生物成因煤层气的研究现状

葛晶丽，徐宏英，张灵利

(太原科技大学环境与安全学院，山西太原030024)

生物成因煤层气的研究现状

葛晶丽，徐宏英*，张灵利

(太原科技大学环境与安全学院，山西太原030024)

煤层气是煤层中自生自储的以甲烷为主的气体，是一种新型清洁能源和优质化工原料。而生物成因煤层气是可开采的主要煤层气，关于生物成因煤层气的研究在煤层资源利用方面有着重要的意义。本文对生物成因煤层气煤地质微生物、生物煤层气增采实验方法、成气影响因素及生成机理进行了综述，并通过总结前人的研究成果，对生物成因煤层气成气基质类型、本源微生物特别是甲烷菌的代谢过程及条件、成气过程的实验模拟等未来研究方向进行了展望。

生物成因煤层气;煤地质微生物;增采方法;成气机理

煤层气的主要成分为甲烷，在煤层中能够自生自储，煤矿中通称为瓦斯。20世纪80年代，美国学者对煤层气进行了系统研究和勘探开发，实践证明，煤层气是一种新型清洁能源和优质化工原料，且可进行大规模开采，资源潜力巨大［1］。综合考虑煤层气在煤矿灾害、大气温室效应方面的危害及其资源利用价值，可以看出煤层气的研究具有煤矿避灾、环境保护和资源利用三个方面的重大意义。煤层气的成气过程可以简述为土壤中的微生物通过生物化学作用将埋藏的动植物体转化为泥炭(泥炭化作用)，泥炭在地质作用下转化为褐煤、烟煤以及无烟煤(煤化作用)。在煤化作用阶段，泥炭发生复杂的物理化学变化，发热量和固定碳的含量增加，挥发分含量和含水量减少，同时也生成了以甲烷为主的气体，即煤层气［2］。在煤化作用过程中，有两种成气过程，即生物成因过程和热成因过程，生成的煤层气分别称为生物成因煤层气和热成因煤层气。煤层气一般是在煤层中30～55℃的适宜温度下，有机质经过微生物作用生成以甲烷为主的气体。生物成因煤层气是在有适宜物理化学条件的地质环境中，有机质经特殊的微生物群生理代谢的产物，其特点是埋藏浅、易开发、成本低。关于生物成因煤层气，国内外许多学者已经进行了大量的成气机理实验研究及成气过程模拟，并且取得了较好的研究成果。本文依据近年发表的文献资料，从新的角度对生物成因煤层气的研究进行总结，主要对煤地质微生物、生物煤层气增采实验方法、成气影响因素及生物成因煤层气生成机理进行综述，并对生物成因煤层气的未来研究作展望。

1 煤层地质微生物的研究

国内外学者在厌氧细菌的分离培养、计数统计、酶活性以及成气模拟等方面对煤层地质微生物进行了大量研究，并且取得了一定的成果。王爱宽等［3］对褐煤中产甲烷菌厌氧富集培养，并利用最大概率法对厌氧细菌进行计数，实验表明生物气成气量的变化趋势与产甲烷菌的繁殖趋势相似，经过了生气量平缓增长、显著增多、趋于减缓三个阶段，同时，产甲烷菌在第一阶段缓慢繁殖后，在第二阶段中其活性和数量达到较高水平。刘洪林等［4］以我国西北部低煤阶煤层为研究对象，从其样品中筛选出产甲烷菌并进行了实验室研究，结果表明该煤层中存在的产甲烷菌在适宜条件下可以对煤及煤层中有机质进行分解进而产生甲烷。张辉等［5］研究了可以存在生物成因煤层气的几种沉积环境中的微生物，并对其进行了筛选分离。发酵性细菌、硫酸盐还原菌、产氢产乙酸菌及厌氧纤维素分解菌等生成生物气相关的细菌都能被分离出来。有学者对加拿大西部煤层气井做了研究，证实其中存在完整的产甲烷菌生态系统，但由于煤层的营养条件相对贫瘠，这些产甲烷菌群的活性受到了限制［6］。Green等［7］从美国粉河盆地的煤矿中采集了水样，经过检测发现，其中存在活性微生物菌群，并对其进行实验室研究，证明煤层可在这些微生物的作用下生成甲烷。煤层生物菌群的发现以及对其生理活性和煤厌氧降解过程的研究证明煤岩能够被其中的本源菌群降解并产气。

