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

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度和生氣量。因此，低煤階煤層氣富集有利區(qū)評價需要開展生物氣產(chǎn)氣影響因素研究工作。前人進行了各種實驗分析，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微生物產(chǎn)氣的影響等[15-18]。但要準確評價某一地區(qū)生物氣產(chǎn)氣影響因素，需要針對該地區(qū)煤巖樣品，利用本源菌群開展針對性的生物氣產(chǎn)氣影響因素實驗分析，才能更準確地評價該地區(qū)生物氣生成影響因素，進而指導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。實測含氣量介于1.2～3.8 m3/t，煤層氣甲烷含量介于75.16%～90.25%，氮氣含量介于7.22%～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驗，探討各因素對微生物產(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，為后期微生物增產(chǎn)試驗提供實驗參數(shù)。

1 材料和方法

1.1 樣品信息及預處理

實驗所用的4組新鮮煤樣來自二連盆地吉爾嘎朗圖地區(qū)，樣品信息見表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驗室之前培養(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

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行平板劃線培養(yǎng)。通過使用接種環(huán)在平板培養(yǎng)基表面進行分區(qū)劃線，以稀釋混雜在一起的菌種，從而得到獨立分布的純種單細胞，經(jīng)過培養(yǎng)后，使單細胞生長繁殖成單菌落以達到純化菌種的目的。

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

1.3 煤巖微生物模擬實驗方案

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，進行封裝，放入培養(yǎng)箱進行培養(yǎng)，記錄產(chǎn)氣數(shù)據(jù)，并對產(chǎn)出氣體進行分析。

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驗（表3），其中，溫度組設(shè)定了6個溫階，每個溫階樣品設(shè)4個平行樣。pH值組設(shè)計5個，通過采用向反應樣品中加入無菌無氧的1 mol/L的HCl和NaOH溶液來調(diào)節(jié)反應液pH值，每個pH值樣品設(shè)4個平行樣。電位組設(shè)計4個實驗點，每個樣品設(shè)2個平行樣，通過采用向反應樣品中加入固體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。以上實驗稱取處理后的煤樣若干份（10 g/份），實驗結(jié)果取其平行樣平均值。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 不同溫度下微生物產(chǎn)氣潛力

通過對培養(yǎng)過程中細菌進行監(jiān)測，整個模擬實驗過程，微生物細菌變化大致經(jīng)歷了以下3個階段：0～700 h為緩慢增長調(diào)整期，700～800 h為對數(shù)增長期，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)計不同溫度下的累計產(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 ℃時氣體總量最大，達到10 m3/t左右，40 ℃和45 ℃時氣體生成量明顯較前兩者少，為8.3 m3/t；20℃和25 ℃時，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。通過對產(chǎn)出氣體成分檢測，35 ℃時，生成氣體的CH4體積分數(shù)最大，平均為48.5%；30 ℃時，生成氣體的CH4體積分數(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組實驗數(shù)據(jù)可看出，隨著pH值變大，呈現(xiàn)先增后降的趨勢，其中，第1組和第4組在pH值為7.5時達到產(chǎn)氣量最大，第2組和第3組在pH值為7.0時產(chǎn)氣量達到最大。4組數(shù)據(jù)中，在pH值為7.5時產(chǎn)氣總量最大，最高可超過10 m3/t。綜合分析，pH值介于7.0～7.5時，產(chǎn)氣效果較好，pH值為6.0時產(chǎn)氣效果最差，pH值為8.5時產(chǎn)氣效果較差，說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、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，進而影響微生物對營養(yǎng)物的吸收，還可以影響培養(yǎng)基中有機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值時才能發(fā)揮最大活性，不適宜的pH值使酶的活性降低，進而影響微生物細胞內(nèi)的生物化學過程。再者過高或過低的pH值都會降低微生物對高溫的抵抗能力。pH值介于7.0～7.5時甲烷的濃度和生成量最大，pH值對甲烷細菌的生長繁殖產(chǎn)生了直接影響，此時，產(chǎn)甲烷菌的活性最強，同時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)境的主要標志是發(fā)酵液具有低的Eh值。不同條件的Eh值對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)因素相互作用對微生物生態(tài)系統(tǒng)的演化建立起生物地球化學作用帶，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。前兩個作用帶屬于好氧帶，后兩個帶屬于厭氧帶，對應標志為由正轉(zhuǎn)負，厭氧消化越強烈，對應的Eh值越小。通過模擬實驗發(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，此時產(chǎn)氣量達到最大，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，說明在厭氧環(huán)境Eh值為－225 mV時，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)物濃度也達到最大。當Eh＜－225 mV時，產(chǎn)生氣體量會有所減少。因此，在微生物的模擬實驗時，微生物代謝過程應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煤層微生物產(chǎn)氣潛力的影響

適量的微量元素可對微生物產(chǎn)氣起催化作用[27-29]。筆者選取鐵離子（Fe2+）和鎳離子（Ni2+）進行不同濃度下的微生物產(chǎn)氣模擬實驗。其中，鐵是多種酶的激活劑，可以加速多種酶的反應進程，使產(chǎn)甲烷的生化代謝進行得更為順利，維持反應系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，且鐵可以消除由硫酸根還原引起的硫離子對產(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，在濃度為4～16 mg/L時，產(chǎn)氣量隨著Fe2+濃度的增加而增加，當Fe2+的濃度為16 mg/L時，總的累積產(chǎn)氣量達到最大值，為26.3 m3/t；當Fe2+濃度繼續(xù)上升時，總氣體產(chǎn)量開始下降。實驗結(jié)果表明在低Fe2+濃度時存在促進產(chǎn)氣，產(chǎn)氣量隨著Fe2+濃度上升而上升，而到高濃度時產(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。當Ni2+的濃度為0.008 mg/L時，氣體的最終產(chǎn)量達到最高峰，說明微量元素鎳也同樣存在低促高抑效應。

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)氣影響因素模擬實驗地質(zhì)意義

上述模擬實驗結(jié)果表明，溫度介于30～35 ℃、pH值介于7.0～7.5、Eh值為－225 mV時，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數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)條件等分析，認為煤層埋藏深度介于300～600 m，弱堿性、弱徑流的水動力條件是該區(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區(qū)。同時，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，CH4的生成量達到最大值；當Eh值為－225 mV時，產(chǎn)甲烷菌代謝最活躍，甲烷的生成量和濃度也達到最大值，表明微生物產(chǎn)氣應該保持在合理的厭氧水平；添加合適的微量元素濃度（Fe2+、Ni2+）能促進微生物的產(chǎn)氣。

2）埋藏深度介于300～600 m、水動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，建議通過微生物模擬實驗，優(yōu)選最佳的試驗條件，推動模擬實驗技術(shù)到現(xiàn)場的應用。

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