油气微生物勘探理论与技术研究进展

汤玉平，许科伟，顾 磊，杨 帆，高俊阳，任 春，王国建

(中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126)

当代微生物学和分子生物学的迅速发展，为开展微生物与油气之间的相关性研究提供了技术支持，推动了微生物勘探技术的发展。近年来，油气微生物勘探技术逐渐被勘探家重视，其理论方法研究和勘查思路方面也有了较大的创新。本文就国内外近几年油气微生物勘探进展结合笔者所在课题组的勘探实践作一简要评述。

1 油气微生物检测技术研究进展

大量的油气指示微生物可能是难培养微生物，无法通过纯培养技术开展研究[1-2]。21世纪以来，分子生态学技术飞速发展，特别是近年来得到广泛关注的“稳定性同位素核酸探针”(DNA/RNA-SIP)技术，使得研究者能利用该技术原位示踪较复杂环境下的油气指示微生物核酸(DNA/RNA)，从分子水平对油气生成过程中的活性微生物群落演化开展研究，明确鉴别油气微生物种类，扩充油气微生物遗传数据库，优化微生物勘探精度。目前，有关甲烷氧化菌的DNA/RNA-SIP研究已经相对比较成熟，人们已经能够准确地提取在甲烷渗漏点原位真实起作用的微生物信息，包括那些不可培养的微生物[3]。有报道表明，在降解轻烃的过程中，细菌种类和数量随烷烃链长增加而线性增加，且整个群落往往呈现专性、兼性和辅助菌并存的状态[4]。目前仅有美国加州大学Valentine研究小组对其做过较为系统的研究[1-2]。他们通过测定碳、氢稳定同位素的分馏效应，找到了C2—C4在圣芭芭拉海域微渗漏点被微生物好氧降解的地球化学证据，并且估算了其降解程度。为找到更直接的证据，该课题组随后采用稳定同位素核酸探针，成功检测到了油气渗漏点的高活性短链烃氧化微生物。在了解原位油气指示微生物种类之后，可以针对特定的微生物种属设计引物或探针，只检测其中1～2种活性较高的关键微生物，这样可以提高实际勘探的准确性和特异性。

1.1 建立分子生物学(免培养)检测技术

目前油气微生物勘探技术仍以传统培养方法为主，即把整个土壤微生物群落视作“黑箱”，通过一段时间的充气培养后，比较油气区和背景区之间上述两类微生物数量和活性的差异，而对油气微生物在微渗漏原位的生态特征却知之甚少。油气微生物，特别是难培养微生物的发育，大概率伴随有漫长的油气藏地质历史过程，因而，自然条件下的油气藏指示微生物大多长期处于贫营养的状态，属于难培养微生物，实验室内采用平板法和最大概率法均难以准确识别难培养油气资源指示微生物的变化特征，很可能会严重低估其真实的多样性水平，忽略未培养微生物的贡献。因此，仅通过研究可培养的烃氧化菌异常来预测下伏油气藏的存在是不全面、不精确的，需要建立免培养的分子生物学检测技术。

英国Environgene公司分别在兰开夏郡和巴伦支海南部进行了分子生物学技术试验性研究，并申报两项国际专利；分别选用了甲烷单加氧酶基因和烷烃单加氧酶基因对已知油气田进行了定量解析，经过归一化后的油气基因与油气藏范围和生产井位置基本吻合；采用微生物勘探方法在中非裂谷盆地某区块进行圈闭含油评价，通过检测地表油气基因丰度，所得的微生物异常与实际钻探结果吻合程度很高。中国地质科学院水文地质环境地质研究所在普光气田利用丁烷氧化基因bomX也取得了较好的指示效果[5]。

笔者所在课题组构建了国际认可的油气基因定量标准样(甲烷氧化菌pmoA基因和烃氧化菌alkB基因)，定量检测样品中的油气相关基因的丰度，编制了应用检测标准，建立了分子生物学检测技术，应用研究表明效果良好[6-7]。使得不同来源和不同批次的样品可以相互比较，保证了工业化检测的稳定性，与培养法共同应用，可大大提高勘探技术的可靠性。

1.2 探索油气微生物群落解析技术

借助高通量测序及生物信息学技术，可以原位分析地质生态系统的微生物群落发育特征[8-9]，从微生物群落整体的角度表征特定油气指示微生物的变化，不再局限于单一油气微生物的研究，而是走向群落及综合系统的地质微生物研究，是微生物勘探技术的发展趋势。笔者所在课题组经过攻关，在油气基因定量的基础上，采用分子指纹、稳定性同位素探针和高通量测序等一系列先进的分子生物学技术，集成了现代生物学技术的最新成果，初步建立了全新的油气指示微生物群落解析技术。该技术无需培养，可以准确、全面地诊断出不同样品间油气指示微生物群落之间的差别，稳定性和准确性较高，为油气微生物勘探技术提供了新思路(图1)。

