高温油藏嗜热铁还原微生物多样性及其提高采收率研究

Expansion and dispersion of clay minerals is the most common problem of formation damage in the oil and gas exploitation. The inhibition of clay minerals expansion is particularly important for enhancing oil recovery. Studies on thermophilic iron reducing bacteria in high temperature reservoirs are scare, although they are common in the oil reservoirs. Clay mineral decomposition caused by iron reducing microorganisms and its effects on the oil recovery have not been reported. In the present study, the microbial diversity and function gene diversity of thermophilic iron reducing bacteria in high temperature reservoirs are researched. To gain insight into the nature and genomic plasticity of iron reducing bacteria in the high temperature reservoirs, iron reducing microorganisms are isolated and its genome are sequenced. The mechanism of microbial decomposition of clay minerals are studied via measuring the reduction rate of Fe (III), SEM, TEM, FT-IR and XRD. The influence of microbial decomposition of clay minerals on the oil exploitation and inhibition of clay minerals expansion were further investigated via core flooding test. The proposal will be important for inhibition of clay minerals expansion and enhancing oil recovery.

在油气的开发生产过程中，黏土的膨胀分散运移是储层损害的最普遍问题，抑制黏土膨胀对提高原油采收率尤为重要。目前对于高温油藏中的嗜热铁还原微生物报道较少，关于高温油藏嗜热铁还原微生物分解黏土矿物提高原油采收率的报道几乎没有。本项目以国内典型高温油藏为研究对象，先采用宏基因组学方法，研究我国高温油藏内源嗜热铁还原微生物多样性和铁还原功能基因多样性，揭示油藏中铁还原微生物分布特征和代谢特征。分离得到油藏内源嗜热铁还原菌，对优势菌株进行全基因组测序和注释，通过测定Fe（III）还原率以及SEM、TEM、FT-IR、XRD等手段研究微生物分解黏土矿物机理，通过物模实验评价其对岩心黏土矿物中Fe（III）的还原效率、控制黏土膨胀效果及其对提高原油采收率的贡献。本课题对于开发利用油藏嗜热铁还原微生物资源抑制黏土膨胀，改善油藏渗流环境具有重要意义。

黏土的膨胀分散运移是储层损害的最普遍问题，研究黏土矿物的稳定剂和抑制剂，对提高原油采收率具有重要的现实和理论意义。本论文采用高通量测序技术研究了不同高温油藏内微生物群落结构，且分离出Fe(III)还原功能微生物，从生物化学的角度研究了微生物与储层不同粘土矿物的相互作用机制，建立了油藏储层渗流与孔道减阻生物化学新认识，提出微生物提高原油采收率的新方法。主要的研究成果如下：（1）数据表明油藏中蕴含有丰富的铁还原微生物资源，多个富集样品中Fe（III）还原效率达到50%以上，样品中主要的铁还原微生物有Pseudomonas、Clostridium、Shewanella、Thermotunica，Desulfovibrio，Bacillus、Garciella、Thiospirillum等。岩心模拟实验结果表明Fe(III)还原功能菌能够有效的提高10-50mD岩心的渗透率及降低水驱注入压力，此外，岩心物模驱替试验证明激活后内源通道减阻功能微生物的驱油率在水驱基础上提高了5%；（2）筛选出10株高效Fe(III)还原功能菌（Clostridium swellfunianum、Tessaracoccus lapidicaptus、Tessaracoccus profundi、Tessaracoccus oleiagri、Shewanella chilikensis、Bacillus alkalitelluris等），能够还原蒙脱石矿物中的Fe(III)为Fe（II），其Fe(III)还原率为47.1%-71.1%，并获得了两株铁还原微生物的全基因组信息；（3）铁还原菌作用后蒙脱石晶体结构内化学键键强发生明显改变，其中νMg-OH，νAl-OH，νFe-OH的峰强度急剧减弱，导致晶格间电荷失衡，引起晶格畸变扭曲及框架结构遭到破坏。同时，蒙脱石特征峰强度降低且半峰宽数值增加，矿物物相部分发生转变，生成伊利石等新的次生矿物；（4）1-30MPa环境压力对微生物铁还原效率影响较小，在40MPa环境压力下，微生物铁还原效率有所降低。在1，10，20MPa环境压力下，随着压力的增加，样品中微生物多样性并未发生显著的变化，当压力升值30-40MPa时，微生物群落结构发生显著性变化。推测样品中的耐压铁还原菌为Shewanella，Flaviflexus，Clostridium。