Микробиальное    население    осадков и воды в зоне геохимического зондирования как показатели нефтегазоносности.

Авторы:Е.В.Стадник,Г.Л.Корюкин.

Микробиальное население морских бассейнов к настоящему времени, изучено достаточно широко благодаря трудам Российских ученых и в первую очередь А. Е. Крисса(1959,1976 и др.) и его сотрудников и последователей (И.Е.Мишустин, И.Н.Мицкевич, Э.В.Земцова и др.). Исследованы закономерности экологического и географического распределения микробного населения в толще воды во всех широтных поясах от Северного полюса до  Антарктиды. Изучена микробиологическая индикация, подсчитана численность биомассы и продукция населения в мировом океане. Однако здесь в первую очередь нас интересуют бактерии, окисляющие жидкие и газообразные УВ, которые, как будет показано ниже, являются важной составляющей ГПНГ. Первые данные о встречаемости этих бактерий в море были получены в 1925г. Ю.Ортоном и в 1926г Т.Л.Гинсбург-Карагичевой. Последняя обнаружила углеводородокисляющие бактерии в глубоководных илах Черного моря. Позднее B.C. Буткевич (1938,1958 и др.) из илов Каспийского, Азовского иЧерного морей выделил большое количество бактерий, окисляющих метан и другие УВ. Систематическое изучение этой группы микроорганизмов началось с 40-х годов С.Е.Зобеллом с сотрудниками (1943,1946,1964,1973 и др.).  По их данным количество    углеводородокисляющих бактерий в морской воде составляло 10-10⁵ клеток в I литре, а вповерхностном слое донных отложений от 10 до 10⁹    клеток на I г сырого ила. Позднее    микроорганизмы, ассимилирующие УВ были выделены в разных морях и разными авторами. Здесь в пер­вую очередь следует назвать Г.А.Могилевского, выдающегося   ученого-мыс­лителя, автора геомикробиологического метода поисков нефти и газа (авторское свидетельство № 55154 от    30.6.1939г. на заявку от 10.II.1937г. "Способ разведки нефтяных и газовых месторождений"), который первый предложил использовать этот метод для    акваторий. В дальнейшем материалы, полученные    сотрудниками и последователями Г.А.Могилевского  В.М.Богданова, З.П.Телегина, В.В.Кругляков,  Р.П.Круглякова, Е.В.Стадник, А.А,Оборин, С.В.Барышева, Л.В.Черткова, Г.Л.Корюкин, А.И.Обжиров и многие другие) показали плодотворность этого начинания. Следует отметить, что отдельные виды геомикробиологического метода на нефть были запатентованы американскими учеными позднее: Л.Блау в 1942г. М.Таггартом в 1944г.

Геомикробиологический метод на акваториях, также как и на суше, используется для выявления и локализации зон или участков проявления   га­зообразных или жидких УВ. Особую роль метод приобретает в местах с низкими концентрациями УВ, что  определяется    большей чувствительностью микроорганизмов к этому классу соединений  по сравнению с существующей
газоаналитической аппаратурой. Указанное является важной причиной нео­бходимости комплексирования геомикробиологических показателей с газо­геохимическими.

Целесообразность такого комплексирования обусловлена следующими обстоятельствами (Г.А.Могилевский, Е.В.Стадник, А.А.Оборин и др.):
-  микроорганизмы, образующие бактериальный фильтр в зоне скоплений УВ, могут ассимилировать    значительную часть    мигрирующих УВ; в результате форма газогеохимических аномалий может значительно изменить свои характеристи­ки;

-  путем определения УВ - образующих бактерий могут быть отбракованы газовыеаномалии за счет процессов современного метанообразозания («ложные» аномалии);

-  обычно наблюдается обратная зависимость между суммой УВ и интенсивностью развития углеводородоокисляющей микрофлоры, что наиболее отчетливо по усредненным данным анализа проб донных осадков Баренцева моря.

Геомикробиологические показатели, применяемые при ГПНГ, обычно    подразделяются на прямые и косвенные  (табл. 1).

Таблица I.

