雜環境下的油氣指示微生物核酸(DNA/RNA)，從分子水平對油氣生成過程中的活性微生物群落演化開展研究，明確鑒別油氣微生物種類，擴充油氣微生物遺傳數據庫，優化微生物勘探精度。目前，有關甲烷氧化菌的DNA/RNA-SIP研究已經相對比較成熟，人們已經能夠準確地提取在甲烷滲漏點原位真實起作用的微生物信息，包括那些不可培養的微生物[3]。有報道表明，在降解輕烴的過程中，細菌種類和數量隨烷烴鏈長增加而線性增加，且整個群落往往呈現專性、兼性和輔助菌并存的狀態[4]。目前僅有美國加州大學Valentine研究小組對其做過較為系統的研究[1-2]。他們通過測定碳、氫穩定同位素的分餾效應，找到了C2—C4在圣芭芭拉海域微滲漏點被微生物好氧降解的地球化學證據，并且估算了其降解程度。為找到更直接的證據，該課題組隨后采用穩定同位素核酸探針，成功檢測到了油氣滲漏點的高活性短鏈烴氧化微生物。在了解原位油氣指示微生物種類之后，可以針對特定的微生物種屬設計引物或探針，只檢測其中1～2種活性較高的關鍵微生物，這樣可以提高實際勘探的準確性和特異性。

1.1 建立分子生物學(免培養)檢測技術

目前油氣微生物勘探技術仍以傳統培養方法為主，即把整個土壤微生物群落視作“黑箱”，通過一段時間的充氣培養后，比較油氣區和背景區之間上述兩類微生物數量和活性的差異，而對油氣微生物在微滲漏原位的生態特征卻知之甚少。油氣微生物，特別是難培養微生物的發育，大概率伴隨有漫長的油氣藏地質歷史過程，因而，自然條件下的油氣藏指示微生物大多長期處于貧營養的狀態，屬于難培養微生物，實驗室內采用平板法和最大概率法均難以準確識別難培養油氣資源指示微生物的變化特征，很可能會嚴重低估其真實的多樣性水平，忽略未培養微生物的貢獻。因此，僅通過研究可培養的烴氧化菌異常來預測下伏油氣藏的存在是不全面、不精確的，需要建立免培養的分子生物學檢測技術。

英國Environgene公司分別在蘭開夏郡和巴倫支海南部進行了分子生物學技術試驗性研究，并申報兩項國際專利；分別選用了甲烷單加氧酶基因和烷烴單加氧酶基因對已知油氣田進行了定量解析，經過歸一化后的油氣基因與油氣藏范圍和生產井位置基本吻合；采用微生物勘探方法在中非裂谷盆地某區塊進行圈閉含油評價，通過檢測地表油氣基因豐度，所得的微生物異常與實際鉆探結果吻合程度很高。中國地質科學院水文地質環境地質研究所在普光氣田利用丁烷氧化基因bomX也取得了較好的指示效果[5]。

筆者所在課題組構建了國際認可的油氣基因定量標準樣(甲烷氧化菌pmoA基因和烴氧化菌alkB基因)，定量檢測樣品中的油氣相關基因的豐度，編制了應用檢測標準，建立了分子生物學檢測技術，應用研究表明效果良好[6-7]。使得不同來源和不同批次的樣品可以相互比較，保證了工業化檢測的穩定性，與培養法共同應用，可大大提高勘探技術的可靠性。

1.2 探索油氣微生物群落解析技術

借助高通量測序及生物信息學技術，可以原位分析地質生態系統的微生物群落發育特征[8-9]，從微生物群落整體的角度表征特定油氣指示微生物的變化，不再局限于單一油氣微生物的研究，而是走向群落及綜合系統的地質微生物研究，是微生物勘探技術的發展趨勢。筆者所在課題組經過攻關，在油氣基因定量的基礎上，采用分子指紋、穩定性同位素探針和高通量測序等一系列先進的分子生物學技術，集成了現代生物學技術的最新成果，初步建立了全新的油氣指示微生物群落解析技術。該技術無需培養，可以準確、全面地診斷出不同樣品間油氣指示微生物群落之間的差別，穩定性和準確性較高，為油氣微生物勘探技術提供了新思路(圖1)。

