油藏原位與實(shí)驗(yàn)室模擬系統(tǒng)中的微生物分子生態(tài)學(xué)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(yīng)用最廣泛的技術(shù)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(shí)施注水的過程中，外界的微生物以及氧氣的進(jìn)入，導(dǎo)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(gòu)在長期的循環(huán)注水開采過程中是否會(huì)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(huì)呈現(xiàn)怎樣的多態(tài)性？這些問題的研究對(duì)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(shí)現(xiàn)將無法開采的殘余油以天然氣的形式進(jìn)行開采，這將對(duì)于緩解石油供需矛盾具有重要意義，然而，要實(shí)現(xiàn)微生物的高效轉(zhuǎn)化，還需對(duì)其機(jī)制進(jìn)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(shù)與新興的焦磷酸測序技術(shù)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(duì)微生物組成的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，注入水中96.3％的細(xì)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(gè)最優(yōu)勢(shì)的OTU，均無法從采油井中檢出。而利用UniFrac顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)擁有相同地層結(jié)構(gòu)的采油井中的微生物結(jié)構(gòu)無顯著差異(P＞0.05)，地層結(jié)構(gòu)不同的采油井中細(xì)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(gòu)相關(guān)，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(duì)勝利油田埕東、沾三和孤島三個(gè)區(qū)塊采油井中超過3萬條的細(xì)菌及古菌序列進(jìn)行了分析。從勝利油田檢測到21個(gè)細(xì)菌門以及2個(gè)古菌門;還有14.2％的細(xì)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(yùn)藏著豐富的未知微生物資源。系統(tǒng)發(fā)育學(xué)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(xì)菌以及產(chǎn)甲烷古菌之外，還檢測到油藏環(huán)境中鮮有報(bào)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(fù)雜的微生物群落結(jié)構(gòu)以及大量新的微生物資源。UniFrac分析結(jié)果表明，三個(gè)區(qū)塊的細(xì)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(duì)應(yīng)分析(CCA)對(duì)各環(huán)境因子與微生物組成的影

6、響分析結(jié)果證實(shí)，溫度與各區(qū)塊的微生物組成關(guān)系密切;SO42-對(duì)細(xì)菌組成的影響大于其它離子，而HCO3-對(duì)古菌組成的影響大于其它離子。
　　本論文還對(duì)高溫條件下不同厭氧代謝方式對(duì)石油烴的降解以及菌群結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了分析。在實(shí)驗(yàn)室人工構(gòu)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(duì)勝利油田的原油進(jìn)行了為期540天的厭氧降解，并對(duì)培養(yǎng)不同時(shí)間原油的降解程度以及菌群的變化進(jìn)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(duì)原油的降解，且在60℃高溫時(shí)產(chǎn)甲烷條件對(duì)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(duì)于石油烴降解過程中菌群的組成具有很大的影響;而對(duì)于同一種培養(yǎng)條件，古菌的結(jié)構(gòu)隨培養(yǎng)時(shí)間的變化大于細(xì)菌。系統(tǒng)發(fā)育學(xué)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(xì)菌、發(fā)酵細(xì)菌以及硫酸鹽

8、還原菌。對(duì)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(shí)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(xué)手段以及新興的高通量測序技術(shù)證明，雖然勝利油田經(jīng)歷了長時(shí)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(guān)系密切;在60℃高溫條件下