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。     

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.     

褐煤本源菌生气特征及其作用机理

阐明了微生物与煤中有机质相互作用而生气的特征和机理,是深入理解煤层气成因及创新煤层气开采方法的重要基础。以昭通盆地褐煤为对象开展次生生物煤层气生成的模拟实验研究,并对生气机制进行了探讨。研究发现,褐煤样品中有本源活性厌氧细菌存在,以厌氧纤维素分解菌为主,硫酸盐还原菌极少;成功富集到本源产甲烷菌,以革兰氏阳性杆菌为主,个体差异较大。在此基础上,以富集到的本源菌为菌源,利用褐煤样品为底物进行了生物气生成模拟实验。结果表明:本源厌氧菌经过适应期后,能够利用褐煤有机质大量生气;次生生物气经历了两个产气周期,第1周期为腐植组产气期,第2周期是惰质组、稳定组产气期。认为产甲烷菌数量和腐植组含量直接影响生成潜力,矿物质对生气量影响明显;第1个周期的生气机理是乙酸发酵,第2个周期有CO2还原作用参与其中。结果显示:所生成甲烷的δ13C1值和δD均处于次生生物气正常范围;δ13C1随着降解时间的延长而变轻,这主要受底物类型和甲烷生成途径控制;13C1有明显从原煤向生物气中迁移的特征,认为母源继承关系和显微组分构成是造成迁移行为差异的重要原因。同时发现:在厌氧细菌降解作用下,褐煤族组分中饱和烃是受微生物降解的主要成分,厌氧细菌对偶数碳烷烃的降解能力更强,对正构烷烃的降解能力强过对异构烷烃的降解,低碳数的正构烷烃受降解程度大于高碳数烷烃,降解后期长链烷烃才受到明显的生物降解作用。基于实验结果认为,褐煤次生生物气产出是多种微生物共同作用的结果。随降解活动的进行,体系中优势微生物、生物酶发生改变和更替,引起pH值和VFA含量变化。降解初期发酵细菌为优势菌种,产甲烷菌和辅酶F420活性受到酸性物质的抑制。随后,产氢产乙酸菌成为优势菌,它们利用发酵细菌代谢产物产生乙酸和氢,两者之间具有食物链关系。辅酶F420活性在静止期后增长迅速,并在产气高峰期达到最大,体现本源产甲烷菌对褐煤底物的良好适应性,是评价产气量高低的有效指标。通过改变生气条件,研究底物类型、褐煤粒度、矿井水和煤矸石对褐煤生物气生成的影响。结果表明:不同配比的酵母浸出液、甲醇和乙酸钠溶液对生物气生成具有抑制或激活作用,较小粒度褐煤有利于提高生气率,不同比例矿井水的添加能够有效增加次生生物气产量。煤矸石本身不能作为基质被厌氧细菌利用。     

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。     

生物成因煤层气产生原理及其影响因素的研究进展

生物成因煤层气是煤层气的一个重要组成部分。为实现生物煤层气的增产,必须明确生物成因煤层气的产生机理以及限制产气的影响因素。本文在总结了生物煤层气产生原理的基础上,从煤种、菌群、环境三个角度出发,综述了国内外关于影响生物煤层气产生因素的最新进展,旨在为生物成因气乃至整个煤层气产业的可持续发展提供参考。     

淮北煤田芦岭矿区次生生物气地球化学证据及其生成途径

从煤储层甲烷碳氢同位素组成、甲烷与水的氢同位素值的定量关系、煤层气田产出水的来源3个方面探讨了淮北煤田芦岭矿区煤层气的成因,结果表明：煤层气组分中甲烷气占绝对优势（达97%以上）,且明显显示出极干气的特征;甲烷碳和氢同位素值范围分别为-67.6‰~-64.2‰,-206‰~-224‰,属于生物成因气的分布范围;甲烷氢同位素值（δD（CH4））和水氢同位素值（δD(H2 O)）定量关系表明,煤层甲烷气主要是二氧化碳还原作用生成的次生生物成因气;煤层水样品点同位素值均落在大气降水线附近,说明煤层水的主要来源为大气降水,符合生物成因气生成需有雨水补给的条件。综合3个方面定性和定量分析结果,并结合研究区构造-热演化史,认为现今淮北煤田芦岭矿区的煤层气主要为次生生物成因气。     

