煤層產(chǎn)甲烷菌對(duì)胍膠的生物降解實(shí)驗(yàn)

李云嵩，郭紅玉,2，符超勇，趙國俊，夏大平,2

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煤層產(chǎn)甲烷菌對(duì)胍膠的生物降解實(shí)驗(yàn)

李云嵩1，郭紅玉1,2，符超勇1，趙國俊1，夏大平1,2

(1. 河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

胍膠壓裂液的低溫破膠問題事關(guān)煤層的增透效果，為探討產(chǎn)甲烷菌群對(duì)胍膠生物降解的影響，以內(nèi)蒙古某礦褐煤樣品為研究對(duì)象，以富集的新鮮礦井水為菌源，配比不同濃度的胍膠與煤的混合液，開展生物甲烷代謝實(shí)驗(yàn)。以產(chǎn)氣總量、CH4含量、胍膠分子官能團(tuán)和C、H元素含量變化以及液相產(chǎn)物等指標(biāo)表征煤層產(chǎn)甲烷菌群對(duì)胍膠的生物降解特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：加入胍膠能提高煤制生物氣產(chǎn)量，代謝后體系溶液黏度明顯降低；降解后胍膠大分子中C、H元素的含量明顯下降，胍膠的表面粗糙度增加；胍膠降解后主要特征峰表現(xiàn)為–OH基團(tuán)及C–O基團(tuán)的含量減少，甲基官能團(tuán)振動(dòng)吸收峰消失；生物降解溶液中葡萄糖醛酸含量增加。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了煤層產(chǎn)甲烷菌對(duì)胍膠的降解作用及效果，為胍膠壓裂液的低溫破膠技術(shù)提供了有力依據(jù)。

煤層氣；胍膠；產(chǎn)甲烷菌群；生物降解；官能團(tuán)；液相產(chǎn)物

我國煤儲(chǔ)層整體具有“三低”特點(diǎn)[1]，煤層增透是煤層氣商業(yè)化開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，水力壓裂是目前煤儲(chǔ)層增透的主要方法[2-4]。我國絕大部分煤層氣井采用低攜砂能力的活性水壓裂液[5]，但此種方法經(jīng)現(xiàn)場施工證明存在不少問題：支撐劑主要分布在近井地帶，排采造成遠(yuǎn)端裂縫閉合，供氣范圍有限，高產(chǎn)難以持續(xù)[6-7]。胍膠壓裂液因攜砂能力強(qiáng)，在石油和天然氣行業(yè)已普遍被采用，但應(yīng)用于煤儲(chǔ)層壓裂時(shí)，由于其化學(xué)破膠時(shí)所添加的氧化劑嚴(yán)重依賴高溫環(huán)境，而煤層溫度較低，導(dǎo)致無法有效降低黏度，破膠困難，儲(chǔ)層污染嚴(yán)重[8-9]，甚至抵消了水力壓裂的增透效果，因此，研究胍膠壓裂液的低溫破膠技術(shù)已成為壓裂液行業(yè)的熱點(diǎn)。

20世紀(jì)80年代便有學(xué)者證明煤中存在微生物[10-12]，M. S. Green等[13]證明了煤層可在微生物作用下生成甲烷氣體。煤層生物菌的發(fā)現(xiàn)及研究也證明了煤層本源菌能夠降解煤并產(chǎn)生甲烷[14]。目前，人們對(duì)微生物降解煤已達(dá)成共識(shí)[15-16]。煤層氣生物工程領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌群在代謝過程中會(huì)產(chǎn)生纖維素酶等多種酶類。另一方面，常作為壓裂液稠化劑的胍膠，主要成分為半乳甘露聚糖，其破膠方法主要包括高溫氧化劑破膠和低溫酶類破膠[17-18]，而纖維素酶在低溫下能把胍膠降解為非還原的單糖和二糖等小分子有機(jī)物，有效降低其黏度實(shí)現(xiàn)破膠[19]。因此，筆者通過實(shí)驗(yàn)研究煤層產(chǎn)甲烷菌群以胍膠作為營養(yǎng)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)胍膠生物降解的效果。

1 樣品采集與制備

實(shí)驗(yàn)樣品采自內(nèi)蒙古某礦，選取回采工作面新鮮煤樣，并對(duì)煤樣進(jìn)行工業(yè)分析和鏡質(zhì)體反射率測試(表1)。胍膠來自山東魯源石油化工有限公司東營分公司。

表1 煤樣基本特征

2 產(chǎn)甲烷菌對(duì)胍膠生物降解實(shí)驗(yàn)

2.1 胍膠濃度對(duì)煤制生物氣影響

按照文獻(xiàn)[20]，將煤樣粉碎至100~150目(0.100~ 0.150 mm)，胍膠過200目(0.075 mm)標(biāo)準(zhǔn)篩，樣品配比見表2。采集新鮮礦井水并富集培養(yǎng)4 d后，進(jìn)行不同濃度胍膠下煤制生物氣模擬實(shí)驗(yàn)，每4 d記錄一次產(chǎn)氣量，68 d結(jié)束產(chǎn)氣后，對(duì)氣體總量、氣體組分及濃度進(jìn)行測試(表2)。

