微生物油气勘探的应用现状及发展

马健生

中国地质调查局沈阳地质调查中心（沈阳地质矿产研究所），辽宁沈阳110032

微生物油气勘探的应用现状及发展

马健生

中国地质调查局沈阳地质调查中心（沈阳地质矿产研究所），辽宁沈阳110032

微生物油气勘探（MPOG）是利用地表土壤中专属性微生物的生理生化特性对油气表征的异常进行油气勘探的一门综合性应用技术，目前国内外均有利用此种方法成功圈定异常区获得油气发现的实例，证明利用微生物技术进行油气勘探可以作为一种常规手段来应用.本文主要概述了微生物油气勘探的原理、技术方法、以及相关研究现状及发展方向.

微生物；油气勘探；MPOG；土壤；分子生物学

0 引言

常规的油气勘探主要是根据大地电磁、地震波等地球物理方面的方法进行勘探，进而圈定含油气远景区，这种方法优点在于能够相对准确地找到油气成藏区域，然而其对设备、人员以及对图谱的解析都有着较高的要求.因此现在国内外在进行油气勘探时，同时使用一些化探方法来辅助进行油气勘探，从而提高勘探的准确性.油气化探理论基本是轻烃微渗漏理论，认为油气藏的轻烃在运移过程中的方向是垂直向上的，其地表检测的指标主要分为两类：一类以地下储层的渗漏上浮烃类检测为主的直接指标，通常包括酸解烃、热释烃、芳烃衍生物及稠环芳烃等指标；另一类是近地表由于受到来自地下渗漏烃类影响其环境介质中化学成分、生物种群等发生相对变化的间接指标，比如蚀变碳酸盐（ΔC）、专属性微生物等［1］.本文主要概述利用微生物进行油气勘探的技术方法、原理及特点，以及在国内外的发展情况及展望.

1 概念及发展历史

油气微生物勘探技术是地表化探法的一个分支，主要研究近地表土壤层中微生物异常与地下深部油气藏的相关性.在现代勘探法中，油气微生物勘探技术能为初期勘探提供廉价有效的方法和指示，能预测有利勘探区块以降低勘探风险［2］.油气微生物勘探技术源于苏联，早在20世纪30年代，苏联研究者就提出利用近地表土壤中烃氧化菌进行油气勘探的设想.20世纪40年代美国从地表土壤样品中分离出烃氧化菌并将其作为地下油气藏的指示菌.50年代，美国Phillips石油公司利用丁烷氧化菌的高抗丁醇的特性来探测烃微渗现象，发明了微生物石油勘查技术（MOST，Microbial Oil Survey Technique）.与此同时，德国亦开发了一项新型的地表勘探技术——油气微生物勘探技术（MPOG，MicrobialProspectionforOilandGas），并一直应用至今［3］.到20世纪90年代末期，MPOG技术进入成熟阶段，形成了现代油气微生物勘探技术系统.微生物油气勘探技术同油气化探其他技术一样在我国的发展并不顺利，起步较晚，20世纪50年代初我国才进行试验性研究，中间一度还停滞了几十年，近些年随着油气化探又重新受到重视，对此项技术又开展了进一步的研究工作［4］.

2 技术原理

国内外很多地球化学家们经常在土壤气和土壤中检测到轻烃异常，大多数情况下这种异常都直接位于含油气沉积物上方.实际调查也显示在异常区内约有79%的井钻遇到可采油气藏，同时碳同位素研究也为轻烃的垂直运移提供了强有力的支持.Jones和Drozd于1983年论证了地表土壤中微渗烃与下伏沉积物中的热成因烃类在化学组成上具有良好的相关性.在此基础上，地球化学家们提出并论证了由微裂隙水驱使微气泡上升的垂直运移机制——“上浮的微泡”.地下油气层中的烃类物质在浓度及压力的作用下向地表运移，从而使在地表的某些特定微生物种群数量表现出异常，据此判断该地区是否含有油气藏［5-7］.

