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大庆石油地质与开发 Petroleum Geology Oilfield Development in Daqing2023 年 6 月 第 42 卷第 3 期June，2023Vol.42 No.3DOI：10.19597/J.ISSN.1000-3754.202202003胜利油田水驱与聚合物驱油藏微生物群落特征差异曹功泽（中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东 东营257000）摘要：为明确驱替介质对油藏微生物群落的影响，利用高通量测序方法，对胜利油田水驱油藏、聚合物驱油藏、聚合物驱后水驱油藏开展了内源微生物群落特征分析，为后续不同油藏微生物驱激活剂的筛选评价提供参考。结果表明：水驱油藏的微生物群落多样性最高，主要包含了Pseudomonas sp.、Alicycliphilus sp.、Tepidiphilus sp.、Parvibaculum sp.、Marine bacteria sp.和Halomonas sp.等优势菌属，微生物种类多，且均匀分布；聚合物驱油藏主要包含了Pseudomonas sp.、Arcobacter sp.、Deferribacter sp.、Pannonibacter sp.等优势菌属；聚合物驱后水驱油藏包含了 Pseudomonas sp.、Alicycliphilus sp.、Thauera sp.等优势菌属；聚合物驱油藏和聚合物驱后水驱油藏微生物多样性依次降低，优势菌主要与氮代谢、铬吸附矿化相关；通过对比分析得出，油藏微生物群落结构会随着驱替介质的改变发生不同的变化，水驱油藏微生物群落多样性高，种类丰富，但无明显的优势菌，聚合物驱油藏和聚合物驱后水驱油藏微生物群落多样性降低，其中与聚合物代谢相关的微生物类群成为优势菌；外界引入的驱替介质会对油藏微生物群落造成选择压力，不同油藏实施微生物驱之前，需依据其特有的微生物群落特征制定不同的微生物群落激活策略。研究成果可为胜利油田不同类型油藏实施微生物驱提供理论支撑。关键词：胜利油田；水驱；聚合物驱；油藏；微生物；群落结构中图分类号：TE357.9 文献标识码：A 文章编号：1000-3754（2023）03-0115-07Difference of microbial community characteristics between water flooding and polymer flooding reservoirs in Shengli OilfieldCAO Gongze（Research Institute of Petroleum Engineering Technology，Sinopec Shengli Oilfield Company，Dongying 257000，China）Abstract：In order to clarify the impact of displacement media on reservoir microbial community，the method of high-throughput sequencing is used to analyze the characteristics of endogenous microbial community in water flooding reservoir，polymer flooding reservoir and water flooding reservoir after polymer flooding in Shengli Oilfield，so as to provide reference for screening and evaluation of microbial flooding activators in different reservoirs.Analysis shows that microbial community diversity of water flooding reservoir is the highest，mainly including dominant bacteria of Pseudomonas sp.，Alicycliphilus sp.，Tepidiphilus sp.，Parvibaculum sp.，Marine bacteria sp.and Halophilic bacteria sp.There are several kinds of microorganisms and they are evenly distributed.Polymer flooding reservoir mainly contains dominant bacteria genera including Pseudomonas sp.，Arcobacter sp.，Deferrobacter sp.and Pannonibacter sp.Water flooding reservoir after polymer flooding contains dominant bacteria genera including Pseudomonas sp.，Alicycliphilus sp.and Thauera sp.Microbial diversity of polymer flooding reservoir and water flooding 收稿日期：2022-02-09 改回日期：2022-10-30基金项目：中国石化科技攻关项目“化学驱后转微生物驱可行性研究”（P20058-2）。