由表2可知，不同濃度的胍膠與煤配比液均有氣體產(chǎn)生，添加胍膠的樣品產(chǎn)氣總量明顯增多；且加入的胍膠濃度越高，氣體的生成總量越大。樣品HM-1的累計(jì)產(chǎn)氣量為232 mL，樣品HM-2的累計(jì)產(chǎn)氣量比HM-1的累計(jì)產(chǎn)氣量增加了4.74%，樣品HM-3的累計(jì)產(chǎn)氣量比HM-1的累計(jì)產(chǎn)氣量增加了146.98%，樣品HM-4的產(chǎn)氣量增幅最高，同比HM-1的累計(jì)產(chǎn)氣量增加了295.69%。同時(shí)，隨著配入的胍膠濃度的升高，CH4濃度也在不斷增大。此實(shí)驗(yàn)表明：添加胍膠有助于增加生物甲烷的產(chǎn)氣總量，對(duì)煤層產(chǎn)甲烷菌群的產(chǎn)氣有一定的影響。

表2 樣品配比及不同濃度胍膠條件下的煤制生物氣測試結(jié)果

2.2 反應(yīng)體系的黏度變化

采用NDJ-8S旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對(duì)生物甲烷代謝前后反應(yīng)體系的表觀黏度進(jìn)行測定(表3)。反應(yīng)前樣品HM-3黏度為272 mPa·s，HM-4為547 mPa·s；生物代謝后HM-3為4.4 mPa·s，HM-4為4.8 mPa·s，同比反應(yīng)前兩個(gè)樣品的黏度分別降低了98.38%和99.12%。HM-3、HM-4中生物代謝反應(yīng)前后溶液體系的黏度急劇降低，表明煤層本源菌群在生長代謝過程中，對(duì)胍膠具有一定的降解作用。

表3 煤制生物氣前后反應(yīng)體系黏度的變化

3 胍膠生物降解的機(jī)理分析

3.1 元素變化特征

將原始胍膠(GJ-Y)及微生物降解后的反應(yīng)液進(jìn)行離心處理，離心后用中速濾紙進(jìn)行過濾取下層溶液，進(jìn)行干燥、研磨至200目(0.075 mm)，采用FLASH2000 CHNS/O有機(jī)元素分析儀測試碳、氫元素含量(表4)。

表4 生物降解前后胍膠的元素分析結(jié)果

由表4可知，和原始胍膠樣品GJ-Y相比，加入胍膠反應(yīng)后的煤樣，其C、H元素含量明顯下降。樣品HM-2的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.45%，HM-3的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.90%，HM-4的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.07%，比GJ-Y的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)43.08%顯著降低；生物降解后的煤樣氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)同比反應(yīng)前也有所降低。在不同濃度的胍膠和煤配比液中，生物甲烷代謝過程中，煤層本源菌將胍膠作為營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)其自身的生長代謝，造成胍膠大分子中碳和氫元素含量不同程度的降低。

3.2 降解前后胍膠表觀結(jié)構(gòu)的變化

將原始胍膠及微生物代謝后分離得到的胍膠樣品進(jìn)行鍍金處理，采用JSEM-6390/LV掃描電鏡觀測降解前后胍膠的表面形貌(圖1)。

由圖1可以看出，原始胍膠表面光滑，呈致密的塊狀結(jié)構(gòu)，棱角明顯；而反應(yīng)后胍膠表面變得粗糙，孔隙增多。胍膠表面形貌的變化也佐證了產(chǎn)甲烷菌群對(duì)其存在一定的生物降解作用。

圖1 胍膠降解前后表面結(jié)構(gòu)的變化特征

3.3 官能團(tuán)變化

將原始胍膠及微生物代謝后的反應(yīng)液進(jìn)行處理，離心、過濾、干燥、研磨至200目(0.075 mm)，得到胍膠樣品，分別取1.5 mg按1︰100的比例加入KBr，研磨混合物成粉末狀，將混合物樣品倒入模具中。利用Tensor 27型傅里葉紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 胍膠降解前后紅外光譜對(duì)比

從圖2可以看出，與原始胍膠樣品GJ-Y相比，胍膠樣品降解后，HM-2、HM-3和HM-4反應(yīng)體系中在3 500~3 300 cm-1處形成氫鍵締和–OH伸縮振動(dòng)吸收峰，在1 250~1 000 cm-1為C–O伸縮振動(dòng)吸收峰，兩處均出現(xiàn)峰面積減小的現(xiàn)象，說明胍膠分子中–OH基團(tuán)和C–O基團(tuán)的含量減少；同時(shí)，原始胍膠GJ-Y樣品在1 400 cm-1附近有2個(gè)峰，降解后該位置的吸收振動(dòng)峰消失，說明胍膠大分子結(jié)構(gòu)中–OH基團(tuán)和C–O基團(tuán)參與產(chǎn)甲烷菌群的新陳代謝，而樣品HM-3在2 465 cm-1處附近有較明顯峰出現(xiàn)，應(yīng)屬于二氧化碳的特征干擾峰。2 850 cm-1和1 480 cm-1代表–CH2–的吸收振動(dòng)峰，HM-2、HM-3和HM-4尤其在1 480 cm-1處顯示–CH2–的吸收振動(dòng)峰明顯加強(qiáng)，反映了胍膠分子結(jié)構(gòu)中的羥基氧被消耗。胍膠的羥基氧被消耗，造成作用于胍膠分子上的氫鍵減少，氫鍵作用降低，減弱吸附力，導(dǎo)致溶液黏度降低。