Оптимальный комплекс геомикробиологических    показателей

(по Е.В.Стаднику, 1984)

К прямым относятся бактерии избирательно окисляющие этан, пропан, бутан и частично  пентан; к косвенным - десульфирующие микроорганизмы, выделяемые на среде с пентаном и гексаном. Избирательная способность микроорганизмов, использующих УВ, начиная с пентана, постепенно падает. Это объясняется тем, что жидкие УВ легко усваи­ваются многочисленными микроорганизмами, неспецифичными в отношении неф­ти и    газа. Поисковое значение метаноокисляющих бактерий ограничено, т.к. метан может накапливаться в процессе современного газообразования; В качестве контрольных микроорганизмов для распознания указанных явлений служат бактерии, продуцирующие метан и  водород. В последнее время при работах на нефть и газ изучаются бактерии, потребляющие ароматические   УВ (бензол, толуол, нафталин и др.), которые относятся к прямым признакам нефтегазоносности.

Способность    утилизировать газообразные и парообразные УВ наиболее    широко развита среди представителем родов Pseudomonas и Mycobactei. В меньшей мере этими свойствами обладают микроорганизмы, относящиеся к ро­дам Micrococcus, Bacterium Proaktinomys и др. По данным Г.А.Могилевского и др.  (1979), одна клетка   метаноокисляющих бактерий при температуре 27-З0ºС    потребляет в I час 6,8x10^-3 - 7,5x10^-12 см³ метана. Для пропана эти величины на порядок выше. Эта    масштабность ассимиляции УВ микроорга­низмами была подтверждена опытными    работами в различных нефтегазоносных районах суши и моря. При нефтегазопоисковых работах обычно развитие УВ - окисляющих бактерий выражается в условных: единицах  (баллах). Умноже­ние балла, характеризующего толщину бактериальной пленки к исследуемой пробе, на процент  занятой ею площади составляет условную оценку интенсив­ности развития бактерий: 5 баллов х 100% = 500усл.ед; 2 балла х 100% = 200усл.ед. 1балл х 100% = 100усл.ед. и т.д. Интенсивность  развития метанообразующих бактерий оценивается также в условных баллах, где  за основу принята несколько видоизмененная шкала условных обозначе­ний интенсивности развития сульфат редуцирующих бактерий (С.И. Кузнецов, В.И.Романенко, 1963) .Особенности геомикробиологического  анализа различных проб, обработка материалов и их использование при ГПНГ наиболее полно от­ражены в работе  (Г.А.Могилевский, В.М.Богданова, Н.Г.Заикин и др.),1974).

При исследованиях на суше (Е.В.Стадник, 1984,1987) обращают внимание на приуроченность определенных групп микроорганизмов к районам нефтеносным, газоносным и неперспективным. В пределах нефтяных территорий встре­чаемость пропан-и бутанокисляющих  бактерий обычно более высокая, чем в газоносных. В разрезах "пустых" структур обычно    присутствует метанокислящие  бактерии. Поэтому среди геомикробиологических показателей можно выделять показатели преимущественной газоносности и нефтегазоносности. Для установления характера нефтегазоносности рекомендуется использовать различные коэффициенты, например, отношение интенсивности бактерий, окисляющих газообразные УВ, к интенсивности бактерий, ассимилирующих жидкие УВ, СН₄/ ТУ, н – С₄Н₁₀/ изо - С₄Н₁₀ и др. Во всех случаях дифференциальные оценки нефтегазоносности осуществляются с учетов других геохимических пока­зателей. Указанные  закономерности подтверждены в процессе прове­дения морских ГПНГ на   Дальневосточном (А.И.Обжиров,1996) и Баренцевоморском (Г.Л. Корюкин, 1988) шельфах.

Приведем некоторые примеры развития индикаторных микроорганизмов при работах на нефть и газ в зоне  геохимического зондирования на тер­ритории отдельных акваторий.