1.3 構建較為完善的微生物勘探技術體系

在建立高效油氣微生物檢測技術的基礎上，構建了較為完善的微生物勘探技術體系，包括樣品采集、分析檢測、環境校正、綜合解釋等。在中國石化各大油氣田取得了較好的應用效果，完善了我國油氣地球化學勘探技術序列。油氣微生物勘探技術與常規化探、物探、地質等結合使用，可以提高勘探成功率。

1.3.1 微生物與各類指標結合

微生物勘探和傳統油氣化探都是在輕烴垂直微滲漏理論的基礎上發展起來的。其不同在于，微滲漏引起的微生物異常通常表現為頂端異常，且微生物對油氣藏滲漏輕烴的改造及分配有顯著影響。此外，現今的烴滲漏才會引發微生物異常，歷史的烴滲漏則沒有效用[10]。因此，通過微生物勘探發現的油氣滲漏異常，對油氣勘探具有現實意義。而烴類檢測指標則具有較高靈敏度，且可對下伏油氣流體性質進行鑒定[11-12]。張春林等[13]結合微生物和常規化探的優勢，在四川盆地鎮巴區塊長嶺—龍王溝地區開展了研究。宏滲漏微生物及烴檢測異常指標通常呈線狀分布，烴濃度較高，C6+較多，烷烴/烯烴值較高；而微滲漏微生物異常指標則呈散亂分布，烴濃度較低，C6+較少，烷烴/烯烴值較低，有效地識別了烴類微滲漏與宏滲漏區域。此外，油氣勘探中發現油氣異常通常與磁化率異常具有較好的對應關系，而且有些油氣藏上部地層中出現磁性礦物(主要是磁鐵礦和磁黃鐵礦)的聚集，而這些磁性礦物有很大一部分是由趨磁細菌產生的，筆者注意到最近已有研究人員通過趨磁細菌來快速診斷土壤石油烴污染狀況[14]，那么在油氣藏上方的趨磁細菌是否可以作為另一種類型的油氣指示微生物尚有待研究。值得注意的是，地表植被和微量元素也可能是非常好的輔助指標，阿根廷Larriestia微生物勘探公司就做了有益的嘗試[15]，取得了較好的應用效果。

1.3.2 微生物與地球物理結合

微生物勘探是探測油氣微滲漏的有效手段，具有直接、快速、經濟的特點，可以判識下伏有無油氣藏的信息，但不能識別圈閉類型，也不能直接指示油氣儲層深度及儲量。如果要建立深部油藏與地表烴類滲漏和油氣圈閉之間的聯系，就必須依托地球物理技術[16]，如劃定3D地震數據中的烴類遷移路徑。Larriestia公司首次在3D地震中利用氣體煙囪概率體積幫助確定烴類在油田中的生成位置和運移路徑，其原理是通過提取氣煙囪多個地震屬性而生成一個神經網絡。通過這種方式，煙囪概率體積法作為微生物勘探的一個重要補充，能夠幫助解釋人員更好地了解從烴類生成位置開始的整體勘探區間信息[17]。

2 油氣微生物勘探機理研究進展

2.1 初步構建中國石化油氣指示微生物數據庫

除烴類外，微生物生長的周邊環境因素對其發育豐度也有影響，如土壤的濕潤程度、酸堿度、鹽度、營養成分等。如果微生物發育的數量變化是由環境因素導致的，就會引起油氣富集或貧乏的假象。柴達木盆地三湖地區勘探表明，地表沉積物嚴重鹽堿化，滲漏輕烴在多數土壤樣品有發現，卻不發育甲烷氧化菌，導致微生物背景值幾乎為零。因此，在開展相關影響因素研究時，需考慮探區實際環境條件具體分析，確定指導油氣勘探的微生物種群、發育機理和異常模式，以完善油氣微生物勘探技術。

