二连盆地吉尔嘎朗图凹陷低煤阶煤层生物产气影响因素

研究低煤阶煤层生物产气的影响因素对于寻找该类煤层生物气富集有利区及指导微生物增产技术都具有重要的意义。为此,选择二连盆地吉尔嘎朗图凹陷褐煤煤样,在不同温度、酸碱度(p H值)、氧化还原电位(Eh值)以及添加不同浓度微量元素等条件下进行了煤的生物气化模拟实验,进而探讨各种因素对微生物产气的影响、确定最佳的微生物产气条件。研究结果表明:(1)在模拟实验条件下,煤的产气量随着温度、p H值、微量元素浓度等参数值的增大或者Eh值的减小而表现出先增大后减小的规律;(2)温度介于30~35℃、pH值介于7.0~7.5、Eh值为-225 m V时,产甲烷菌代谢最活跃,最有利于生物气的生成,添加合适浓度的微量元素(Fe~(2+)、Ni~(2+))能促进微生物产气。结论认为:(1)二连盆地吉尔嘎朗图凹陷埋深介于300~600 m、弱径流的水动力条件与厌氧环境构成了生物气生成的有利条件;(2)添加合适的微量元素可作为微生物增产的有效手段。     

煤发酵制生物氢和甲烷的模拟实验

为查明煤发酵制生物氢和甲烷,以及连续发酵产氢产甲烷的最佳产气条件,以河南省鹤壁四矿的瘦煤为发酵底物,分别利用自主研发的产氢培养基和产甲烷培养基富集地层水中的混合菌群,并以其为接种物,分析了在不同条件下生物氢气和生物甲烷的生成量,并利用发酵产氢后的废料为基底,使用不同方法进行处理,研究了生物甲烷的生成量。实验结果表明:①发酵产氢最适宜的初始pH值在6.0左右;②金属离子络合剂EDTA二钠可显著提高氢气产率,当EDTA二钠浓度为2.0g/L时,氢气产率达到最大值;③产甲烷发酵时,将白腐菌液和富集培养后的地层水菌液同时作为接种物时的甲烷产率最高;④向产氢后的废料中补加碱液以及新鲜地层水,均可实现废料再生甲烷,且直接补碱液时的甲烷产率更高;⑤相比于单独发酵产甲烷工艺,连续产氢产甲烷工艺可获得更高的甲烷浓度和甲烷产率。该成果为微生物采煤技术提供了实验依据。     

生物甲烷代谢对煤孔隙结构的影响

微生物代谢把煤转化为甲烷为主的气体,不但增加煤层气资源量,还能实现煤储层的生物增透。选择3种煤阶煤样进行模拟生物甲烷生成实验,通过压汞法分别测试代谢前后煤的孔隙结构,并通过X-射线衍射和FTIR测试代谢前后煤大分子结构。结果表明：①生物甲烷代谢后煤样大孔孔容及所占比率显著增加,小孔和微孔孔容有所减少,总孔容、平均孔径和孔隙度也相应增加,而孔比表面积有一定程度降低;②微生物作用后煤样的开放型孔增加,孔隙连通性增强;③生物甲烷代谢改变煤孔隙结构是通过生物酶作用于其大分子结构,使官能团和侧链脱落,苯环打开,氧含量增加,煤的晶化程度降低。微生物把煤转化为生物甲烷的同时,改善了煤的孔隙结构且降低了比表面积,有利于煤层气的解吸和运移产出,对煤层气开发有重要潜在意义。     

甲烷渗漏环境中硫酸盐还原对水化学组分的影响

硫酸盐还原作用是由硫酸盐还原菌(SRB)主导的,它广泛分布于海底甲烷渗漏沉积区。当它与甲烷氧化耦联时,对海底甲烷渗漏起着控制作用。研究硫酸盐还原作用对于探讨海底甲烷的迁移和转化具有重要意义。以反应釜为载体,将SRB接种于低温高压的甲烷环境中,探讨系统内微生物地球化学作用对水化学组分和环境的影响规律。结果显示：系统内氧化还原电位由-107.5mV降低至-181.5mV;HCO₃^-和HS^-浓度均升高,前者浓度比后者大2个数量级。Fe²⁺浓度有所上升,Ca²⁺度则由2.40mg/L降低至0.04mg/L。扫描电镜下观测到有较多的碳酸盐和硫化物沉淀,能谱分析发现其主要阳离子为Fe、Ca、Mg和Mn。可以确定,硫酸盐还原作用及相应的地球化学反应控制着系统内离子组分的变化。实验结果对认识海底发生的微生物地球化学作用和海洋碳硫循环有重要意义。     

