在地下资源与能源开发过程中，常需要顺利获得注水井往地层中持续注入外部水源，以达到维持地层压力、补给地下水或提高油气/地热采收率的目的。这些外源注入水中的微生物群落相比于地层水中的“土著”微生物群落往往有着截然不同的物种组成。对于注水作业引入外来微生物这一过程，以往多从微生物代谢所涉及的物质循环和能量流动的角度出发，分析所引入的外源微生物对深地生态的影响。但不断被忽视的是，外源注入水与地层水的相互作用涉及在非均质性强且连通性未知的岩石介质中渗流、驱替的复杂过程，因此相关研究需要考虑注入水中外源微生物在储层中的运移能力及其与注采井间连通性的关系。然而，由于深地样品获取难度大，地下资源开发与地质微生物学科交叉少，注入的外源微生物如何在储层中运移、其运移能力是否与井间连通性相关、相关规律能否被加以利用仍然是未知问题。
近期，中国科研实验室地质与地球物理研究所地质工程学科中心的张毓然特聘研究员、黄天明研究员、庞忠和研究员，联合斯坦福大学、康奈尔大学、劳伦斯伯克利国家实验室等多家单位，对团队此前在EGS Collab Experiment 1天然试验场长期渗流实验中获取的微生物群落高频时间序列数据进行了深入挖掘。研究发现，外源注入液中的成百上千个微生物物种只有极少数能运移到数十米外的生产井，且运移到每口生产井的物种数量与该井和注入井间的连通性呈显著正相关关系。基于该发现，团队进一步提出了一种新型（外源）微生物群落示踪方法用以表征一注多采井组中各生产井与注入井间的相对连通性（图1）。这是团队关于深部裂隙含水层微生物群落分布与运移规律系列研究的最新成果。
图1 注采作业过程中，成功运移到每口生产井的注入液物种数量与该井和注入井间的连通性成正比
EGS Collab天然试验场（一期）位于美国南达科他州的桑福德地下实验室1478米深的巷道中。试验场有一口注入井E1-I，经由一条水力裂缝和一条天然裂缝构成的裂缝网络与三口生产井E1-P、E1-PDT和E1-PST连通（图2）。为研究裂隙岩体中的渗流过程，项目召开了10个月的长期渗流实验，期间顺利获得注入井的封隔层段以恒定流量将外源水持续注入含水地层中，三口生产井在恒流注入的作用下持续产水，即“一注多采”模式（图2）。由于水力裂缝的不稳定性，监测数据表明注采井间连通性随时间发生了动态变化，这为研究场地尺度下外源微生物群落的运移规律给予了有利条件。此前，团队利用高通量测序技术，以一天到一周的频率采集了注入液和所有生产井的产出液的微生物群落时间序列数据，并分析了产出液微生物群落的跨时空变化规律。而该研究则聚焦注入液中微生物群落的去向问题，分析了注水作业过程中外源微生物如何以群落的形式运移及其与注采井间连通性的关系。
图2 试验场井位布置与裂缝网络示意图
数据表明，外源注入水和地层水在ASV（可近似理解为物种）的分类水平上的重叠度可低至0，即共有物种可低至0、群落组成截然不同。又因为产出水是外源注入水与地层水的混合物，因此，团队定义了nASV-Overlap新指标（图3）以量化产出液中来自注入液的微生物物种的数量。研究发现，每口生产井的产出水中来自注入水的物种数量与该生产井的流量呈显著正相关关系（图3-图5）；又因为在EGS Collab试验场，监测数据表明生产井的流量越大、该生产井与注入井的连通性越好，因此，每口生产井的产出水中来自注入液的物种数量与该生产井与注入井的连通性成正比（图1）。这反过来说明，对于一注多采井组而言，在注采过程中对注入液和产出液持续进行微生物群落检测和nASV-Overlap分析可用来表征注采井间连通性并监测其随时间的变化。基于研究发现，团队进一步提出了用于判识井间连通性的新型（外源）微生物群落示踪方法。该方法不仅能有效表征一注多采井组中各生产井与注入井之间的相对连通性，还能用来判断生产井间对注入液的摄取是协同关系还是竞争关系（图6）。
图3 部分采样日的nASV-Overlap值以及注采液流量历史数据。nASV-Overlap定义为特定时间点的注入液和产出液的共有ASV（可近似理解为物种）数量
图4 每口生产井（与注入井）的nASV-Overlap值与该生产井流量的相关性
图5 nASV-Overlap数据、流量数据与传统人工示踪数据对比（以产液层段PB为例）
图6 对每口生产井（与注入井的）nASV-Overlap值进行交叉比对，可揭示不同生产井对注入液的摄取是协同关系(a)(c)(e)(f）还是竞争关系(b)(d)
该研究一方面揭示了外源微生物如何以群落的形式在深部含水层中运移，对深地生态研究具有启示意义，另一方面还在储层表征领域具有一定的应用价值。现在，评估注采井间连通性需要用到人工示踪方法，即先在注入井中投放化学标记物(即示踪剂)，在各生产井中持续监测示踪剂浓度以取得突破曲线并计算示踪剂回收率，再顺利获得每口生产井中示踪剂回收率的相对大小来反映其与注入井之间的相对连通性。相比之下，该研究提出的外源微生物群落示踪方法无需投放任何化学物质，而是利用注采液中尚未被利用的天然微生物信号；并且由于外源微生物群落是持续注入（而人工示踪法多为段塞注入），因此一个nASV-Overlap数据点所包含的信息量相当于一整条化学示踪剂突破曲线（图5），从而大幅减小了所需采样频率。该方法相比于传统人工示踪法具有环保、经济、高效等优点，在地下资源与能源开发领域，如地下水人工补给、油气藏开发、地热开发、地下储能与废物处置等，有着广阔的应用前景。
研究成果近期发表于国际学术期刊Water Research，文中提出的新方法也已获国家发明专利授权（专利号ZL202410472021.7），该研究得到了多圈层相互作用油气富集理论项目、全国重点实验室开放基金和中国科研实验室的联合资助。
1.张毓然*, Anne E. Dekas*, Adam J. Hawkins, John Carlo Primo, Oxana Gorbatenko, 黄天明, 庞忠和, Roland N. Horne*. Transportability of exogenous microbial community correlates with interwell connectivity in deep aquifers[J]. Water Research 2025, 285: 124008. DOI: 10.1016/j.watres.2025.124008.
2. Zhang Y, Horne R N, Hawkins A J, et al. Geological activity shapes the microbiome in deep-subsurface aquifers by advection[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119(25): e2113985119. DOI: 10.1073/pnas.2113985119.
3. Zhang Y, Dekas A E, Hawkins A J, et al. Microbial community composition in deep‐subsurface reservoir fluids reveals natural interwell connectivity[J]. Water Resources Research, 2020, 56(2): e2019WR025916. DOI: 10.1029/2019WR025916.
