油藏内源微生物的选择性激活条件优化及分子生态学研究

论文摘要

油藏内源微生物比外源微生物更适应油藏的极端环境,具有更高的代谢活性,利用内源微生物采油是目前微生物采油技术领域较为活跃的研究方向。目前内源微生物采油技术（Activation of Stratal Microflora for Enhancement of Oil Recovery,ASMEOR）的研究更多的集中在MEOR（Microbial Enhanced Oil Recovery, MEOR）机理、功能菌的数量变化、代谢产物的初步分析及其对油水理化性质的影响方面,而对于制约油藏环境中采油功能微生物群落生理活动的影响因素、激活过程中群落种属的变化规律及营养成分在运移过程中的吸附规律研究较少。论文共分七章,第一章是文献综述;第二章是内源微生物群落结构分析;第三章是内源微生物激活效果影响因素探讨;第四章是内源微生物室内模拟驱油实验研究;第五章是内源激活营养成分在石英砂上的吸附行为研究;第六章是分子生态学技术在内源微生物群落选择性激活上的应用;第七章是结论。本论文通过研究不同环境与生源要素条件下功能微生物群落的变化,营养成分的静态和动态吸附,变形梯度凝胶电泳（ Denaturing Gradient Gel Electrophoresis,DGGE）条带数量和亮度的变化及PCR（Polymerase Chain Reaction,PCR）序列分析,采用单次单因子法优选出沾3区块最佳激活剂配方,探讨了影响内源微生物激活效果的潜在因素,揭示了内源微生物营养激活剂的静态和动态吸附规律,并结合分子生态学技术考察了激活过程中菌群结构变化规律。1.内源微生物群落结构分析利用选择性培养基,采用MPN（most probably number,MPN）法和镜检计数法对沾3区块注入水和沾3 X24井产出水的主要内源微生物群落结构进行了分析,结果表明,注入水和产出水中内源菌总体含量及有益菌HOB（Hydrocarbon Oxidating Bacteria, HOB）、MPB（Methane-Producing Bacteria, MPB）、DNB（Denitrifying Bacteria, DNB）浓度较低,而SRB（Sulfate Reducing Bacteria, SRB）浓度则达到102个/mL。可利用微生物间生存竞争关系,通过注入合适的营养物,选择性地激活有益菌,抑制有害菌,提高原油采收率。2.内源微生物激活效果影响因素探讨及室内模拟驱油实验1)通过岩心管实验模拟高温高压油藏条件,考察了玉米浆、葡萄糖和蔗糖分别作为主激活剂时的激活效果:激活5天、10天、15天时总菌密度差别不大;15天内pH值和表面张力的变化趋势大体一致,均表现为先下降后上升继而下降的趋势,反映了油藏内源菌由好氧向厌氧的演变过程;醋酸根是油藏微生物活动及代谢过程的一个标志性产物,实验初期,醋酸根含量随着激活过程的进行而逐渐升高,第10天醋酸根含量达到最高,分别为856.8 ppm,802.5 ppm,768.8 ppm,然后随着激活过程的进行,氧含量逐渐降低,醋酸根逐渐被一些厌氧菌代谢消耗而使醋酸根离子浓度逐渐降低,第15天醋酸根含量降低到289 ppm,274.6 ppm,295.7 ppm;菌群结构分析表明,三个配方均可以较好地激活有益菌群而有效地抑制有害菌群的生长;综合以上各项参数,玉米浆和葡萄糖是较为优良的内源微生物主激活剂成分,从经济学角度讲,玉米浆比葡萄糖更具优势,有利于资源的充分利用,以获得更好的投入产出比。2)采用单次单因子法,通过对激活前后总菌密度、表面张力及醋酸根含量的分析,通过岩心管实验,确定了用于内源微生物激活的最佳玉米浆浓度及硝酸盐含量,结果表明:用于内源激活的最优的玉米浆浓度范围为1%～2%,低浓度时激活效果较差,而1%以上时,营养物浓度对有益菌密度的提升及表面张力降低效果并不明显;0.1%～0.2%含量的硝酸盐即可实现内源微生物的选择性激活,而继续增加硝酸盐含量对激活效果提升作用不大,甚至可能会产生负面影响;就激活效果而言,由于K+对微生物生长的促进作用及强酸弱碱盐NH4NO3引起的pH下降,KNO3要稍优于NaNO3和NH4NO3。3)通过对五种不同条件下激活前后表面张力和菌群结构分析表明:压力和多孔介质会对微生物的生长代谢产生一定的影响,多孔介质的影响较压力要更显著一些。4)室内模拟驱油实验表明,在沾3区块油藏条件下（10 MPa,54℃）,利用最佳激活剂配方选择性激活内源微生物15天后可以提高残余油采收率6%以上。3.内源激活营养成分在石英砂上的静态和动态吸附研究为了确定MEOR所用营养成分在地层中的损耗情况,在模拟油藏条件下,分别利用浸泡法和物质平衡法研究了微生物采油常用营养组分（葡萄糖、硝酸钾、磷酸二氢钾）在石英砂上的静态和动态吸附作用。