微生物技术在煤层分布及其尖灭边界识别中的应用

2021-06-22段中会梁永兴

中国煤炭地质 2021年5期

马丽，段中会，梁永兴，郝纯，周蕾

(1.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710021； 2.陕西省煤田地质集团有限公司，西安 710021；3.盎亿泰地质微生物技术(北京)有限公司，北京 100029)

0 引言

微生物地球化学勘探技术是近年来发展比较迅速的油气勘探技术，该技术基于油气藏轻烃微渗漏原理，主要研究近地表土壤层中烃氧化微生物异常与地下深部油气藏的相关性。早在20世纪30年代苏联学者提出利用近地表土壤中的氧化菌气勘探的设想，上世纪40年代美国首次从地表土壤样中分离出烃氧化菌并用作油气藏的指示[1-2]。近年来微生物勘探有了不少成功的例子，颜承志[3]等在珠江盆地白云凹陷深水区含油气性评价，对新发现圈闭的含油气性进行了预测，最终将油气微生物地球化学勘探的研究成果与地震、钻井、测井、岩心等资料相结合，对有利圈闭和区带进行了含油气评价，并成功预测了一口深水钻井的结果。丁力[4]等在准噶尔盆地中拐凸起火山岩储层油气勘探中使用微生物技术，成功预测了6口钻井的含油气性差异等等。国外玻利维亚石油矿藏和美国地质微生物技术公司，共同在玻利维亚安第斯子区预测了含油构造，预测的开拉斯科与卡塔里2个构造微生物异常区成功钻获了油气；美国德克萨斯艾伦堡构造区、印度Bikaner-Nagaur盆地区微生物探技术等几十个油气区都成功应用了微生物勘探技术。

油气勘探的理论基础是油气藏内轻烃的近垂直向上微渗漏理论[5-8]，与地球化学方法渗漏烃检测不同，微生物是直接检测近地表因烃渗漏所引起的周围介质微生物变化的指标，只存在微渗漏顶部异常，具有普遍性、垂直性和动态性等特点。微生物方法和常规基于地球化学的烃类检测方法相比，这种方法抓住了微渗漏轻烃在近地表转化的关键因素，即微生物转化过程，而这个过程以前常被地球化学检测方法所忽略。

微生物油气勘探常用的指标有：甲烷氧化菌、丁烷氧化菌、专性烃氧化菌(包括乙烷、丙烷、丁烷氧化菌总称)、厌氧纤维素分解菌等。微渗漏轻烃在烃类上升中以物理化学过程为主，碳基本稳定；在近地表60cm以内表现为烃类的生物地球化学转化过程，在氧气和微生物作用下，烃类部分氧化生成碳酸盐，部分以结合吸附等形式得以保存。与油气藏相比，煤层埋藏深度浅，煤层中的CH4混合烃类气体以游离和吸附两种形式赋存，我们选择煤层条件简单、煤层厚大的侏罗纪煤田(郭家河井田)进行微生物技术尝试，测试微生物技术对煤炭赋存的敏感性。

1 地质概况与微生物工程施工

1.1 研究区地质概况

研究区位于陕西省黄陇矿区郭家河井田，井田属于彬长坳陷Ⅲ级构造单元，含煤地层为侏罗系中统延安组，总体为一走向NE、倾向NW的单斜构造，其上发育次级褶曲及张性断裂，主采煤层3号煤层厚度0.55～26.83m，平均11.57m，结构简单[9]，瓦斯含量0.06～3.38mL/gdaf，平均1.29mL/gdaf，该区煤层瓦斯含量有“低含量、高涌出”的特点[10]。研究区成煤环境受古地形影响，在沉积边缘煤层急骤变薄至尖灭，尖灭边界位置对煤炭开采设计影响极大，是目前急需解决的问题。

1.2 工程布置及数据采集

基本垂直于无煤边界的方向，设计微生物探测测线，测点密度为50～100m/点，局部测点加密为20m/点，共布置A1/A2、B1/B2两组测线，分别用于控制两处无煤边界。

采样执行企业标准—《微生物地球化学勘探野外采集技术规程》(QWD 12-2011)。样品采集通过GPS坐标定点，选择土壤较多且没有被扰动过的地方，采样深度20～40cm；且每个样点保证采集深度相同；样品(若石块较多，先过过筛)装入特制样品袋；标注土壤岩性特征、土质颜色、潮湿度、表层沉积类型、样品标号、采样日期、采样时间等信息。

共完成测线采样长度4.2km，测点206个。

2 样品处理与分析

2.1 样品处理

目前主流油气微生物勘探技术多采用传统培养方法，培养方法是一种可靠的定量检测微生物的方法，在食品卫生等领域微生物检测的国家和行业标准中，微生物定量检测均使用的是培养方法。此外，也有采用各种分子生物学方法对烃氧化菌进行研究的方法[11-12]。分子生物学方法通过直接提取土壤总DNA，并采用PCR、生物芯片、高通量测序等各种方法对其进行研究分析。这种方法可以获得大量未培养微生物的信息，但是由于DNA提取偏差，仪器分析偏差等[13]方法本身的缺点，造成了分子生物学技术在定量上的准确性和稳定性差于传统的培养方法。

本次微生物相对含量(微生物值)的测定主要是采用平板培养法，检测中采用特殊的选择性培养基对土壤样品中的烃氧化菌进行专一性的培养和计数。测定程序：①将土壤样品进行脱水处理，称取一定重量的土壤样品待检；②将称量好的土壤样品放入纯净水中制成待检的稀释悬浮液，稀释比例一般为1∶100～1∶1 000；③取1mL稀释悬浮液，接种到琼脂培养基上，每个样品都选取三个平行样品进行检测；④将接种之后的培养基放入37℃的恒温培养箱进行培养6d 。⑤对培养出的烃氧化菌进行菌落计数，计算后得到微生物值(MV)。