Интересными представляются результаты совместных работ Южморгеология  и ВНИИгеосистем, полученные в 1970-1971гг. на отдельных участках Черного моря. По существу это был первый опыт использования геомикробиологическо­го метода на   море (Г. А. Могилевский, В.В. Кругляков, В. М. Богданова, В.И. Багиров, Р.П.Круглякова, Г.Г.Сапунова, 1972,1975). Были обследованы площади шельфа, примыкающие к Колхидской впадине, Гудаутская отмель, отмель между населенными пунктами Очамчиры и Ахали-Кингли, небольшие участки в районе Поти и Батуми. В результате для Очамчирского участка было установлено, что максимум суммарной биогенности и четкая аномалия повышенной актив­ности метанокисляющей микрофлоры приурочены к Очамчирской площади. В пределах этой аномалии практически  не отмечен рост микрофлоры, продуцирующей метан, ни в придонной воде, ни в осадках. Эти данные позволяют    счи­тать, что УВ здесь миграционного происхождения. Выявленная на этой площа­ди геомикробиологическая аномалия прослежена в широтном направлении от глубины моря около 50 м до изобаты 7-8 м и сравнительно широко открыта в сторону суши, где в 1962г. в результате совместных ВНИИгеосистем и треста Грузнефтегеофизика работ была обнаружена, материковая часть этой аномалии. Где в результате буровых работ на на суше получен непромышленный приток нефти. Центральная   часть аномалии, в пределах которой интенсивно развита индикаторная  микрофлора и совпадаю­щая с наиболее приподнятой областью антиклинальной складки, находится в море и до сих пор не разбурена. Характерно, что за пределами этой площа­ди    геомикробиологические показатели,как и другие геохимические критерии (битуминологические и газогеохимические) характеризуются фоновыми значениями. В частности, установленная  газогеохимическая аномалия в районе пос.Ахали-Киндги, тяготеющая к прогибу с интенсивным современным осадконакоплением, характеризована как биогенная сингенетичная аномалия, не имеющая поискового значения. Аналогичные сингенетичные аномалии были ус­тановлены в пределах территории палеодолин Пра-Кубани на Керченско-Таманском шельфе (В. В. Кругляков и др.,1972).Отмечались сингенетичные аномалии и  на других участках шельфа Черного моря.

Таким образом, первый опыт применения геомикробиологических исследований для поиска нефти и газа в  море можно считать достаточно эффективным, что позволило  их  продолжить  в различных частях Черного моря (В. В. Кругляков, Р. П. Круглякова, Г.Г. Ткаченко, В.П.Шурупов, С.А. Верещако  и др.) и на других  акваториях.

Изучение бактериального фильтра было также проведено ВНИИгеосистем совместно с Одесской экспедицией Южморгео (С.В.Барышева,Г.Л.Могилевский, Е.В.Стадник, В.П.Шурупов и  др.)  по иловым образованиям Черного моря как на эталонных объектах (месторождения газа Галицинское, Шмидта), так и на ряде поисковых площадей (Штормовая, Ильчевская, Приднеп­ровская, а также Крымская).  Ранее проведенные газогеохимические исследования показали более высокую газонасыщенность илов над площадями Ильчевская и Приднепровская, что объяс­нялось расположением первой на краю шельфа, а второй в авандельте ряда рек. Применение здесь бактерий - индикаторов (потребляющих отдельно тяжелые гомологи метана - ТУ и жидких углеводородов - ЖУВ, образующих метан и сероводород) позволили более  надежно классифицировать поисковые площади по их перспективности. Культивирование бактерий производилась на элективных минеральных средах с учетом их температурных максимумов (25-32ºС) и с инкубацией от 15 до 35 суток. Интенсивность развития окисляю­щих бактерий оценивалась условными единицами от 1 до 500, газообразу­ющих от I до 15 баллов (Таблица 2 ).

Таблица 2

Фоновые и аномальные значения биогенности донных осадков Черного моря.

