馬健生

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心（沈陽(yáng)地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），遼寧沈陽(yáng)110032

微生物油氣勘探的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展

馬健生

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心（沈陽(yáng)地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），遼寧沈陽(yáng)110032

微生物油氣勘探（MPOG）是利用地表土壤中專(zhuān)屬性微生物的生理生化特性對(duì)油氣表征的異常進(jìn)行油氣勘探的一門(mén)綜合性應(yīng)用技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外均有利用此種方法成功圈定異常區(qū)獲得油氣發(fā)現(xiàn)的實(shí)例，證明利用微生物技術(shù)進(jìn)行油氣勘探可以作為一種常規(guī)手段來(lái)應(yīng)用.本文主要概述了微生物油氣勘探的原理、技術(shù)方法、以及相關(guān)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向.

微生物；油氣勘探；MPOG；土壤；分子生物學(xué)

0 引言

常規(guī)的油氣勘探主要是根據(jù)大地電磁、地震波等地球物理方面的方法進(jìn)行勘探，進(jìn)而圈定含油氣遠(yuǎn)景區(qū)，這種方法優(yōu)點(diǎn)在于能夠相對(duì)準(zhǔn)確地找到油氣成藏區(qū)域，然而其對(duì)設(shè)備、人員以及對(duì)圖譜的解析都有著較高的要求.因此現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外在進(jìn)行油氣勘探時(shí)，同時(shí)使用一些化探方法來(lái)輔助進(jìn)行油氣勘探，從而提高勘探的準(zhǔn)確性.油氣化探理論基本是輕烴微滲漏理論，認(rèn)為油氣藏的輕烴在運(yùn)移過(guò)程中的方向是垂直向上的，其地表檢測(cè)的指標(biāo)主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)以地下儲(chǔ)層的滲漏上浮烴類(lèi)檢測(cè)為主的直接指標(biāo)，通常包括酸解烴、熱釋烴、芳烴衍生物及稠環(huán)芳烴等指標(biāo)；另一類(lèi)是近地表由于受到來(lái)自地下滲漏烴類(lèi)影響其環(huán)境介質(zhì)中化學(xué)成分、生物種群等發(fā)生相對(duì)變化的間接指標(biāo)，比如蝕變碳酸鹽（ΔC）、專(zhuān)屬性微生物等［1］.本文主要概述利用微生物進(jìn)行油氣勘探的技術(shù)方法、原理及特點(diǎn)，以及在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況及展望.

1 概念及發(fā)展歷史

油氣微生物勘探技術(shù)是地表化探法的一個(gè)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(guān)性.在現(xiàn)代勘探法中，油氣微生物勘探技術(shù)能為初期勘探提供廉價(jià)有效的方法和指示，能預(yù)測(cè)有利勘探區(qū)塊以降低勘探風(fēng)險(xiǎn)［2］.油氣微生物勘探技術(shù)源于蘇聯(lián)，早在20世紀(jì)30年代，蘇聯(lián)研究者就提出利用近地表土壤中烴氧化菌進(jìn)行油氣勘探的設(shè)想.20世紀(jì)40年代美國(guó)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(guó)Phillips石油公司利用丁烷氧化菌的高抗丁醇的特性來(lái)探測(cè)烴微滲現(xiàn)象，發(fā)明了微生物石油勘查技術(shù)（MOST，Microbial Oil Survey Technique）.與此同時(shí)，德國(guó)亦開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新型的地表勘探技術(shù)——油氣微生物勘探技術(shù)（MPOG，MicrobialProspectionforOilandGas），并一直應(yīng)用至今［3］.到20世紀(jì)90年代末期，MPOG技術(shù)進(jìn)入成熟階段，形成了現(xiàn)代油氣微生物勘探技術(shù)系統(tǒng).微生物油氣勘探技術(shù)同油氣化探其他技術(shù)一樣在我國(guó)的發(fā)展并不順利，起步較晚，20世紀(jì)50年代初我國(guó)才進(jìn)行試驗(yàn)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(duì)此項(xiàng)技術(shù)又開(kāi)展了進(jìn)一步的研究工作［4］.

2 技術(shù)原理

國(guó)內(nèi)外很多地球化學(xué)家們經(jīng)常在土壤氣和土壤中檢測(cè)到輕烴異常，大多數(shù)情況下這種異常都直接位于含油氣沉積物上方.實(shí)際調(diào)查也顯示在異常區(qū)內(nèi)約有79%的井鉆遇到可采油氣藏，同時(shí)碳同位素研究也為輕烴的垂直運(yùn)移提供了強(qiáng)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(lèi)在化學(xué)組成上具有良好的相關(guān)性.在此基礎(chǔ)上，地球化學(xué)家們提出并論證了由微裂隙水驅(qū)使微氣泡上升的垂直運(yùn)移機(jī)制——“上浮的微泡”.地下油氣層中的烴類(lèi)物質(zhì)在濃度及壓力的作用下向地表運(yùn)移，從而使在地表的某些特定微生物種群數(shù)量表現(xiàn)出異常，據(jù)此判斷該地區(qū)是否含有油氣藏［5-7］.

