微生物群落特征与微生物提高采油效率的关系

摘要：微生物提高采收率（MEOR）作为一种环境友好、低成本的技术，是能源开发领域的研究热点。MEOR可分为本地微生物采油和外源微生物采油。本土微生物驱油的最终目标是通过注入最佳养分刺激特定的本土微生物来提高采收率。为研究长期注入期激活土著群落的具体规律，采用长岩心物理模拟试验，开展了一系列土著驱替驱实验。实验结果表明，营养成分的运动（即，碳/氮/磷）与它们的消耗量不同。此外，在采出液中曾观察到营养物质浓度与细菌浓度之间存在正相关关系。乙酸浓度变化趋势与产甲烷菌一致。当添加相同的活化剂时，选择性活化剂对本土微生物的刺激作用随着注入周期的增加而变差，导致采油效率降低。

关键词

微生物强化采油 (MEOR) ,养分浓度,细菌浓度,产甲烷菌,微生物活性

一、简介

如今，微生物强化采油（MEOR）由于具有成本低、环境友好、来源方便等诸多优点而越来越受到人们的欢迎[ 1 ]。与传统的 EOR 技术相比，MEOR 不仅消耗更少的能源，而且很少依赖于原油价格。一般而言，MEOR 由本地和外源概念组成，是一种特殊类型的 EOR 技术，可利用微生物及其生物产物提高采油率 [ 2]。本土 MEOR 很可能通过注入最佳活化剂来刺激储层中存在的有益原生微生物群落，从而提高采油效率。另一方面，外源MEOR是指添加其他微生物和那些新陈代谢以提高置换效率并扩大比主要细菌群落的波及区。

此外，与外源 MEOR 相比，本土 MEOR 的储集层适应性要广泛得多。油藏通常具有高温（最高 180˚C）、高压（最高 40 MPa）、高盐度（最高 20 g∙L -1） [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] . 最近的研究表明，存在多种微生物群落。从油藏中分离出来的大多数微生物都能够生产生物表面活性剂和生物聚合物等生物产品，这些生物产品是 MEOR 感兴趣的，因为它们可以被视为本土微生物驱油的物质基础 [ 7 ] [ 8]。许多研究已经调查了通过注入最佳活化剂可以改变本地微生物群落的结构。高等人。(2013) 证明，活化剂浓度和组成在激活水库中微生物群落的效率中起关键作用 [ 9 ]。在适当的浓度和组成范围内连续供应活化剂，如蛋白胨、玉米糖浆或糖蜜（请提及活化剂的例子）是最终采油的关键步骤。为了了解本土 MEOR 的大尺度机制，物理模拟实验可以为现场试验中使用的参数优化做出重要贡献 [ 10 ] [ 11 ] [ 12] [ 13 ]。

近二十年来，大多数物理模拟试验都是在短时间培养（即7-30天）和单轮营养注射等条件下进行的。因此，微生物消耗营养物质以利用（请提及细菌代谢的物质）需要一个封闭期[ 14 ]。在实践中，MEOR在申请中通过注射多轮营养已经持续多年。注入的养分将在 30 天内迁移到距注入井 150 米以上的生产井，而不会消耗微生物。据我们所知，Yu等人报道了在大规模实验中观察到的好氧-厌氧菌落的成功分布。(2012)，利用 PV 为 2.7 L [ 15 ] 的长芯。在其他研究中，这些实验是在 10 天的封闭期中进行的。尽管目前不可缺少的大尺度物理模型尚未用于研究连续驱期间的采油效率和养分分布 [ 16]。这种普遍现象在物理模拟实验下的一轮营养注射中无法有效观察到。本文将重点关注微生物群落特征的动态、活化剂成分的浓度和功能性细菌在一系列驱替实验中，这些实验使用专用的大型（1800 毫米）填砂柱进行 10 轮注水。本文的目的如下：1）研究养分迁移和消耗；2）通过长期、长期的物理模型驱实验，了解养分与生化参数的关系，为现场试验提供参考。

二、材料与方法

2.1。介质和流体

为了激活土著微生物，在实验室模拟战三区块水库条件下，选择了优化的营养配方。营养液如下：玉米浆干粉、硝酸盐和磷酸盐[ 17 ][ 18 ]。注入营养液采用战3区块注入水配制，每次循环注入营养液30mL（0.05PV），总轮数可达10次。注入营养成分浓度为10倍高于实验室实验获得的最佳浓度（C：982.7 mg/L；N：438.9 mg/L；P：143.0 mg/L）。

2.2. 大型驱替实验的设备和程序

Sun 的报告 [ 19 ]中描述了长期驱替实验的设备和详细程序。岩心渗透率为1150×10 -3 μm 2，孔隙度为0.28，孔隙体积为573 mL。营养液以 1 mL/min 的速率注入，随后立即以 0.02 mL/min 的速率进行盐水驱水（即, 无停工期）。之后，通过Analytik Jena multiN/C UV 2000在模型输出端检测主要营养成分（碳/氮/磷）的浓度。检测方法基于中华人民共和国国家标准（ GB 11893-89)。每轮都包含活化剂段塞和随后的连续注水，总共推进 10 轮微生物驱。