圖1 油氣勘探微生物分子生物學檢測技術框架Fig.1 Technical framework for molecular biology detection of microorganisms in oil and gas exploration

目前已完成了多個典型油氣田(勝利油田、長嶺油氣田、江蘇油田、江漢油田、春光油田、玉北油田、杭錦旗氣田、鎮涇油田、普光氣田、南陽油田、北部灣油田等)的野外調查和取樣工作。采集了油田區、油氣田區和氣田區的樣品，利用微生物高通量群落解析技術，深度分析了油氣微生物類群分布特征，為區分下伏油氣屬性奠定了基礎；采集了不同地理位置的油氣田區的地表樣品，包括東北平原區、華北平原區、西北黃土區和沙漠區、南方地區及濱海、河湖邊岸地區，為研究環境因素對油氣指示菌發育的作用、確定取樣深度等奠定了基礎；分別采集油氣田區、干井區和背景區的樣品，為油氣微生物勘探參考體系的建立提供支撐。數據庫中同時配套對應的指示菌數量范圍、地表環境參數(包括地表溫度、樣品濕度、顏色、巖性、pH值、有機含量和地表植被等)、最佳采樣深度、地質背景條件等關鍵信息。在此基礎上，初步構建了中國石化油氣指示微生物數據庫。

2.2 初步明晰高頻油、氣指示菌種

對各大含油氣盆地的典型油氣藏上方土壤中的甲烷氧化菌和丁烷氧化菌數量進行統計，結果顯示不同環境中油氣微生物豐度差異顯著(圖2)。與油氣化探指標呈現西高東低的規律不同，油氣指示微生物豐度與地表環境的關系非常密切。春光油田和玉北井區均為沙漠區或沙漠化區，其微生物值比其他油田普遍低1～2個數量級。而江蘇、南陽、江漢等區塊由于遍布農田等濕度和有機質濃度較高的生境，故其微生物值普遍較高。由此可見，水分和有機質等非烴生態因子在一定程度上也能影響油氣指示微生物的生長發育，在實際勘探樣品采集時應盡量避免使非烴生態因子成為限制性生態因子。如不能避免，應盡量采集同一生境的勘探樣品。

結合高通量測序技術和傳統分離篩選方法初步獲取了油氣指示微生物菌種類型數據庫。數據庫中除包含己知具有C2—C4烴降解能力的棒桿菌(Corynebacteria)、諾卡氏菌(Nocardia)、分支桿菌(Mycobacterium)、紅球菌屬(Rhodococcus)、假單胞菌(Pseudomonas)和具有甲烷降解能力的甲基單胞菌(Methylomonas)、甲基球菌屬(Methylococcus)、甲基桿菌屬(Methylobacter)、甲基微菌(Methylomicrobium)、甲基彎曲菌屬(Methylosinus)和甲基孢囊菌屬(Methylocystis)之外，還新發現40株具有油氣指示意義的菌株，如偽諾卡氏菌(Pseudonocardia)、紅螺菌屬(Rhodospirillum)、紅弧菌屬(Rhodovibrio)、鏈霉菌(Streptomyces)、產黃桿菌屬(Rhodanobacter)等。針對數據庫中所涉及的指示微生物菌種及其相對豐度，采用數學模型的方法對不同樣點進行了綜合打分，分別計算油總指數和氣總指數，對不同地區典型油氣藏進行評價，發現識別效果非常明顯。其中8株典型油氣指示微生物菌被國家微生物保藏中心收藏。

圖2 典型油氣藏上方土壤中的甲烷氧化菌、丁烷氧化菌及化探豐度場分布特征Fig.2 Distribution characteristics of methane oxidizing bacteria, butane oxidizing bacteria and geochemical abundance field in soil above typical oil and gas reservoirs

