生物成因煤层气产气原理及影响因素研究进展

生物成因煤层气是煤层气的一个重要类型,气田中的生物成因气多为次生生物成因气。文章对近年来产甲烷菌代谢煤产气研究中的各方面影响因素进行了综述,对次生生物成因煤层气的研究结果进行了分析,阐述了煤层气中产甲烷菌的产气原理,并对生物成因煤层气的发展方向作了展望,为更好地研究煤层气及利用产甲烷菌产气提供参考和依据。     

煤制生物气产出规律及其同位素分馏效应

为了探索生物成因煤层气机理,选取低阶煤作为煤制生物气的母质,采用携带产甲烷菌的煤层矿井水为菌源,在高纯氮气环境中向500 mL产气瓶(反应瓶)中加入40 g煤样、20 mL富集后的菌种液、380 mL培养基完成接种,之后将产气瓶置于37℃下的振动培养箱中开展为期90 d的厌氧产气模拟实验。研究结果显示,在厌氧封闭条件下,气体产出方式以乙酸发酵为主,产气效率较慢,产气过程受环境pH值的影响较大,进入产气稳定期后(30 d),pH值与校正后的产气量随产气时间延续总体呈现同步变化规律,产酸菌与产甲烷菌的数量、丰度和活性直接影响了产气环境的pH值和产气量。产出气组分以CH_4和CO_2为主,存在极少量的氢气,气体组成偏干,CH_4和CO_2含量随稳定产气时间的延长呈现明显的同步变化规律。90 d的产气过程中,δ~(13)C_1值均小于-55‰;δ~(13)C(CO_2)值介于-20.8‰～-10.7‰,平均为-16.38‰;δD1值介于-361‰～-332‰,平均为-348‰,可以判定产出气中CH_4和CO_2均为有机生物成因气;煤制生物气中CH_4和CO_2碳同位素组成变化的主要原因是2次重要的继承性同位素分馏效应造成的,第1次分馏作用发生在生成乙酸过程中,由于有机母质本身脂族甲基碳同位素组成偏轻,而羧基碳同位素组成偏重,这种碳同位素组成特点在生成乙酸过程中得以继承;第2次分馏作用发生在乙酸发酵生成CH_4和CO_2过程中,乙酸中的甲基通过加氢形成CH_4,而羧基通过去氢形成CO_2,造成甲基本身的轻碳同位素被分馏到CH_4中,而羧基的重碳同位素被分馏到CO_2中。因此总体表现出产出生物气的轻碳同位素被分馏到CH_4中,而重碳同位素被分馏到CO_2中,δ~(13)C_1越轻,δ~(13)C(CO_2)越重,两者呈现负相关关系; 90 d的产气时间里,微生物作用时间越长,甲烷碳同位素组成越轻,具有明显的富集轻碳同位素的趋势。     

无烟煤微生物成气中间代谢产物组成及其转化

研究了煤生物成气过程中中间产物的变化规律与成气过程的相互关系。以10 kg沁水盆地山西寺河矿的无烟煤为底物,以寺河矿区煤层气井口出水为菌源,进行了煤生物成气模拟实验,利用气相色谱-质谱联用对不同成气阶段发酵液中间产物进行了分析。实验发现煤生物成气有2个主要的产气周期,芳香环、杂环化合物和苯衍生物在反应初期转化为VFA等,发生在第1个产气周期;而长链烷烃的生成有2个高峰期,分别对应2个产气周期。根据煤生物成气模拟实验中间代谢产物的实验结果,进一步选取乙酸钠、丙酸钠、丁酸钠、己酸为底物,仍以同一煤层气井口出水为菌源,进行产气实验模拟,结果显示乙酸、丙酸、丁酸可以产气,而己酸则对成气呈现抑制作用。以底物计算甲烷产生效率为丁酸丙酸≈乙酸,丁酸约为乙酸和丙酸的4倍;而以碳数计算时甲烷产生效率则为丁酸乙酸丙酸,丁酸约为乙酸的2倍,说明不同的有机酸产甲烷时可能存在有机酸碳数奇偶性的差异。以上结果表明,VFA和长链烷烃在煤生物成气中发挥着重要的作用,而有关煤生物成气中VFA和长链烷烃的生成和转化以及其对成气的影响尚需进一步研究。     

