CN109576143A - 高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置及方法，属于地质微生物运动性能研究技术领域。该装置包括左右两个微生物培养罐、中间岩心夹持器、恒速恒压注入泵、环压控制泵等。培养罐体与岩心夹持器筒体之间采用连接法兰及大通径高压球阀连接；所述微生物培养罐体及岩心夹持器筒体各设计接口，用于注射菌液及采取样品。采用该装置的方法结合了渗流力学理论及微生物厌氧发酵培养技术实现了对多孔介质中地质微生物运动、代谢性能的研究。重点研究微生物通过多孔介质的能力及多孔介质对微生物生长、代谢、运动的影响，对深层地下环境中的地质微生物生命活动研究有着重要的意义。

Description

高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置及方法
技术领域
本发明涉及地质微生物运动性能研究技术领域，特别是指一种高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置及方法。
背景技术
地质微生物是地球生物圈的重要组成部分，其在地球化学过程中发挥着重要作用，如通过生命代谢活动淋滤出岩石矿物中的重金属并富集成矿、重金属污染治理、参与油气的形成及稠油降解等方面。微生物在多孔介质中的生长代谢运动过程，包括有机质降解、微生物生长代谢繁殖等生物过程，以及水利作用下微生物和营养物质的运移过程，而且两者具有密切的联系。深层地下环境中的地质微生物生长代谢环境不同于自然环境中微生物，极端地质环境使得微生物具有特殊的适应能力与代谢功能，此外，微生物的代谢及趋化性等生命活动对多孔介质中的物质迁移与分布起到了多样而显著的作用。由此可见，对地质微生物的研究不仅对经济社会发展做出应有的贡献，还有助于解析生命起源、生命极限、生命本质等生命科学问题，因此其生物地球化学作用在地球系统科学研究中具有重大科学研究价值。
随着研究领域逐渐向更深层地下环境拓展，地下微生物厌氧代谢活动与渗流行为的相互作用，已成为地下深层环境研究中不可回避的问题之一。对于这一问题的研究，现有技术手段仅停留在常压环境的研究，这不能代表极端高压条件下微生物生命活性。本发明所涉及的实验方法及装置可研究高压下油、气、水多相环境地质微生物的生长、代谢及运动性能，且可为其他研究提供基础。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置及方法，结合渗流力学和厌氧发酵技术设计的实验装置体现的功能是对高压、油气水三相环境中微生物运动性能的研究，重点研究微生物通过多孔介质的能力及多孔介质对微生物生长、代谢、运动的影响。
该装置可利用真实地下岩心作为微生物在多孔介质中运动的介质，装置包括两个高压培养罐、岩心夹持器、环压控制泵、恒速恒压注入泵、真空泵、恒温培养箱、样品采集器和光源，高压培养罐和岩心夹持器位于恒温培养箱中，两个高压培养罐分居岩心夹持器两侧，高压培养罐和岩心夹持器通过连接法兰和大通量高压球阀连接，恒速恒压注入泵通过控制阀门连接左侧高压培养罐，高压培养罐上部设置两侧接口，高压培养罐顶部和底部设置高压培养罐压帽，高压培养罐压帽中间为高压培养罐视窗，环压控制泵通过阀门连接岩心夹持器，右侧的高压培养罐连接真空泵和样品采集器，右侧的高压培养罐出口处设置精密压力表，岩心夹持器两侧分别设置一个中间接口，短岩心置于岩心夹持器内。
其中，高压培养罐的筒壁为耐腐蚀高压不锈钢材质，高压培养罐视窗为耐高压玻璃，用于观察微生物生长状况。
微生物液体注入和样品采集均通过两侧接口进行。
高压培养罐底部的高压培养罐视窗正对光源或显微镜，用于观察微生物生长状况。
岩心夹持器与高压培养罐中间采用大通量球阀连接，以确保微生物流动不受通道尺寸影响，装置出口处连接真空泵以确保整个装置可达到无氧状态，用于研究兼性或厌氧微生物；该装置用于研究微生物运动及代谢性能，且能够取得较多样品以用于后续分子生物学分析。
该装置耐受最大压力为10MPa。
采用该装置进行实验的方法，包括步骤如下：
S1：将切割好的短岩心装入岩心夹持器；
S2：将岩心夹持器与两侧高压培养罐通过大通量高压球阀及连接法兰连接；
S3：岩心夹持器上部接口连接环压控制泵，初始压力0.5-2MPa，并保持岩心夹持器环压始终大于高压培养罐内部压力0.5-2MPa；
S4：关闭中间接口阀门；
S5：打开大通量高压球阀，使整个系统处于连通状态；