2.3. DNA的分离和微生物特性分析

每天采集 25 mL 生产水样用于 DNA 分离和 DNA 提取。所有样品在 4°C 下以 12,000×g 离心 15 分钟。去除上清液后，将这些颗粒置于-70˚C 并在 1 周内提取。然后使用 AxyPrep DNA 提取试剂盒（Axygen，USA）从颗粒中提取 DNA。细菌和产甲烷菌的浓缩分别通过 iQ SYBR green PCR master mix (Bio-Rad) 和 iCycler (iQ5) 实时 PCR 检测系统 (Bio-Rad) 进行。总mcrA的量化基因拷贝由引物 mlas-F (GGTGGTGTMGGDTTCACMCARTA) 和 mcrA-R (CGTTCATBGCGTAGTTVGGRTAGT) 确定，而总细菌 16S rRNA 基因拷贝的定量由引物 907R (CCGTCAATTCMTTTRAGTTT) 和 517F (CAGCMGCCGCGGTAANWC) 识别。20 μL PCR 反应混合物由 10 μL iQ SYBR green PCR master mix、1 μL 模板 DNA、0.2 μL 2 μM 引物和 9.6 μL 双蒸水 (ddH 2 O) 组成。扩增反应使用以下条件：初始变性步骤由 94°C 3 分钟组成，30 个循环由 94°C 30 秒、50°C 30 秒、72°C 30 秒和最终延伸组成72°C 5 分钟。每个样品测量 3 次，以确保数据的准确性。

Illumina MiSeq 测序在 BGI Co., Ltd 进行，遵循其标准方案 [ 20 ]。过滤原始数据以消除适配器污染和低质量以获得干净的读数，然后将具有重叠的双端读数合并到标签中。并且标签以 97% 的序列相似性聚集到 OTU。使用核糖体数据库项目 (RDP) Na, e Bayesian Classifier v.2.2 将分类等级分配给 OTU 代表序列。最后，基于OTU和分类等级分析了α多样性。

3. 结果

3.1。营养素迁移和消耗

如图 1所示，三种养分成分在多孔介质中的迁移速度差异很大。碳和氮的迁移和消耗趋势相似，呈波动状态。碳（122.5 mg/L）和氮（38.3 mg/L）的最低浓度在第5轮观察到。然而，磷浓度在第8轮之前保持不变，随后随着驱水时间开始上升。

3.2. 淹水试验中微生物浓度的变化

图 2为驱替实验中 10 轮营养液注入过程中细菌浓度的变化。细菌浓度的变化趋势与碳和氮的迁移消耗规律相似。在第 5 轮中观察到最低细菌浓度。在第 1 至第 9 轮的过程中，营养浓度与采出液中的细菌浓度相关。

3.3. 采出液中的微生物群落结构和多样性

长芯驱实验进行 10 轮 MEOR 处理。通过Illumina MiSeq测序分析微生物群落结构和动态。从测序稀疏曲线来看，测序达到饱和，覆盖了 90% 的社区（图S1）。基于 OUT 的香农指数总结如图3 所示。随着多轮营养注入，细菌群落的多样性先下降后上升。

(a)(b)(c)

图 1。营养成分浓度的变化。(a) 碳；(b) 氮；(c) 磷。

图 2。不同轮次产出液的细菌浓度。

(一)(二)

图 3。微生物特征随水浸轮的变化。(a) mcrA（产甲烷菌）的浓度；(b) 微生物群落多样性。

不同轮次置换期间的微生物群落结构在图S2和图S3中以属水平显示。细菌和古细菌群落中有大量未解决的物种。细菌的种类明显多于古细菌。注入水中的细菌和古细菌群落与采出液中的细菌和古细菌群落显着不同。随着置换轮数的增加，微生物群落结构呈现连续动态演替，细菌群落逐渐由好氧假单胞菌向兼性厌氧菌转变，如土杆菌、厌氧杆菌等。. 好氧菌、兼性菌和厌氧菌在时间尺度上有明显的级联激活规律。古生菌的演替不明显，最终甲烷嗜热菌成为采出液中的优势古生菌。这种嗜热古菌的优势与高实验温度一致。

3.4. 微生物生长、活化剂迁移与消耗的关系

由图3可知， mcrA浓度最高值出现在第4轮。多样性的最低值从第3轮开始逐渐增加。根据结果，营养浓度与mcrA浓度/细菌生物多样性无关。在第 4 轮观察到mcr A浓度最高。香农指数随着驱油时间的增加而增加，这意味着采出水中的微生物群落结构在第 5 到第 10 轮是稳定的。在驱油中观察到mcrA浓度实验与第5-10轮得到的香农指数相反，倾向于增强微生物群落结构的稳定性。

