二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷低煤階煤層生物產(chǎn)氣影響因素

陳 浩 秦 勇 鄧 澤 庚 勐 李貴中 桑廣杰 夏大平

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 3.中國(guó)石油華北油田公司 4.河南理工大學(xué)

低煤階煤層氣以生物成因氣為主[1-2]，生物氣的生成影響因素決定了其生氣強(qiáng)度和生氣量。因此，低煤階煤層氣富集有利區(qū)評(píng)價(jià)需要開展生物氣產(chǎn)氣影響因素研究工作。前人進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)分析，包括研究煤巖與礦井水中不同生物群落結(jié)構(gòu)[3-12]和不同產(chǎn)氣代謝途徑[13-14]對(duì)微生物產(chǎn)氣的影響，以及不同溫度、pH值、鹽度、微量元素濃度、固液比、煤巖粒度、生物菌群、硫酸鹽含量等因素對(duì)微生物產(chǎn)氣的影響等[15-18]。但要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)某一地區(qū)生物氣產(chǎn)氣影響因素，需要針對(duì)該地區(qū)煤巖樣品，利用本源菌群開展針對(duì)性的生物氣產(chǎn)氣影響因素實(shí)驗(yàn)分析，才能更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)該地區(qū)生物氣生成影響因素，進(jìn)而指導(dǎo)低煤階煤層有利勘探區(qū)優(yōu)選及微生物增產(chǎn)技術(shù)。

二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷煤系地層為下白堊統(tǒng)賽漢塔拉組，發(fā)育5套煤層，單層厚度介于15～100 m，累計(jì)厚度介于100～250 m，鏡質(zhì)體反射率（Ro）介于0.25%～0.42%，為典型的褐煤。實(shí)測(cè)含氣量介于1.2～3.8 m3/t，煤層氣甲烷含量介于75.16%～90.25%，氮?dú)夂拷橛?.22%～18.91%，二氧化碳含量介于2.53%～5.93%，甲烷碳同位素值介于－52.3‰～－70‰，甲烷氫同位素值介于－210‰～－270‰，顯示主要為生物成因氣。筆者利用該地區(qū)4組煤樣開展了不同溫度、pH值、Eh值、微量元素濃度等條件下的生物氣化模擬實(shí)驗(yàn)，探討各因素對(duì)微生物產(chǎn)氣的影響，優(yōu)選最佳的微生物產(chǎn)氣條件，以期為該地區(qū)煤層氣富集規(guī)律和有利區(qū)優(yōu)選提供必要指標(biāo)，為后期微生物增產(chǎn)試驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

1 材料和方法

1.1 樣品信息及預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)所用的4組新鮮煤樣來(lái)自二連盆地吉爾嘎朗圖地區(qū)，樣品信息見(jiàn)表1。將煤樣破碎，取中心新鮮煤樣粉碎，篩選出60～80目的煤顆粒，將煤樣置于恒溫干燥箱中，在60 ℃條件下干燥6～7 h。將烘干后的煤樣與實(shí)驗(yàn)室之前培養(yǎng)的菌液以0.5 g/mL的比例混合均勻，在恒溫振蕩培養(yǎng)箱中震蕩培養(yǎng)10 d，轉(zhuǎn)速120 r/min。培養(yǎng)完成后，用定性濾紙過(guò)濾以除去液體成分，挑出煤樣中的白腐真菌菌絲，將殘煤放入恒溫干燥箱中烘干備用。

表1 樣品基礎(chǔ)信息表

1.2 煤樣菌類檢測(cè)