對以含氣為主的普光氣田和以含油為主的春光油田典型油氣藏上方的土壤樣品進行丁烷氧化菌的培養、分離和純化，然后通過16SrRNA測序分析，利用BLAST軟件將所測得的序列與GenBank數據庫中已登錄的序列進行同源性比較分析，利用生物信息學等方法分析典型油氣藏上方土壤中油氣指示菌的物種豐度和相對組成特征。發現不同地質背景、不同地理地貌條件下，不同含油氣區的主要油氣指示菌種類具有一定程度的差異。經過十幾個油氣區油氣指示菌的統計分析，發現其中的高頻油指示菌和高頻氣指示菌可以作為通用種屬進行油氣藏預測。其中，高頻油指示菌(AMNR族)為：節桿菌(Arthrobacter)、分枝桿菌、諾卡氏菌和紅螺菌；而高頻氣指示菌為：甲基球菌、甲基桿菌和甲基孢囊菌。

2.3 人工模擬明確微生物與烴類響應關系

研制了烴類長期馴化的微生物模擬裝置，開展了持續三年的人工模擬實驗研究，通過長期(30個月)觀測烴類誘導下的微生物數量和群落變化[18]及對應的烴類濃度、組成和穩定性同位素數據，發現甲烷氧化菌和丁烷氧化菌分別對氣和油有明確并且不同的響應曲線(第9～12個月后穩定)，停止供烴后(吹脫)，油氣微生物數量緩慢回落至較低水平(第8～10個月后)，印證了微生物與烴類的響應關系(圖3)。發現的油氣指示關鍵種屬甲基球菌、甲基孢囊菌、紅螺菌、諾卡式菌等在實際油氣藏上方都有發現，并且都是高頻菌種，表明理論上利用微生物指示菌判識油氣是有效的。

3 國內外微生物勘探應用研究進展

近幾年，多家機構先后在準噶爾盆地、塔里木盆地、柴達木盆地、四川盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地、南海等區塊進行了生產應用，取得了較好的效果[19-31]。目前微生物勘探技術已成為石油地質和地球物理技術的一項重要輔助技術，在常規以及非常規油氣藏勘探方面均有報道(表1)。

在頁巖氣勘探中，原生頁巖氣藏較高的異常壓力、氣藏的隱蔽特性、頁巖孔隙與微裂縫發育和氣藏富集程度成正相關等有利成藏特點，均有助于發揮油氣微生物勘探的優勢，準確表征頁巖氣富集規律，圈定有利目標區，降低勘探風險[19]。目前美國、加拿大、中國等相關研究機構已進行了初步的試驗性研究[32-33]。

圖3 人工模擬條件下油氣微生物變化特征Fig.3 Characteristics of oil and gas microbial changes under artificial simulation conditions

表1 近期國內外油氣微生物勘探應用概況Table 1 Overview of recent oil and gas microbial exploration applications at home and abroad

在天然氣水合物勘查方面，中國青藏高原凍土帶自然地理條件極其惡劣，常規地球物理勘察手段難度大、成本高，亟需結合實際條件采用更加便捷、可靠、經濟的新技術，以推進該地區天然氣水合物勘探。在青海木里天然氣水合物試驗調查中，選用甲烷氧化菌、丁烷氧化菌和酸解烴相結合的地球化學檢測手段，取得了較好的勘查效果，為凍土帶水合物資源探尋指明了新的方向[34]。在海洋天然氣水合物勘查方面，既往研究表明，在含有天然氣水合物的沉積物中，豐富的碳源為微生物發育提供了豐沛的養分，微生物豐度與甲烷濃度變化存在密切聯系。太平洋東海岸秘魯和喀斯喀特外海含有天然氣水合物的站位的微生物豐度研究發現，表層古菌占比高于不含天然氣水合物的站位。這可能是由于水合物穩定帶下伏的甲烷或碳氫化合物流體上升，為表層古菌提供了充足的營養物質和氧化劑，從而增大了古菌豐度[35]。南海東沙海域水合物調查區研究[36-37]也發現，冷泉沉積物微生物豐度與甲烷濃度存在正相關，這與前述研究高度吻合。