内蒙胜利褐煤生物产气前后微生物群落变化

为研究微生物群落在褐煤生物产气过程中的作用以及产气前后煤样性质的变化。以内蒙古胜利褐煤为产气底物,寺河矿区煤层气井排出水中富集产气微生物为出发菌群,在实验室开展褐煤生物产气实验,采用Illumina高通量测序平台分析产气前后微生物群落变化,并利用气相色谱、扫描电子显微镜等手段对褐煤产甲烷量和产气前后煤样物化性质及其煤表面的菌体形貌进行分析。结果表明,内蒙胜利褐煤可以被所富集得到的菌群利用并产生甲烷,产气周期为49 d,期间累计产甲烷量为83. 1 mL,净产甲烷率为7.84 mL/g煤。褐煤生物产气微生物样本中细菌群落多样性丰富,主要优势菌门为厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、WWE1、拟杆菌门(Bacteroidetes)、互养菌门(Synergistetes)和少量的脱铁杆菌门(Deferribacteres)。原始微生物群落结构多样性较高,经褐煤和基本培养基培养产气后,群落多样性降低。在微生物属水平上菌群结构变化较大,其中W22,Proteiniclasticum,VadinCA02,Tissierella_soehngenia,Clostridium, Dasulfovibrio等菌属在产气过程中发挥重要功能。内蒙胜利褐煤挥发分较高,富氢、富氧,煤表面结构松散有明显裂隙,有利于微生物附着降解,适宜进行生物产气试验。褐煤经微生物作用产气后,水分、灰分、挥发分均降低,固定碳百分比升高,H/C升高,S元素比例下降,利用扫描电镜观察到产气体系中煤表面附着大量短杆状和球状微生物,并存在类似微生物纳米导线的结构。     

不同菌源降解乙酸的产气效果及代谢途径

为了研究不同菌源降解乙酸的产气效果和代谢途径,选用煤层水和污泥2种产甲烷菌菌源进行了为期56 d的生物成气试验,分析了2种菌源降解乙酸的最佳浓度、抑制浓度及产气规律,并分析了2种菌源降解乙酸的代谢途径。结果表明,煤层水菌源和污泥菌源都能降解乙酸产气,并且在乙酸浓度为0.5‰时产气最佳,但是当乙酸浓度大于5‰时,产甲烷过程受到抑制;2种菌源降解乙酸的产气过程都经历了产气量缓慢增加阶段—急剧增加阶段—相对稳定阶段3个阶段,而且大量产气基本在21~42 d时。通过分析产气中的各组分含量,初步判断实验中煤层水菌源生成甲烷的代谢途径主要为二氧化碳还原,污泥菌源生成甲烷的代谢途径主要为乙酸发酵。     

生物成因煤层气研究现状及对存在相关问题的思考

生物成因煤层气包括原生生物成因煤层气和次生生物成因煤层气.其中,次生生物成因煤层气是生物成因煤层气研究的重点,在主要产煤国有广泛的分布.本文主要综述以下几个方面的内容:煤阶镜质组反射率、甲烷碳氢同位素组成是划分煤层气类型的主要指标.生物成因煤层气的生成机理是重点研究内容,很多学者开展了利用微生物降解煤生成甲烷的实验研究,许多微生物及生物酶类被分离出来.研究煤降解过程的代谢物可进一步阐明生物成因煤层气的生成机理,同时,通过产甲烷菌基因工程,有望提高生物成因煤层气的产量.     

实验室条件下褐煤生物气生成的化学影响因素

在实验室条件下,分别添加0.2 mol/L乙酸钠、0.2 mol/L甲酸和5 mg/L酵母浸出液作为外源碳源,研究煤层本源菌作用下褐煤生物气生成潜力和生成过程中的化学影响因素。结果表明,软褐煤和硬褐煤中有机物质都能作为独立碳源生成生物气,软褐煤生成速率（0.18 mL/(g·d)）大于硬褐煤（0.13 mL/(g·d)）,其组分均主要由CH4和CO2组成。有机碳源的加入对褐煤生物气生成速率和气体组分影响各异。0.2 mol/L乙酸钠可以提前甲烷的初始生成时间,同时提高生成速率,显著增加CH4含量,但总体不会影响煤样本身产生的甲烷量;0.2 mol/L甲酸不仅可以激活产甲烷菌活性,而且可以有效增加褐煤生物气产量和CH4含量,且成熟度低的软褐煤增加的效果更明显;5 mg/L酵母浸出液对产甲烷菌有抑制作用。氯仿沥青A含量高可能是导致软褐煤生物气产率高的主要原因;DOC对褐煤生物气生成影响不大。研究认为煤基质中底物可利用性和外源有机碳源类型是影响地下煤层中甲烷生成的重要因素。     