作者简介：曹功泽，男，1978年生，硕士，高级工程师，从事微生物采油技术研究。E-mail：2023 年大庆石油地质与开发reservoir after polymer flooding decrease successively，and dominant bacteria are mainly related to the metabolism of nitrogen and chromium adsorption mineralization.Comparative analysis shows that microbial community structure of reservoir will change differently with the change of displacement medium.Microbial community diversity of water flooding oil reservoir is high and rich，but there is not obvious dominant bacteria.Microbial community diversity of polymer flooding reservoir and water flooding reservoir after polymer flooding is reduced，and microbial groups related to polymer metabolism become the dominant bacteria.Before microbial flooding is implemented in different types of reservoirs，different activation strategies of internal microbial community should be formulated according to their unique microbial community characteristics.The research provides theoretical support for microbial flooding in different reservoirs in Shengli Oilfield.Key words：Shengli Oilfield；water flooding；polymer flooding；reservoir；microorganism；community structure0引言微生物采油技术是从注水井注入微生物或营养液，利用激活后驱油功能微生物的生长活动和代谢产物与油藏岩石、流体作用，改善流体渗流特征，提高原油采收率的技术12，该技术与其他三次采油技术相比，具有成本低、绿色环保、工艺简单等技术优势，近几年成为提高油藏采收率的研究热点。油藏环境中存在不同种类的微生物，微生物通过物质和能量代谢相互作用，形成稳定的群落结构，是微生物采油技术的物质基础。不同类型油藏由于环境的差异及开发方式的不同会造成微生物群落结构存在显著差异。微生物群落的差异势必影响后续激活剂的筛选和作用效果的评价。因此，针对不同类型油藏进行内源微生物群落分析，明确不同类型油藏微生物群落特征，确定其主要驱油功能菌，进而针对性地制定功能微生物定向激活策略，实现微生物对不同类型油藏原油的高效作用，将对不同类型油藏微生物提高采收率技术的应用效果产生重大影响34。水驱和聚合物驱是胜利油田开发的2种主要驱替技术，水驱和聚合物驱过程中驱替介质会对原始地层中的微生物群落产生影响。本文以胜利油田水驱油藏、聚合物驱油藏、聚合物驱后水驱油藏为研究对象，开展油井产出液微生物群落多样性及功能菌特征分析，对比分析不同油藏中微生物群落结构的差异，明确不同油藏微生物群落结构特征，为微生物采油技术的现场应用提供参考和依据。1油藏基础参数以胜利油田孤岛油田和孤东油田为主要分析对象，选取了 2 个油田聚合物驱、聚合物驱后水驱、水驱的 14 口油井开展取样分析（表 1），取样油井开发时间均超过 5 a。通过 16S 高通量测序解析不同样品中的内源微生物群落特征信息，进一步总结不同开发方式油藏中的微生物群落结构差异。所选取研究区块的油藏温度为5071，地下原油黏度为 92290 mPas，油藏渗透率为 78810-35 89010-3 m2，孔隙度为 33.5%37.9%，所有区块都处于高含水阶段，综合平均含水率超过 95.0%，平均采出程度均在 40.00%以上，符合微生物驱油技术规范所规定的微生物驱油油藏筛选标准5。表1采样油井基本信息Table 1 Basic information of sampling producers取样油井开发方式聚合物驱聚合物驱后水驱水驱油田孤岛油田孤岛油田孤东油田孤岛油田孤东油田孤岛油田孤东油田取样井号1#、2#3#、4#5#、6#7#、8#9#、10#11#、12#13#、14#温度/69715369507168地下原油黏度/（mPas）13526016329092175159渗透率/（10-3 m2）2 2501 5081 2055 8907881 0251 820孔隙度/%36.136.534.037.934.035.233.5综合含水率/%95.887.092.596.895.798.898.0采出程度/%59.3341.5140.8056.6346.6048.8045.00116第 42 卷 第 3 期曹功泽：胜利油田水驱与聚合物驱油藏微生物群落特征差异2实验方法2.1油井产出液取样取样油井的选择是以试验区块为单元，每个区块选取中心井 1口，边部井 1口，保证样品能够代表区块的微生物群落特点。