烴氧化菌與其他所有類(lèi)型的細(xì)菌一樣，分布于全世界.只要下伏地層存在烴類(lèi)聚集，在地表土壤中就會(huì)有此類(lèi)專(zhuān)屬微生物大量繁殖.但這種專(zhuān)屬性有可能使細(xì)菌根據(jù)其自身的生物化學(xué)特性而以不同的群體分布出現(xiàn).從微生物勘探的研究角度來(lái)看，有兩類(lèi)細(xì)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(gè)選擇性地利用化合物的細(xì)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(xì)菌和酵母菌形成了甲基類(lèi)營(yíng)養(yǎng)菌的種群.由于這種細(xì)菌的高度專(zhuān)屬性，故可以將甲烷氧化菌從其他細(xì)菌中分離出來(lái)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(duì)這些高度專(zhuān)屬性細(xì)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(jù).研究發(fā)現(xiàn)，甲烷氧化菌、丁烷氧化菌、專(zhuān)性烴氧化菌、硫酸鹽還原菌等在油氣田上方表現(xiàn)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(xiàn)出明顯的頂端異常，專(zhuān)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(zhuān)性氧化菌和丁烷氧化菌在油田上方表現(xiàn)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(xiàn)也表明在油氣勘探中要注意指標(biāo)的選擇［1］.

3 應(yīng)用方法

培養(yǎng)測(cè)定法操作流程，首先選取一定重量的土壤樣品，按適當(dāng)比例進(jìn)行混合，然后在礦物介質(zhì)中進(jìn)行懸浮，并經(jīng)過(guò)震動(dòng)器加以沖洗，最后，通過(guò)系列稀釋法將每個(gè)樣品用選擇性的生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)液稀釋?zhuān)⒎謩e注入甲烷和丙烷/丁烷氣體后再放入30℃的生化培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)12～14天.只有那些能在短期內(nèi)以提供的烴源為食料的專(zhuān)性甲烷氧化菌或烴氧化菌，才能生長(zhǎng)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(gè)不同的微生物活性判別參數(shù)，這些參數(shù)可用在培養(yǎng)后測(cè)量甲烷及輕烴氣的消耗量.生化活性參數(shù)可運(yùn)用氣相色譜和壓力測(cè)量計(jì)算出加入烴類(lèi)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(shù)和顯微鏡鑒定結(jié)果以及每克土壤樣品中的細(xì)胞數(shù)目，可計(jì)算出甲烷（氣指示）和輕烴（油指示）的測(cè)量單元，進(jìn)而確定油氣異常區(qū)域［8］.上述方法主要是由德國(guó)的Wagner博士［9］所發(fā)明.然而這種方法存在一些問(wèn)題：細(xì)菌具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，某些非烴氧化菌可能經(jīng)過(guò)烴類(lèi)氣體的馴化而生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致檢測(cè)的偏差.美國(guó)的Hitzman博士［10］使用了對(duì)于非烴氧化菌具有毒害作用的醇類(lèi)作為碳源進(jìn)行烴氧化菌的選擇性培養(yǎng)，可以克服微生物被馴化生長(zhǎng)的干擾，獲得更為可靠的結(jié)果.此外，有專(zhuān)家也提出采用原位采集的環(huán)境樣品從微生物的群落角度分析其組成和變化規(guī)律，能夠更接近地反映實(shí)際油氣藏的情況［11］.

培養(yǎng)法面臨一個(gè)問(wèn)題就是，目前人類(lèi)可以用人工培養(yǎng)基培養(yǎng)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(wú)法被人工培養(yǎng).然而隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)來(lái)解決這項(xiàng)問(wèn)題逐漸成為人們的研究熱點(diǎn).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?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）等對(duì)勝利油田典型油氣藏上方的指示微生物群落進(jìn)行了精確的識(shí)別和解析，研究結(jié)果表明甲烷氧化菌的pmoA基因的豐度在油氣藏上方的異?？梢杂糜陬A(yù)測(cè)下伏油氣藏的存在.滿鵬等［12］利用PCE-DGGE和克隆測(cè)序等分子生物學(xué)技術(shù)對(duì)未開(kāi)發(fā)的油氣田和非油氣田區(qū)域不同深度土壤微生物分布進(jìn)行了研究，目的在于尋找潛在油氣藏指示菌.結(jié)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(jìn)一步大范圍試驗(yàn)驗(yàn)證.楊旭等［13］以勝利油田沾化凹陷某油田內(nèi)油區(qū)、氣區(qū)和背景區(qū)上方近地表為例，構(gòu)建了甲烷氧化菌的pmoA的克隆文庫(kù)，探討甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)與地下油氣藏的關(guān)系，結(jié)果表明：Ia型甲烷氧化菌在各區(qū)域分布差別不明顯，Ib型甲烷氧化菌在油氣區(qū)的豐度較高，而Ⅱ型甲烷氧化菌在背景區(qū)的豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于油氣區(qū).由此可知，在地質(zhì)歷史時(shí)期的持續(xù)輕烴供應(yīng)下，長(zhǎng)期的油氣微滲漏環(huán)境可能會(huì)促使微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異，Ⅱ型到I型甲烷氧化菌緩慢地演替.