非構造圈閉識別是非構造油氣藏勘探的難點。以柴達木盆地三湖地區為例，生物氣勘探長期以來著眼于構造氣藏[38]。2008年，臺南9井、臺南10井、澀34井喜獲工業氣流，顯示該地區巖性氣藏勘探具有良好前景[20]。盎億泰公司在三湖坳陷開展了微生物勘探試驗，分析土壤中的甲烷氧化菌[39]。長江大學袁志華等[40]通過在柴北緣馬10井區進行油氣微生物勘探，展示該地區有一定的含氣遠景。中國地質科學院水文地質環境地質研究所聯合應用連續電磁剖面法和微生物基因定量技術，在研究程度較低的蘇干湖盆地油氣勘查得到了重要發現，油氣藏發現潛力巨大[21]。

微生物數據的地質解釋上，長江大學基于“取之于油田，用之于油田”的思想，利用現有地質、地震、測井和鉆井測試等資料，以及專性微生物分析結果，進行精確厘定。建立了較為完備的油氣微生物異常區分級評價體系——PI(Potential Index)指標體系，即綜合了油藏或天然氣異常區的異常最大值、異常平均值、異常區面積、異常區形態及與構造的相互關系，在已有探井等基本資料的情況下還包括儲層深度和開采情況等因素，將這些不同參數經過復雜的數學模型處理得出指標。PI值越高的異常區，表明其油氣前景越好。在實際運用時，根據PI值對異常區進行歸類，如A，B，C，D等，在渤海灣盆地惠民凹陷陽信洼陷地區的微生物勘探中取得了良好的效果[41]。對油氣微生物勘探解釋模型進行了有益嘗試，即利用石油地質資料、地震數據、微生物異常數據和輕烴分析資料，運用Petrel建模軟件，通過地質建模、計算機圖形處理技術與地質統計學方法，設計并探索油氣微生物勘探解釋模型[42]。此外，美國環境生物技術公司(EBT)也形成了一套運用地質統計分析得出鉆井成功概率的微生物勘探成果地質解譯方法，在南美地區取得了良好的應用效果。

筆者所在課題組近年來在蘇北、渤海灣、松遼、江漢、塔里木、準噶爾、柴達木、四川和鄂爾多斯等多個含油氣盆地持續開展了大量的應用研究工作。

3.1 準噶爾西北緣某區塊油氣微生物勘探

該區塊位于準噶爾盆地西北緣車排子凸起上，區域構造上位于準噶爾盆地西部隆起區東部，是一個具有多層系、多圈閉類型和多油品的復式油氣聚集區。研究區為荒漠—沙漠環境，干燥、缺少植被的地表環境使得土壤中微生物豐度普遍較低。根據實驗檢測結果，并對比不同環境下微生物數量的變化趨勢，在數據統計的基礎上，將荒漠—沙漠環境下的微生物異常值分為3個等級：大于50為高值異常區；介于30～50為異常區；低于30為背景區。

研究區西南部分布有古近系、白堊系和侏羅系3套儲層，其中T33，T67井為投產油井。圖4為該區塊西南部甲烷氧化菌異常分布圖(其中a圖為無錫石油地質研究所成果，b圖為EBT公司成果)。可以看出，甲烷氧化菌異常高值區分布集中，在油氣藏上方顯示出頂端異常模式。其中在T33井區到T67井區形成了高值異常區，該區新近系沙灣組和侏羅系巖性油氣藏分布較廣，且為輕質油，表明甲烷氧化菌對油藏分布有很好的指示意義。微生物異常與地球物理資料能很好地吻合，與井位分布對應關系良好，后續鉆探油氣井(T130，T67-3)均分布于微生物異常范圍內。