烃氧化菌与其他所有类型的细菌一样，分布于全世界.只要下伏地层存在烃类聚集，在地表土壤中就会有此类专属微生物大量繁殖.但这种专属性有可能使细菌根据其自身的生物化学特性而以不同的群体分布出现.从微生物勘探的研究角度来看，有两类细菌是最基本的，即甲烷氧化菌和短链烃氧化菌.甲烷氧化菌也是烃氧化菌群体之一，但它是一个选择性地利用化合物的细菌群体.甲烷氧化菌不能够消耗葡萄糖或短链烃，因此，甲烷氧化菌就与包括所有利用甲烷、甲醛和其他一些化合物的细菌和酵母菌形成了甲基类营养菌的种群.由于这种细菌的高度专属性，故可以将甲烷氧化菌从其他细菌中分离出来并加以分析.短链烃氧化菌利用短链烃作为碳源，它们能大量利用短链烃如乙烷、丙烷、丁烷等，但不能够代谢甲烷.对这些高度专属性细菌的成功分离可为判别土壤中是否存在甲烷及短链轻烃提供依据.研究发现，甲烷氧化菌、丁烷氧化菌、专性烃氧化菌、硫酸盐还原菌等在油气田上方表现出较为明显的顶端异常特征，其中甲烷氧化菌、丁烷氧化菌等表现出明显的顶端异常，专性烃氧化菌在气田上方显示稍弱，甲烷氧化菌在油田上方显示稍弱，专性氧化菌和丁烷氧化菌在油田上方表现出明显异常.油田与气田地表土壤中特异性微生物的不同异常表现也表明在油气勘探中要注意指标的选择［1］.

3 应用方法

培养测定法操作流程，首先选取一定重量的土壤样品，按适当比例进行混合，然后在矿物介质中进行悬浮，并经过震动器加以冲洗，最后，通过系列稀释法将每个样品用选择性的生长营养液稀释，并分别注入甲烷和丙烷/丁烷气体后再放入30℃的生化培养箱中恒温培养12～14天.只有那些能在短期内以提供的烃源为食料的专性甲烷氧化菌或烃氧化菌，才能生长并消耗掉一定量的轻烃气.在上述流程的每一阶段，均可划分出7个不同的微生物活性判别参数，这些参数可用在培养后测量甲烷及轻烃气的消耗量.生化活性参数可运用气相色谱和压力测量计算出加入烃类的消耗量（甲烷和丙烷/丁烷），或者确定甲烷氧化菌或烃氧化菌生成CO2的速率.综合生化活性参数和显微镜鉴定结果以及每克土壤样品中的细胞数目，可计算出甲烷（气指示）和轻烃（油指示）的测量单元，进而确定油气异常区域［8］.上述方法主要是由德国的Wagner博士［9］所发明.然而这种方法存在一些问题：细菌具有极强的环境适应能力，某些非烃氧化菌可能经过烃类气体的驯化而生长，从而导致检测的偏差.美国的Hitzman博士［10］使用了对于非烃氧化菌具有毒害作用的醇类作为碳源进行烃氧化菌的选择性培养，可以克服微生物被驯化生长的干扰，获得更为可靠的结果.此外，有专家也提出采用原位采集的环境样品从微生物的群落角度分析其组成和变化规律，能够更接近地反映实际油气藏的情况［11］.

培养法面临一个问题就是，目前人类可以用人工培养基培养的微生物仅占所有微生物的10%左右，因此很有可能具有油气资源指示作用的微生物并无法被人工培养.然而随着分子生物学的发展，应用分子生物学技术来解决这项问题逐渐成为人们的研究热点.甲烷氧化菌是最常用的油气指示菌种.汤玉平等［11］利用甲烷氧化菌中的pmoA基因，采用限制性片段多样性分析（T-RLFP）、聚合酶链式反应（PCR）等对胜利油田典型油气藏上方的指示微生物群落进行了精确的识别和解析，研究结果表明甲烷氧化菌的pmoA基因的丰度在油气藏上方的异常可以用于预测下伏油气藏的存在.满鹏等［12］利用PCE-DGGE和克隆测序等分子生物学技术对未开发的油气田和非油气田区域不同深度土壤微生物分布进行了研究，目的在于寻找潜在油气藏指示菌.结果表明：甲基孢囊菌可作为气田指示菌，食烷菌和噬甲基菌可作为潜在的油田指示菌，但仍需进一步大范围试验验证.杨旭等［13］以胜利油田沾化凹陷某油田内油区、气区和背景区上方近地表为例，构建了甲烷氧化菌的pmoA的克隆文库，探讨甲烷氧化菌群落结构与地下油气藏的关系，结果表明：Ia型甲烷氧化菌在各区域分布差别不明显，Ib型甲烷氧化菌在油气区的丰度较高，而Ⅱ型甲烷氧化菌在背景区的丰度远远高于油气区.由此可知，在地质历史时期的持续轻烃供应下，长期的油气微渗漏环境可能会促使微生物群落结构产生差异，Ⅱ型到I型甲烷氧化菌缓慢地演替.