4 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用實(shí)例

4.1 國(guó)內(nèi)應(yīng)用實(shí)例及分析

國(guó)內(nèi)利用微生物油氣勘探技術(shù)在部分盆地油氣田都開(kāi)展過(guò)試驗(yàn)性研究.在已開(kāi)發(fā)的油氣田中，袁志華等［14］在大慶升平油田利用MPOG技術(shù)進(jìn)行了油氣勘探，通過(guò)結(jié)合當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域地質(zhì)背景、測(cè)井、鉆井等資料對(duì)微生物異常區(qū)進(jìn)行了分析研究，部署了2口建議評(píng)價(jià)井，結(jié)果證實(shí)2口井的含油氣性與微生物異常性均相吻合，驗(yàn)證了微生物勘探技術(shù)在油田區(qū)應(yīng)用的可行性.苗成浩等［15］在大慶宋芳屯油氣區(qū)進(jìn)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(shù)共21個(gè)，占總樣品數(shù)17.4%；油異常值在25～30的樣品數(shù)為23個(gè)，占總樣品數(shù)19%；而屬于背景值區(qū)（小于25）的樣品數(shù)為77個(gè)，占樣品總數(shù)的63.6%.鉆井驗(yàn)證結(jié)果表明，芳23－1井、芳23－6井及F26井均位于異常值較強(qiáng)烈的區(qū)域，其含油氣情況與微生物異常相吻合，反證了該技術(shù)的實(shí)用性.通過(guò)這次宋芳屯地區(qū)的油氣微生物勘探，其微生物異常是比較明顯的，體現(xiàn)了MPOG的優(yōu)點(diǎn)：可勘探規(guī)模相對(duì)較小的、非構(gòu)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(gòu)造地區(qū)以微生物異常為基礎(chǔ)，對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行了分析研究.

顏承志等［17］利用MOST技術(shù)在珠江口盆地白云凹陷深水區(qū)首次應(yīng)用了微生物勘探技術(shù)，通過(guò)微生物勘探異常與相應(yīng)地震、鉆井、測(cè)井等資料相結(jié)合，對(duì)有利圈閉區(qū)進(jìn)行了含油氣性評(píng)價(jià).應(yīng)用實(shí)踐表明，在白云凹陷深水區(qū)采用微生物勘探技術(shù)與常規(guī)勘探技術(shù)相結(jié)合的綜合勘探新模式，能夠較好地預(yù)測(cè)有利圈閉的含油氣性.中海油在瓊東南盆地深水區(qū)陵水凹陷也應(yīng)用MOST技術(shù)進(jìn)行了圈閉的含油氣預(yù)測(cè)，以南部已證實(shí)的含氣構(gòu)造為正演模型，對(duì)研究區(qū)的微生物異常值進(jìn)行了劃分，總結(jié)出了該研究區(qū)含油氣構(gòu)造的微生物異常值分布特征，據(jù)此預(yù)測(cè)相鄰待鉆構(gòu)造的含油氣性，并以土壤吸附烴分析為輔助手段預(yù)測(cè)待鉆構(gòu)造的油氣性質(zhì)為干氣.該構(gòu)造的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆結(jié)果相吻合，證實(shí)了微生物地球化學(xué)勘探技術(shù)在瓊東南盆地深水區(qū)勘探目標(biāo)烴類(lèi)檢測(cè)方面具有較高的可行性［18］.此外，MOST技術(shù)還在天然氣水合物、致密氣及頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣勘探方面開(kāi)展過(guò)先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)工作，取得了豐富的成果，表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景.