Отработка данных показала наличие индикаторной микрофлоры, особенно окисляющей жидкие УВ и сульфатредуцирующей выше предела фона не только над эталонными объектами, но и над площадями с не установленной нефтегазоносностью ко времени проведения микробио­логических исследований. На одной из них - Крымской, впоследствии было открыто газовое месторождение  в алевритах верхнего палеогена. Аномальные значения биогенности окисляющей УВ микрофлоры над месторождениями и перспективными объектами были обнаружены и в обломанном детрите моллюсков. Причем в обломках раковин моллюсков аномальность метаноокисляющих, пропаноокисляющих, пентан - гексаноокисляющих бактерий оказались значительно выше чем в донных осадках (практически во всех случаях выше на порядок). Это заставляет обратить в дальнейшем внимание на использование ракуши, обломков раковин как на возможный объект при геохимических поисках месторождений нефти и газа.

Отмеченные закономерности в распределении УВ микрофлоры в зоне влияния залежей нефти и газа на море позволяют считать микробное население, ассимилирующее УВ, как составную часть углеводородных систем. УВ бактерии при благоприятных физико-химических условиях  (температурное давление, соленость воды и др.) начинают развиваться там, где появляются газообраз­ные или жидкие УВ, которые выступают как питательные среды для их жизнедеятельности. В связи с этим дальнейший прогресс геомикробиологических методов следует связывать с широким развитием исследований придонного живого мира. В более широком диапазоне физико-химических условий среды (психрофильных организмов для обнаружения и картирования залежей гидратов, термофильных - для выявления зон глубинной разгрузки флюидов, более надежного распознавания геохимических аномалий и др.) с включением в качестве    индикаторных ферментов    макрофауны и    растительных сообществ. Одним из примеров широкого использования биологических методов являют­ся опыты по индикации УВ по результатам изучения водорослей (Е.В.Стадник,1984). Установлено, что фитогеохимический метод поисков месторождений нефти и газа, разработанный для суши (Е.В.Стадник, Л.Г.Комогорова, Л.В.Лапчинская, Н.Е.Журавель, 1982), может также быть использован при поисках нефти и газа на акваториях. Такие исследования были проведены на неко­торых перспективных площадях шельфовой зоны Черного моря (площади Одесская, Сельская, Шмидта и др.), где изучался элементный состав зоны водорослей. Полученные данные доказали приуроченность повышенных  содержаний некоторых элементов  (в частности, калия, кальция, натрия, ванадия, меди и др.) к  зонам УВ влияния. В этих же зонах отмечаются повышенные содержания УВ в придонных водах  и донных отложениях. Обычно  такие аномалии прослежи­ваются в виде "кольцевых" эффектов. Представляется также эффективным изучение углеводородной составляющей непосредственно в водорослях как одного из геохимических показателей.

Геомикробиологические исследования.

Геомикробиологические методы исследований являются составной частью морских ГПНГ и  поэтому при работах на нефть и газ используются совместно  с другими геохимическими методами (газогеохимическими, битуминологчеческими, гидрогеохимическими, изотопно-геохимическими). Отбор проб на все виды указанных анализов осуществляется обычно одновременно с од­ного судна. Достоверность и  надежность результатов морских ГПНГ во многом зависит от выбора методов отбора проб литифицированных пород, донных осадков, вод придонных горизонтов  и водной толщи. Другим, не менее важным направлением исследований являются мероприятия по переводу отобранных проб в специальные устройства для дегазации и последующего изучения проб на соответствующие виды определений.

Отбор проб воды и осадков для геомикробиологических исследований вразных организациях обычно отбираются различного рода прямоточными трубками, батометрами и другими приспособлениями. Однако основным требо­ванием к отбору    пробы является ее стерильность и герметичность. Наи­более полное описание    технических средств отбора проб воды и придонных образований, а также результаты их использования при ГПНГ в акваториях освещены в обобщающей работе (В.И.Авилов, 1985). Различная морская геохимическая аппаратура    разных модификаций в различное время была предложена и эффективно использовалась Г.А.Могилевским,  В.В.Кругляковым, В.И.Багировым, С.Д.Талиевым  и многими другими.