3.4 胍膠降解產(chǎn)物分析

為驗(yàn)證胍膠的生物降解作用，將樣品HM-2(煤+0.1%胍膠)和HM-1(煤)降解產(chǎn)物從煤制生物氣反應(yīng)體系中離心，各取降解溶液5 mL，利用安捷倫Agilent1100高效液相色譜對(duì)溶液進(jìn)行測試(表5)。從表5中可以看出：HM-1中葡萄糖醛酸GlcUA為0，而添加0.1%胍膠的HM-2中葡萄糖醛酸GlcUA為18.06 mg/L；同時(shí)HM-2中葡萄糖Glc的含量比HM-1多8.95%，佐證了產(chǎn)甲烷菌群代謝過程中利用胍膠作為自身新陳代謝的營養(yǎng)物質(zhì)，從而促進(jìn)胍膠的生物降解。

表5 不同反應(yīng)體系的降解產(chǎn)物分析

4 結(jié)論

a. 隨著胍膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.1%增加至1%，生物甲烷的生成量比原煤分別增加了16.67%、307.69%、620.51%，表明胍膠對(duì)生物產(chǎn)氣具有明顯的促進(jìn)效應(yīng)；且產(chǎn)甲烷菌在低溫環(huán)境下能大幅降低胍膠黏度90%以上，表明了利用產(chǎn)甲烷菌對(duì)胍膠進(jìn)行生物降解的可行性。

b. 元素分析結(jié)果顯示，生物降解后胍膠大分子中C、H元素的含量明顯下降，證明了胍膠的生物降解作用；相比原始胍膠，電鏡下降解后的胍膠更加粗糙多孔；通過紅外光譜對(duì)生物降解前后胍膠樣品進(jìn)行測試，胍膠的主要特征峰表現(xiàn)為–OH基團(tuán)及C–O基團(tuán)含量的減少，反應(yīng)后甲基官能團(tuán)振動(dòng)吸收峰消失，說明側(cè)鏈官能團(tuán)發(fā)生了脫落；對(duì)反應(yīng)體系降解后的糖類進(jìn)行測試，證實(shí)生物降解溶液中葡萄糖醛酸含量增加，間接證明煤層產(chǎn)甲烷對(duì)胍膠的生物降解效果。

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Study on the biodegradation of guanidine gum by methanogens in coal seam

LI Yunsong1, GUO Hongyu1,2, FU Chaoyong1, ZHAO Guojun1, XIA Daping1,2

(1. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2. Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region, Jiaozuo 454000, China)

The problem of low temperature breaking of guanidine gum fracturing fluid is related to the effect of coal seam penetration. In order to explore the effect of methanogenson the biodegradation of guanidine gum, Inner Mongolia some coal mine lignite were collected to prepare samples of coal samples, and the enriched fresh mine water was used as the bacteria source. The biological methane metabolism experiments of guanidine gum + coal were used to characterize the biodegradability of methanogens to guanidine gum, with the total gas production, CH4concentration, guanidine gum molecular functional groups and C and H elements content changes. The experimental results showed that: Adding guanidine gum can increase the production of biogas from coal, and the viscosity of the system solution is obviously reduced after metabolism; After degradation, the contents of C and H in guanidin macromolecules decreased significantly, and the surface roughness of guanidine gum increased; The main characteristic peak of guanidine gum degradation was the decrease of -OH group and C-O group, the vibration absorption peak of methyl functional group disappeared, and the content of glucuronic acid in biodegradable solution increased.

coalbed methane; guanidine gum; methanogens; biodegradation; functional groups; liquid products

National Natural Science Foundation of China(41472129)；Science and Technology Key Project of Henan Province (172102310717，182102310845，192102310196)

李云嵩，1993年生，男，山西晉城人，碩士研究生，研究方向?yàn)槊簩託忾_發(fā)地質(zhì)學(xué). E-mail：1715680260@qq.com

郭紅玉，1978年生，男，河南遂平人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事煤層氣地質(zhì)與勘探開發(fā)研究工作. E-mail：guohy@hpu.edu.cn

李云嵩，郭紅玉，符超勇，等. 煤層產(chǎn)甲烷菌對(duì)胍膠的生物降解實(shí)驗(yàn)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：56–60.

LI Yunsong，GUO Hongyu，F(xiàn)U Chaoyong，et al. Study on the biodegradation of guanidine gum by methanogens in coal seam[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：56–60.

1001-1986(2019)03-0056-05

TE155

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.010

2018-07-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41472129)；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(172102310717，182102310845，192102310196)

(責(zé)任編輯 范章群)