煤制生物甲烷实验方案设计及优选

煤制生物甲烷是一个复杂的生物化学过程,其实验方案的优劣决定着煤转化程度的高低。为筛选出实验室模拟生物甲烷生成的最佳方案,以河南省鹤壁矿区的瘦煤为实验对象,以不同外加菌种的联合培养为变量条件,共设计了5组方案进行模拟生物甲烷产出实验。以煤微晶结构为降解程度指标、类木质素消耗量和pH值为大分子物质转化程度指标、甲烷、二氧化碳的产出浓度及产率为产气指标,根据各性能指标与其作用程度的关系,采用模糊数学评价法对实验方案进行了优选评价。评价结果表明：①未进行菌种富集的方案一效果最差,综合评分为49.43;②对菌种源进行菌种富集的方案二和方案三,以及在方案二基础上添加白腐真菌的方案四,其综合评价为一般,得分分别为68.26、78.89和71.37;③而采用产甲烷菌-白腐真菌联合培养的方案五为最优化方案,综合评分为90.63。     

微生物增产煤层气技术

<正>微生物增产煤层气技术的由来1981年，Fakoussa开展了微生物降解煤研究，研究表明在某一条件下，微生物能够降解煤产出甲烷。1984年，Rightmire在Fakoussa的研究基础上，首次提出生物成因气概念。在随后15年的研究中，学者们主要围绕生物气的生成机制开展研究，形成了煤层气成因类型及生成路径判识的一系列方法。     

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近年的煤层气勘探开发工作中，主要从热成气角度考虑煤层甲烷的气源，而煤能否被厌氧菌降解生成次生生物气则一直是人们所关心的问题。采用“悬浮接种物”作为接种源，对山西柳林庙湾矿石炭、二叠系的两个煤样进行了不同温阶下的生物降解产气模拟实验。实验表明：温度超过７５℃停止产气；所产气体为甲烷和二氧化碳，其中甲烷具有轻碳同位素值的特征，δ１３Ｃ１为－４９．１６‰，从气体组成和δ１３Ｃ１值来看，模拟实验所产气体属生物气。结果认为，煤可以被厌氧生物降解生成次生生物气；这种二次成气或叠加成气作用可以增加浅煤层中煤层甲烷的绝对含量，相应提高煤层甲烷的勘探成功率；厌氧环境的存在从另一个侧面也反映煤层甲烷的保存条件较好；存在煤层二次生物气是寻找煤层甲烷气藏的一个标志。     

煤早期生成甲烷的模式

从各种不同煤化阶段煤的平均元素组成或煤的高温裂解实验结果可以间接地求得热成因甲烷的产量。为了更好地确定低级煤中甲烷生成的经济潜力,对北达科塔州古新世褐煤进行了无水、密封管高温热裂解实验。应用一系列平行的、活化能介于41～54kcal/mol的一级反应和9.88×10~(-11)S~(-1)的单一频率因子,通过热裂解甲烷产量的方法模拟早期甲烷的生成。将镜质体反射率模型外推到地质升温速率条件下,可看出,要超过300cf/t的甲烷经济门限值需要温度T>120℃且镜质体反射率R_o≥0.9％的条件。在高挥发份B烟煤级或更低级的煤中发现甲烷的富集度超过300cf/t时,大多数情况下可能是由于气体的迁移或近地表(≤3000ft)的微生物作用的结果。     

高低煤阶煤层气解吸机理差异性分析

煤层的解吸作用是当煤储层压力降低时，甲烷吸附气从煤层中逸出的过程。大多数人认为煤层气的解吸过程是随着时间推移解吸量单一下降的过程，但通过实验解吸数据以及实验区块生产排采的实际情况，发现煤层甲烷解吸过程决不是单一下降的过程，并且高低煤阶有非常大的差异。高煤阶经历了快速下降到升高到再下降的过程，出现了一个波峰。低煤阶煤的解吸则出现了两个波峰。解吸过程中解吸量在快速下降后又升高的主要原因是煤基质收缩效应和自调节效应，而本质原因是高低煤阶不同的分子结构特征以及孔隙、裂隙、割理发育特征差异所导致的。     