阜康矿区煤层气成因探讨

以准噶尔盆地南缘阜康矿区为研究区,对研究区内10口煤层气井的排采气进行了气体组分、甲烷碳同位素、乙烷碳同位素及二氧化碳碳同位素测试,并结合研究区特殊的地质环境特征对煤层气的成因进行了判别。研究发现:阜康矿区煤层气组分包括CH_4(81.79%)、CO_2(14.36%)、N_2(2.28%)和C_(2+)(0.99%),煤层气甲烷碳同位素值δ~(13)C_1分布范围为-58‰～-49‰,平均值为-53‰,乙烷碳同位素值δ~(13)C_2分布范围为-32.2‰～-23.1‰,平均值为-28.1‰,二氧化碳的碳同位素值δ~(13)C(CO_2)分布范围为+8.5‰～+14.2‰,平均值为+12.9‰;研究区煤层气为热成因和次生生物成因的混合成因气,其中的热成因气为热降解成因,次生生物气主要是醋酸发酵形成的产物;急倾斜煤层和火烧区为微生物进入煤层提供了通道;温度适宜、偏酸性且矿化度较低的地下水环境为微生物提供了生存环境;地下水渗流方向与煤层气运移方向相反,具有水力封堵控气作用;火烧区滞水层与煤层顶底板一同对煤层气藏进行有效圈闭,保证了混合成因气的储存。     

生物成因煤层气研究进展

煤层气作为一种非常规天然气资源,在全球能源结构中扮演着越来越重要的角色,成为从传统化石能源向清洁能源转化过程中不可逾越的桥梁。其中,生物成因煤层气在全球煤层气田开采中占有主要地位,因此,对生物成因煤层气的研究在资源利用和经济开发上都有着重要意义。对生物成因煤层气生成机理、煤级对生物甲烷形成的影响、生物煤层气成气环境要求等方面进行综述,旨在为生物成因气煤层气产业的可持续发展提供参考。     

阜康市白杨河矿区煤层气成因研究

通过对白杨河矿区煤层的分布特征、煤岩显微组分特征(主要为镜煤最大反射率Ro为0.60-1.01%)、煤层气组分特征(甲烷含量67.22-92.73%)和气体地球化学(碳同位素δ13C1为-55.92~-65.75‰),认为区内形成的煤层气成因为:前期热解成因气以及后期次生生物成因气而形成的混合成因气。     

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CH₄和CO₂为主,存在极少量的氢气,气体组成偏干,CH₄和CO₂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,δ¹³C₁值均小于-55‰;δ¹³C(CO₂)值介于-20.8‰～-10.7‰,平均为-16.38‰;δD1值介于...     

准南米泉地区煤层气成因及其富集成藏机理研究

准噶尔盆地南缘(下称准南)蕴含着丰富的中-低煤阶煤层气资源,但勘探程度相对较低,气体成因和气藏形成机理认识不足,一定程度上制约了开发。为探究准南米泉地区中-低煤阶煤层气成因及其富集成藏机理,基于18口煤层气生产试验井的气样及其伴生的煤层产出水样,系统开展了相关样品的稳定同位素、水文地球化学以及放射性同位素定年等室内试验,综合运用经典的天然气识别图版等手段分析数据。结果显示大部分样品点落在图版"生物成因气"、"二氧化碳还原"、"微生物产甲烷伴生CO_2"区域;水型表现为Na~+·HCO_3~-·Cl~-型,煤层水矿化度较高;煤层水放射性同位素~3H1.0 TU及~(14)C0.44%(现代碳百分数)。分析认为:准南米泉地区煤层气以生物成因为主,CO_2还原为其主要的形成途径,该区异常高浓度CO_2与微生物产甲烷活动密切相关。此外,米泉地区水动力场较为停滞,煤层水地质年龄较为古老,没有或较少现今地表水补给,该区现今水文地质条件不利于产甲烷菌生存及其产甲烷活动,现存的生物气资源应大多产生于较早地质历史时期。最后,综合区域构造与水文地质背景,结合古气候资料和煤层埋藏史等,研究提出米泉地区广泛发育封存性次生生物气藏,其形成分别经历了埋藏与成煤、抬升与剥蚀、地表水补给与生物气大量形成、产甲烷作用停止与水动力封存4个地质阶段。     