S6：左侧高压培养罐的两侧接口连接恒速恒压注入泵，右侧高压培养罐的两侧接口连接真空泵；
S7：关闭控制阀门，用真空泵从右侧高压培养罐出口抽真空1-2h后关闭；
S8：打开恒速恒压注入泵，以0.05-0.2mL/min注入液体；
S9：当两侧高压培养罐内液体均为整个培养罐2/3以上时，从左侧高压培养罐入口处转接2％-6％的微生物菌液；
S10：关闭左侧高压培养罐入口和右侧高压培养罐出口，静止培养10天以上；
S11：每隔5-10天从中间接口处取微生物样品，-20℃保存以做后续微生物群落分析。
其中，短岩心为干燥后岩心或饱和油后岩心，短岩心渗透率为50mDa以上。
S8中注入的液体为微生物所需营养物质或溶解气后的气水混合物。
S9中微生物为油藏采出水厌氧培养后的微生物群落或耐压单菌。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，结合了渗流力学理论及微生物厌氧发酵培养技术实现了对多孔介质中地质微生物运动、代谢性能的研究。重点研究微生物通过多孔介质的能力及多孔介质对微生物生长、代谢、运动的影响，对深层地下环境中的地质微生物生命活动研究有着重要的意义。
附图说明
图1为本发明的高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置结构示意图。
其中：1-恒速恒压注入泵；2-两侧接口；3-高压培养罐视窗；4-高压培养罐压帽；5-高压培养罐；6-环压控制泵；7-恒温培养箱；8-精密压力表；9-真空泵；10-样品采集器；11-控制阀门；12-连接法兰；13-大通量高压球阀；14-中间接口；15-短岩心；16-岩心夹持器；17-光源。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置及方法。
如图1所示，该装置包括两个高压培养罐5、岩心夹持器16、环压控制泵6、恒速恒压注入泵1、真空泵9、恒温培养箱7、样品采集器10和光源17，高压培养罐5和岩心夹持器16位于恒温培养箱7中，两个高压培养罐5分居岩心夹持器16两侧，高压培养罐5和岩心夹持器16通过连接法兰12和大通量高压球阀13连接，恒速恒压注入泵1通过控制阀门11连接左侧高压培养罐，高压培养罐5上部设置两侧接口2，高压培养罐5顶部和底部设置高压培养罐压帽4，高压培养罐压帽4中间为高压培养罐视窗3，环压控制泵6通过阀门连接岩心夹持器16，右侧的高压培养罐连接真空泵9和样品采集器10，右侧的高压培养罐出口处设置精密压力表8，岩心夹持器16两侧分别设置一个中间接口14，短岩心15置于岩心夹持器16内。
高压培养罐5的筒壁为耐腐蚀高压不锈钢材质，高压培养罐视窗3为耐高压玻璃。
微生物液体注入和样品采集均通过两侧接口2进行。
高压培养罐5底部的高压培养罐视窗3正对光源17或显微镜。
真空泵9保证整个装置内无氧。
该装置耐受最大压力为10MPa。
采用该装置进行实验的方法，包括步骤如下：
S1：将切割好的短岩心15装入岩心夹持器16；
S2：将岩心夹持器16与两侧高压培养罐5通过大通量高压球阀13及连接法兰12连接；
S3：岩心夹持器16上部接口连接环压控制泵6，初始压力0.5-2MPa，并保持岩心夹持器16环压始终大于高压培养罐内部压力0.5-2MPa；
S4：关闭中间接口14阀门；
S5：打开大通量高压球阀13，使整个系统处于连通状态；
S6：左侧高压培养罐的两侧接口连接恒速恒压注入泵1，右侧高压培养罐的两侧接口连接真空泵9；
S7：关闭控制阀门11，用真空泵9从右侧高压培养罐出口抽真空1-2h后关闭；
S8：打开恒速恒压注入泵1，以0.05-0.2mL/min注入液体；
S9：当两侧高压培养罐内液体均为整个培养罐2/3以上时，从左侧高压培养罐入口处转接2％-6％的微生物菌液；
S10：关闭左侧高压培养罐入口和右侧高压培养罐出口，静止培养10天以上；
S11：每隔5-10天从中间接口14处取微生物样品，-20℃保存以做后续微生物群落分析。
下面结合具体实施例予以说明。
如下两个实施例分别为高压单相环境中微生物生命活性研究，以及高压多相(油气水)环境中微生物生命活性研究。实施例中所用装置为上面所述的一种高压多相环境中地质微生物生长、代谢、运动性能研究的实验装置；所用岩心来自X油田埋深1500m左右真实岩心，孔隙度32.63％、渗透率543mDa；所用微生物来自X油田采出水；所用微生物培养基及营养物质成分为：酵母浸粉3g/L、酪蛋白胨3g/L、甲酸钠3g/L、乙酸钠3g/L、K2HPO4 0.3g/L、KH2PO4 0.2g/L、NH4Cl 0.4g/L、MgCl2 0.4g/L、CaCl2 0.2g/L、NaCl 2g/L、NaHCO3 0.7g/L、和L-半胱氨酸盐酸盐0.5g/L，溶质是水，溶液的pH值为7.2，并且进行煮沸除氧。
