研究背景

大规模地下氢气存储是未来氢能体系的关键支撑，枯竭气藏被广泛用于地下储氢与地质甲烷化。储层内微生物活动会显著影响存储稳定性与运行效率：产甲烷菌、硫酸盐还原菌等可能消耗注入氢气，产生硫化氢、乙酸等副产物，降低存储效率；而在可控地质甲烷化场景中，这类微生物代谢可将氢气与二氧化碳转化为甲烷，提升能源利用价值。

当前储层微生物表征高度依赖井筒积水采样，该方式存在明显缺陷：积水长期滞留易整合井筒历史扰动信号，且仅能反映浮游微生物群落，无法准确代表附着于岩石表面、主导储层长期功能的附着型菌群。直接取岩芯成本高昂、操作复杂，难以用于常规监测。因此，开发能获取真实储层微生物信号的低成本采样技术，成为地下能源存储领域的迫切需求。

研究内容

研究团队在碳循环经济示范项目框架下，设计一款简易低成本原位生物采样装置。装置以管道式腔体为主体，内部装填经灭菌处理的储层代表性岩屑，部署于储层井内积水上方位置。

实验在奥地利 Lehen 枯竭油气藏开展，该储层注入含 8.5vol% 氢气、2.3vol% 二氧化碳、89.2vol% 天然气的混合气体，初始压力约 56.9bar (a)，温度 39.5℃。装置于 2023 年 11 月 10 日至 2024 年 3 月 27 日部署 138 天，期间经历 6 次采气作业，总采气量 29076 立方米，采气过程带动储层流体间歇性流入井筒，使装置接触新鲜储层流体。

装置内形成三种采样组分：持续接触腔室水的饱和岩块、仅间歇性润湿的非饱和岩块、腔室留存水。研究对比该装置各组分与传统井筒积水的微生物群落，通过 16S rRNA 基因测序分析群落结构，结合甲醇残留监测，解析井筒扰动与储层原生信号的差异。

图1. 水库井布置及原位生物取样装置的概念概述。(a) 水库井示意横截面，显示与微生物取样相关的地下构造。(b) 生物取样装置示意图。

图 2. Lehen 井坑水中的甲醇浓度（2020–2024 年）及从生物取样装置组分中回收的微生物群落（03.24）。(a) 坑水中的甲醇浓度（g/L；橙色曲线，左侧 y 轴），在 2020 年 4 月甲醇渗入事件（橙色虚线）后测量，并与 16S rRNA 基因扩增子测序的属水平相对丰度（堆叠柱，右侧 y 轴；SILVA 分类）一起显示。每个时间点均显示重复的测序图谱；平均相对丰度 <1%的类群归为“其他”。装置驻留期（2023 年 11 月部署 – 2024 年 3 月回收）用括号表示；(b) 回收时（03.24）生物取样装置各组分的属水平相对丰度：饱和岩石、非饱和岩石和舱室水。各组分在可能的情况下以技术重复样展示；非饱和岩石组分仅以单个样品表示。

研究结果

1.微生物信号显著分离：井筒积水样本富集甲烷八叠球菌属，该菌是 2020 年甲醇作为水合物抑制剂注入后的遗留特征，即便甲醇已耗尽，该菌群仍长期留存，成为井筒特异性干扰信号；而采样装置各组分中甲烷八叠球菌属丰度极低，基本排除该干扰。

2.岩相组分还原原生群落：饱和岩块组分以甲烷杆菌属为主导，群落结构与 2020 年甲醇扰动前的储层基线群落高度一致；非饱和岩块与腔室水群落相近，包含甲烷杆菌属及发酵类菌群，更反映储层流体中瞬时浮游群落。

3.水化状态驱动群落分化：稳定水环境利于甲烷杆菌属在岩面形成生物膜，主导饱和岩块群落；间歇性润湿的非饱和岩块仅保留瞬时定植菌群，与腔室水的浮游群落特征趋同。

技术优势

1.信号纯净度高：有效剥离井筒长期滞留流体、历史作业扰动等遗留信号，获取未受干扰的储层界面微生物信息。

2.成本低廉易部署：结构简易、造价低，无需复杂取芯作业，适配储层井长期常规监测，可替代高成本岩芯采样。

3.多组分同步获取：同时提供岩石附着型与流体浮游型微生物样本，覆盖储层关键微生物生态位，观测维度更全面。

4.工况适应性强：可在储层高温、高压条件下稳定运行，耐受采气过程中的流体间歇性冲击，适配地下储氢、地质甲烷化等场景。

结论与展望

该研究证实，新型原位生物采样装置可提供与传统积水采样互补、更具代表性的储层微生物信号，通过锚定岩石附着群落、规避井筒遗留效应，实现从流体中心到岩石表面关联的采样范式升级。装置在 138 天现场试验中表现稳定，能精准区分井筒扰动与储层原生微生物信号，饱和岩组分可还原储层基线群落，为长期监测提供可靠依据。

该技术不仅适用于地下储氢与地质甲烷化，还可拓展至碳封存、天然气存储、强化开采等需精准微生物监测的地下工程领域。未来结合标准化微生物处理与测序流程，有望构建地下储层微生物监测体系，支撑地下能源存储技术的安全高效运行，推动碳循环经济发展。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2026.153521