库车坳陷煤成甲烷碳同位素动力学研究

应用黄金管封闭体系热解实验,结合GCIRMS同位素质谱仪的甲烷碳同位素分析,研究了塔里木盆地库车坳陷侏罗系煤生成甲烷的碳同位素特征及其动力学模拟。结果表明,库车坳陷侏罗系煤热解气甲烷碳同位素介于-36%～-25%;碳同位素与热解温度(或R_o)、升温速率密切相关;煤成甲烷的碳同位素动力学模拟结果与热解实验数据吻合较好,表明可以用动力学方法将实验数据外推,并应用于地质实际中。模拟结果显示,库车坳陷克拉2气田天然气主要经历了10Ma(尤其是5Ma)以来的阶段性聚集。     

煤中显微组分对生物甲烷代谢的控制效应

煤的生物产气过程受诸多因素的影响,为探讨煤自身显微组分对生物甲烷生成的控制效应,采集了河南义马千秋煤矿的长焰煤和山西大同泉岭煤矿的气煤,通过人工手选法以及浮沉分离法对两种煤样进行了显微组分富集和分离,利用从矿井水中提取的本源菌群与相应的显微组分进行生物甲烷代谢模拟实验,以产气总量、CH4生成量、CH4浓度及反应液p H值变化等指标来评价产气效果。实验结果表明:1镜质组富集煤样生物产气总量、CH4生成量、CH4浓度和反应液p H值变化幅度最高,而惰质组富集煤样最少,原煤则居中;2不同显微组分开始大量产气时间在18~30 d,产气高峰在20~35 d,镜质组产气高峰滞后于原煤和惰质组;3煤样H/C原子比与生物产气效果具有一致性,同煤阶镜质组以及富氢、高H/C原子比煤种具有较高的生物甲烷产气潜力。该研究成果可为我国煤层生物产气先导试验区块优选提供理论指导。     

淮南潘集、张集煤矿次生生物气地球化学特征

研究淮南煤田不同矿区煤层气的成因类型对于整个煤田煤层气的勘探开发意义重大。为此，利用地质和地球化学相结合的方法，对淮南煤田主要矿区--潘集煤矿和张集煤矿煤层气的成因类型进行了深入研究。结果表明：该区煤层气组分表现出了甲烷含量高、重烃和二氧化碳含量低的干燥气体的特征，与国内外含次生生物成因煤层气的组分特征一致。虽然该区煤岩的热演化程度已处于热成因气的生成阶段，但煤层气的δ¹³C₁值的总体分布范围为-56.7‰～-67.9‰，仍属于生物成因气的分布范围。煤层气的δ¹³C₂值主要分布在-22‰～-29‰，反映了乙烷的热成因特征，指示了该区的煤层气为热成因乙烷和微生物成因甲烷的混合。淮南煤田具有适合的煤阶、区域强烈隆升使煤层被抬升到浅部、地表水渗入煤层、生物气生成的最佳温度等次生生物成因煤层气生成的有利地质条件。因此，有利的地质条件、煤层气的组分与同位素显示的特征，相互印证了淮南煤田煤层气中有次生生物气存在的事实。     

含次生生物成因煤层气的碳同位素组成特征——以淮南煤田为例

淮南煤田煤层气属于热成因和次生生物成因气的混合气。不同矿区和不同煤层中煤层气的δ13C₁值有明显的不同,这主要是由于现今淮南煤田的煤层气藏中后期生成的次生生物气与残留在煤层中的热解气混合比例不同造成的。研究显示,淮南煤田煤层气的δ13C₁值明显轻于我国热成因煤型气和世界主要地区煤层气的δ13C₁值,表现出了含次生生物成因煤层气的δ13C₁值的变化特征;而δ13C₂值明显与我国热成因煤型气和世界主要地区煤层气的δ13C₂值处于同一分布范围,表现出了热成因气δ13C₂值的特征。淮南煤田煤层气的δ13C_CO2值反映出煤层气中的CO₂主要为煤热解而来,部分是次生生物气生成过程中,经过了微生物的还原作用而残留的CO₂。      

有机质生成生物气的生化动力学模型及其应用

国内外评价生物气资源量普遍采用微生物厌氧发酵法,该方法不能反映生气期,为此,依据生化动力学,建立了有机质生成生物气的生化动力学模型,并结合实验条件下生物气产率,标定了生化动力学参数。在此基础上,考虑菌体浓度和温度对动力学参数的影响,将所标定的动力学参数在柴达木盆地进行应用的结果表明,柴达木盆地生物气生成速率随埋深先增大后减小,速率最大值对应的深度约为600m,与前人研究结论相近。这说明根据实验室产气率数据标定所建立的动力学模型在考虑菌体浓度和温度对动力学参数影响的条件下可以用来定量评价生物气生成期。     