实施例1
地下多孔介质环境中微生物所需营养物浓度梯度能有效促使微生物自发运动，并与渗流速度具有一定关系。利用本发明提供的装置对单相环境中微生物通过多孔介质的运动性能研究，明确微生物自发运动性能，步骤包括：
1)将切割好的岩心装入中间岩心夹持器中；
2)将岩心夹持器与两侧高压培养罐通过大通量球阀及连接法兰连接；
3)岩心夹持器上部接口连接环压控制泵，初始压力0.5-2MPa，并保持岩心夹持器环压始终大于培养罐内部压力0.5-2MPa；
4)关闭岩心夹持器左右2个中间接口；
5)打开球阀，保证高压培养罐与岩心夹持器连通；
6)左侧接口连接恒速恒压注射泵，右侧接口连接真空泵；
7)关闭左侧接口，从右侧接口抽真空1-2h后关闭，保证装置中不含有氧气；
8)打开恒速恒压注射泵，从左侧接口以0.05-0.2mL/min注入微生物所需营养物质；
9)整个装置注满液体后，关闭右侧接口，是装置中压力逐渐升高至所需压力，2、4、6MPa
10)关闭左侧接口阀门，转注2％-6％的微生物菌液，此时左侧培养罐中含微生物而右侧为无菌环境
11)关闭左右两侧接口，静止培养，期间每隔1天分别观察培养罐中微生物生长状态；
12)培养至10、20、30天后，分别从岩心夹持器两侧的中间接口处采取微生物样品，低温离心后放入-20℃冰箱中保存以备做宏基因组及功能基因分析，揭示经过多孔介质环境后微生物群落的动态变化。
实验结果：
通过对培养至不同天数的微生物群落分析表明，随着培养时间的延长运移至右侧微生物培养罐中的微生物多样性越丰富，说明原始微生物群落中的微生物运动性存在差异；此外，对培养至30天后左、右两侧培养罐中微生物群落中的运动基因分析表明，右侧培养罐中微生物的运动基因种类远多于左侧培养罐。
实施例2
地下多孔介质中微生物生长环境复杂，如油藏微生物能够在油气水多相环境中生存。并且，随着厌氧微生物研究的发展，逐步认识到在地下极端的高压、严格厌氧环境中，厌氧代谢产甲烷等生物气才是微生物更主要、普遍的代谢活动。利用本发明所涉及的实验装置，研究了油气水三相同时存在时微生物运动及代谢性能，步骤包括：
1)将预先饱和油水的岩心装入岩心夹持器中；
2)将岩心夹持器与两侧高压培养罐通过大通量球阀及连接法兰连接；
3)岩心夹持器上部接口连接环压控制泵，初始压力0.5-2MPa，并保持岩心夹持器环压始终大于培养罐内部压力0.5-2MPa；
4)关闭岩心夹持器左右2个中间接口；
5)打开球阀，保证高阿姨培养罐与岩心夹持器连通；
6)左侧接口连接恒速恒压注射泵，右侧接口连接真空泵；
7)关闭左侧接口，从右侧接口抽真空1-2h后关闭，保证装置中不含有氧气；
8)打开恒速恒压注射泵及左侧接口阀门，从左侧接口以0.05-0.2mL/min注入流体(N2：微生物营养液＝1：2)；
9)当培养罐中营养液占2/3时停止注射泵，从左侧接口转接2％-6％的微生物菌液；
10)关闭左右两侧接口，静止培养，期间每隔1天分别观察培养罐中微生物生长状态；
11)培养至10、20、30天后，分别从微生物培养罐两侧的两端接口处收集微生物代谢气体样品，比较微生物菌体自身的运动速度及代谢产气运移速度，明确产气地质微生物原位产气与生物气之间的关系；
12)培养结束后，分别从左右两侧接口处采取微生物样品，低温离心后放入-20℃冰箱中保存以备做宏基因组及功能基因分析，模拟微生物通过原始地层环境时运动性能，考察原油存在时对微生物运动的影响。
实验结果：
培养期间装置压力值有所上升，说明微生物群落代谢产气；通过对培养期间左右两侧培养罐中气体样品分析表明，原始微生物菌群代谢产气以CH4、CO2、H2S为主。
对比分析培养30天后，单相环境及多相环境下右侧培养罐中的微生物群落结构，多相环境下微生物多样性大于单相环境，说明原油能够促进部分微生物在多孔介质中的运移。