4 国内外应用实例

4.1 国内应用实例及分析

国内利用微生物油气勘探技术在部分盆地油气田都开展过试验性研究.在已开发的油气田中，袁志华等［14］在大庆升平油田利用MPOG技术进行了油气勘探，通过结合当地的区域地质背景、测井、钻井等资料对微生物异常区进行了分析研究，部署了2口建议评价井，结果证实2口井的含油气性与微生物异常性均相吻合，验证了微生物勘探技术在油田区应用的可行性.苗成浩等［15］在大庆宋芳屯油气区进行的研究油异常值频率分布特征其微生物油气异常值大于30的样品数共21个，占总样品数17.4%；油异常值在25～30的样品数为23个，占总样品数19%；而属于背景值区（小于25）的样品数为77个，占样品总数的63.6%.钻井验证结果表明，芳23－1井、芳23－6井及F26井均位于异常值较强烈的区域，其含油气情况与微生物异常相吻合，反证了该技术的实用性.通过这次宋芳屯地区的油气微生物勘探，其微生物异常是比较明显的，体现了MPOG的优点：可勘探规模相对较小的、非构造型油气藏.另外袁志华等［16］还研究了利用微生物油气勘探方法勘探气田，在阿拉新气田东部的汤池构造地区以微生物异常为基础，对异常区域进行了分析研究.

颜承志等［17］利用MOST技术在珠江口盆地白云凹陷深水区首次应用了微生物勘探技术，通过微生物勘探异常与相应地震、钻井、测井等资料相结合，对有利圈闭区进行了含油气性评价.应用实践表明，在白云凹陷深水区采用微生物勘探技术与常规勘探技术相结合的综合勘探新模式，能够较好地预测有利圈闭的含油气性.中海油在琼东南盆地深水区陵水凹陷也应用MOST技术进行了圈闭的含油气预测，以南部已证实的含气构造为正演模型，对研究区的微生物异常值进行了划分，总结出了该研究区含油气构造的微生物异常值分布特征，据此预测相邻待钻构造的含油气性，并以土壤吸附烃分析为辅助手段预测待钻构造的油气性质为干气.该构造的预测结果与实钻结果相吻合，证实了微生物地球化学勘探技术在琼东南盆地深水区勘探目标烃类检测方面具有较高的可行性［18］.此外，MOST技术还在天然气水合物、致密气及页岩气等非常规油气勘探方面开展过先导性实验工作，取得了丰富的成果，表现出广阔的应用前景.

4.2 国外应用实例及分析

1991～1992年玻利维亚石油矿藏管理局和美国地质微生物技术公司合作，在玻利维亚安第斯子区进行了地表微生物勘探和地球物理测量综合研究，专门对近地表微生物的分布特征与地震探明构造分布区之间的空间关系进行的研究发现，在数个地震探明构造上方，存在微生物高值异常.根据构造的规模及其上方微生物异常强度，对地震探明构造进行了评价.开拉斯科与卡塔里2个构造微生物异常最为明显，因此被预测为含油气构造，后来在这2个构造中成功地钻获了油气［19］.

1995年，美国德克萨斯艾伦堡构造区进行的地震带勘探结果显示这一地区为一级含油气远景，然而在布钻开采后产油量很低3年累计产油量只有340桶，同年底在该构造及其附近区域进行了地表微生物测量，发现构造上方只存在微生物低值异常，而在构造南部1英里（1.6km）处的构造槽地区出现了大面积的微生物高值异常.在构造槽地区的微生物高值异常区内布了一口井，获得5×105立方英尺每天（1.4×104m3/d）的产气量和5桶每天的产油量.在该异常区内打的另一口井获得1×106立方英尺每天（2.8×104m3/d）的产气量.并最终在构造带的微生物异常区建立了Park Springs油气田［20］.

Mohammed Abdul Rasheed等［21］在印度Bikaner-Nagaur盆地区应用了微生物勘探技术，通过富集在这一地区地表土壤中的以正戊烷和正己烷为能源供给的专性细菌为研究对象，通过计数这两种专性微生物的菌落数量对这一地区含油气性区域进行预测，研究结果显示在Bikaner-Nagaur盆地地区有4块异常区，结果表明应用微生物油气勘探技术是一种简单而且廉价的油气勘探方法，能够在研究区域内起到积极的作用. Wagner等［19］应用微生物勘探技术一共研究了17个油气区，研究结果表明成功有效的比例达到了90%.

5 研究前景及展望

世界范围内油气资源的受重视程度不言而喻，随着全球油气资源的逐渐消耗，使得各个国家在油气勘探方面投入更大的资金和技术.微生物油气勘探技术作为油气化探的一种有效手段，发展势头极为迅速，其以适用范围广、成本低、可直接查明和区分油藏和气藏等优势而具有广阔的应用前景.虽然目前石油界对于油气微渗漏理论还有些争议，但是许多国内外实际应用的例子都证实了轻烃垂直向上渗漏的客观事实，证明了微生物油气勘探技术能够作为一种油气勘探的常规辅助手段来提高勘探的准确性，减小前期勘探的风险.