所有油井样品采用井口取样，取样过程中为保证样品不被污染，利用10 L的无菌取样桶进行产出液样品的采集，取样前需将管线中的流体排放干净后再取样。由于油藏属于中高温油藏，原始油藏微生物浓度为 102103个/mL，每个样品取样量大于 5 L，保证水相中的微生物量满足后续 DNA 的提取及测序的要求。所有样品取样后需尽快运到实验室，待油水分离后尽快开展微生物收集及DNA提取。样品编号W.L为水驱样品；ZJ.L为聚合物驱样品；ZJW.L为聚合物驱后水驱样品。2.2油井产出液离子组成油井产出液离子组成分析参照中华人民共和国石油天然气行业标准 SY/T 55232016油田水分析方法，其中钙、镁的测定是利用EDTA滴定法，碳酸氢根是利用盐酸滴定法，氯离子是利用硝酸汞滴定法，硫酸根是利用铬酸钡分光光度法，钾、钠离子是利用原子吸收分光光度法，pH 的测定是用上海精密科技仪器有限公司的PHS3B型pH计。2.3油井产出液微生物收集及DNA提取采用离心法收集油井样品中的微生物，每个样品离心 3 L，离心使用 Beckman 公司的 J6型大容量冷冻离心机，转速 12 000 r/min，30 min，离心后小心弃去上层水相和油相，收集下层微生物菌体沉淀。样品微生物 DNA 的提取采用 Axygen 公司的AxyPrep DNA 提取试剂盒，具体操作过程参照试剂盒说明，提取的 DNA 最终溶在 100 L TE 缓冲液中，利用 NanoDrop 2000c 分光光度计进行浓度和纯度检测，确保 DNA样品足量，OD260/OD280为 1.61.8，满足后续高通量测序要求。DNA 样品提取后置于-70 保存，防止样品降解6。2.4微生物群落高通量测序分析细菌16S rRNA 基因V4 区扩增及高通量测序委托深圳华大基因公司进行，具体方法见参考文献78。3实验结果与讨论3.1油井产出液性质对不同开发方式的 14 口取样井的产出液离子组成、总矿化度和 pH 进行了分析，结果表明，不同油井总矿化度为 6 75211 665 mg/L，pH为 7.058.07（中性）（表 2）。取样油井地层水性质符合微生物采油油藏筛选标准5，适合开展微生物采油技术。表2不同类型油藏单井产出液离子组成和pHTable 2 Ion composition and pH of single well produced fluid in different types of reservoirs取样油井开发方式聚合物驱聚合物驱后水驱水驱取样井号1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#13#14#质量浓度/（mgL-1）Ca2+7063138822223587099111324162155116215Mg2+1239514254852933355848512552HCO3-1 9762 4161 3735496044941 373878494494769824275604Cl-2 9862 9864 4734 4734 8076 6313 3164 1463 6466 6315 3044 8074 9744 807SO42-6630761101285863769952695258K+Na+2 5802 7283 1602 9663 1193 9692 5572 8702 3904 0473 4733 3483 1703 022总矿化度/（mgL-1）7 6308 2959 1958 1888 91611 6657 4038 0896 75211 6539 8089 2548 6128 758pH7.237.157.057.088.077.537.067.317.167.217.537.547.387.261172023 年大庆石油地质与开发3.2产出液样品DNA测序结果从 14 口油井产出液中提取微生物群落的总DNA，所有样品的DNA经过检测OD260/OD280为1.61.8，质量浓度为 2.0 25.7 mg/L。所有样品 DNA 的质量浓度和纯度经华大基因测序部质控检测均达到建库测序的要求。图 1 为测序稀释曲线，从图中 1可以看出所有样品的稀释曲线末端趋于平缓，测序数据量合理，测序深度覆盖 95%以上的微生物种类，能够满足微生物群落分析要求，而且水驱油藏油井样品中解析到的微生物种类数量明显高于聚合物驱和聚合物驱后水驱油藏样品。3.3不同样品群落组成通过高通量数据的生物信息学解析，得到不同样品中微生物的群落结构信息，分别从门和属水平上进行讨论。门水平上，不同油藏样品中的优势细菌都属于变形菌门（Proteobacteria）（图 2（a），这也是油藏微生物的主要类群。属水平上，不同油藏产出液中均存在大量未解析菌属，从已解析的菌属信息分析，不同油藏的群落结构呈现明显的差异，与前期的报道结论吻合910。图 2（b）中水驱油藏中的优势微生物种类是假单胞菌属（Pseudomonas sp.）、Alicycliphilus sp.、Tepidiphilus sp.、Parvibaculum sp.、海细菌属（Marinobacterium sp.）和嗜盐单胞菌属（Halomonas sp.）等，上述菌种普遍存在于水驱稠油油藏环境中11。其中假单胞菌属是常用的采油功能菌，具有产生物表面活性剂及嗜烃的功能12，Alicycliphilus sp.是一类可以降解有机污染物的脱氮菌13，Marinobacterium sp.具 有 嗜 烃 降 黏 的 功能14。