2.2 微生物地表影响因素分析

在微生物成果分析之前，需要先对微生物数据进行地表影响因素分析，本次针对地形地貌、地表高程、土壤酸碱度和盐度等主要影响因素进行分析。因为采样中基本选择在地貌相近的点进行采样，尽量避开了环境因素的差异；高程与丁烷氧化菌无相关性，在图1中也表现出来二者没有明确相关关系；土壤pH值为6.3～6.8(图2)，偏中性较稳定，有利于微生物生长，pH值基本不影响烃氧化菌发育；土壤样品盐度小于0.08×10-12(图3)，其值较低且与烃氧化菌无相关性；因此认为微生物的地表因素影响较小。

图1 丁烷氧化菌与高程的相关性分析Figure 1 Correlation analysis between butane hydrocarbon

图2 烃氧化菌与酸碱性的相关性分析Figure 2 Correlation analysis between oxidizing bacteria andelevation oxidizing bacteria and acid or base

图3 烃氧化菌与盐度相关性分析Figure 3 Correlation analysis between Hydrocarbon oxidizingbacteria and salinity

在地表环境下，生物死亡、机体分解均可产生甲烷，因此会对局部微生物检测结果造成一定影响。为此，对比分析甲烷氧化菌(MMV)和丁烷氧化菌(BMV)的相关性(图4)，二者相似系数R=0.64，相关性较好，故选择丁烷氧化菌指标进行微生物综合研究。

图4 甲烷氧化菌与丁烷氧化菌相关性分析Figure 4 Correlation analysis between methane oxidizingbacteria and butane oxidizing bacteria

2.3 异常下限确定及微生物分布特征分析

1)通过数理统计的方法分别求取背景均值、标准偏差和异常下限。

(1)

②标准偏差S

(2)

式中：S为丁烷氧化菌的标准偏差，CFU/平板。

③异常下限V0。

(3)

式中：背景均值、标准偏差为66、61；V0为丁烷氧化菌的异常下限，CFU/平板。选取K=1，计算得到V0=90。

2)丁烷氧化菌频率直方图分析。微生物频率直方图能够反映出微生物值分布的背景数据体(背景峰)和异常数据体(异常峰)，背景峰和异常峰的分界线，可认为是微生物异常下限。通过微生物频率直方图的分析(图5)，本区微生物下限约为90CFU/平板，和数理统计方法计算的异常下限相当。

图5 丁烷氧化菌频率直方图Figure 5 Frequency histogram of butane oxidizing bacteri

2.4 微生物分布特征及地质分析

根据数理统计和频率直方图微生物数据分析结果，根据BMV值大小在研究区内划分5级微生异常：超高异常(微渗漏高)138～395CFU/平板，高异常(微渗漏较高)114～138CFU/平板，中异常(微渗漏中等)90～114CFU/平板，低异常(微渗漏较低)66～90CFU/平板，背景值(微渗漏低)11～66CFU/平板。制作4条(2组)丁烷微生物剖面。西部两条测线(A1、A2)有煤区：微生物均值123CFU/平板，最大395CFU/平板、最小20CFU/平板，异常比例67%，高异常比例45%；无煤区：微生物均值74CFU/平板，最大285CFU/平板、最小11CFU/平板，异常比例27%，高异常比例13%。A1剖面的异常边界约在10测点处(1～10测点为异常区，10～22测点为背景区)(图6)，A2剖面(图7)的异常边界约在16测点处(1～16测点为异常区，16～38测点为背景区)。东部两条测线(B1、B2)有煤区：微生物均值119CFU/平板，最大293CFU/平板、最小56CFU/平板，异常比例72%，高异常比例43%；无煤区：微生物均值78CFU/平板，最大367CFU/平板、最小20CFU/平板，异常比例18%，高异常比例10%。B1剖面(图7)的异常范围为14～25测点间，背景范围为1～14和25～38测点间；B2剖面(图6)微生物背景区范围在11～20测点范围，微生物异常范围在1～11测点和20～38测点间两段式分布。

沿各条微生物测线切取地震垂直时间剖面和地质剖面，选择连井剖面进行对比分析(图6)，A2线地震剖面处于研究区边界，地震剖面中间中断，仅能反映出在G18-2孔处煤层反射波T3波连续性好、能量强，对应钻孔处该煤层厚10.5m，C12孔处无T3波发育，对应无煤区；微生物剖面与地质、地震剖面特征一致。B1剖面上三种剖面对煤层赋存反映清晰，钻探成果对两个钻孔之间的控制精度较差，微生物剖面与地震剖面精度较高。

图6 A1、B2线微生物剖面Figure 6 Microbial section of lines A1 and B2

a.A2线地质剖面、微生物剖面及地震剖面 b.B1线地质剖面、微生物剖面及地震剖面图7 微生物剖面、地质剖面及物探剖面对比图Figure 7 Comparison chart of microbial section, geological section and geophysical section

2.5 煤层尖灭微生物响应模型

通过含煤区和无煤区的地表丁烷氧化菌分布特征的分析，可以看出含煤区之上的微生物异常发育强度大于无煤区，意味着含煤区煤层中的轻烃可以渗透到地表，且其渗漏强度大于无煤区。原理是含煤地层中烃类含量高于无煤区围岩地层，经过地层裂隙、裂缝等通道垂直运移到达地表，在近地表形成烃类相关指标异常，根据上述分析结果，可建立煤层尖灭边界的微生物响应模型(图8)，在煤层赋存区上部，微生物值呈现高异常，在无煤带上部，微生物值呈低的背景值。