微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)

微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)的由來

1981年，F(xiàn)akoussa開展了微生物降解煤研究，研究表明在某一條件下，微生物能夠降解煤產(chǎn)出甲烷。1984年，Rightmire在Fakoussa的研究基礎(chǔ)上，首次提出生物成因氣概念。在隨后15年的研究中，學(xué)者們主要圍繞生物氣的生成機(jī)制開展研究，形成了煤層氣成因類型及生成路徑判識(shí)的一系列方法。

1999年，Scott開展煤次生生物氣產(chǎn)出實(shí)驗(yàn)，提出了微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)（Microbial Enhanced CBM），該技術(shù)是將營養(yǎng)物質(zhì)或馴化富集后的優(yōu)良菌種（水解菌、發(fā)酵菌、產(chǎn)甲烷菌）注入地下煤層，通過厭氧發(fā)酵將煤的一部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為以甲烷為主的氣體，也是一種新興的煤層氣開發(fā)技術(shù)。

微生物降解煤產(chǎn)甲烷的作用機(jī)制

目前，普遍采用微生物降解復(fù)雜有機(jī)物產(chǎn)甲烷的代謝模型來解釋煤的生物降解產(chǎn)甲烷，即煤中的聚合物或單體化合物通過微生物的水解、發(fā)酵作用，生成分子量較小的脂肪酸、有機(jī)酸、醇類等物質(zhì)；隨后這類物質(zhì)被進(jìn)一步分解，生成二氧化碳、氫氣和乙酸等簡單化合物；最終簡單化合物在產(chǎn)甲烷菌的作用下生成甲烷。

水解階段：水解菌群是發(fā)酵能夠進(jìn)行的前提，水解階段的效率直接影響整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)的運(yùn)行。煤表面附著的大量菌群，在適宜的環(huán)境條件下能夠大量生長繁殖，這些微生物可以分泌水解酶將高分子聚合物、芳香化合物等復(fù)雜有機(jī)物水解成可被微生物利用的簡單有機(jī)物，為后續(xù)煤發(fā)酵產(chǎn)酸過程的順利進(jìn)行奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

發(fā)酵產(chǎn)酸階段：部分有機(jī)化合物氧化后產(chǎn)生的電子，傳遞給另一部分有機(jī)物，水解階段產(chǎn)生的可溶性小分子物質(zhì)被微生物吸收進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為簡單的有機(jī)物。該階段產(chǎn)甲烷菌數(shù)量增殖相對(duì)緩慢，主要是直鏈和支鏈烴類的分解、利用與再分解的過程。

產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：在這一階段發(fā)揮作用的主要是產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群，將揮發(fā)性有機(jī)酸和醇類物質(zhì)進(jìn)一步分解成乙酸、二氧化碳和氫氣，為產(chǎn)甲烷菌提供可以直接利用的營養(yǎng)物質(zhì)。

產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷階段是微生物產(chǎn)甲烷的最后環(huán)節(jié)，根據(jù)上一階段提供的營養(yǎng)物質(zhì)類型的不同，產(chǎn)甲烷過程分為氫營養(yǎng)型、乙酸營養(yǎng)型和甲基營養(yǎng)型。氫營養(yǎng)型是以氫氣或甲酸作為主要的電子供體還原二氧化碳產(chǎn)生甲烷；乙酸營養(yǎng)型是將乙酸裂解產(chǎn)生甲基基團(tuán)和羧基基團(tuán)，羧基被氧化生成氫氣作為電子供體用于還原甲基基團(tuán)生成甲烷；甲基營養(yǎng)型是以簡單甲基化合物為基礎(chǔ)，利用外界提供或氧化甲基化合物自身產(chǎn)生的電子供體還原甲基化合物中的甲基基團(tuán)生成甲烷。

微生物降解煤產(chǎn)甲烷的影響因素

微生物降解煤產(chǎn)甲烷是一個(gè)多菌種參與的復(fù)雜過程，為將該技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，世界各地的專家學(xué)者針對(duì)煤階、溫度、pH值、氧化還原電位、微量金屬元素等方面開展了一系列研究。

煤階影響：煤階主要對(duì)微生物豐度、多樣性及產(chǎn)甲烷效果存在影響。由于低階煤演化程度較低，其中含有較多植物殘留的氫氧氮物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)；此外，在煤形成過程中，有機(jī)物生成的濕氣及液體烴為微生物的生命活動(dòng)提供了能量。但隨著煤演化程度的升高，微生物可利用的成分減少，造成豐度、多樣性及產(chǎn)甲烷效果都有所降低。