从群落结构组成分析，水驱油藏区块都具备实施内源微生物驱油的潜力15。与水驱油藏微生物种类相比，聚合物驱油藏和聚合物驱后水驱油藏解析到的微生物种类明显减少，但优势性显著增加，其中假单胞菌属占到了总群落的40%以上1617。此外，聚合物驱后水驱油藏中 Alicycliphilus sp.、陶厄氏菌属（Thauera sp.）是主要优势菌，这两株菌具有脱氮、反硝化功能、嗜烃的作用1819，优势性增加与注入的聚合物有关，聚合物结构中含有酰胺基等官能团，具有脱氮功能的微生物可以利用聚合物作为营养物生长。聚合物驱油藏中除了具有聚合物驱后水驱油藏所包含的优势菌以外，还含有弓形菌属（Arcobacter sp.）、Pannonibacter sp.等优势菌属，其中弓形菌属和脱铁杆菌属是胜利油田油藏中常见的菌属；Pannonibacter是一种与铬吸附矿化相关的菌20，该菌的出现与铬交联注剂有关，这种菌在聚合物驱后水驱油藏中也存在，但优势度下降，在水驱油藏中未发现该菌，此类菌是注聚油藏图2不同油藏中的微生物群落种类Fig.2 Microbial communities in different types of reservoirs图1所有样品的测序稀释曲线Fig.1 Sequencing dilution curves of all samples118第 42 卷 第 3 期曹功泽：胜利油田水驱与聚合物驱油藏微生物群落特征差异所特有的微生物种群。3.4不同样品聚类通过聚类分析进一步明确不同油藏微生物群落间的关系，从图 3（a）可以得出相同开发方式的油井样品倾向于聚类在一起，如聚合物驱的 6#油井和 2#、3#油井聚类在一起。水驱油藏样品与其他两类样品距离远，聚合物驱和聚合物驱后水驱的油井聚类存在交叉，聚合物驱的 4#油井与聚合物驱后水驱的9#油井聚在一支。从群落结构上看（图 3（b），假单胞菌属和pannonibacter sp.是 4#和 9#油井共有的优势菌，其中 pannonibacter sp.是聚合物驱油井所特有的微生物类群。以上结果进一步证明油藏微生物群落结构会随着驱替介质的改变发生不同的变化，驱替介质的改变会使微生物群落产生选择压力。此结果也为不同油藏的微生物分析评价及激活培养提供了可靠参考，可以指导不同油藏微生物驱油的激活方向和调控目标。3.5不同油藏微生物群落多样性通过对比不同油藏样品微生物群落辛普森指数（图 4），证实水驱油藏的微生物群落多样性最高，聚合物驱油藏微生物多样性次之，聚合物驱后水驱油藏的微生物群落多样性最低。分析主要原因是水驱油藏中缺乏外界选择压力，通过长期水驱后，不同种类的微生物适应了该环境。聚合物驱油藏微生物群落多样性降低，是由于注入聚合物后对油藏内部微生物产生了选择压力，部分微生物无法耐受聚合物，比例快速降低，同时一些专性代谢聚合物的微生物优势度逐渐增加成为其中的优势菌，但整个菌群多样性降低2122。聚合物驱后水驱的油藏微生物群落多样性最低，和后续水驱与前期的注聚交替形成了对微生物的过程调控作用有关。胡婧等7利用长岩心连续动态驱替实验研究了不同轮次的激活剂注入对微生物群落的影响，证明激活剂的交替注入会进一步降低菌群多样性。此结论与现场油藏微生物群落多样变化相符。3.6温度对油藏微生物群落结构的影响油藏温度对油藏微生物具有明显的影响，以聚合物驱油藏为例，采样油井共 6口，其中 2口油井油藏温度 53，剩下 4 口油井油藏温度为 6971，从多样性分析来看，随着温度的升高，油藏微生物多样性明显降低，部分对温度敏感的微生物无法在不同温度的油藏中广泛分布。图3不同样品聚类分析和油井交叉聚类群落相似性Fig.3 Cluster analysis of different samples and cross cluster community similarity of producers图4不同样品辛普森指数箱形图Fig.4 Box plot of Simpson index for different samples1192023 年大庆石油地质与开发从图 5 中分类菌分析得出，53 油藏中的Pannonibacter sp.和陶厄氏菌属微生物在 69、71 的丰度降低，假单胞菌属和弓形杆菌属是所有温度油藏样品中的优势菌。由于此次取样油藏温度范围没有明显的梯度，温度范围窄，从菌群结构的优势菌看不出温度对群落的明显影响，后期需针对不同温度油藏开展专门的研究，明确温度对油藏微生物群落的具体影响。4结论（1）油藏样品中内源微生物群落优势细菌都属于变形菌门，这是油藏微生物的主要类群，属水平上共有的主要菌属是假单胞菌，该类菌是胜利油田油藏中分布最广、适应性最强的采油功能菌。（2）水驱油藏微生物群落多样性高，种类丰富，无明显的优势菌；注聚合物后油藏微生物群落存在明显变化，多样性降低，但一些专性代谢聚合物的微生物优势度逐渐增加，成为油藏中的优势菌。（3）不同油藏微生物群落及功能菌存在明显差异，需依据其特有的微生物特点制定不同的激活策略，进而实现微生物采油的现场应用。参考文献：1 汪卫东，魏斌，谭云贤，等.微生物采油需要进一步解决的问题J.石油勘探与开发，2004，31（6）：88-91.WANG Weidong，WEI Bin，TAN Yunxian，et al.Problems confronted in microbial enhanced oil recovery J.Petroleum Exploration and Development，2004，31（6）：88-91.2 LAZAR I，PETRISOR I G，YEN T F.Microbial enhanced oil recovery（MEOR）J.Petroleum Science and Technology，2007，25（11）：1353-1366.3 MOKHTARI M，OZBAYOGLU M E.Laboratory investigation on gelation behavior of xanthan crosslinked with borate intended to combat lost circulationR.SPE 136094，2010.4 孙刚正，宋欣，吴晓玲，等.