生物成因煤层气生成的主控因素探讨

卢玉杰 徐 影

(1.山东科技大学地质科学与工程学院,山东 266510;2.河南理工大学资源环境学院,河南 454000)

1 引言

煤层气一般分为热成因煤层气和生物成因煤层气。长期的研究过程主要以热成因煤层气为主,但近期美国粉河盆地的煤层气开发表明生物成因煤层气具有非常重要的意义。A.R.Scott等曾估计,全球至少20%的煤层气为生物成因煤层气。另外,一些国内外学者的研究表明,由于生物成因煤层气持续生成,一些煤层气井的采出总量远远高于勘探阶段发现的资源总量。因此,了解生物成因煤层气的形成机理,对勘探开发这部分煤层气资源具有重要意义。

2 生物成因煤层气的生成途径

生物成因煤层气是微生物在较低的温度 (适宜温度30℃～55℃)条件下对有机质作用,在煤层中生成的以甲烷为主的气体。其生成途径主要有两种方式：一种是CO2还原作用;另一种乙酸发酵作用。CO2还原作用：CO2+4H2→CH4+2H2O(4H2+HCO-3+H+→CH+4+3H2O);乙酸发酵作用：CH3COOH→CH4+CO2(CH3COO-+H+→CH4+CO2)

不同的成煤环境是生物成因煤层气形成途径差异的主要原因。通常认为淡水环境以乙酸发酵作用为主要形成机制,其生成的CH4的δ13C1平均值为-59‰;海相环境以CO2还原作用为主,其生成的CH4的δ13C1平均值为-68‰。另外,有研究表明,乙酸发酵生成CH4慢于CO2还原生成CH4的速率。一些实验室模拟煤产生甲烷的结果也表明,H2/CO2促进甲烷产生,而高浓度的乙酸盐并不促进甲烷产生,因此,一般认为CO2还原是生成甲烷的主要途径。

3 生物成因煤层气的鉴别标志

自七十年代以来国内外学者提出了多种鉴别生物气的主要地球化学指标,主要为甲烷的碳、氢同位素和重烃气 (C2+3)组分含量;其次,根据甲烷中氢元素的物质来源也可以判断生物气生成途径;也有学者提出可以根据稀有气体4He/40Ar同位素比值来鉴别生物气。

根据Whiticar的研究可知,CO2还原途径形成的δ13C1值比较轻,一般小于-60‰,δDCH4值比较重,一般大于-250‰,而乙酸发酵途径形成的δ13C1值比较重,一般介于 -60‰～ -45‰之间,δDCH4值非常轻,一般小于-250‰,平均值为-318‰ (图1)。

由于地层水在生物气形成过程中可能提供氢源,并且形成途径不同地层水提供氢的数目不同,根据Whiticar等人的研究,乙酸发酵作用生成的甲烷,其氢原子主要来自甲基类有机质,其次来自地层水,而CO2还原生成的甲烷中的氢原子有可能全部来源于水。表达式如下：CO2还原作用：δDCH4≈δDH2O-180‰或δDCH4≈δDH2O-160‰;乙酸发酵作用：δDCH4≈0.25δDH2O-321‰。

图1 碳氢同位素分类图

此外,Prinzhofer A A提出用稀有气体4He/40Ar同位素比值来区分热成因气和生物气的新方法。其鉴别方法如下：由于生物气形成温度低,氦比氩容易扩散,导致4He/40Ar比值较高。而热成因气的形成温度较高,两个分子气化速率相近,该类气体中4He/40Ar比值偏低。

4 生物成因煤层气生成相关的微生物群

图2 生物甲烷生产途径示意图

微生物在生物成因煤层气生成过程中起着关键作用,由大分子煤生成生物甲烷的过程需要多种微生物菌群的共同作用。首先由种类繁多的微生物将多糖类物质、蛋白质、脂肪及核酸等各类大分子物质水解成单体和聚体,并进一步水解为醇类、丙酸、丁酸、乳酸和其他产物;然后由产氢、产乙酸细菌将这些中间产物进一步降解为乙酸、甲酸、二氧化碳和氢;最后再由产甲烷菌将乙酸、甲酸、二氧化碳和氢以及甲醇、甲胺等转化为甲烷 (图2)。

近年来,微生物与生物甲烷生成的关系引起越来越多学者的关注。张辉等对存在生物气的多种沉积环境中的微生物进行了分离,并在多数样品中检测出发酵性细菌、硫酸盐还原菌、厌氧纤维素分解菌以及产氢产乙酸菌等生成生物气相关细菌。Green等人在怀俄明州粉河盆地采取的矿井水样中,检测到有活性微生物种群的存在,并在实验室条件下证明这些微生物群能对煤作用并可生成甲烷。McIntosh等对采自在森林城盆地的煤矿水中的微生物进行富集培养,检测到发酵性细菌、CO2还原产甲烷菌以及乙酸发酵产甲烷菌。G lenn2007年在对粉河盆地多个样品的研究发现,醋酸是甲烷形成过程中的一种重要的中间产物,其向甲烷的转化率超过70%,邻苯二甲酸和苯甲酸也是常见的代谢中间产物。

以上研究表明,不同地区煤岩都存在复杂的微生物生态系统,这些微生物在生成生物甲烷的过程中可能会起到一定作用。

5 影响生物成因煤层气生成的重要条件

影响生物成因煤层气生成的因素主要包括环境的氧化还原程度、温度、pH值、矿化度、有机质丰度与有机质类型、硫酸盐和硝酸盐含量、孔隙空间以及沉积速率、沉积环境等。如表1所示。

表1 影响生物成因煤层气生成的因素

6 存在问题

(1)虽然国内外学者对生物气生成机理的地球化学特征做了很多研究,但是由于煤岩R0值和演化程度的不同,越来越多的资料显示,利用碳同位素鉴别生物气成因存在问题。

(2)甲烷的氢同位素是鉴定煤层气生成途径的重要指标,但是国内外关于用氢同位素鉴别方法的分析和探讨很少。

(3)虽然近年来地质微生物学发展迅速,但是生物成因煤层气生成机理的研究缺乏实验室证据,甲烷生成不同阶段发挥作用的微生物种类、生成条件、甲烷生成的动力学研究都存在严重不足。

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