微量金屬元素影響：與人體代謝過程相同，金屬元素在微生物代謝過程中一樣必不可少，金屬元素主要影響微生物代謝過程中多種關(guān)鍵酶的合成。鐵、鎳元素對(duì)微生物的影響大于鈷元素，鈷元素含量與產(chǎn)甲烷菌的豐度和多樣性呈正相關(guān)。二價(jià)鐵離子在一定濃度范圍內(nèi)對(duì)產(chǎn)甲烷的促進(jìn)作用逐漸增大，而鎳離子則表現(xiàn)出低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的現(xiàn)象。

溫度：溫度直接影響微生物的生長代謝，一般認(rèn)為微生物產(chǎn)甲烷最適合的環(huán)境溫度為30~55攝氏度。

pH值影響：pH值不僅影響微生物酶的活性，對(duì)微生物代謝過程同樣存在影響。普遍認(rèn)為微生物產(chǎn)甲烷最佳的pH值在7~8，pH值偏向酸性或者堿性都不利于甲烷生成。

礦化度影響：礦化度越高，對(duì)微生物生長的抑制性越強(qiáng)，一般認(rèn)為適合微生物生長的環(huán)境礦化度應(yīng)小于每升1萬毫克。

氧化還原電位：氧化還原電位是指微生物生長環(huán)境的氧化還原情況，氧氣、氧化類物質(zhì)越高，氧化還原電位也越高，研究表明當(dāng)氧化還原電位在-500~-370毫伏時(shí)，甲烷菌生長速率和甲烷產(chǎn)量最佳。

微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)的應(yīng)用

2003年，美國萊克斯菲爾公司首先驗(yàn)證了微生物降解煤產(chǎn)甲烷的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可行性，隨后其他機(jī)構(gòu)、企業(yè)在此基礎(chǔ)上開展了大量商業(yè)化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2006年，Luca Technologies公司在美國粉河盆地南KITTY單元進(jìn)行了260口井的大規(guī)模礦場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)面積40~80平方英畝。營養(yǎng)物質(zhì)通過重力作用注入井內(nèi)，注入時(shí)間為1~2個(gè)月，試驗(yàn)過程中260口井中的58口井甲烷產(chǎn)量出現(xiàn)增長，見效率22%。

2007年，Next FUEL公司也在美國粉河盆地針對(duì)褐煤開展微生物激活試驗(yàn)，通過只添加營養(yǎng)物質(zhì)激活原本不活躍或豐度不高的內(nèi)源菌；此外，該公司還在印度尼西亞實(shí)施16口井試驗(yàn)，均沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2012年，Ciris公司在美國粉河盆地開展連續(xù)注入營養(yǎng)物質(zhì)的試驗(yàn)。營養(yǎng)物質(zhì)在一定壓力條件下通過注入井隨水進(jìn)入煤層，試驗(yàn)井每日產(chǎn)水1000~2000桶。直到2013年12月，試驗(yàn)井無增產(chǎn)。

國內(nèi)僅中國石油華北油田在山西晉城開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，2015年1月26日開始現(xiàn)場(chǎng)施工，營養(yǎng)劑注入后關(guān)井，反應(yīng)60天后產(chǎn)出液菌群濃度與措施前相比較增加了2~5個(gè)數(shù)量級(jí)，措施前生產(chǎn)平均套壓0.09兆帕，措施后平均套壓0.35兆帕，措施前平均日產(chǎn)氣16.81立方米，措施后平均日產(chǎn)氣75.13立方米。

結(jié)語

從微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)提出至今，該技術(shù)發(fā)展已有二十多年，國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)微生物降解煤產(chǎn)甲烷的機(jī)理有了長足的認(rèn)識(shí)，并驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果喜憂參半。煤層氣作為一種重要清潔能源，在世界范圍內(nèi)資源量巨大，目前主要通過水力壓裂手段進(jìn)行開發(fā)，商業(yè)達(dá)產(chǎn)效果有限。微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)為煤層氣開發(fā)提供了一條新途徑，隨著相關(guān)科學(xué)問題的不斷探索及技術(shù)水平的提高，微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)的前景一片光明。

作者：郭智棟 袁洋 王英明 孟文輝 劉新偉（中石油煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院）