油藏中Ba2+对微生物分泌EPS的代谢机制及其封堵作用影响研究

Microbial selective plugging (MSP) is a method for plugging high formation permeability with the metabolic products of microorganisms. However, the instability of the microorganism limited its application in large-scale engineering. Recently, most researches focused on the selection of excellent strain and the influence of temperature, pressure, total dissolved solids and other factors in the reservoir. Previous control experiment found that high concentration of Ba2+ in some formation water could significantly affect the properties of microbial activity and metabolites. This project would screen out the microorganism with satisfied comprehensive properties, determine the physiological and biochemical properties of microorganism and metabolites, and optimize the culture conditions; clarify the stress mechanism of Ba2+ on microorganism, analyze the influence of Ba2+ on the synthesis pathway and properties of extracellular polymeric substances (EPS), and elucidate the interaction process of Ba2+ and EPS. Besides, the project propose to identify the influence mechanism of Ba2+ on microorganism plugging process and effects from different aspects in core plugging simulation experiments. This project will eventually reveal the influence mechanism of Ba2+ on microbial metabolism process and the plugging effect, which would provide a scientific basis for improving the microbial enhanced oil recovery and the efficiency of microbial plugging in actual engineering.

微生物封堵技术(MSP) 是一种利用微生物及其代谢产物来封堵高渗透层的方法，然而微生物性质的不稳定限制了其更大规模的工程应用，目前的研究多集中在优质菌种选育，以及油藏环境中温度、压力、矿化度等因子的影响。而前期对照实验发现，部分油藏地层水中的高浓度Ba2+会显著影响微生物活性及其代谢产物性质。本项目拟筛分出综合性质良好的微生物，分析微生物生理生化特性及其代谢产物性质，并优化培养条件；明确Ba2+对微生物的胁迫机制，分析Ba2+对EPS合成路径及其性质的影响，阐明Ba2+与EPS的相互作用过程；进行岩心封堵模拟实验，多角度分析Ba2+对微生物封堵过程及效果的影响。项目拟最终揭示Ba2+对微生物代谢过程及封堵作用的影响机制，为完善微生物采油技术的理论，以及提高微生物封堵的工程实际效率提供科学依据。

本研究首先筛分出综合性质良好的微生物，阴沟肠杆菌菌株ZL-02和地衣芽孢杆菌TH-06。分析了微生物生理生化特性及其代谢产物性质，并优化培养条件。阴沟肠杆菌产生的EPS主要是蛋白质和多糖，产率可达9.76 g/L。EPS以两种形式存在：游离EPS的粒径约为26 μm，细菌EPS的粒径为49.5 nm，结晶度为32.3%。所筛选出的地衣芽孢杆菌Bacillus licheniformis strain I29，菌株培养60h后，在盐度为2×104mg/L的情况下生长状况最佳，O.D值达到0.942。经转录组测试发现，相较于含Ba2+总矿化度为1×104mg/L，在矿化度为2×104mg/L的影响下，共有106个基因出现变化，其中69个上调，37个下调。通过GO富集，对差异基因进行功能注释发现，GO:0015940、GO:0015939通路的差异性表达是影响微生物采油效果的生物层面原因，其对应功能基因为Gene1534、Gene1535、Gene1536。最后，模拟驱油实验结果表明，在注入菌株8d后，活菌数能达1.5×108CFU/mL，最终使原油采收率提高26.1%，具有良好的流态控制能力。利用地衣芽孢杆菌进行岩心浸没试验的结果表明，RF = 3.1, RRF = 2.5。微生物可使原油采收率提高26.1%，且具有良好的流态控制能力，在非均质油藏勘探中具有应用潜力。微生物注入非均质油藏后，吸附在岩石孔隙表面，并开始形成附着的微生物菌落。细菌繁殖和代谢产生簇状等生物多糖。吸附在孔喉表面，形成更大的菌落，导致细菌的生物聚合物及其代谢物迅速扩张。减少孔隙中水的流动，控制剖面和流动性，从而提高油藏采收率。而Ba2+通过影响微生物的相关基因，影响EPS的合成路径及其代谢产物性质，进而影响最终的调剖驱油效果。本研究为利用微生物开采非均质油藏方法提供了理论支持，为微生物采油技术领域提供了新的思路。