煤层气生物工程研究进展

煤层气生物工程是将营养液或经过驯化、改良的菌种注入地下煤层或通过地面发酵产气的方式,把煤的部分有机组分转化为甲烷,实现微生物强化煤层气产出的一种特殊发酵工程。该工程作为多学科交叉的新兴边缘学科,涉及到能源、环境和新材料三大领域,具有多重效益,越来越受到关注,详细总结了国内外煤层气生物工程10余年的发展历程,首先从煤层(水)的生物多样性、厌氧发酵系统产气机制和控制因素等方面系统分析了煤层气生物工程的微生物学基础;以研究厌氧发酵系统中气固液菌为核心,整合其他学科的研究方法,初步形成了煤层气生物工程自身的研究方法,最后提出了煤层气生物工程的实施方案及发展趋势。生物多样性为煤层生物甲烷的生成提供了菌种来源,根据发酵系统中气固液菌的变化规律将发酵过程区分为4个阶段,系统中的底物和环境因子控制了微生物群落结构,影响了生物甲烷的产量,甲烷的成因区分为乙酸营养型、氢营养型、甲基营养型3种,这一认识初步构成了煤层气生物工程的理论基础。分子生物学、地球化学与煤化学等的结合为该学科的发展提供了方法支撑。地面发酵池产气工程除了获取生物甲烷这一洁净能源外,还可以与褐煤提质、高硫煤微生物脱硫和新材料合成相结合,使得经济效益最大化;地下煤层气生物工程以其增气、增解、增透作用可大幅度提升煤层气井的产量,并获取液相有机物,同时可以实现二氧化碳的甲烷化,二氧化碳矿化对采空区可起到固化作用,减排效果显著。煤层气生物工程以其理论性、方法性和实用性正在成为一个全新的领域,将有力推进中国煤层气大规模商业化开发进程。     

我国次生生物成因煤层气研究进展

为总结我国次生生物成因煤层气理论研究和工程实践发展现状,全面收集了我国煤层次生生物气比较丰富地区的煤层水和产气的地球化学数据,归纳总结前人研究结果,从形成机理、形成环境、产气特征和煤层气生物工程多角度进行探讨。结果表明：次生生物气在我国低煤级、中煤级以及高煤级含煤储层和煤矿区中均有存在,总体富含次生生物气地区中的地下水动力条件不强,普遍处于弱径流的水动力环境中,且水型多为Na-HCO₃型和Na-Cl·HCO₃型;此外,煤层中次生生物气与热成因气往往混合存在,同时部分存在热成因气的生物再改造迹象,且产气途径多以CO₂还原为主,气体组分较干;目前,我国人工煤炭次生生物气数量尚达不到工业规模,煤层气生物工程还处于早期试验阶段,这主要受限于煤炭生物转化效率低和规模性生物气化技术不成熟;发现和培育高效产甲烷菌,将煤层气生物工程与采煤采气一体化技术相结合,实现规模性生物降解产气,是微生物增产煤层气工程可持续发展的必要之路。     

风化煤与褐煤转化生物甲烷的差异性分析

为查明风化煤与褐煤生物甲烷生成量差别的内在原因,分别选取风化煤和褐煤,以富集驯化的菌液为菌种来源,通过生物产气模拟,红外光谱、X射线光电子能谱、16srRNA测试、扫描电镜测试来分析风化煤与褐煤生物产气量差异性的内在机制。结果表明：褐煤的生物产气潜力（7.63 mL/g）大于风化煤（3.24 mL/g）;褐煤相比于风化煤,在产气过程中各类基团脱落明显,芳香类物质更多的被转化为小分子量的其它物质,同时酚碳或醚碳（C—O）氧化更加明显,有利于形成更多的小分子有机酸类物质;褐煤相较于风化煤在生物产气过程中表面侵蚀较严重,出现了较多的孔裂隙,使得有机质能够从这些孔隙中析出,有利于微生物进一步利用产气;褐煤中细菌和古菌多样性低于风化煤,但主要功能菌群占比较大,细菌中Macellibacteroides属和Lysinibacillus属占比达68.05%,古菌中Methanosarcina属和Methanobacterium属占比达89.99%,远大于风化煤,对煤中有机质的降解利用起到积极作用,能为后续产甲烷菌提供原料,因此褐煤更有利于被微生物利用产生物甲烷;风化煤的甲烷代谢类型为甲基类营养性区别...     