1.3 构建较为完善的微生物勘探技术体系

在建立高效油气微生物检测技术的基础上，构建了较为完善的微生物勘探技术体系，包括样品采集、分析检测、环境校正、综合解释等。在中国石化各大油气田取得了较好的应用效果，完善了我国油气地球化学勘探技术序列。油气微生物勘探技术与常规化探、物探、地质等结合使用，可以提高勘探成功率。

1.3.1 微生物与各类指标结合

微生物勘探和传统油气化探都是在轻烃垂直微渗漏理论的基础上发展起来的。其不同在于，微渗漏引起的微生物异常通常表现为顶端异常，且微生物对油气藏渗漏轻烃的改造及分配有显著影响。此外，现今的烃渗漏才会引发微生物异常，历史的烃渗漏则没有效用[10]。因此，通过微生物勘探发现的油气渗漏异常，对油气勘探具有现实意义。而烃类检测指标则具有较高灵敏度，且可对下伏油气流体性质进行鉴定[11-12]。张春林等[13]结合微生物和常规化探的优势，在四川盆地镇巴区块长岭—龙王沟地区开展了研究。宏渗漏微生物及烃检测异常指标通常呈线状分布，烃浓度较高，C6+较多，烷烃/烯烃值较高；而微渗漏微生物异常指标则呈散乱分布，烃浓度较低，C6+较少，烷烃/烯烃值较低，有效地识别了烃类微渗漏与宏渗漏区域。此外，油气勘探中发现油气异常通常与磁化率异常具有较好的对应关系，而且有些油气藏上部地层中出现磁性矿物(主要是磁铁矿和磁黄铁矿)的聚集，而这些磁性矿物有很大一部分是由趋磁细菌产生的，笔者注意到最近已有研究人员通过趋磁细菌来快速诊断土壤石油烃污染状况[14]，那么在油气藏上方的趋磁细菌是否可以作为另一种类型的油气指示微生物尚有待研究。值得注意的是，地表植被和微量元素也可能是非常好的辅助指标，阿根廷Larriestia微生物勘探公司就做了有益的尝试[15]，取得了较好的应用效果。

1.3.2 微生物与地球物理结合

微生物勘探是探测油气微渗漏的有效手段，具有直接、快速、经济的特点，可以判识下伏有无油气藏的信息，但不能识别圈闭类型，也不能直接指示油气储层深度及储量。如果要建立深部油藏与地表烃类渗漏和油气圈闭之间的联系，就必须依托地球物理技术[16]，如划定3D地震数据中的烃类迁移路径。Larriestia公司首次在3D地震中利用气体烟囱概率体积帮助确定烃类在油田中的生成位置和运移路径，其原理是通过提取气烟囱多个地震属性而生成一个神经网络。通过这种方式，烟囱概率体积法作为微生物勘探的一个重要补充，能够帮助解释人员更好地了解从烃类生成位置开始的整体勘探区间信息[17]。

2 油气微生物勘探机理研究进展

2.1 初步构建中国石化油气指示微生物数据库

除烃类外，微生物生长的周边环境因素对其发育丰度也有影响，如土壤的湿润程度、酸碱度、盐度、营养成分等。如果微生物发育的数量变化是由环境因素导致的，就会引起油气富集或贫乏的假象。柴达木盆地三湖地区勘探表明，地表沉积物严重盐碱化，渗漏轻烃在多数土壤样品有发现，却不发育甲烷氧化菌，导致微生物背景值几乎为零。因此，在开展相关影响因素研究时，需考虑探区实际环境条件具体分析，确定指导油气勘探的微生物种群、发育机理和异常模式，以完善油气微生物勘探技术。

图1 油气勘探微生物分子生物学检测技术框架Fig.1 Technical framework for molecular biology detection of microorganisms in oil and gas exploration

目前已完成了多个典型油气田(胜利油田、长岭油气田、江苏油田、江汉油田、春光油田、玉北油田、杭锦旗气田、镇泾油田、普光气田、南阳油田、北部湾油田等)的野外调查和取样工作。采集了油田区、油气田区和气田区的样品，利用微生物高通量群落解析技术，深度分析了油气微生物类群分布特征，为区分下伏油气属性奠定了基础；采集了不同地理位置的油气田区的地表样品，包括东北平原区、华北平原区、西北黄土区和沙漠区、南方地区及滨海、河湖边岸地区，为研究环境因素对油气指示菌发育的作用、确定取样深度等奠定了基础；分别采集油气田区、干井区和背景区的样品，为油气微生物勘探参考体系的建立提供支撑。数据库中同时配套对应的指示菌数量范围、地表环境参数(包括地表温度、样品湿度、颜色、岩性、pH值、有机含量和地表植被等)、最佳采样深度、地质背景条件等关键信息。在此基础上，初步构建了中国石化油气指示微生物数据库。

