微生物增产煤层气技术

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。

1999年，Scott开展煤次生生物气产出实验，提出了微生物增产煤层气技术（Microbial Enhanced CBM），该技术是将营养物质或驯化富集后的优良菌种（水解菌、发酵菌、产甲烷菌）注入地下煤层，通过厌氧发酵将煤的一部分有机质转化为以甲烷为主的气体，也是一种新兴的煤层气开发技术。

微生物降解煤产甲烷的作用机制

目前，普遍采用微生物降解复杂有机物产甲烷的代谢模型来解释煤的生物降解产甲烷，即煤中的聚合物或单体化合物通过微生物的水解、发酵作用，生成分子量较小的脂肪酸、有机酸、醇类等物质；随后这类物质被进一步分解，生成二氧化碳、氢气和乙酸等简单化合物；最终简单化合物在产甲烷菌的作用下生成甲烷。

水解阶段：水解菌群是发酵能够进行的前提，水解阶段的效率直接影响整个发酵系统的运行。煤表面附着的大量菌群，在适宜的环境条件下能够大量生长繁殖，这些微生物可以分泌水解酶将高分子聚合物、芳香化合物等复杂有机物水解成可被微生物利用的简单有机物，为后续煤发酵产酸过程的顺利进行奠定物质基础。

发酵产酸阶段：部分有机化合物氧化后产生的电子，传递给另一部分有机物，水解阶段产生的可溶性小分子物质被微生物吸收进一步转化为简单的有机物。该阶段产甲烷菌数量增殖相对缓慢，主要是直链和支链烃类的分解、利用与再分解的过程。

产氢产乙酸阶段：在这一阶段发挥作用的主要是产氢产乙酸菌群，将挥发性有机酸和醇类物质进一步分解成乙酸、二氧化碳和氢气，为产甲烷菌提供可以直接利用的营养物质。

产甲烷阶段：产甲烷阶段是微生物产甲烷的最后环节，根据上一阶段提供的营养物质类型的不同，产甲烷过程分为氢营养型、乙酸营养型和甲基营养型。氢营养型是以氢气或甲酸作为主要的电子供体还原二氧化碳产生甲烷；乙酸营养型是将乙酸裂解产生甲基基团和羧基基团，羧基被氧化生成氢气作为电子供体用于还原甲基基团生成甲烷；甲基营养型是以简单甲基化合物为基础，利用外界提供或氧化甲基化合物自身产生的电子供体还原甲基化合物中的甲基基团生成甲烷。

微生物降解煤产甲烷的影响因素

微生物降解煤产甲烷是一个多菌种参与的复杂过程，为将该技术应用于现场实践，世界各地的专家学者针对煤阶、温度、pH值、氧化还原电位、微量金属元素等方面开展了一系列研究。

煤阶影响：煤阶主要对微生物丰度、多样性及产甲烷效果存在影响。由于低阶煤演化程度较低，其中含有较多植物残留的氢氧氮物质、营养物质；此外，在煤形成过程中，有机物生成的湿气及液体烃为微生物的生命活动提供了能量。但随着煤演化程度的升高，微生物可利用的成分减少，造成丰度、多样性及产甲烷效果都有所降低。

微量金属元素影响：与人体代谢过程相同，金属元素在微生物代谢过程中一样必不可少，金属元素主要影响微生物代谢过程中多种关键酶的合成。铁、镍元素对微生物的影响大于钴元素，钴元素含量与产甲烷菌的丰度和多样性呈正相关。二价铁离子在一定浓度范围内对产甲烷的促进作用逐渐增大，而镍离子则表现出低浓度促进、高浓度抑制的现象。

温度：温度直接影响微生物的生长代谢，一般认为微生物产甲烷最适合的环境温度为30~55摄氏度。

pH值影响：pH值不仅影响微生物酶的活性，对微生物代谢过程同样存在影响。普遍认为微生物产甲烷最佳的pH值在7~8，pH值偏向酸性或者碱性都不利于甲烷生成。

矿化度影响：矿化度越高，对微生物生长的抑制性越强，一般认为适合微生物生长的环境矿化度应小于每升1万毫克。

氧化还原电位：氧化还原电位是指微生物生长环境的氧化还原情况，氧气、氧化类物质越高，氧化还原电位也越高，研究表明当氧化还原电位在-500~-370毫伏时，甲烷菌生长速率和甲烷产量最佳。

微生物增产煤层气技术的应用

2003年，美国莱克斯菲尔公司首先验证了微生物降解煤产甲烷的现场应用可行性，随后其他机构、企业在此基础上开展了大量商业化现场试验。

2006年，Luca Technologies公司在美国粉河盆地南KITTY单元进行了260口井的大规模矿场试验。试验区面积40~80平方英亩。营养物质通过重力作用注入井内，注入时间为1~2个月，试验过程中260口井中的58口井甲烷产量出现增长，见效率22%。

2007年，Next FUEL公司也在美国粉河盆地针对褐煤开展微生物激活试验，通过只添加营养物质激活原本不活跃或丰度不高的内源菌；此外，该公司还在印度尼西亚实施16口井试验，均没有达到预期目标。

2012年，Ciris公司在美国粉河盆地开展连续注入营养物质的试验。营养物质在一定压力条件下通过注入井随水进入煤层，试验井每日产水1000~2000桶。直到2013年12月，试验井无增产。

国内仅中国石油华北油田在山西晋城开展了现场试验，2015年1月26日开始现场施工，营养剂注入后关井，反应60天后产出液菌群浓度与措施前相比较增加了2~5个数量级，措施前生产平均套压0.09兆帕，措施后平均套压0.35兆帕，措施前平均日产气16.81立方米，措施后平均日产气75.13立方米。

结语

从微生物增产煤层气技术提出至今，该技术发展已有二十多年，国内外专家学者对微生物降解煤产甲烷的机理有了长足的认识，并验证了该技术的可行性，但现场应用效果喜忧参半。煤层气作为一种重要清洁能源，在世界范围内资源量巨大，目前主要通过水力压裂手段进行开发，商业达产效果有限。微生物增产煤层气技术为煤层气开发提供了一条新途径，随着相关科学问题的不断探索及技术水平的提高，微生物增产煤层气技术的前景一片光明。

作者：郭智栋 袁洋 王英明 孟文辉 刘新伟（中石油煤层气有限责任公司工程技术研究院）