Анализ вод,  донных отложений и литифицированных пород на аквато­риях при исследовании  индикаторных на нефть и газ микроорганизмов до недавнего    времени изучались с использованием инструктивных положе­ний, разработанных для суши (Г.А.Могилевский, В. М. Богданова, Н. Г. Заикин и  др. , 1974 ; С. В. Барышева, Е .В. Стадник , А. А .Филимонова , 1990 ;

А. А . Оборин ,   Е.В. Стадник,1996 и др.). Однако результаты работ, проведенных  в 1970 – 1972г.г. и последующие годы В.В.Кругляковым и его сотрудниками совме­стно с коллективом

Г. А. Могилевского, атак же с учетом физико-химической специфики водной толщи акватории и донных отложении позволили внести в аналитический цикл определений индикаторной микрофлоры определенны: коррективы и изменения (В. В. Кругляков, Т.И. Лыгина, 1977 и др.).

Характерными особенностями морских проб и, в особенности придонных    осадков, являются: большое содержание  слабопреобразованного ОВ, слабощелочная реакция верхних интервалов   (РН - 8,3-8,4), а также низкий окислительно-восстановительный потенциал. В литературе имеются указания, что галофильные виды сульфатредуцирующих бактерий не  растут на питательной среде при содержании   NaCl в ней ниже 15%. Однако известны факты, что бактерии, населяющие морские осадки, способны развиваться в среде, содер­жащей 15-60%

(С.И. Кузнецов, М.В.Иванов, Н.Н.Ляликова,1962 и др.) В связи с таким разногласием в оценках при геомикробиологических исследованиях морской воды и осадков возникает проблема правильного выбора элективных сред и оптимальных сроков инкубации посевов, а также допустимых сроков хранения проб до микробиологического анализа. Указа­нные вопросы являются важными  и    требуют рассмотрения.

Выбор элективных сред. Для выявления УВ микрофлоры используют среды различного состава, для комплекса микроорганизмов обычно применяют агаризованную среду Баркера следующего состава в г/л:  NH₄Cl – 1; K₂HPO₄ – 0.4; MgCl₂ x 2H₂O – 1; агар-агар-8-10. В качестве источника углерода используют спирты и    соли жирных кислот. С целью приближения условий посева к естественным услови­ям существования бактерий используют питательные  среды, приготовленные на основе морской воды, к которой добавляют только источник углерода, так как морская вода сама по себе характеризуется определенным набором макро- и   микроэлементов, определенным соотношением ионов и является более  благоприятной средой развития микроорганизмов, обитающих в море. В качестве источника углерода к воде добавляют отвар из морских растений, а также нефтепродукты - гексан  или керосин. Для посева используют жидкие и агаризованные среды. Применение агаризованной среды позволяет непосредственно наблюдать образование газовых пузырей в пробирке и  по их количеству визуально оценить интенсивность развития газообразующей микрофлоры .

Впервые указанные смеси были использованы в процессе проведения водной  съемки в  пределах Очамчирского поднятия  (В. В. Кругляков, Т. И. Лыгина, 1977) . Средняя интенсивность развития газообразных  бактерий, выраженная  в баллах, составила: на растительном отваре-10 баллов; на керосине-6; на спирте-3,5 балла. При изучении газообразующей микрофлоры в толще воды    на  Галицинском  поднятии  посев пробы  проводили в анаэробных условиях на различные среды: среду Баркера, морскую воду агаризованную  и    неагаризованную. В качестве источника углерода использовали отвар бурой  водоросли или керосин. Наиболее интенсивный рост  г азообразующей микрофлоры    наблюдали на морской агаризованной среде с добавлением отвара бурой водоросли или керосина, причем интенсивность развития микро­организмов на обоих источниках ОВ соизмерима. Распределение метана  био­генного происхождения, продуцируемого бактериями при посеве на агаризова­нную морскую воду с керосином, по профилю, пересекающему структуру дока­зано.

В центральной части профиля (точки 0 и 6) выделена область наиболее интенсивного продуцирования метана микроорганизмами. С глубиной коли­чество метана биогенного происхождения в воде возрастает. Это объясня­ется уменьшением количества растворенного в морской воде кислорода, что создает более благоприятные условия для жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов. Подобное распределение имеет и  сумма ТУ, продуцируемых бактериями в тех же условиях.