王爱宽等［8］为探明微生物菌群在褐煤生物气生成过程中的作用机制，利用厌氧手套箱为操作平台从云南昭通盆地新鲜褐煤样品中富集培养本源产甲烷菌群，并通过褐煤生物气生成模拟实验，研究了产气过程中发酵细菌、产氢产乙酸菌数量和纤维素酶、辅酶F420活性的变化特征。研究结果［9］表明，发酵细菌的活性在生物气成气过程中始终保持着较高水平。产氢产乙酸菌与发酵细菌相比，数量变化趋势相似，但其数量和增殖速率明显小于发酵细菌，两者在营养生态位上显示明显的承继关系。而对酶类的研究发现，纤维素酶始终保持较高的活性，辅酶F420活性会受到产酸发酵菌所产生的酸性物质的抑制。辅酶F420活性在褐煤成气过程中出现了两个高峰期，这可能表示褐煤的生物气生成过程具有阶段性。

国内对于煤层微生物的研究更集中于对煤层中菌种的筛选分离、特性及酶活性的研究，并且由于经济发展、科技技术、发展时间及对新能源的关注等因素的影响，大部分国内学者的研究局限于此阶段。国外对生物成因煤层气已有三十多年的关注及研究［10-11］，在煤层地质微生物方面的研究相对来说较为成熟［12-14］，更为关注煤层伴生水及其他附属物中的菌种研究［15-17］，并且对菌种的研究深入到了分子化学水平［18］。

实验过程中在对煤层中微生物的数量、分布进行统计时，国内研究者基本采用MPN计数法。该方法的局限性在于仅仅能计量所采煤样中具有特殊生理功能和活性的细菌数，并且只有极少量的细菌能够被分离培养。近些年，国外的研究者们开始采用分子生态学技术和高通量测序技术研究煤层中的微生物多样性及其特征［19］，其基础理论为16S RNA序列系统发育学［20］。在采集的样品中提取出产甲烷菌的16S RNA或DNA，将其与已有的系统发育树数据库进行对比，能够确定具体产甲烷菌的种类及性质。这种技术为更好地了解生物成因煤层气的成气机理提供了可靠的理论依据。王爱宽［9］、Michael等［21］以美国粉河盆地上煤层气井为研究对象，采集其煤层水样，从中筛选分离出本源产甲烷菌，研究发现这些产甲烷菌能够利用煤作为主要基质。同时，他们还利用古细菌16S RNA基因分析方法及细菌系统分析方法，对微生物不同的菌群类型进行辨别，并证实这些产甲烷菌是通过乙酸发酵方式产生生物甲烷的。刘建明等［22］以鄂尔多斯盆地煤层气井为研究对象，采用454焦磷酸测序法对其水样中的微生物菌种进行分析，结果表明在古生菌中甲烷叶菌属占绝对优势。其中变形菌门是主要的细菌，它们在水样微生物中所占的比例与在水样中所占的比例相似。

近些年，国内外在煤层地质微生物研究方面取得了丰硕的成果，但是相对国外研究来说，国内相关研究较为薄弱。因此，对国外煤层地质的研究趋势及进展多加了解，是推动我国煤层地质研究发展的重要途径。

2 方法生物煤层气增采实验方法的研究

Scott等［23］在20世纪末提出了煤层甲烷微生物增化开采(microbially enhanced coalbed methane)的概念，即为了更便于煤层气的开采，将产甲烷菌群和其所需的营养物质注入煤层，煤层中的沥青质、煤和石蜡等经过微生物的降解作用产生甲烷以提高煤层中甲烷的含量。Baker等［24］的一些研究表明，只向煤层中注入营养物质来激活其中的本源菌也能有同样甚至更佳的效果，这是由于微生物可以利用从较低级煤中提取出来的富含小分子量的有机物进而产气。采用人工接种微生物和人工激活煤层中本源微生物的方法是具有重要的能源和资源意义的煤炭气化开采新方法。

美国怀俄明州一家公司采用BCBM生物煤层气技术(低值煤转化为天然气技术)对泥煤、褐煤等低值煤中本来缓慢的生物成因煤层气反应进行加速，并在常规煤层气开采的基础上研究出一套生物煤层气开采机制(多井加注循环技术)。该技术设置两口井，1号井用来加注添加剂循环到2号井，同时2号井产气采气。其生物加速过程是向地下煤层加注专有添加剂，萃取煤中的杂质并提供给微生物加以利用;激发并促进煤层中原生微生物(特别是产甲烷微生物)的生长代谢;加速和维持甲烷生成所涉及的生化路径，促使产生煤层气。