鄂尔多斯盆地南部侏罗系煤层气成因探究

鄂尔多斯盆地南部侏罗系具有较好的煤层气勘探潜力,但煤层气成因有待深入研究,弄清楚其成因类型能够有效指导该区下一步勘探开发方向。基于区域地质条件、煤层气样品组分、稳定同位素等分析,对其成因进行了探讨。结果表明,研究区浅部的彬县、焦坪、黄陵地区煤层气δ13 CCH4一般介于-81‰~-57‰,煤层气干燥系数一般大于100,δDCH4一般介于-236‰~-234‰,煤层气为晚期生物成因,同时,地层水矿化度低,煤岩孔隙度较高,渗透性较好,具备生物气生成的地质条件;深部合水-宁县地区煤层气δ13 CCH4一般介于-49‰~-35‰,煤层气干燥系数一般小于100,是典型的热成因气,地层水矿化度高,呈酸性,不利于生物气的生成。     

低煤阶煤层气甲烷风化带划分方法及影响因素——以准南乌鲁木齐矿区为例

为了研究准南乌鲁木齐矿区低煤阶煤层气甲烷风化带特征及影响因素,规避勘探风险,降低开发成本。依据低煤阶煤层气含气量低、次生生物成因气与热成因气共存的特点,利用煤层含气量以及主要气体(CH₄,CO₂,N₂)浓度测试数据,提出了甲烷风化带划分的新方法,以甲烷含量≥1 m³/t,N₂体积分数≤20%分别作为判断甲烷风化带经济边界和地质边界的指标。进一步利用该方法对乌鲁木齐河东、河西矿区甲烷风化带深度进行了划分,讨论了构造、沉积以及水文地质对矿区甲烷风化带深度的影响,分析了造成两个矿区甲烷风化带深度差异的成因。结果表明,河东矿区甲烷风化带深度在370 m左右,河西矿区甲烷风化带深度在200 m左右。在构造抬升前,河东、河西矿区均生成了部分热成因甲烷,此时甲烷风化带较深。研究区经历了晚侏罗世与新生代两次地层抬升运动,河东矿区煤层顶板以砂岩为主,一方面易于地表水渗入,使研究区生成大量次生生物成因气,随着地下水滞留程度的增加,大量煤层气富集;另一方面,较差的顶板封盖条件也造成了一定量煤层气散失...     

黄陇煤田永陇矿区煤层气成藏条件及主控因素研究

黄陇侏罗纪煤田属于典型的低阶煤含煤层气区带,煤炭勘查结果显示其西部具有一定的煤层气开发潜力,为了弄清该煤层气成藏条件,以黄陇煤田永陇矿区麟北区为例,从煤层气地质、煤储层特征、气藏保存条件3个方面研究了黄陇煤田西部地区的煤层气成藏条件及主控因素。研究结果表明:黄陇煤田西部地区延安组煤变质程度低,煤层厚度大,埋深适中,含气性较好,但煤储层渗透性较差;煤层气富集主要受水动力条件影响,埋深其次,构造和盖层影响较小,埋深500~700 m是该区煤层气成藏的最佳深度;因受成煤后期燕山运动等多期次构造运动的影响,原生生物气和热成因气大量逸散,新生代以来煤层接受浅部地表水和大气降水的补给,接受次生生物气的补充,是煤层气成藏的关键,属典型的盆缘缓坡晚期生物成藏模式。     

阜康向斜八道湾组水文地质控气作用研究

为查明阜康向斜八道湾组煤层气成藏机制,以水文地质学观点探讨了控气地质作用。结果表明,浅部储层位于地下水径流区,含气量较低;地下水自西北、东部、东南部侧向补给,在向斜仰起端与深部储层形成滞留区,有效封堵、封闭了热成因气藏,含气量较高。水文地质条件控制了阜康向斜次生生物气生成与热成因气保存。     

韩城矿区煤层气富集的构造控制与开发模式研究

韩城矿区地质构造复杂,构造对煤层气的控制作用明显。为了揭示构造对韩城矿区煤层气富集与开发的影响,通过挖掘整理韩城矿区基底沉降史,厘定煤层气成因、划分煤级平面分布,分析含气量与构造样式、煤层埋深的关系。研究发现,韩城矿区浅部受基地抬升与构造应力共同作用,煤层气为次生生物成因气叠合热成因气;深部经历深成变质作用为典型的高煤阶热成因气。受控于不同构造样式与现今埋深,北部层滑构造导致的构造煤发育,含气量较南部高、中深部含气量较浅部高。基于构造控制的煤层气赋存特征、煤体结构和应力环境的复杂性分析,提出东北区的桑树坪井田、下峪口井田,东南区的象山井田构造煤发育,建议采用"压力-应力协同释放为主的矿井卸压抽采模式";西部的王峰和薛峰井田含气量高、煤体结构相对完好,建议采用"排水降压为主的地面井降压开采模式"。     