取出保存好的煤樣，配置煤培養(yǎng)基的混懸液，然后放置于35 ℃的培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)5 d左右再置于厭氧工作站中進(jìn)行平板劃線培養(yǎng)。通過(guò)使用接種環(huán)在平板培養(yǎng)基表面進(jìn)行分區(qū)劃線，以稀釋混雜在一起的菌種，從而得到獨(dú)立分布的純種單細(xì)胞，經(jīng)過(guò)培養(yǎng)后，使單細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖成單菌落以達(dá)到純化菌種的目的。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用平板計(jì)數(shù)法對(duì)煤進(jìn)行微生物檢測(cè)，具體操作和前人相似[19-20]，分離出3類菌群進(jìn)行革蘭氏染色觀察和普通生物光學(xué)顯微鏡觀察（表2）。3類菌群的形態(tài)特征多樣，通過(guò)對(duì)原菌菌種染色特征液活菌數(shù)計(jì)算，以桿菌、球菌和鏈狀菌為主，且革蘭氏陰性菌占優(yōu)勢(shì)。

1.3 煤巖微生物模擬實(shí)驗(yàn)方案

取100 mL甲烷菌培養(yǎng)液和煤的混合物，在35℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3 d進(jìn)行菌種的富集，再加入10 g粉碎至60～80目的煤樣，充分通入N2后，進(jìn)行封裝，放入培養(yǎng)箱進(jìn)行培養(yǎng)，記錄產(chǎn)氣數(shù)據(jù)，并對(duì)產(chǎn)出氣體進(jìn)行分析。

表2 菌種染色特征及鏡檢結(jié)果表

為探討不同影響因素對(duì)CH4生成量的影響，分別開展了不同溫度、pH值、Eh值、微量元素濃度等條件的影響因素模擬實(shí)驗(yàn)（表3），其中，溫度組設(shè)定了6個(gè)溫階，每個(gè)溫階樣品設(shè)4個(gè)平行樣。pH值組設(shè)計(jì)5個(gè)，通過(guò)采用向反應(yīng)樣品中加入無(wú)菌無(wú)氧的1 mol/L的HCl和NaOH溶液來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)液pH值，每個(gè)pH值樣品設(shè)4個(gè)平行樣。電位組設(shè)計(jì)4個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，每個(gè)樣品設(shè)2個(gè)平行樣，通過(guò)采用向反應(yīng)樣品中加入固體Na2S調(diào)節(jié)Eh值。微量元素濃度分別設(shè)置鐵離子組和鎳離子組。以上實(shí)驗(yàn)稱取處理后的煤樣若干份（10 g/份），實(shí)驗(yàn)結(jié)果取其平行樣平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同溫度下微生物產(chǎn)氣潛力

通過(guò)對(duì)培養(yǎng)過(guò)程中細(xì)菌進(jìn)行監(jiān)測(cè)，整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，微生物細(xì)菌變化大致經(jīng)歷了以下3個(gè)階段：0～700 h為緩慢增長(zhǎng)調(diào)整期，700～800 h為對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，800～1 200 h為逐漸衰亡期（圖1）。與前人研究規(guī)律相似[21-24]。統(tǒng)計(jì)不同溫度下的累計(jì)產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，不同溫階條件下，煤樣的氣體生成總量不同：30 ℃和35 ℃時(shí)氣體總量最大，達(dá)到10 m3/t左右，40 ℃和45 ℃時(shí)氣體生成量明顯較前兩者少，為8.3 m3/t；20℃和25 ℃時(shí)，氣體生成量較少，大致為5 m3/t（圖2）。由此看出，在30 ℃和35 ℃溫度下，煤巖微生物產(chǎn)氣效果較好。通過(guò)對(duì)產(chǎn)出氣體成分檢測(cè)，35 ℃時(shí)，生成氣體的CH4體積分?jǐn)?shù)最大，平均為48.5%；30 ℃時(shí)，生成氣體的CH4體積分?jǐn)?shù)平均是48.25%。故判斷在30～35 ℃為微生物產(chǎn)氣的最佳溫度條件。