2.2 初步明晰高频油、气指示菌种

对各大含油气盆地的典型油气藏上方土壤中的甲烷氧化菌和丁烷氧化菌数量进行统计，结果显示不同环境中油气微生物丰度差异显著(图2)。与油气化探指标呈现西高东低的规律不同，油气指示微生物丰度与地表环境的关系非常密切。春光油田和玉北井区均为沙漠区或沙漠化区，其微生物值比其他油田普遍低1～2个数量级。而江苏、南阳、江汉等区块由于遍布农田等湿度和有机质浓度较高的生境，故其微生物值普遍较高。由此可见，水分和有机质等非烃生态因子在一定程度上也能影响油气指示微生物的生长发育，在实际勘探样品采集时应尽量避免使非烃生态因子成为限制性生态因子。如不能避免，应尽量采集同一生境的勘探样品。

结合高通量测序技术和传统分离筛选方法初步获取了油气指示微生物菌种类型数据库。数据库中除包含己知具有C2—C4烃降解能力的棒杆菌(Corynebacteria)、诺卡氏菌(Nocardia)、分支杆菌(Mycobacterium)、红球菌属(Rhodococcus)、假单胞菌(Pseudomonas)和具有甲烷降解能力的甲基单胞菌(Methylomonas)、甲基球菌属(Methylococcus)、甲基杆菌属(Methylobacter)、甲基微菌(Methylomicrobium)、甲基弯曲菌属(Methylosinus)和甲基孢囊菌属(Methylocystis)之外，还新发现40株具有油气指示意义的菌株，如伪诺卡氏菌(Pseudonocardia)、红螺菌属(Rhodospirillum)、红弧菌属(Rhodovibrio)、链霉菌(Streptomyces)、产黄杆菌属(Rhodanobacter)等。针对数据库中所涉及的指示微生物菌种及其相对丰度，采用数学模型的方法对不同样点进行了综合打分，分别计算油总指数和气总指数，对不同地区典型油气藏进行评价，发现识别效果非常明显。其中8株典型油气指示微生物菌被国家微生物保藏中心收藏。

图2 典型油气藏上方土壤中的甲烷氧化菌、丁烷氧化菌及化探丰度场分布特征Fig.2 Distribution characteristics of methane oxidizing bacteria, butane oxidizing bacteria and geochemical abundance field in soil above typical oil and gas reservoirs

对以含气为主的普光气田和以含油为主的春光油田典型油气藏上方的土壤样品进行丁烷氧化菌的培养、分离和纯化，然后通过16SrRNA测序分析，利用BLAST软件将所测得的序列与GenBank数据库中已登录的序列进行同源性比较分析，利用生物信息学等方法分析典型油气藏上方土壤中油气指示菌的物种丰度和相对组成特征。发现不同地质背景、不同地理地貌条件下，不同含油气区的主要油气指示菌种类具有一定程度的差异。经过十几个油气区油气指示菌的统计分析，发现其中的高频油指示菌和高频气指示菌可以作为通用种属进行油气藏预测。其中，高频油指示菌(AMNR族)为：节杆菌(Arthrobacter)、分枝杆菌、诺卡氏菌和红螺菌；而高频气指示菌为：甲基球菌、甲基杆菌和甲基孢囊菌。

2.3 人工模拟明确微生物与烃类响应关系

研制了烃类长期驯化的微生物模拟装置，开展了持续三年的人工模拟实验研究，通过长期(30个月)观测烃类诱导下的微生物数量和群落变化[18]及对应的烃类浓度、组成和稳定性同位素数据，发现甲烷氧化菌和丁烷氧化菌分别对气和油有明确并且不同的响应曲线(第9～12个月后稳定)，停止供烃后(吹脱)，油气微生物数量缓慢回落至较低水平(第8～10个月后)，印证了微生物与烃类的响应关系(图3)。发现的油气指示关键种属甲基球菌、甲基孢囊菌、红螺菌、诺卡式菌等在实际油气藏上方都有发现，并且都是高频菌种，表明理论上利用微生物指示菌判识油气是有效的。