不同长效激活剂组分对沾3区块内源功能微生物激活研究 J.西安石油大学学报（自然科学版），2017，32（6）：112-118.SUN Gangzheng，SONG Xin，WU Xiaoling，et al.Study on activation of different long-acting activators on endogenous functional microorganisms in Zhan 3 block J.Journal of Xi an Shiyou University（Natural Science Edition），2017，32（6）：112-118.5 采油采气专业标准化委员会.微生物驱油技术规范：SY/T 68882012 S.北京：石油工业出版社，2012.Committee for Professiond Standardization of Oil and Gas Production.Miorobial flooding technical specifications：SY/T 68882012S.Beijing：Petroleum Industry Press，2012.6 胡婧，郭辽原，孙刚正，等.动态驱替内源微生物生长代谢与驱油效率关系J.石油学报，2020，41（9）：1127-1134.HU Jing，GUO Liaoyuan，SUN Gangzheng，et al.Relationship between the growth and metabolism of indigenous microorganisms and oil displacement efficiency during dynamic displacement J.Acta Petrolei Sinica，2020，41（9）：1127-1134.7 胡婧，束青林，孙刚正，等.油藏内源微生物演替规律及其对驱油效果的影响 J.中国石油大学学报（自然科学版），2019，43（1）：108-114.HU Jing，SHU Qinglin，SUN Gangzheng，et al.Succession of indigenous microbe in reservoirs and its effect on displacement effi图5注聚油藏微生物多样性及群落组成与油藏温度的关系Fig.5 Relationship of microbial diversity and community composition vs.reservoir temperature of polymer flooding reservoir120第 42 卷 第 3 期曹功泽：胜利油田水驱与聚合物驱油藏微生物群落特征差异ciency J.Journal of China University of Petroleum（Natural Science Edition），2019，43（1）：108-114.8 修建龙，俞理，郑承纲，等.群落结构分析在微生物采油中应用J.油气田地面工程，2010，29（2）：48-50.XIU Jianlong，YU Li，ZHENG Chenggang，et al.Application of community structure analysis in microbial oil recovery J.Oil-Gas Field Surface Engineering，2010，29（2）：48-50.9 宋永亭，李彩风，曹嫣镔，等.内外源微生物复合吞吐技术在常规稠油低效井中的研究与应用J.石油钻采工艺，2018，40（3）：400-403.SONG Yongting，LI Caifeng，CAO Yanbin，et al.Research and application of indigenous and exogenous microbial compound huff&puff technique in conventional heavy oil low-efficiency wellsJ.Oil Drilling&Prodction Technology，2018，40（3）：400-403.10 刘涛，宋智勇，曹功泽，等.微生物驱油过程中模拟地层条件对微生物生长的影响J.油田化学，2013，30（1）：92-95.LIU Tao，SONG Zhiyong，CAO Gongze，et al.The effect of simulating formation condition on microbial growth in MEORJ.Oilfield Chemistry，2013，30（1）：92-95.11 宋永亭，胡婧，吴晓玲，等.室温条件下油藏采出液微生物群落结构稳定性 J.应用与环境生物学报，2017，23（3）：495-501.SONG Yongting，HU Jing，WU Xiaoling，et 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