4.2 國(guó)外應(yīng)用實(shí)例及分析

1991～1992年玻利維亞石油礦藏管理局和美國(guó)地質(zhì)微生物技術(shù)公司合作，在玻利維亞安第斯子區(qū)進(jìn)行了地表微生物勘探和地球物理測(cè)量綜合研究，專(zhuān)門(mén)對(duì)近地表微生物的分布特征與地震探明構(gòu)造分布區(qū)之間的空間關(guān)系進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，在數(shù)個(gè)地震探明構(gòu)造上方，存在微生物高值異常.根據(jù)構(gòu)造的規(guī)模及其上方微生物異常強(qiáng)度，對(duì)地震探明構(gòu)造進(jìn)行了評(píng)價(jià).開(kāi)拉斯科與卡塔里2個(gè)構(gòu)造微生物異常最為明顯，因此被預(yù)測(cè)為含油氣構(gòu)造，后來(lái)在這2個(gè)構(gòu)造中成功地鉆獲了油氣［19］.

1995年，美國(guó)德克薩斯艾倫堡構(gòu)造區(qū)進(jìn)行的地震帶勘探結(jié)果顯示這一地區(qū)為一級(jí)含油氣遠(yuǎn)景，然而在布鉆開(kāi)采后產(chǎn)油量很低3年累計(jì)產(chǎn)油量只有340桶，同年底在該構(gòu)造及其附近區(qū)域進(jìn)行了地表微生物測(cè)量，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造上方只存在微生物低值異常，而在構(gòu)造南部1英里（1.6km）處的構(gòu)造槽地區(qū)出現(xiàn)了大面積的微生物高值異常.在構(gòu)造槽地區(qū)的微生物高值異常區(qū)內(nèi)布了一口井，獲得5×105立方英尺每天（1.4×104m3/d）的產(chǎn)氣量和5桶每天的產(chǎn)油量.在該異常區(qū)內(nèi)打的另一口井獲得1×106立方英尺每天（2.8×104m3/d）的產(chǎn)氣量.并最終在構(gòu)造帶的微生物異常區(qū)建立了Park Springs油氣田［20］.

Mohammed Abdul Rasheed等［21］在印度Bikaner-Nagaur盆地區(qū)應(yīng)用了微生物勘探技術(shù)，通過(guò)富集在這一地區(qū)地表土壤中的以正戊烷和正己烷為能源供給的專(zhuān)性細(xì)菌為研究對(duì)象，通過(guò)計(jì)數(shù)這兩種專(zhuān)性微生物的菌落數(shù)量對(duì)這一地區(qū)含油氣性區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究結(jié)果顯示在Bikaner-Nagaur盆地地區(qū)有4塊異常區(qū)，結(jié)果表明應(yīng)用微生物油氣勘探技術(shù)是一種簡(jiǎn)單而且廉價(jià)的油氣勘探方法，能夠在研究區(qū)域內(nèi)起到積極的作用. Wagner等［19］應(yīng)用微生物勘探技術(shù)一共研究了17個(gè)油氣區(qū)，研究結(jié)果表明成功有效的比例達(dá)到了90%.

5 研究前景及展望

世界范圍內(nèi)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(gè)國(guó)家在油氣勘探方面投入更大的資金和技術(shù).微生物油氣勘探技術(shù)作為油氣化探的一種有效手段，發(fā)展勢(shì)頭極為迅速，其以適用范圍廣、成本低、可直接查明和區(qū)分油藏和氣藏等優(yōu)勢(shì)而具有廣闊的應(yīng)用前景.雖然目前石油界對(duì)于油氣微滲漏理論還有些爭(zhēng)議，但是許多國(guó)內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用的例子都證實(shí)了輕烴垂直向上滲漏的客觀事實(shí)，證明了微生物油氣勘探技術(shù)能夠作為一種油氣勘探的常規(guī)輔助手段來(lái)提高勘探的準(zhǔn)確性，減小前期勘探的風(fēng)險(xiǎn).

隨著科技水平的提高，對(duì)于生物本身更深入的認(rèn)識(shí)，在分子生物學(xué)水平上進(jìn)行研究將是微生物與油氣勘探相結(jié)合這方面技術(shù)的主要研究方向.通過(guò)基因片段特性來(lái)確定異常區(qū)，從而能夠排除復(fù)雜環(huán)境介質(zhì)及生物某些特性所帶來(lái)的錯(cuò)誤信息，為微生物油氣勘探取得更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ).總的來(lái)說(shuō)，微生物勘探法是一種簡(jiǎn)單、高效的油氣勘探方法，通過(guò)常規(guī)手段進(jìn)行油氣勘探的同時(shí)采用這種方法，綜合所獲取的各種資料信息能夠進(jìn)一步提高對(duì)含油氣遠(yuǎn)景區(qū)的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià).

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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(jī)地球化學(xué)研究工作，通信地址遼寧省沈陽(yáng)市皇姑區(qū)北陵大街26號(hào)甲3，E-mail// mjs1015@163.com