Status of research on biogenic coalbed gas generation mechanisms

Biogenic coalbed gas,how it is generated and the geochemical characteristics of the gas are gaining global attention.The ways coalbed gas is generated,the status of research on the generation mechanism and the methods of differentiating between biogenic gasses are discussed.The generation of biogenic coalbed methane is consistent with anaerobic fermentation theory.Commercial biogenic coalbed gas reservoirs are mainly generated by the process of CO2 reduction.The substrates used by the microbes living in the...     

鄂尔多斯盆地东南缘临汾区块煤层气成因及其影响

为研究临汾地区煤层气成因类型,在综合前人研究成果的基础上,研究分析了煤芯解吸气成分、井口气成分、碳同位素特征、煤层水地球化学特征及水动力等条件,认为研究区煤层气保存条件整体良好,但甲烷碳同位素偏轻、重烃组分偏少,表明受到了一定因素或次生作用的影响。对比分析导致甲烷碳同位素偏轻、重烃组分偏少的次生改造作用,认为扩散-运移的影响作用最大,还认为临汾区块东缘和薛关一带具备形成次生生物成因气的条件。结合Whiticar图版,认为临汾区块煤层气主要为受到运移-扩散次生作用影响的热成因气,J81井5号和8号煤、J25井8号煤层气为次生生物成因气,J25井5号煤和J60,J62,J11,J80井煤层气为热成因气和次生生物气的混合气。薛关一带和东缘刁口—蒲县东一带虽有次生生物气的补充,但后期保存条件较差,含气量普遍偏低。薛关断裂以西的构造斜坡带,热成因气保存条件良好,含气量高。     

贵州西部地区煤层气井产出气地球化学特征

基于贵州西部17口煤层气井不同排采时间的产出气,通过对气体组分、甲烷碳氢同位素测试以及产能数据的收集,结合研究区水动力条件以及地质特征,研究了该区域煤层气地球化学特征、地质控制因素及与煤层气产能的关系。结果显示:研究区煤层气组分以甲烷为主,属于干气~特别干的气体,甲烷组分体积分数介于91.504%~99.508%,其次为N2和CO2,不同地方煤层气井重烃含量变化大。甲烷稳定碳同位素δ13C1值介于-44.1‰^-27.8‰,δD值介于-196.5‰^-120.8‰,属于热成因气,松河GP井组和大河边Z-1井接近于原生煤层气的特征,研究区东北部织金ZJ井组及其余各井明显受到运移-扩散次生作用的影响。贵州西部煤层气井产出气的甲烷碳氢同位素值呈现东北高西南低的分布趋势,煤变质程度对产出气的地球化学特征具有主要的控制作用,其中甲烷氢同位素值的分布亦受到沉积环境的变化控制。在同一煤层气井组内部,甲烷的碳氢同位素值大小受井组内水动力条件的变化以及开发煤层埋深的影响较大。甲烷碳氢同位素值与日产气量呈现负相关关系,其本质在于甲烷的碳氢同位素受控于埋深及埋深主导的水动力条件的变化,而埋深的差异性很好的控制了产气能力。煤层气井产出气随着排采时间的变化,煤层气气体组分和甲烷碳氢同位素值呈现一定规律的变化,其中碳氢同位素值随着排采时间变化总体有波动性增大变重趋势,这与组分分馏和同位素分馏有关。     

浅议我国低煤阶地区的煤层气勘探思路

通过对高煤阶沁水盆地和低煤阶准噶尔、吐哈等盆地水文地质条件的分析发现，把这种勘探思路（地层水矿化度高值区是煤层气勘探最有价值的区域之一）运用到低煤阶的煤层气勘探中却很难，因为低煤阶一般经历了较浅的埋藏深度，煤层热演化程度较低，其生气量较小，煤层气富集成藏的关键在于其生气条件.本文认为：水文地质条件在高低煤阶煤层气富集成藏中所起的作用是不同的，低煤阶勘探中对水文地质作用的认识要从另外一个角度来审视，较为活跃的水动力条件是有利的，活跃的、低矿化度的地层水有利于二次生物气的生成.     