圖1 產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)曲線圖

圖2 不同溫度下的煤巖產(chǎn)氣量折線圖

2.2 不同pH值條件下煤層微生物產(chǎn)氣潛力

不同pH值條件下，煤樣的氣體生成總量不同，第1組產(chǎn)氣效果較好（圖3），從4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，隨著pH值變大，呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，其中，第1組和第4組在pH值為7.5時(shí)達(dá)到產(chǎn)氣量最大，第2組和第3組在pH值為7.0時(shí)產(chǎn)氣量達(dá)到最大。4組數(shù)據(jù)中，在pH值為7.5時(shí)產(chǎn)氣總量最大，最高可超過(guò)10 m3/t。綜合分析，pH值介于7.0～7.5時(shí)，產(chǎn)氣效果較好，pH值為6.0時(shí)產(chǎn)氣效果最差，pH值為8.5時(shí)產(chǎn)氣效果較差，說(shuō)明酸性或堿性條件都不利于微生物產(chǎn)氣，中性偏堿性條件為最適宜的酸堿度條件。

圖3 產(chǎn)氣量與pH值關(guān)系圖

厭氧微生物的生命活動(dòng)、物質(zhì)代謝與pH值有著密切的關(guān)系，pH值的變化直接影響著消化過(guò)程和消化產(chǎn)物，不同的微生物要求不同的pH值[25]。pH值的變化可引起微生物體表面的電荷變化，進(jìn)而影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的吸收，還可以影響培養(yǎng)基中有機(jī)化合物的離子化作用，從而間接影響微生物；另外酶只有在最適宜的pH值時(shí)才能發(fā)揮最大活性，不適宜的pH值使酶的活性降低，進(jìn)而影響微生物細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)過(guò)程。再者過(guò)高或過(guò)低的pH值都會(huì)降低微生物對(duì)高溫的抵抗能力。pH值介于7.0～7.5時(shí)甲烷的濃度和生成量最大，pH值對(duì)甲烷細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生了直接影響，此時(shí)，產(chǎn)甲烷菌的活性最強(qiáng)，同時(shí)厭氧微生物具有最高的代謝速率。

2.3 不同Eh值下煤層微生物產(chǎn)氣潛力

厭氧環(huán)境的主要標(biāo)志是發(fā)酵液具有低的Eh值。不同條件的Eh值對(duì)氣體的生成量和甲烷濃度產(chǎn)生很大的影響。一般情況下，氧的溶入是引起厭氧消化中Eh值升高的最主要和最直接的原因。Rice和Claypool[26]根據(jù)沉積因素和生態(tài)因素相互作用對(duì)微生物生態(tài)系統(tǒng)的演化建立起生物地球化學(xué)作用帶，從淺到深依次為光合作用帶、好氧帶、厭氧硫酸鹽還原帶和甲烷生成帶。前兩個(gè)作用帶屬于好氧帶，后兩個(gè)帶屬于厭氧帶，對(duì)應(yīng)標(biāo)志為由正轉(zhuǎn)負(fù)，厭氧消化越強(qiáng)烈，對(duì)應(yīng)的Eh值越小。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著Eh值減小，產(chǎn)氣量隨著變大，產(chǎn)甲烷菌最適宜的厭氧環(huán)境Eh值為－225 mV左右，此時(shí)產(chǎn)氣量達(dá)到最大，為8.58 m3/t（圖4）。其中，甲烷含量為3.58 m3/t，二氧化碳含量為5.00 m3/t，說(shuō)明在厭氧環(huán)境Eh值為－225 mV時(shí)，在產(chǎn)甲烷菌的活性范圍內(nèi)，產(chǎn)甲烷菌代謝活躍，甲烷的生成和中間代謝產(chǎn)物濃度也達(dá)到最大。當(dāng)Eh＜－225 mV時(shí)，產(chǎn)生氣體量會(huì)有所減少。因此，在微生物的模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，微生物代謝過(guò)程應(yīng)該保持在合理的厭氧水平才能保持較好的產(chǎn)氣效果。

圖4 不同Eh值下樣品氣體生成量圖

2.4 不同濃度微量元素對(duì)煤層微生物產(chǎn)氣潛力的影響

適量的微量元素可對(duì)微生物產(chǎn)氣起催化作用[27-29]。筆者選取鐵離子（Fe2+）和鎳離子（Ni2+）進(jìn)行不同濃度下的微生物產(chǎn)氣模擬實(shí)驗(yàn)。其中，鐵是多種酶的激活劑，可以加速多種酶的反應(yīng)進(jìn)程，使產(chǎn)甲烷的生化代謝進(jìn)行得更為順利，維持反應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，且鐵可以消除由硫酸根還原引起的硫離子對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用。鎳則是組成甲基輔酶還原酶的關(guān)鍵元素，缺少了鎳將無(wú)法合成這種重要物質(zhì)，從而很大程度上影響產(chǎn)甲烷菌特性。