甲烷水合物在煤层中存在的可能性

已有实验证明：在一定的温度下，只要压力合适，有甲烷气源和水，就能合成甲烷水合物，而且多孔介质的存在将有助于水合物的形成。煤是一种多孔介质，在其形成过程中生成了大量的甲烷，并含有大量的水份。受构造应力和地应力的影响，煤层中存在着褶皱、断层等，结构复杂，因而在煤层中存在高应力区，而这种高应力区为甲烷水合物的存在创造了条件，同时，在一些煤与瓦斯突出中，吨煤瓦斯突出量高出吨煤瓦斯含量很多，以致无法解释，更为煤层中的局部地点存在甲烷水合物提供了佐证。因此，推断煤层中可能存在零散分布的甲烷水合物。     

恒温时间对煤热解实验开放性的影响

为了对鄂尔多斯盆地古生界奥陶系风化壳中天然气的主要来源进行判识，采取盆地内的低熟 煤作为石炭系本溪组气源岩的未成熟样品进行了不同恒温条件下的半开放体系热解实验。实 验结果表明：①在不恒温时，在每个温度点上样品没有充分反应，到更高温度点经过低温范 围时样品会再次生烃，在高温度点产出的甲烷包含经历低温阶段时产生的甲烷，这与封闭实 验的生烃机制类似；②恒温120 min时，在每个温度点恒温时间足够长，样品充分反应，到 更高温度点经过低温范围时样品不再生烃，在高温度点产出的甲烷是低温度点和高温度点之 间产生的甲烷，这与开放实验的生烃机制类似；③乙烷到戊烷的产量远远小于甲烷的产量， 在每一个温度点这些烃类均已生成殆尽，到下一个更高温度点经过低温范围时，其不再生成 ，下一高温度点得到的这些烃类只是下一个低温度点和高温度点之间的产物，这与开放体系 的生烃机制类似。     

低煤阶煤层气成藏模式和勘探方向

中国低煤阶煤层气资源丰富，但勘探和认识程度较低，煤层气成藏的主控因素和富集规律认识不足。在分析国内外不同盆地、不同区块低煤阶煤层气含气量随埋深变化趋势差异的基础上，从现今和古水文地质条件两个方面，探讨了中国低煤阶煤层气成藏的前提条件，分析了成煤环境对含气量的影响。研究结果表明：①低阶煤（R_o<0.65%）主要分布于埋深<1 200 m的中-新生界煤系地层中，低煤阶煤层气主要是次生生物成因气；②低煤阶煤层气含气量随埋深总体呈现先增加后降低的趋势，普遍存在"最佳深度"这一特征，现今淡水入渗或古淡水入渗水文地质条件是次生生物气生成的前提条件；③除淡水入渗水文地质条件控制低煤阶煤层气的生成与富集外，煤岩组分、煤层厚度、煤岩顶底岩性以及煤岩物性等储层特征对含气量也有重要影响；④低煤阶煤层气存在盆缘斜坡带新近成藏和小型断陷古成藏两类成藏模式，指示了低煤阶煤层气勘探的两个方向。     

生物产气对煤层气可采性指标的影响

煤层气开发受多种因素的影响,为了研究生物甲烷代谢对煤层气开采指标的影响,选择不同煤阶的煤样进行了生物代谢模拟实验。通过生物产气数据、代谢前后煤样等温吸附和孔隙结构等参数测试,计算煤层气的采收率、含气饱和度、临储比等开采性指标并分析其变化规律。结果表明:1煤层生物产气能提高煤层气资源量,但随着煤变质程度的增加,生物产气量逐渐下降,同时煤的亲甲烷能力也降低;2生物产气对煤储层孔隙结构有明显的改善,其大孔数量和总孔容两个指标显著增加,从而提高了煤储层的孔渗性;3生物产气后煤储层的临界解吸压力、含气饱和度与采收率等开采指标也都有不同程度的提高,河南义马千秋矿和山西柳林沙曲矿煤样的含气饱和度提高的幅度较大,山西西山官地矿煤样的变化幅度次之,但总体的变化趋势具有一致性。结论认为,煤层生物产气不但能增加煤层气资源量,而且还有助于提高煤层的可采性。该研究成果可以为我国煤层气生物工程现场实施提供参考。