实验结果表明,各营养组分的静态吸附量和其动态滞留量相差不大,三种组分中葡萄糖的静态吸附量和动态滞留量最高,其静态吸附量为0.85mg/g,硝酸钾和磷酸二氢钾的吸附量较小,仅0.1mg/g左右;动态吸附实验中,注入营养液1.5PV时,岩心出口各组分的浓度接近入口浓度,转水驱2PV时,出口浓度接近0,说明动态驱替时吸附作用较弱。4.分子生态学技术在内源微生物群落选择性激活上的应用1)通过对激活前后DGGE条带的数量和亮度变化分析表明,油藏环境中的微生物在种类和数量上并不丰富,激活剂的加入改变了菌群原有的贫营养环境,从而使一些因营养缺乏生长受抑制细菌得以大量繁殖,菌群结构发生变化。高压条件下,条带数量变化趋势与常压下大体一致,但在条带数量和出现的位置上有所差异,高压条件下,DGGE条带数量要少一些,说明高压激活过程中能适应环境的细菌种类较少,且条带数量的增加相比常压具有明显的滞后性;激活后期,条带数量和亮度的变化逐渐趋缓,表明微生物群落生态结构重新调整,达到了新的动态平衡。2)采用DGGE割胶回收DNA测序的方法考察了激活过程中菌群结构的变化情况,实验结果表明:激活后,优势菌的种类有所增加,群落结构也发生了变化。激活前,优势菌是芽孢杆菌,激活剂的加入使变形菌的在种类上得到增加;常压激活和高压激活细菌类群数量变化差异显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 文献综述
• 1.1 内源微生物采油技术的国内外研究现状
• 1.1.1 前苏联和俄罗斯
• 1.1.2 美国
• 1.1.3 英国
• 1.1.4 国内
• 1.2 内源微生物提高原油采收率机理研究
• 1.2.1 微生物本身的作用
• 1.2.2 微生物代谢产物的作用
• 1.2.3 化学趋向性及“在位繁殖”效应
• 1.3 16S rDNA 分子生物学技术在微生物群落结构分析中的应用
• 1.3.1 变形梯度凝胶电泳（DGGE）技术应用进展
• 1.3.2 分子生态学技术在油藏微生物群落分析中的应用
• 1.4 主要研究内容、研究目的和拟解决的问题
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 研究目的
• 1.4.3 拟解决的关键技术或问题
• 1.4.4 技术路线
• 2 内源微生物群落结构分析
• 2.1 内源微生物群落结构分析方法
• 2.1.1 显微镜计数法
• 2.1.2 菌落计数法
• 2.1.3 MPN 法
• 2.2 内源功能菌——有益菌和有害菌
• 2.2.1 有益内源菌
• 2.2.2 有害内源菌
• 2.3 沾3 区块内源微生物群落计数分析
• 2.3.1 沾3 区块概况
• 2.3.2 材料与方法
• 2.3.3 产出液分析测试结果
• 2.3.4 水样菌群分析测试结果
• 2.4 小结
• 3 内源微生物激活效果影响因素探讨
• 3.1 实验材料和方法
• 3.1.1 实验仪器
• 3.1.2 实验材料
• 3.1.3 醋酸根分析方法
• 3.1.4 生物表面活性剂类型的初步鉴定
• 3.1.5 不同的主激活剂对激活效果的影响
• 3.1.6 不同的玉米浆含量对激活效果的影响
• 3.1.7 不同的含氮抑制剂及其含量对激活效果的影响
• 3.1.8 不同的激活条件对激活效果的影响
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 不同的主激活剂对激活效果的影响
• 3.2.2 不同玉米浆含量对激活效果的影响
• 3.2.3 不同的含氮抑制剂及其含量的影响
• 3.2.4 不同的激活条件对激活效果的影响
• 3.3 小结
• 4 内源微生物室内模拟驱油实验研究
• 4.1 实验材料和方法
• 4.1.1 实验仪器
• 4.1.2 实验材料
• 4.1.3 物理模拟驱油实验步骤
• 4.2 实验结果
• 4.3 小结
• 5 内源激活营养成分在石英砂上的吸附行为研究
• 5.1 实验材料和方法
• 5.1.1 实验仪器和材料
• 5.1.2 实验方法
• 5.2 实验结果与讨论
• 5.2.1 静态吸附实验
• 5.2.2 动态吸附实验
• 5.3 小结
• 6 分子生态学技术在内源微生物群落选择性激活上的应用
• 6.1 实验材料和方法
• 6.1.1 实验仪器
• 6.1.2 实验材料
• 6.1.3 实验方法
• 6.2 实验结果与讨论
• 6.2.1 不同压力条件下内源激活DGGE 条带分析
• 6.2.2 激活过程中的PCR 序列分析
• 6.3 小结
• 7 结论
• 7.1 结论
• 7.2 存在的问题和建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文