3.2 順北重點探區有利區預測

順北地區是沙雅隆起的外延部分，該區奧陶系具有和塔河油田南部托甫臺—躍參區塊相似的成藏地質背景，碳酸鹽巖縫洞型儲層發育。西部阿瓦提—阿滿過渡帶寒武—奧陶系烴源巖發育，經歷了多次生排烴過程，鄰區托甫臺—躍參區塊鉆井在奧陶系獲工業油氣流，已形成產能建設陣地。目前已探明的多個油氣富集區，都是沿大型斷裂帶分布。特別是從深層寒武系延伸到奧陶系的深大斷裂，控藏特征非常明顯。

采用微生物勘探技術對順北重點區塊所采集的樣品進行檢測，基于鄰區和類比區建立的正演模型，依據微生物異常和油氣屬性判識，結合石油地質、地球物理、地球化學資料，開展油氣富集區預測研究。結果顯示，在順北1斷裂構造帶上方呈現出強烈異常，與鉆探結果具有較好的對應關系，表明建立的模型可以用于預測。具體表現為斷裂帶和非斷裂帶上方具有差異性，斷裂交會處化探異常強。以此為模型，進一步針對臨區4號巖溶圈閉進行含油氣性評價，結果顯示順北3號斷裂構造帶上方異常明顯，具有良好的勘探前景(圖5)。后續鉆探的順北3井在該異常中心區獲高產工業油氣流，驗證了微生物技術在超深層斷溶油氣藏勘探領域的有效性。在順8井北三維區開展了微生物地球化學勘探，在圈定的微生物明顯異常內，后續鉆探順北7、順北71X井均獲高產油氣流。

圖4 準噶爾西北緣某區塊甲烷氧化菌異常分布Fig.4 Distribution of methane oxidizing bacteria anomalies in a block on the NW margin of Junggar Basin

圖5 塔里木盆地順北油田順北1井區微生物異常分布Fig.5 Distribution of microbial anomalies in Shunbei 1 well area of Shunbei Oil Field, Tarim Basin

4 結論與展望

近年來隨著現代微生物學的快速發展，油氣微生物檢測技術和機理及應用研究同步取得明顯進展。開展了油氣指示微生物數量、群落結構、群落演替規律和類群分布的相關性研究，建立了分子生物學技術和群落解析技術。針對不同油氣藏類型、不同地理條件的油氣區樣品，初步構建了我國典型含油氣盆地油氣指示菌數據庫，發現了高頻油氣指示菌。人工模擬結果表明，不同烴類組分馴化下微生物及群落結構出現明顯差異性和響應關系，提供了微生物勘探技術的理論依據。應用研究表明，在各種不同類型油氣藏上方微生物異常都能很好地體現出油氣藏的“生理體征”，顯示出良好的應用前景。

為了完善油氣微生物勘探技術，本文認為在以下方面值得進一步探索和研究：

(1)開展我國油氣微生物指示菌種數據庫的建設與應用研究；

(2)制定油氣微生物勘探技術的標準(規范、標準樣)；

(3)開展微生物群落(屬、種)演替規律及相關性研究，建立完善的油氣微生物群落解析技術；

(4)加強油氣微生物干擾因素研究，建立不同地區與條件干擾因素評估手冊；

(5)開展模擬實驗研究，建立實驗室長期觀測機制，完善油氣微生物勘探機理；

(6)開展分子生物學快速檢測技術研發，進一步開展活性檢測技術完善與應用；

(7)開展復雜地區尤其沙漠、戈壁區等的樣品采集與檢測技術研發；

(8)探索頁巖氣甜點區的預測與評價技術；

(9)加強地質、物探、常規化探與微生物的結合分析，探索綜合解釋模型與評價技術。