3 国内外微生物勘探应用研究进展

近几年，多家机构先后在准噶尔盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地、松辽盆地、南海等区块进行了生产应用，取得了较好的效果[19-31]。目前微生物勘探技术已成为石油地质和地球物理技术的一项重要辅助技术，在常规以及非常规油气藏勘探方面均有报道(表1)。

在页岩气勘探中，原生页岩气藏较高的异常压力、气藏的隐蔽特性、页岩孔隙与微裂缝发育和气藏富集程度成正相关等有利成藏特点，均有助于发挥油气微生物勘探的优势，准确表征页岩气富集规律，圈定有利目标区，降低勘探风险[19]。目前美国、加拿大、中国等相关研究机构已进行了初步的试验性研究[32-33]。

图3 人工模拟条件下油气微生物变化特征Fig.3 Characteristics of oil and gas microbial changes under artificial simulation conditions

表1 近期国内外油气微生物勘探应用概况Table 1 Overview of recent oil and gas microbial exploration applications at home and abroad

在天然气水合物勘查方面，中国青藏高原冻土带自然地理条件极其恶劣，常规地球物理勘察手段难度大、成本高，亟需结合实际条件采用更加便捷、可靠、经济的新技术，以推进该地区天然气水合物勘探。在青海木里天然气水合物试验调查中，选用甲烷氧化菌、丁烷氧化菌和酸解烃相结合的地球化学检测手段，取得了较好的勘查效果，为冻土带水合物资源探寻指明了新的方向[34]。在海洋天然气水合物勘查方面，既往研究表明，在含有天然气水合物的沉积物中，丰富的碳源为微生物发育提供了丰沛的养分，微生物丰度与甲烷浓度变化存在密切联系。太平洋东海岸秘鲁和喀斯喀特外海含有天然气水合物的站位的微生物丰度研究发现，表层古菌占比高于不含天然气水合物的站位。这可能是由于水合物稳定带下伏的甲烷或碳氢化合物流体上升，为表层古菌提供了充足的营养物质和氧化剂，从而增大了古菌丰度[35]。南海东沙海域水合物调查区研究[36-37]也发现，冷泉沉积物微生物丰度与甲烷浓度存在正相关，这与前述研究高度吻合。

非构造圈闭识别是非构造油气藏勘探的难点。以柴达木盆地三湖地区为例，生物气勘探长期以来着眼于构造气藏[38]。2008年，台南9井、台南10井、涩34井喜获工业气流，显示该地区岩性气藏勘探具有良好前景[20]。盎亿泰公司在三湖坳陷开展了微生物勘探试验，分析土壤中的甲烷氧化菌[39]。长江大学袁志华等[40]通过在柴北缘马10井区进行油气微生物勘探，展示该地区有一定的含气远景。中国地质科学院水文地质环境地质研究所联合应用连续电磁剖面法和微生物基因定量技术，在研究程度较低的苏干湖盆地油气勘查得到了重要发现，油气藏发现潜力巨大[21]。

微生物数据的地质解释上，长江大学基于“取之于油田，用之于油田”的思想，利用现有地质、地震、测井和钻井测试等资料，以及专性微生物分析结果，进行精确厘定。建立了较为完备的油气微生物异常区分级评价体系——PI(Potential Index)指标体系，即综合了油藏或天然气异常区的异常最大值、异常平均值、异常区面积、异常区形态及与构造的相互关系，在已有探井等基本资料的情况下还包括储层深度和开采情况等因素，将这些不同参数经过复杂的数学模型处理得出指标。PI值越高的异常区，表明其油气前景越好。在实际运用时，根据PI值对异常区进行归类，如A，B，C，D等，在渤海湾盆地惠民凹陷阳信洼陷地区的微生物勘探中取得了良好的效果[41]。对油气微生物勘探解释模型进行了有益尝试，即利用石油地质资料、地震数据、微生物异常数据和轻烃分析资料，运用Petrel建模软件，通过地质建模、计算机图形处理技术与地质统计学方法，设计并探索油气微生物勘探解释模型[42]。此外，美国环境生物技术公司(EBT)也形成了一套运用地质统计分析得出钻井成功概率的微生物勘探成果地质解译方法，在南美地区取得了良好的应用效果。

笔者所在课题组近年来在苏北、渤海湾、松辽、江汉、塔里木、准噶尔、柴达木、四川和鄂尔多斯等多个含油气盆地持续开展了大量的应用研究工作。

3.1 准噶尔西北缘某区块油气微生物勘探

该区块位于准噶尔盆地西北缘车排子凸起上，区域构造上位于准噶尔盆地西部隆起区东部，是一个具有多层系、多圈闭类型和多油品的复式油气聚集区。研究区为荒漠—沙漠环境，干燥、缺少植被的地表环境使得土壤中微生物丰度普遍较低。根据实验检测结果，并对比不同环境下微生物数量的变化趋势，在数据统计的基础上，将荒漠—沙漠环境下的微生物异常值分为3个等级：大于50为高值异常区；介于30～50为异常区；低于30为背景区。