我国低煤阶煤层气成因类型及成藏模式研究

基于国内外低煤阶煤层气的富集特点和成藏理论的追踪,对我国低煤阶煤层气的成因类型和成藏模式展开了研究。结果表明,我国低煤阶煤层气藏成因类型有热成因、生物成因和混合成因;煤储层特征包括埋藏浅、含气量低、厚度大、渗透率高且易改造及与其它油气共生等特点;前人从岩性、构造条件及煤储层所处位置、水文地质条件等对低煤阶煤层气的成藏模式进行了划分。基于以上研究,认为应以动态的观点来认识和探讨以有利成煤相带为煤层气富集的物质基础、以构造体为煤层气运移压差和以水动力条件为气源补给和封盖的条件的低煤阶煤层气成藏模式。以东北依兰盆地为例,结合我国低煤阶煤层气盆地的地质特征和前人研究成果,建立了我国低煤阶煤层气的成藏富集模式,即原生成因和次生成因叠合下的斜坡区成煤优势相带高富水区的煤层气富集模式。     

低煤阶、薄互层煤层气的成藏特征及开发技术——以澳大利亚苏拉特盆地为例

苏拉特盆地经历了一次沉降-抬升过程,煤层气的成藏历史比较简单,成藏过程主要具有两个特点,一是煤层形成后经历抬升形成次生生物成因气,热变质作用相对有限;二是现今构造格局和地下水的补给、运移、排泄和滞流对煤层气藏产生一些有利的调整和改造。采用多元线性回归向后分析法得出影响煤层气产能的主要因素为地层系数kh,开发实践表明,产能高的煤层气井均位于埋深较浅及背斜或隆起的高渗区域,在相对低渗的区域目前依然未取得煤层气产能的突破,最后对薄互层煤层气的开发技术进行了探讨。     

煤层气成因类型及其地球化学研究进展

煤层气成因研究涉及到煤层气的形成机理、运移和逸散、母质特性和形成环境等,并与盆地演化和资源评价等有密切的关系。从地球化学角度对现阶段煤层气成因研究成果进行分析,系统总结了各成因类型煤层气的地球化学研究进展,并指出了存在的问题和今后的发展趋势。研究表明:煤化作用各阶段形成的不同成因类型煤层气具有不同的成因机理、气体成分特征和δ13C(CH4),δD(CH4)和δ13C(CO2)等同位素组成差异;稀有气体在煤层气成因研究过程中能够提供丰富的地球化学信息;不同的煤层气形成机制下,煤岩饱和烃和芳香烃等生物标志化合物表现出不同的降解特征;地下水化学组成的变化和微生物的活动对煤层气的形成和运移有重要影响;微生物产气的探索将为煤制气提供新思路。最后指出,煤层气成因综合识别、复杂地质演化条件下不同成因类型煤层气的赋存特征、与煤制气相关的煤层气形成机制探索等几个方面将是今后研究中值得重视的问题。     

澳大利亚苏拉特盆地煤层气地质特征及富集模式

苏拉特盆地中侏罗统Walloon煤系地层蕴含着巨大的煤层气储量,正确了解其成藏特点是成功开发的关键,综合运用了沉积学、地质统计学及天然气地球化学等研究手段对煤层的沉积环境、构造特点、煤岩煤质、天然气成因及富集模式进行了系统研究。研究结果表明:Walloon煤系主要以曲流河的河漫滩及曲流河三角洲平原的沼泽为沉积背景,煤岩具有演化程度低、灰分较高、显微组分变化差异小等特点;高渗透性、高兰氏压力是煤储层的显著特征;构造转换带对储层渗透率有重要影响;煤层含气量较低,煤层气成因类型以次生生物成因气为主,热成因气为辅;不同区域、不同层段成藏类型存在差异,北部向斜区Juandah组为水动力封堵型,东北部Undulla鼻隆区及东部斜坡的局部地区Taroom组为背斜—水驱封堵型。