馬 麗，段中會(huì)，梁永興，郝 純，周 蕾

(1.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021； 2.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司，西安 710021；3.盎億泰地質(zhì)微生物技術(shù)(北京)有限公司，北京 100029)

0 引言

微生物地球化學(xué)勘探技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展比較迅速的油氣勘探技術(shù)，該技術(shù)基于油氣藏輕烴微滲漏原理，主要研究近地表土壤層中烴氧化微生物異常與地下深部油氣藏的相關(guān)性。早在20世紀(jì)30年代蘇聯(lián)學(xué)者提出利用近地表土壤中的氧化菌氣勘探的設(shè)想，上世紀(jì)40年代美國(guó)首次從地表土壤樣中分離出烴氧化菌并用作油氣藏的指示[1-2]。近年來(lái)微生物勘探有了不少成功的例子，顏承志[3]等在珠江盆地白云凹陷深水區(qū)含油氣性評(píng)價(jià)，對(duì)新發(fā)現(xiàn)圈閉的含油氣性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，最終將油氣微生物地球化學(xué)勘探的研究成果與地震、鉆井、測(cè)井、巖心等資料相結(jié)合，對(duì)有利圈閉和區(qū)帶進(jìn)行了含油氣評(píng)價(jià)，并成功預(yù)測(cè)了一口深水鉆井的結(jié)果。丁力[4]等在準(zhǔn)噶爾盆地中拐凸起火山巖儲(chǔ)層油氣勘探中使用微生物技術(shù)，成功預(yù)測(cè)了6口鉆井的含油氣性差異等等。國(guó)外玻利維亞石油礦藏和美國(guó)地質(zhì)微生物技術(shù)公司，共同在玻利維亞安第斯子區(qū)預(yù)測(cè)了含油構(gòu)造，預(yù)測(cè)的開(kāi)拉斯科與卡塔里2個(gè)構(gòu)造微生物異常區(qū)成功鉆獲了油氣；美國(guó)德克薩斯艾倫堡構(gòu)造區(qū)、印度Bikaner-Nagaur盆地區(qū)微生物探技術(shù)等幾十個(gè)油氣區(qū)都成功應(yīng)用了微生物勘探技術(shù)。

油氣勘探的理論基礎(chǔ)是油氣藏內(nèi)輕烴的近垂直向上微滲漏理論[5-8]，與地球化學(xué)方法滲漏烴檢測(cè)不同，微生物是直接檢測(cè)近地表因烴滲漏所引起的周?chē)橘|(zhì)微生物變化的指標(biāo)，只存在微滲漏頂部異常，具有普遍性、垂直性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)。微生物方法和常規(guī)基于地球化學(xué)的烴類(lèi)檢測(cè)方法相比，這種方法抓住了微滲漏輕烴在近地表轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素，即微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程以前常被地球化學(xué)檢測(cè)方法所忽略。

微生物油氣勘探常用的指標(biāo)有：甲烷氧化菌、丁烷氧化菌、專(zhuān)性烴氧化菌(包括乙烷、丙烷、丁烷氧化菌總稱(chēng))、厭氧纖維素分解菌等。微滲漏輕烴在烴類(lèi)上升中以物理化學(xué)過(guò)程為主，碳基本穩(wěn)定；在近地表60cm以?xún)?nèi)表現(xiàn)為烴類(lèi)的生物地球化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，在氧氣和微生物作用下，烴類(lèi)部分氧化生成碳酸鹽，部分以結(jié)合吸附等形式得以保存。與油氣藏相比，煤層埋藏深度淺，煤層中的CH4混合烴類(lèi)氣體以游離和吸附兩種形式賦存，我們選擇煤層條件簡(jiǎn)單、煤層厚大的侏羅紀(jì)煤田(郭家河井田)進(jìn)行微生物技術(shù)嘗試，測(cè)試微生物技術(shù)對(duì)煤炭賦存的敏感性。