Для выявления микроорганизмов, ассимилирующих УВ, используют видо­измененную среду Мюнца, г/л:   NaCl – 1; KNO₃  - 1;MgSO₄ –0.4; KH₂PO₄ – 0.3; K₂HPO₄ – 0.7; pH 6.8 – 7.8  .

Пространство в пробирке над средой заполняют смесью воздуха с углеводо­родным газом - метаном или пропаном (Г. А. Могилевский, В. М. Богданова, Н.Г. Заикин и  др., 1974) . При этом используют ту  же минеральную среду, но приготовленную на морской воде. В этом случае рост микроорганизмов оказывается менее интенсивным, чем на среде Мюнца.

Сроки инкубации  посевов могут быть различными, в зависимости от длитель­ности хранения проб. При посеве культуры в день отбора пробы или на следующий день для ее роста достаточен трехдневный срок инкубации. Интенсивность развития микрофлоры за это время становится очень высока. Если же пробы подвергаются длительному  (2-3 мес.) хранению, сроки инкубации увеличиваются. Оптимальный срок инкубации -14-15 дней. Интенсивность развития микроорганизмов оценивается визуально по количеству газовых пузырей в агаре  (развитие газообразующих бактерий)  или по толщине  бактери­альной пленки -развитие углеводородокисляющих бактерий  (Г.А. Могилевский, В.М.Богданова, Н.Г. Заикин и др., 1974) .Определяется также состав газо­образных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Методика отбора проб биогенного газа наиболее разработана полно была в 1973-1974г.г. и впервые применена в НИИморгеофизики.

Сроки хранения газа, выделенного микробами.   В.В.Кругляковым с сотрудника­ми проведены эксперименты по  изучению изменений при хранении микробиального газа, собранного в барботер при дозированном  разбавлении в процессе дегазации. В пробах Бейсугского лимана состав газа резко изме­нялся в первые же три дня после дегазации. Изменения в составе  микробиального газа обычно заключались в увеличении содержания как метана, так и углекислого газа. В этом случае при хранении пробы свыше трех дней  в газе устанавливается относительное равновесие, после  чего содержание метана уменьшается. В большинстве случаев в пробах Таманского шельфа Черного моря впервые три дня в составе газа  происходят незначительные изменения, количество азота и углекислого газа увеличивается посте­пенно, в доследующие дни оно резко возрастает. Изменения в составе газа не зависят от среды, на которой проходило развитие микроорганизмов и, верятно, обусловлены биохимическими процессами, проходящими в  барботере. Опыты  показывают, что существенные изменения в  составе газа могут на­ступать в течение трех суток. Из этого следует, что газ, выделяемый микроорганизмами, нельзя хранить. Поэтому анализ его следует проводить в день дегазации, а дегазацию-без разбавления пробы воздухом.

Таким образом, предложенные  методические разработки определения в морских водах и донных осадках УВ микрофлоры отличаются от существующих методик их анализа на суше. К наиболее важным моментам здесь    отно­сятся следующие положения:

-для микробиологических исследований целесообразно использовать среды, приготовленные на основе морской воды;

-посев проб следует проводить в течение первых суток после отбора про­бы;

-при газогеохимических исследованиях донных осадков необходимо изучать состав газообразных компонентов, образующихся в результате жизнедеятель­ности бактерий, обитающих в морских отложениях;

-полученные данные о составе газа, выделяемого микроорганизмами, и о соотношении его компонентов позволяют подойти  к решению одной из важней­ших задач геохимических поисков месторождений нефти -  к выяснению генетическом природы газогеохимических аномалий, выявляемых в процессе работ на нефть и газ;

- наиболее достоверные результаты геохимических исследований, это касается не только бактериальных, но и газовых групп показателей, могут быть получены в процессе герметичного отбора придонных вод и донных осадков; при отборе проб негерметичными проботборниками изменяется общая биогенность и газонасыщенность проб, а также содержание отдельных газовых компонентов; наиболее чувствительны к способу отбора неуглеводородные газы; при этом отмечается потеря значительной части легких УВ, хотя общая направленность и закономерность в распределении микрофлоры и УВ газов в придонной зоне  сохраняется (В.И. Багиров, В.Л. Бондарев, Е.В. Стадник, 1981).