新疆典型矿区低煤阶煤层气成藏差异对比研究

基于沙尔湖矿区和阜康白杨河矿区两个发育煤层火烧的典型低煤阶含气地区的地质背景和煤储层物性研究,结合两矿区火烧区水文地质条件的差异对比分析,阐明了新疆火烧区低煤阶煤层气成藏差异及主控因素。研究结果表明:两矿区煤层厚度大、构造样式简单、孔隙发育良好,但沙尔湖矿区由于地下水动力条件较弱,且为矿化度极高的原生水,不利于低煤阶煤层气的生成,且矿区东部煤层火烧使得气体发生逸散,导致矿区内含气量偏低;阜康白杨河矿区水源补给充足,在火烧区低洼处形成滞水层,一方面,滞水层为次生生物成因气的生成提供了有利条件,另一方面形成水力封堵利于煤层气的保存。火烧区滞留水对煤层气富集成藏具有指向作用,因此本次研究成果将为新疆低煤阶煤层气勘探提供理论参考。     

H2O2预处理联合生物厌氧降解对烟煤孔隙的影响

为研究H₂O₂预处理联合生物降解对煤孔隙的影响,利用浓度为0.05%H₂O₂对烟煤进行预处理,采用煤层气产出水富集获得的高效菌群进行厌氧降解煤产甲烷实验,通过气相色谱仪检测甲烷含量,通过低温液氮吸附对煤孔隙发育变化进行表征。结果表明:利用H₂O₂预处理烟煤显著提高了生物甲烷产量;预处理对煤孔隙类型没有显著影响,但残煤的吸附量减少,有利于原位煤层气的抽采;经预处理后,煤样的微孔和中孔孔容增加,而过渡孔孔容降低。经生物降解后,残煤的总孔容和比表面积均显著降低,可能是微生物代谢产生的可溶有机质滞留积累在煤中,从而堵塞了煤孔隙所导致。     

200 L发酵罐中煤发酵产甲烷规律初步研究

以含微生物的煤层气井排出水作为菌源，煤作为发酵底物，添加乙酸钠、玉米浆干粉等不同成分的培养基，在200 L发酵罐内进行发酵产甲烷实验。结果表明，整个发酵产气过程可分为发酵初期、快速上升期、缓慢上升期和平稳期4个阶段；玉米浆干粉作为培养基，相较于乙酸钠，其产甲烷效果良好，发酵产气压力可达110.5 kPa，发酵罐内甲烷组分浓度可达36.42%，可有效激活微生物菌群，显著提高产气率近500%，产气率达0.089 L/（kg·d）。     

煤体微生物厌氧发酵对裂隙发育的响应规律

基于二维承载条件的煤岩变形过程中的裂隙空间空气渗流试验、梯度含氧水平的煤体微生物厌氧发酵影响试验、与不同煤体粒径的微生物发酵试验,测试了煤体比表面积、裂隙含氧量对煤体厌氧发酵的影响关系,推演了不同深度煤体裂隙发育对厌氧微生物的生物活性影响规律与关键控制因素。结果表明:空气渗流大于1%的煤体中,空气渗流导致的厌氧环境的破坏作用,是抑制煤体厌氧发酵的主控制因素,而且煤体裂隙发育越迅速,空气渗流作用越强,煤体厌氧发酵抑制受控范围越大;空气渗流小于1%的煤体中,在兼氧菌对少量渗流空气缓冲作用影响下,裂隙发育对煤体比表面积的扩大作用是促进煤体厌氧发酵的主控因素,裂隙发育越充分,煤体比表面积越大,煤体的厌氧发酵速率提升越高。     

微量元素在煤层生物甲烷形成时激励与阻滞体系研究

为研究煤中微量元素及其赋存状态对煤层生物甲烷产出过程的影响,以变质程度相近的A煤和B煤为研究对象,在环境条件和菌种源相同的情况下进行生物产气实验,对反应前后的煤中微量元素及其赋存形态进行分析,以探究发酵底物本源微量元素的影响机理。结果表明:(1)A煤产气量为248 m L,比B矿产气量多出了26.5%。A煤中有益微量元素Fe,Co,Ni,Zn,Mo,Mn等含量比B矿的多。(2)在生物产气后,煤中微量元素都有不同程度地减少,A矿的Fe,Mn,Cr的量,B矿的Fe,Mn,Mo减少明显,两矿的Ni,Co,Zn也有不同程度的减少,说明煤中的微量元素都参与了反应。(3)产气较多的A原煤中腐植酸结合态含量较多,而腐殖酸结合态是能够被产甲烷菌利用的形态。(4)反应前后A煤中微元赋存状态表明,腐植酸结合态和可交换态微元有所增加,大分子有机结合态含量减少,说明微元赋存状态明显改变。煤中微量元素的含量和赋存状态在生物产气后的变化能为生物产气机理提供更好的参考。