研究区西南部分布有古近系、白垩系和侏罗系3套储层，其中T33，T67井为投产油井。图4为该区块西南部甲烷氧化菌异常分布图(其中a图为无锡石油地质研究所成果，b图为EBT公司成果)。可以看出，甲烷氧化菌异常高值区分布集中，在油气藏上方显示出顶端异常模式。其中在T33井区到T67井区形成了高值异常区，该区新近系沙湾组和侏罗系岩性油气藏分布较广，且为轻质油，表明甲烷氧化菌对油藏分布有很好的指示意义。微生物异常与地球物理资料能很好地吻合，与井位分布对应关系良好，后续钻探油气井(T130，T67-3)均分布于微生物异常范围内。

3.2 顺北重点探区有利区预测

顺北地区是沙雅隆起的外延部分，该区奥陶系具有和塔河油田南部托甫台—跃参区块相似的成藏地质背景，碳酸盐岩缝洞型储层发育。西部阿瓦提—阿满过渡带寒武—奥陶系烃源岩发育，经历了多次生排烃过程，邻区托甫台—跃参区块钻井在奥陶系获工业油气流，已形成产能建设阵地。目前已探明的多个油气富集区，都是沿大型断裂带分布。特别是从深层寒武系延伸到奥陶系的深大断裂，控藏特征非常明显。

采用微生物勘探技术对顺北重点区块所采集的样品进行检测，基于邻区和类比区建立的正演模型，依据微生物异常和油气属性判识，结合石油地质、地球物理、地球化学资料，开展油气富集区预测研究。结果显示，在顺北1断裂构造带上方呈现出强烈异常，与钻探结果具有较好的对应关系，表明建立的模型可以用于预测。具体表现为断裂带和非断裂带上方具有差异性，断裂交会处化探异常强。以此为模型，进一步针对临区4号岩溶圈闭进行含油气性评价，结果显示顺北3号断裂构造带上方异常明显，具有良好的勘探前景(图5)。后续钻探的顺北3井在该异常中心区获高产工业油气流，验证了微生物技术在超深层断溶油气藏勘探领域的有效性。在顺8井北三维区开展了微生物地球化学勘探，在圈定的微生物明显异常内，后续钻探顺北7、顺北71X井均获高产油气流。

图4 准噶尔西北缘某区块甲烷氧化菌异常分布Fig.4 Distribution of methane oxidizing bacteria anomalies in a block on the NW margin of Junggar Basin

图5 塔里木盆地顺北油田顺北1井区微生物异常分布Fig.5 Distribution of microbial anomalies in Shunbei 1 well area of Shunbei Oil Field, Tarim Basin

4 结论与展望

近年来随着现代微生物学的快速发展，油气微生物检测技术和机理及应用研究同步取得明显进展。开展了油气指示微生物数量、群落结构、群落演替规律和类群分布的相关性研究，建立了分子生物学技术和群落解析技术。针对不同油气藏类型、不同地理条件的油气区样品，初步构建了我国典型含油气盆地油气指示菌数据库，发现了高频油气指示菌。人工模拟结果表明，不同烃类组分驯化下微生物及群落结构出现明显差异性和响应关系，提供了微生物勘探技术的理论依据。应用研究表明，在各种不同类型油气藏上方微生物异常都能很好地体现出油气藏的“生理体征”，显示出良好的应用前景。

为了完善油气微生物勘探技术，本文认为在以下方面值得进一步探索和研究：

(1)开展我国油气微生物指示菌种数据库的建设与应用研究；

(2)制定油气微生物勘探技术的标准(规范、标准样)；

(3)开展微生物群落(属、种)演替规律及相关性研究，建立完善的油气微生物群落解析技术；

(4)加强油气微生物干扰因素研究，建立不同地区与条件干扰因素评估手册；

(5)开展模拟实验研究，建立实验室长期观测机制，完善油气微生物勘探机理；

(6)开展分子生物学快速检测技术研发，进一步开展活性检测技术完善与应用；

(7)开展复杂地区尤其沙漠、戈壁区等的样品采集与检测技术研发；

(8)探索页岩气甜点区的预测与评价技术；

(9)加强地质、物探、常规化探与微生物的结合分析，探索综合解释模型与评价技术。