上述实施例的结果表明，本发明所述用于研究高压多相环境中地质微生物运动性能的实验装置及方法，可揭示深层地质环境中微生物及代谢过程对其在多孔介质中的迁移和分布规律，填补地质微生物研究的空白。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置，其特征在于：包括两个高压培养罐(5)、岩心夹持器(16)、环压控制泵(6)、恒速恒压注入泵(1)、真空泵(9)、恒温培养箱(7)、样品采集器(10)和光源(17)，高压培养罐(5)和岩心夹持器(16)位于恒温培养箱(7)中，两个高压培养罐(5)分居岩心夹持器(16)两侧，高压培养罐(5)和岩心夹持器(16)通过连接法兰(12)和大通量高压球阀(13)连接，恒速恒压注入泵(1)通过控制阀门(11)连接左侧高压培养罐，高压培养罐(5)上部设置两侧接口(2)，高压培养罐(5)顶部和底部设置高压培养罐压帽(4)，高压培养罐压帽(4)中间为高压培养罐视窗(3)，环压控制泵(6)通过阀门连接岩心夹持器(16)，右侧的高压培养罐连接真空泵(9)和样品采集器(10)，右侧的高压培养罐出口处设置精密压力表(8)，岩心夹持器(16)两侧分别设置一个中间接口(14)，短岩心(15)置于岩心夹持器(16)内。
2.根据权利要求1所述的高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置，其特征在于：所述高压培养罐(5)的筒壁为耐腐蚀高压不锈钢材质，高压培养罐视窗(3)为耐高压玻璃。
3.根据权利要求1所述的高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置，其特征在于：微生物液体注入和样品采集均通过两侧接口(2)进行。
4.根据权利要求1所述的高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置，其特征在于：所述高压培养罐(5)底部的高压培养罐视窗(3)正对光源(17)或显微镜。
5.根据权利要求1所述的高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置，其特征在于：所述真空泵(9)保证整个装置内无氧。
6.根据权利要求1所述的高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置，其特征在于：该装置耐受最大压力为10MPa。
7.采用权利要求1所述的高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置进行实验的方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：将切割好的短岩心(15)装入岩心夹持器(16)；
S2：将岩心夹持器(16)与两侧高压培养罐(5)通过大通量高压球阀(13)及连接法兰(12)连接；
S3：岩心夹持器(16)上部接口连接环压控制泵(6)，初始压力0.5-2MPa，并保持岩心夹持器(16)环压始终大于高压培养罐内部压力0.5-2MPa；
S4：关闭中间接口(14)阀门；
S5：打开大通量高压球阀(13)，使整个系统处于连通状态；
S6：左侧高压培养罐的两侧接口连接恒速恒压注入泵(1)，右侧高压培养罐的两侧接口连接真空泵(9)；
S7：关闭控制阀门(11)，用真空泵(9)从右侧高压培养罐出口抽真空1-2h后关闭；
S8：打开恒速恒压注入泵(1)，以0.05-0.2mL/min注入液体；
S9：当两侧高压培养罐内液体均为整个培养罐2/3以上时，从左侧高压培养罐入口处转接2％-6％的微生物菌液；
S10：关闭左侧高压培养罐入口和右侧高压培养罐出口，静止培养10天以上；
S11：每隔5-10天从中间接口(14)处取微生物样品，-20℃保存以做后续微生物群落分析。
8.根据权利要求7所述的高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置进行实验的方法，其特征在于：所述短岩心(15)为干燥后岩心或饱和油后岩心，短岩心渗透率为50mDa以上。
9.根据权利要求7所述的高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置进行实验的方法，其特征在于：所述S8中注入的液体为微生物所需营养物质或溶解气后的气水混合物。
10.根据权利要求7所述的高压多相环境中地质微生物运动性能研究的装置进行实验的方法，其特征在于：所述S9中微生物为油藏采出水厌氧培养后的微生物群落或耐压单菌。
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