1 地質(zhì)概況與微生物工程施工

1.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于陜西省黃隴礦區(qū)郭家河井田，井田屬于彬長(zhǎng)坳陷Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元，含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，總體為一走向NE、傾向NW的單斜構(gòu)造，其上發(fā)育次級(jí)褶曲及張性斷裂，主采煤層3號(hào)煤層厚度0.55～26.83m，平均11.57m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[9]，瓦斯含量0.06～3.38mL/gdaf，平均1.29mL/gdaf，該區(qū)煤層瓦斯含量有“低含量、高涌出”的特點(diǎn)[10]。研究區(qū)成煤環(huán)境受古地形影響，在沉積邊緣煤層急驟變薄至尖滅，尖滅邊界位置對(duì)煤炭開(kāi)采設(shè)計(jì)影響極大，是目前急需解決的問(wèn)題。

1.2 工程布置及數(shù)據(jù)采集

基本垂直于無(wú)煤邊界的方向，設(shè)計(jì)微生物探測(cè)測(cè)線，測(cè)點(diǎn)密度為50～100m/點(diǎn)，局部測(cè)點(diǎn)加密為20m/點(diǎn)，共布置A1/A2、B1/B2兩組測(cè)線，分別用于控制兩處無(wú)煤邊界。

采樣執(zhí)行企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—《微生物地球化學(xué)勘探野外采集技術(shù)規(guī)程》(QWD 12-2011)。樣品采集通過(guò)GPS坐標(biāo)定點(diǎn)，選擇土壤較多且沒(méi)有被擾動(dòng)過(guò)的地方，采樣深度20～40cm；且每個(gè)樣點(diǎn)保證采集深度相同；樣品(若石塊較多，先過(guò)過(guò)篩)裝入特制樣品袋；標(biāo)注土壤巖性特征、土質(zhì)顏色、潮濕度、表層沉積類(lèi)型、樣品標(biāo)號(hào)、采樣日期、采樣時(shí)間等信息。

共完成測(cè)線采樣長(zhǎng)度4.2km，測(cè)點(diǎn)206個(gè)。

2 樣品處理與分析

2.1 樣品處理

目前主流油氣微生物勘探技術(shù)多采用傳統(tǒng)培養(yǎng)方法，培養(yǎng)方法是一種可靠的定量檢測(cè)微生物的方法，在食品衛(wèi)生等領(lǐng)域微生物檢測(cè)的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，微生物定量檢測(cè)均使用的是培養(yǎng)方法。此外，也有采用各種分子生物學(xué)方法對(duì)烴氧化菌進(jìn)行研究的方法[11-12]。分子生物學(xué)方法通過(guò)直接提取土壤總DNA，并采用PCR、生物芯片、高通量測(cè)序等各種方法對(duì)其進(jìn)行研究分析。這種方法可以獲得大量未培養(yǎng)微生物的信息，但是由于DNA提取偏差，儀器分析偏差等[13]方法本身的缺點(diǎn)，造成了分子生物學(xué)技術(shù)在定量上的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性差于傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法。

本次微生物相對(duì)含量(微生物值)的測(cè)定主要是采用平板培養(yǎng)法，檢測(cè)中采用特殊的選擇性培養(yǎng)基對(duì)土壤樣品中的烴氧化菌進(jìn)行專(zhuān)一性的培養(yǎng)和計(jì)數(shù)。測(cè)定程序：①將土壤樣品進(jìn)行脫水處理，稱(chēng)取一定重量的土壤樣品待檢；②將稱(chēng)量好的土壤樣品放入純凈水中制成待檢的稀釋?xiě)腋∫海♂尡壤话銥?∶100～1∶1 000；③取1mL稀釋?xiě)腋∫海臃N到瓊脂培養(yǎng)基上，每個(gè)樣品都選取三個(gè)平行樣品進(jìn)行檢測(cè)；④將接種之后的培養(yǎng)基放入37℃的恒溫培養(yǎng)箱進(jìn)行培養(yǎng)6d 。⑤對(duì)培養(yǎng)出的烴氧化菌進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)，計(jì)算后得到微生物值(MV)。