4。讨论

作为 MEOR 的关键组成部分，准确的微生物反映代表了内源性微生物的代谢活性，提高了 EOR 的效率，为工业应用提供了科学指导[ 17 ]。此外，营养素是调节微生物群落的主要调节剂。根据迁移和消耗规律，由于存在明显的色谱效应，营养成分在注射过程中会显着影响微生物的活化效率[ 20 ]。

如图 2所示，采出水中观察到的较低浓度是由于微生物从第 1 轮到第 5 轮迁移到多孔介质中造成的。根据图 1（a）和图1（a）所示的碳和氮的迁移和消耗趋势如图1（b）所示，采出水中碳、氮或微生物的最低浓度都发生在第5轮，这意味着微生物场可以在特定的时间段内移动占据多孔介质（即, 4 轮）导致采出液中微生物和营养物质的浓度发生变化。第 1-4 轮注入的大​​部分营养物质应被吸附和/或微生物消耗耗尽，因此微生物很难在第 1-4 轮快速获得足够的营养物质。磷是 DNA 合成的重要元素, 但在储层产出液中只存在少量。采出液中磷浓度规律表明，磷达到平衡需要更长的时间。在第 6 到第 10 轮中，碳/氮浓度逐渐升高，产生这种现象的原因如下： 1）吸附和解吸；2) 多孔介质中的微生物耗尽导致养分效率降低 [ 21 ]。

使用摇瓶实验室实验优化注入的营养成分的浓度。摇瓶中微生物的营养利用率比多孔介质中的快。早期注入或增加磷浓度可能是加快微生物繁殖速度的方法。驱水试验后期，采出水中营养元素浓度升高，导致营养过剩。如上所述，我们可以在早期增加磷浓度以加速微生物繁殖，同时降低养分浓度以维持微生物生长，降低MEOR现场实验的注入成本。

在以往的研究中，进行了 6 轮营养注入，香农指数可用于预测 MEOR 整个过程中实施的影响，高mcrA浓度是导致水分含量明显降低的标志，而香农指数指数是决定微生物群落稳定性的标志。多样性的降低表明活化剂选择性地刺激了储层微生物群落中的一些微生物，驱油实验前期驱油效率较高。在较长时间的驱油实验中（即10 轮营养注入），Shannon 指数在第 5-10 轮有持续上升的趋势，此时水的浓度保持在 99%（图 4），最终采油率为 57.6%。这意味着香农指数无法预测实验室和现场驱油试验后期的生产动态。

另一方面，mcrA浓度从第5轮持续下降到第10轮。产甲烷古菌可以利用上游细菌（如乙酸）的代谢过程进行繁殖，乙酸的浓度被认为代表了细菌的代谢活性。图 5给出了驱替实验中乙酸浓度的变化，波动趋势与mcrA相似. 产甲烷菌的浓度逐渐降低，主要是由于第 5 到第 10 轮乙酸浓度降低。根据第 5 轮以来细菌和养分浓度的变化，研究发现 MEOR 后期养分效率正在降低，因为绝大多数养分在洪水过程中被浪费了。驱替实验后期滞留的大部分营养物质可能被芯管前端的微生物利用[ 22 ]。作者认为增加mcrA浓度对于提高芯管后部的细菌活性以提高采收率至关重要。

图 4。驱水过程中含水率的动态变化。

图 5。产液中乙酸的浓度变化。

更具体地说，通过改变营养成分或注入方式，调节芯管前部的微生物群落并提高营养利用率可能有利于提高mcrA浓度并达到MEOR后期细菌的活性水平。

5. 结论

本研究可以得出以下结论：在实验初期，增加养分浓度可以加速微生物的繁殖；降低营养浓度可维持微生物的生长，降低实验后期的注射成本；产甲烷古菌可以用来指示代谢活动，而群落多样性可以决定微生物群落的稳定性。经过多轮微生物置换后，产甲烷古菌浓度下降，多样性指数上升，代表活化剂选择性活化效率降低。这些结果表明，调整活化剂配方或改变工艺以改善生物特性，延长微生物驱油的有效期至关重要。此外，实验结果还表明，香农指数不适合预测 MEOR 驱实验后期的生产动态。改变营养成分或注射方式可能是提高MEOR后期微生物活性的方法。

致谢

胜利油田公司博士后项目（批准号YKB1620/YKB 1812）和中国石化产业化项目（批准号P18087）资助。

供应

图S1。物理模型生产溶液样品的高通量测序稀薄曲线。

图 S2。不同排量弹产生的液体古菌群落结构。

图 S3。不同排量弹产生的液体细菌群落结构。

利益冲突

作者声明与本文的发表没有利益冲突。

参考

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