随着科技水平的提高，对于生物本身更深入的认识，在分子生物学水平上进行研究将是微生物与油气勘探相结合这方面技术的主要研究方向.通过基因片段特性来确定异常区，从而能够排除复杂环境介质及生物某些特性所带来的错误信息，为微生物油气勘探取得更准确的评价提供坚实的理论基础.总的来说，微生物勘探法是一种简单、高效的油气勘探方法，通过常规手段进行油气勘探的同时采用这种方法，综合所获取的各种资料信息能够进一步提高对含油气远景区的预测与评价.

［1］汤玉平，蒋涛，任春，等.地表微生物在油气勘探中的应用［J］.物探与化探，2012，36（4）：546-549.

［2］吴传芝.微生物油气勘探及其应用［J］.天然气地球科学，2005，16（1）：82-87.

［3］王冰冰，李治平.油气微生物勘探技术的应用历史及前景分析［J］.内蒙古石油化工，2008，4：24-28.

［4］梅博文，袁志华，王修垣.油气微生物勘探法［J］.中国石油勘探，2002，7（3）：42-53.

［5］茆震，梅博文，赵红静.油气微生物勘探法概述［J］.海相油气地质，2000（Z2）：107-111.

［6］袁志华，佘跃惠，孙平，等.油气微生物勘探中轻烃转运机制研究［J］.江汉石油学院学报，2001，23（增刊）：34-35.

［7］Tedesco S A.Surface geochemistry in petroleum exploration［M］.New York：Chapman＆Hall Ins.1995：132-143.

［8］梅博文，袁志华.地质微生物技术在油气勘探开发中的应用［J］.天然气地球科学，2004，15（2）：156-161.

［9］Wagner M，Piske J，Smit R.Case histories of microbial prospection for oil and gas［J］.AAPG Studies in Geology，2002，48（11）：453-479.

［10］Hitzman D O.Prospecting for petroleum deposits［P］.U S Patent，No 2880142，1959.

［11］汤玉平，高俊阳，赵克斌，等.典型油气藏上方甲烷氧化菌群的分子生物学解析［J］.石油实验地质，2014，36（5）：605-611.

［12］满鹏，齐鸿雁，呼庆，等.利用PCR－DGGE分析未开发油气田地表微生物群落结构［J］.环境科学，2012，33（1）：305-313.

［13］杨旭，许科伟，刘和，等.油气藏上方土壤中甲烷氧化菌群落结构分析——以沾化凹陷某油气田为例［J］.应用与环境生物学报，2013，19（3）：478-483.

［14］袁志华，孙宏亮，张玉清，等.油气微生物勘探技术在大庆升平油田的应用［J］.地质评论，2011，57（1）：141-146.

［15］苗成浩，袁志华.大庆宋芳屯油田石油微生物勘探［J］.断块油气田，2010，17（6）：722-725.

［16］袁志华，习啸.阿拉新气田东部汤池构造油气微生物评价应用研究［J］.科学技术与工程，2014，14（11）：151-154.

［17］颜承志，施和生，庞雄，等.微生物地球化学勘探技术在白云凹陷深水区油气勘探中的应用［J］.中国海上油气，2014，26（4）：15-19.

［18］何丽娟.微生物地球化学勘探技术在琼东南盆地深水区陵水凹陷烃类检测中的应用［J］.中国海上油气，2015，27（4）：62-66.

［19］Lopez J P，Hitzman D O，Tucker J.Combined microbial，seismic surveys predict oil and gas occurrences in Bolivia［J］.Oil＆Gas Journal，1994，92（43）：68-70.

［20］Hitzman D O.Integrated microbial and 3-D seismic surveys discover new reserves and track microseepage reduction in Park Springs conglomerate field，Fort Worth Basin，Texas［C］//1997 Society of Exploration Geophysicists（SEG）International Exhibition and Annual Conference，Dallas，Texas，1997：1-7.

［21］Rasheed M A，Shmi M L，et al.Bacteria as indicators for finding oil and gasreservoirs：A case study of the Bikaner-Nagaur Basin，Rajasthan，India［J］.Pet Sci，2011，8：264-268.

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.编辑：李兰英.

马健生（1983—），男，硕士，工程师，主要从事有机地球化学研究工作，通信地址辽宁省沈阳市皇姑区北陵大街26号甲3，E-mail// mjs1015@163.com