油藏原位與實驗室模擬系統(tǒng)中的微生物分子生態(tài)學研究.pdf

1、目前全球的多數(shù)油田都已處于二次開采階段，水驅(qū)采油是二次開采中應用最廣泛的技術之一，它大幅提高了采油效率，延長了油田的開采年限;但在實施注水的過程中，外界的微生物以及氧氣的進入，導致其內(nèi)部的生態(tài)環(huán)境受到影響。油藏內(nèi)部的微生物群落結(jié)構在長期的循環(huán)注水開采過程中是否會與注入水中的微生物出現(xiàn)趨同性？它們的微生物群落又會呈現(xiàn)怎樣的多態(tài)性？這些問題的研究對于了解油藏生態(tài)和制訂合理的開發(fā)措施具有重要的意義;此外，油田在經(jīng)歷過各種采油措施之后，仍有一半

2、以上的原油無法采出，而研究也表明，微生物可以將油藏中的原油原位轉(zhuǎn)化為甲烷，如果可以實現(xiàn)將無法開采的殘余油以天然氣的形式進行開采，這將對于緩解石油供需矛盾具有重要意義，然而，要實現(xiàn)微生物的高效轉(zhuǎn)化，還需對其機制進行深入地研究。
　　在本研究中，我們首先結(jié)合傳統(tǒng)的變性梯度凝膠電泳(DGGE)、克隆文庫技術與新興的焦磷酸測序技術比較了長期注水的孤島油田注水井和采油井中的微生物組成。三種方法的結(jié)果均顯示，注入水與產(chǎn)出液中的微生物組成差異顯

3、著(P＜0.05)。利用克隆文庫對微生物組成的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，注入水中96.3％的細菌分類操作單元(OTU)和70.6％的古菌OTU都無法從采油井中檢出;而焦磷酸測序的結(jié)果也表明注水井中超過80％的操作分類單元(OTUs)，其中包括兩個最優(yōu)勢的OTU，均無法從采油井中檢出。而利用UniFrac顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)擁有相同地層結(jié)構的采油井中的微生物結(jié)構無顯著差異(P＞0.05)，地層結(jié)構不同的采油井中細菌組成差異顯著(P＜0.05)，這一結(jié)果表明

4、各采油井中的微生物組成可能與其地層結(jié)構相關，而并非主要受注入水中的微生物的影響。
　　其次，我們利用焦磷酸測序的方法對勝利油田埕東、沾三和孤島三個區(qū)塊采油井中超過3萬條的細菌及古菌序列進行了分析。從勝利油田檢測到21個細菌門以及2個古菌門;還有14.2％的細菌以及26.8％的古菌序列分類地位仍不明確，說明我們所研究的高溫注水油藏中蘊藏著豐富的未知微生物資源。系統(tǒng)發(fā)育學分析表明勝利油田除了具有油藏環(huán)境中常見的Proteobactei

5、a、Firmicutes、Bacteroidetes等門的細菌以及產(chǎn)甲烷古菌之外，還檢測到油藏環(huán)境中鮮有報道的Aquificae和Fusobacteria等微生物類型。這些結(jié)果也意味著在高溫、高壓、厭氧的地下深部生物圈中同樣存在著復雜的微生物群落結(jié)構以及大量新的微生物資源。UniFrac分析結(jié)果表明，三個區(qū)塊的細菌組成并無顯著差異(P＞0.05)，而古菌組成差異顯著(P＜0.05)。利用典范對應分析(CCA)對各環(huán)境因子與微生物組成的影

6、響分析結(jié)果證實，溫度與各區(qū)塊的微生物組成關系密切;SO42-對細菌組成的影響大于其它離子，而HCO3-對古菌組成的影響大于其它離子。
　　本論文還對高溫條件下不同厭氧代謝方式對石油烴的降解以及菌群結(jié)構的影響進行了分析。在實驗室人工構建了硫酸鹽還原和產(chǎn)甲烷兩種培養(yǎng)體系，利用馴化的活性污泥以及油藏產(chǎn)出液中的外源菌群對勝利油田的原油進行了為期540天的厭氧降解，并對培養(yǎng)不同時間原油的降解程度以及菌群的變化進行了檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)馴化的菌群在

7、兩種培養(yǎng)條件下均能夠?qū)崿F(xiàn)對原油的降解，且在60℃高溫時產(chǎn)甲烷條件對芳香烴的降解效率高于硫酸鹽還原條件。DGGE指紋圖譜和基于焦磷酸測序的UniFrac分析結(jié)果均顯示，雖然接種物來源相同，產(chǎn)甲烷培養(yǎng)和硫酸鹽還原培養(yǎng)條件下的菌群組成存在顯著的差異，說明硫酸鹽對于石油烴降解過程中菌群的組成具有很大的影響;而對于同一種培養(yǎng)條件，古菌的結(jié)構隨培養(yǎng)時間的變化大于細菌。系統(tǒng)發(fā)育學分析結(jié)果顯示，在兩種培養(yǎng)體系中均檢測到豐富的互營細菌、發(fā)酵細菌以及硫酸鹽

8、還原菌。對古菌的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)在硫酸鹽還原和產(chǎn)甲烷兩種培養(yǎng)條件下CO2還原產(chǎn)甲烷途徑和乙酸發(fā)酵產(chǎn)甲烷菌途徑同時存在，但以利用H2還原CO2產(chǎn)甲烷途徑為主。
　　綜上所述，本研究利用傳統(tǒng)的分子生物學手段以及新興的高通量測序技術證明，雖然勝利油田經(jīng)歷了長時間的循環(huán)注水，但是注入水中的微生物并不是影響采油井內(nèi)部微生物生態(tài)的主要因素;另外，同一油田的不同工作區(qū)塊的微生物組成存在較大差異，而且這一差異與各區(qū)塊的溫度關系密切;在60℃高溫條件下