微生物提高浅层页岩气采收率的基础研究

Biogenic gases account for 20% of the world wide natural gas resources. Secondary gas generation has been a hot researching field recently. The aim of the project is to reveal microbial diversity and potential functions of inhabiting microbes in shallow shale gas reservoirs based on methods related to metagenomics. Methods of metagenomics are used to reveal microbial diversity of inhabiting microbes, which provides basic data for the development of microbial communities, the relationships among species and nutrients competition. Based on the above basic researches, processes of bio-gas produced synergistically by Clostridium, Iron-reducing bacterium and Methanogenic bacteria will be simulated in labs with conditions of shallow shale gas reservoirs,and intermediates of organic matters degraded by microbes will be analyzed, which will reveal nutrient and environment factors for higher gas production and provide basic data for enhancing shale gas recovery.

浅层生物甲烷气约占整个已知气藏的20%以上，浅层二次成藏是近年来提高气藏采收率新的研究方向。本项目拟采用宏基因组学方法，并结合转录组学方法，系统研究浅层页岩气藏微生物群落多样性和潜在功能。环境宏基因组学主要研究页岩气藏的微生物多样性和潜在功能，认识页岩气藏微生物种间共生和共代谢关系，进而认识页岩气藏微生物群落的发展、种内相互关系和营养竞争关系，揭示页岩气藏原位互营共生菌和产甲烷古菌组成分布及其生理生态过程的分子机制。在此基础上，模拟浅层页岩气藏原位环境条件，研究互营共生菌，铁还原菌和产甲烷菌的生长特征，以及协同作用产生物甲烷气，并分析检测页岩有机质降解的典型中间代谢产物，探索提高产生物气的各种营养需求和环境条件，为提高页岩气藏采收率提供基础资料。

不成熟的富含有机物的页岩是世界范围内代表性的非常规天然气资源。微生物原位产甲烷是最主要的生物甲烷成因。研究页岩环境微生物产甲烷的代谢途径和微生物菌群特征对于浅层页岩气的开采和提高采收率是很必要的。基于分子生态学方法，提取3种不同的页岩本源样品微生物总DNA，对细菌以及古菌16s rDNA进行测序和生物信息学分析。基于传统的微生物学方法和分子生态学方法，培养不同底物（甜菜碱、乙酸钠和CO2/H2）及本源页岩特征微生物，并进行各个反应时间段的菌群表征，期间测试主要代谢产物CH4和CO2含量。页岩1、页岩2和页岩水本源富集的样品中CH4含量最高分别为：0.23、0.10和0.60 mg/L，CO2含量最高分别为：1070.64、64.99和20.42 mg/L。综合3种CH4和CO2的含量，选取页岩1进行三种不同代谢底物富集培养，进一步揭示涪陵页岩产甲烷机理。无论样品中是否加有甜菜碱，混合样品中的固体产甲烷基因数量是远远高于液体中的产甲烷基因（mcrA和mrtA）数量。在加有甜菜碱时，反应第24天时混合样品固体中的产甲烷基因（mcrA）数量最多，这与GC-MS测得的甲烷含量一致。产甲烷基因（mrtA）与产甲烷基因（mcrA）和GC-MS测得的甲烷含量呈现不同的趋势，不加甜菜碱时，反应第0和24天时混合样品固体中的产甲烷基因（mtrA）数量最多，样品中可能存在不同的产甲烷代谢途径，需要结合产甲烷菌群进一步分析。甜菜碱为培养底物的细菌群落主要为：芽孢杆菌属、德库菌属、海洋芽胞杆菌属和副杆菌属;古菌群落主要以Candidatus_Nitrososphaera、亚硝化螺菌属、Candidatus-Methanomethylicus、Candidatus_Nitrosotenuis和亚硝化亚科菌属为主。CH4和CO2含量以及代谢产物分析表明，甜菜碱底物的添加能提高CH4的产量，证明该页岩储层有通过微生物提高采收率的潜力。