2.2 微生物地表影響因素分析

在微生物成果分析之前，需要先對(duì)微生物數(shù)據(jù)進(jìn)行地表影響因素分析，本次針對(duì)地形地貌、地表高程、土壤酸堿度和鹽度等主要影響因素進(jìn)行分析。因?yàn)椴蓸又谢具x擇在地貌相近的點(diǎn)進(jìn)行采樣，盡量避開(kāi)了環(huán)境因素的差異；高程與丁烷氧化菌無(wú)相關(guān)性，在圖1中也表現(xiàn)出來(lái)二者沒(méi)有明確相關(guān)關(guān)系；土壤pH值為6.3～6.8(圖2)，偏中性較穩(wěn)定，有利于微生物生長(zhǎng)，pH值基本不影響烴氧化菌發(fā)育；土壤樣品鹽度小于0.08×10-12(圖3)，其值較低且與烴氧化菌無(wú)相關(guān)性；因此認(rèn)為微生物的地表因素影響較小。

圖1 丁烷氧化菌與高程的相關(guān)性分析Figure 1 Correlation analysis between butane hydrocarbon

圖2 烴氧化菌與酸堿性的相關(guān)性分析Figure 2 Correlation analysis between oxidizing bacteria andelevation oxidizing bacteria and acid or base

圖3 烴氧化菌與鹽度相關(guān)性分析Figure 3 Correlation analysis between Hydrocarbon oxidizingbacteria and salinity

在地表環(huán)境下，生物死亡、機(jī)體分解均可產(chǎn)生甲烷，因此會(huì)對(duì)局部微生物檢測(cè)結(jié)果造成一定影響。為此，對(duì)比分析甲烷氧化菌(MMV)和丁烷氧化菌(BMV)的相關(guān)性(圖4)，二者相似系數(shù)R=0.64，相關(guān)性較好，故選擇丁烷氧化菌指標(biāo)進(jìn)行微生物綜合研究。

圖4 甲烷氧化菌與丁烷氧化菌相關(guān)性分析Figure 4 Correlation analysis between methane oxidizingbacteria and butane oxidizing bacteria

2.3 異常下限確定及微生物分布特征分析

1)通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法分別求取背景均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和異常下限。

(1)

②標(biāo)準(zhǔn)偏差S

(2)

式中：S為丁烷氧化菌的標(biāo)準(zhǔn)偏差，CFU/平板。

③異常下限V0。

(3)

式中：背景均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差為66、61；V0為丁烷氧化菌的異常下限，CFU/平板。選取K=1，計(jì)算得到V0=90。

2)丁烷氧化菌頻率直方圖分析。微生物頻率直方圖能夠反映出微生物值分布的背景數(shù)據(jù)體(背景峰)和異常數(shù)據(jù)體(異常峰)，背景峰和異常峰的分界線，可認(rèn)為是微生物異常下限。通過(guò)微生物頻率直方圖的分析(圖5)，本區(qū)微生物下限約為90CFU/平板，和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算的異常下限相當(dāng)。

