油藏硝酸盐调控硫循环相关微生物的代谢机制研究

Sulfate-reducing bacteria exist widely in petroleum reservoir and they are prone to cause corrosion in oilfield production system and bring about reservoir souring. Nitrate can reduce the occurrence of such phenomena to some extent. Studies have found that nitrate can stimulate the nitrate-reducing bacteria and some sulfur-oxidizing bacteria, preventing the growth of the sulfate-reducing bacteria. With the rapidly development of microbial enhanced oil recovery technology, research on how nitrate regulate and control the community structure of sulfate-reducing bacteria, sulfur-oxidizing bacteria and nitrate-reducing bacteria during the process of indigenous microbial flooding is still lacking. Therefore, this subject aims to the flora alternation of the three kinds of functional microorganisms and the metabolic regulation mechanism in the process of indigenous microbial enhanced oil recovery injecting nitrate, combining field and laboratory culture experiment, functional gene High-throughput sequencing technology, Metatranscriptomic sequencing technology and real-time quantitative PCR technology are applied to analysis the regulation of nitrate on the SRB, SOB and NRB from the aspect of compositional distribution, dynamic changes and species abundance; at the same time, study will conducted from the mechanism of nitrate control at metabolic level. The results of this study will reveal the mechanism of nitrate reducing the occurrence of corrosion in the reservoir environment from the point of metabolism in microbial population, and enrich the theoretical system of microbial ecology of sulfur circulating microorganism in reservoir and this is of great guiding significance for preventing and controlling the occurrence of souring and corrosion in petroleum reservoirs.

硫酸盐还原菌广泛存在于油藏环境，该菌易引发油田生产系统腐蚀和油藏酸化，硝酸盐能够在一定程度上降低这类现象的发生。研究发现其能够激活硝酸盐还原菌和部分硫氧化菌，抑制硫酸盐还原菌的生长。随着微生物采油技术的不断发展，探究内源微生物驱油过程中硝酸盐是如何调控硫酸盐还原菌、硫氧化菌和硝酸盐还原菌的菌群结构从而抑制腐蚀发生的研究仍然缺乏。因此，本课题以硝酸盐刺激下内源微生物驱油过程中三类功能微生物的菌群更替及其调控代谢机制为研究主题，结合现场和室内培养实验，利用功能基因高通量测序、宏转录组测序和实时荧光定量PCR技术，从组成分布、动态变化和物种丰度方面分析驱油过程中硝酸盐对三类功能菌群的调控作用；同时，从代谢水平研究硝酸盐菌群调控的机理。本研究结果将从微生物群体代谢方面揭示油藏环境中硝酸盐抑制腐蚀发生的机理，丰富油藏硫循环微生物生态学理论体系，对防治油藏酸化和腐蚀现象的发生有重要指导意义。

硫循环相关微生物是油藏注水开发过程中主要的有害菌，容易造成管道的腐蚀和油品的酸化，而目前抑制此现象的主要措施是注入硝酸盐。通过连续两年跟踪大庆油田现场注水开发过程中的B区块的5口井的样品，通过16S rRNA基因高通量测序发现50个样品中存在潜在的硫酸盐还原菌、硫氧化菌和硝酸盐还原菌，且不同取样时间的样品中三类功能微生物的组成和结构不同。其中，Desulfuromonas、Desulfomicrobium、Desulfovibrio；Sulfuricurvum、Thermovirga、Thiofaba；Arcobacter、Pseudomonas、Sulfuricurvum分别是优势的SRB、SOB和NRB。Lefse分析发现不同取样时间存在差异显著的物种，其中显著性差异较大的三类功能微生物分别是Desulfuromonas、Sulfuricurvum、Arcobacter。聚类分析发现样品中的功能微生物更倾向于井组聚类而不是取样时间，同时通过CCA分析结果发现NO3-、SO42-、CH3COO-浓度影响不同时期样品中功能微生物的组成。室内试验针对硝酸盐、碳源、和氧气含量设计12组处理条件，培养210天后对连续取样的样品进行16S rRNA基因高通量测序，结果发现不同处理条件下SRB、SOB和NRB的结构差异与未处理样品之间变化显著，其中Desulfovibrio、 Thermovirga、Thauera是优势物种。聚类分析发现不同处理条件下，样品之间存在一定的差异性。通过Faprotax功能预测发现在不同处理组中共发现了5类与SRB相关的还原反应，2类与SOB相关的氧化反应，6类与NRB相关的反应，且分析不同处理组倾向的反应发现，硝酸盐能够显著抑制与SRB相关的还原反应。而由于处理条件中氧气含量较低，与SOB相关的氧化反应检测到的较少。而与NRB相关的反应中多数在仅添加碳源的条件下，推测是氮源的添加在很大程度上刺激了油藏环境中的微生物，刺激其它代谢反应的发生，导致与NRB相关的反应在整体代谢中的相对降低，这个情况通过定量结果中总菌数量的变化可以进一步确认，即添加氮源的处理中，总菌数量升高而NRB的数量并未出现大幅度的上调。本次研究从物质代谢的角度上证实了硝酸盐确实能够抑制硫酸盐还原菌催化的反应，但仍需从代谢的角度上进一步确认，这将是后面研究的重点。