由圖5可知，總的產(chǎn)氣量隨著Fe2+濃度的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，在濃度為4～16 mg/L時(shí)，產(chǎn)氣量隨著Fe2+濃度的增加而增加，當(dāng)Fe2+的濃度為16 mg/L時(shí)，總的累積產(chǎn)氣量達(dá)到最大值，為26.3 m3/t；當(dāng)Fe2+濃度繼續(xù)上升時(shí)，總氣體產(chǎn)量開始下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在低Fe2+濃度時(shí)存在促進(jìn)產(chǎn)氣，產(chǎn)氣量隨著Fe2+濃度上升而上升，而到高濃度時(shí)產(chǎn)氣量隨著Fe2+濃度的上升而下降，最佳Fe2+濃度為16 mg/L。圖6顯示，產(chǎn)氣量隨Ni2+濃度變化具有相似的先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)Ni2+的濃度為0.008 mg/L時(shí)，氣體的最終產(chǎn)量達(dá)到最高峰，說(shuō)明微量元素鎳也同樣存在低促高抑效應(yīng)。

圖5 產(chǎn)氣量與微量元素Fe2+濃度關(guān)系圖

圖6 產(chǎn)氣量與微量元素Ni2+濃度關(guān)系圖

3 微生物產(chǎn)氣影響因素模擬實(shí)驗(yàn)地質(zhì)意義

上述模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度介于30～35 ℃、pH值介于7.0～7.5、Eh值為－225 mV時(shí)，產(chǎn)甲烷菌代謝最活躍，最有利于生物氣的生成。結(jié)合吉爾嘎朗圖凹陷煤層氣井井溫?cái)?shù)據(jù)、水文地質(zhì)條件等分析，認(rèn)為煤層埋藏深度介于300～600 m，弱堿性、弱徑流的水動(dòng)力條件是該區(qū)生物氣生成的有利條件。該地區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水pH值介于7.30～7.80、總礦化度介于4 200～5 500 mg/L，水型皆為NaHCO3型（表4），處于弱徑流、弱堿性的水動(dòng)力條件，利于生物氣的生成。

生物氣生成后能否富集成藏還受保存條件等多種地質(zhì)作用的控制。因此，建議選擇煤層埋深300～600 m、弱徑流的水動(dòng)力條件配合良好的保存條件作為生物氣生成富集的有利目標(biāo)區(qū)。同時(shí)，添加合適濃度微量元素如鐵離子和鎳離子能加快微生物產(chǎn)氣，可作為下一步微生物增產(chǎn)的有效手段。

表4 吉爾噶朗圖地區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水分析表

4 結(jié)論

1）在不同的溫度模擬條件下，30～35 ℃的溫度條件產(chǎn)氣量較高，產(chǎn)氣效果好；pH值介于7.0～7.5時(shí)，CH4的生成量達(dá)到最大值；當(dāng)Eh值為－225 mV時(shí)，產(chǎn)甲烷菌代謝最活躍，甲烷的生成量和濃度也達(dá)到最大值，表明微生物產(chǎn)氣應(yīng)該保持在合理的厭氧水平；添加合適的微量元素濃度（Fe2+、Ni2+）能促進(jìn)微生物的產(chǎn)氣。

2）埋藏深度介于300～600 m、水動(dòng)力弱徑流且處于厭氧環(huán)境是生物氣生成的有利地質(zhì)條件，配合良好的保存條件，可作為下一步煤層氣富集的有利目標(biāo)區(qū)。

3）添加合適的微量元素可作為微生物增產(chǎn)的有效手段，建議通過(guò)微生物模擬實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選最佳的試驗(yàn)條件，推動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)到現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

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