圖5 丁烷氧化菌頻率直方圖Figure 5 Frequency histogram of butane oxidizing bacteri

2.4 微生物分布特征及地質(zhì)分析

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)和頻率直方圖微生物數(shù)據(jù)分析結(jié)果，根據(jù)BMV值大小在研究區(qū)內(nèi)劃分5級(jí)微生異常：超高異常(微滲漏高)138～395CFU/平板，高異常(微滲漏較高)114～138CFU/平板，中異常(微滲漏中等)90～114CFU/平板，低異常(微滲漏較低)66～90CFU/平板，背景值(微滲漏低)11～66CFU/平板。制作4條(2組)丁烷微生物剖面。西部?jī)蓷l測(cè)線(A1、A2)有煤區(qū)：微生物均值123CFU/平板，最大395CFU/平板、最小20CFU/平板，異常比例67%，高異常比例45%；無(wú)煤區(qū)：微生物均值74CFU/平板，最大285CFU/平板、最小11CFU/平板，異常比例27%，高異常比例13%。A1剖面的異常邊界約在10測(cè)點(diǎn)處(1～10測(cè)點(diǎn)為異常區(qū)，10～22測(cè)點(diǎn)為背景區(qū))(圖6)，A2剖面(圖7)的異常邊界約在16測(cè)點(diǎn)處(1～16測(cè)點(diǎn)為異常區(qū)，16～38測(cè)點(diǎn)為背景區(qū))。東部?jī)蓷l測(cè)線(B1、B2)有煤區(qū)：微生物均值119CFU/平板，最大293CFU/平板、最小56CFU/平板，異常比例72%，高異常比例43%；無(wú)煤區(qū)：微生物均值78CFU/平板，最大367CFU/平板、最小20CFU/平板，異常比例18%，高異常比例10%。B1剖面(圖7)的異常范圍為14～25測(cè)點(diǎn)間，背景范圍為1～14和25～38測(cè)點(diǎn)間；B2剖面(圖6)微生物背景區(qū)范圍在11～20測(cè)點(diǎn)范圍，微生物異常范圍在1～11測(cè)點(diǎn)和20～38測(cè)點(diǎn)間兩段式分布。

沿各條微生物測(cè)線切取地震垂直時(shí)間剖面和地質(zhì)剖面，選擇連井剖面進(jìn)行對(duì)比分析(圖6)，A2線地震剖面處于研究區(qū)邊界，地震剖面中間中斷，僅能反映出在G18-2孔處煤層反射波T3波連續(xù)性好、能量強(qiáng)，對(duì)應(yīng)鉆孔處該煤層厚10.5m，C12孔處無(wú)T3波發(fā)育，對(duì)應(yīng)無(wú)煤區(qū)；微生物剖面與地質(zhì)、地震剖面特征一致。B1剖面上三種剖面對(duì)煤層賦存反映清晰，鉆探成果對(duì)兩個(gè)鉆孔之間的控制精度較差，微生物剖面與地震剖面精度較高。

圖6 A1、B2線微生物剖面Figure 6 Microbial section of lines A1 and B2

a.A2線地質(zhì)剖面、微生物剖面及地震剖面 b.B1線地質(zhì)剖面、微生物剖面及地震剖面圖7 微生物剖面、地質(zhì)剖面及物探剖面對(duì)比圖Figure 7 Comparison chart of microbial section, geological section and geophysical section

2.5 煤層尖滅微生物響應(yīng)模型

通過(guò)含煤區(qū)和無(wú)煤區(qū)的地表丁烷氧化菌分布特征的分析，可以看出含煤區(qū)之上的微生物異常發(fā)育強(qiáng)度大于無(wú)煤區(qū)，意味著含煤區(qū)煤層中的輕烴可以滲透到地表，且其滲漏強(qiáng)度大于無(wú)煤區(qū)。原理是含煤地層中烴類(lèi)含量高于無(wú)煤區(qū)圍巖地層，經(jīng)過(guò)地層裂隙、裂縫等通道垂直運(yùn)移到達(dá)地表，在近地表形成烴類(lèi)相關(guān)指標(biāo)異常，根據(jù)上述分析結(jié)果，可建立煤層尖滅邊界的微生物響應(yīng)模型(圖8)，在煤層賦存區(qū)上部，微生物值呈現(xiàn)高異常，在無(wú)煤帶上部，微生物值呈低的背景值。

圖8 煤層尖滅微生物模型Figure 8 Coal seam pinch-out microbial model

3 結(jié)論

1)通過(guò)煤田微生物試驗(yàn)，驗(yàn)證了微生物油氣勘探技術(shù)對(duì)煤層賦存與否具有敏感性，微生物地質(zhì)結(jié)果與地震勘探及鉆探成果相吻合。

2)初步建立了郭家河煤礦煤層尖滅的微生物響應(yīng)模型。

3)微生物剖面具有一定的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)，測(cè)點(diǎn)數(shù)及測(cè)點(diǎn)密度對(duì)地質(zhì)結(jié)果會(huì)有較大影響。

盡管目前取得了一定的煤層與無(wú)煤帶微生物特征，但如何提高其分辨率和減少影響因素還有待開(kāi)展進(jìn)一步工作。