Orem等［25］将不同类型的微生物混合后加入到模拟亚烟煤的地质环境条件中，在添加营养物质的条件下，对微生物分解亚烟煤和产甲烷的能力进行研究，结果表明，适量的醋酸盐有利于微生物生成甲烷，提高甲烷产量。苏佳纯等［26］提出了一种利用微生物促进ECBM(注烟道气提高煤层气采收率技术)埋藏CO2甲烷化的新方法。该方法将注入CO2驱采煤层气、微生物降解煤技术集约整合，通过产甲烷菌将因驱替煤层气而吸附在煤层表面的CO2转化为甲烷，从而达到提高煤层气采收率同时减排CO2的目的。苏现波等［27］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、CO2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。评价结果表明采用产甲烷菌-白腐真菌联合培养的方案五为最优化方案。研究生物煤层的生成机理和过程的实验方法都还处于探索阶段，几乎没有成熟的理论技术支持。因为煤层气的生成是漫长而复杂的有机生物地球化学过程，无法用现场研究的方法进行研究。相对来说，实验模拟方法是研究煤层生物气生成的有效方法，可以在实验室中创造尽量接近自然的条件，同时优化有利条件，屏蔽不利条件，缩短产气过程。

目前我国开发煤层气田的技术还有待研究与探索。究其原因，是因为我国的成煤地质条件与北美大陆差别很大，地质构造多样复杂，地层具有多期叠加性［28］。因此，我国的煤层气勘探开发不能完全借鉴美国煤层气的基础理论，只能通过实验模拟，探索出一套具有实际指导意义的基础理论。

3 生物成因煤层气影响因素

生物成因煤层气生成的影响因素有很多，从地质因素来看主要有内部因素和外部因素。

3.1 内部因素

有机质丰度、有机质类型和有机质成熟度等都是生物成因煤层气成藏的内部影响因素，最主要的内部因素为有机质成熟度。生物成因煤层气的成气底物来源广泛，其中陆源植物碎片等有机质类型是主要的成气底物［29］。煤层生烃能力的大小可以用有机质丰度来衡量，而在煤层有机质中，有机质丰度又可用煤层厚度来衡量。韦重韬［30］建立了煤层生气量和含气量受不同煤层厚度影响关系的数值模拟模型，研究表明煤层的厚度与其绝对生气量和含气量呈正相关，同时，厚煤层的相对散失量较少。这是由于煤层越厚，煤层有机质丰度会越高，则微生物可降解的营养物质就越多，因此，煤层越厚越有利于生物成因煤层气成气及储藏。鲍园［31］的研究表明，次生生物成因煤层气的煤层含气量和累计生气量相对较大的煤层，在发生二次微生物降解时，煤岩镜质组最大反射率在0.8%左右。

3.2 外部因素

环境的氧化还原程度、盐度、pH值、温度、孔隙空间以及沉积速率、沉积环境等都是影响生成生物成因煤层气的主要因素。同时，生物成因煤层气的生成速率和生成量会受到渗透性、煤的暴露表面积、溶解性和微生物量等参数的共同制约。

产甲烷菌要利用煤层间有机质及CO2产生甲烷，因此强还原环境(Eh＜－200 mV)有利于生物煤层气的生成。产甲烷菌群出现的温度范围很宽，0～70℃均检测到其存在［32］，但在4～45℃的温度范围内，温度与甲烷产率呈正相关。因此，次生生物成因煤层气应在相对低的温度环境下较易生成。许多学者的研究已表明，甲烷细菌数量随着盐度的增加而减少。由此可见，盐度的增加不利于生物成因煤层气的生成［33］。

较高的沉积速率对储藏有机质有很大的贡献，并可以有效地减少浅层煤层气散失，同时在沉积速率较高的地区，厌氧微生物通过快速埋深而被带入深层，使其活动深度增加。但沉积速率过快也可能破坏盖层，降低有效的圈闭，使煤层气向更浅的地层运移或散失［31］。微生物的存活范围为3 000 m的深度［34］，一般产甲烷菌群存在于深度800～1 300 m之间［35］，但生物成因煤层气的埋藏深度比产甲烷菌群的存在深度要深，如学者们在对密西西比州煤层气藏进行勘探后发现，该地区较新的沉积物中有埋藏深度达到4 600 m的生物成因气藏［36］。美国怀俄明州的那家公司所采用的BCBM生物煤层气技术实施条件:煤层具有一定的活性;煤层水分含量大于20%;煤层埋藏深度通常为20 m，黏土层为5 m，厚度通常为3 m;煤层通透率大于0.03 Darcy。

4 生物成因煤层气生成机理研究

随着大量次生生物成因煤层气的发现，生物成因煤层气的生成机理成为研究热点和重点。而煤层气的生物成因又可以进一步分为原生生物成因和次生生物成因。

4.1 原生生物成因煤层气的生成机理

各国学者常用传统的厌氧发酵“四阶段”理论来解释原生生物成因煤层气的生成机理［37］。甲烷生成主要有以下两种方式:一种是产甲烷菌的CO2还原作用，另一种是乙酸发酵作用，即:

CO2还原作用:CO2+4H2→CH4+2H2O

乙酸发酵作用:CH3COOH→CH4+CO2

经过前期兼性细菌作用以及耗氧，沉积环境逐渐转变为厌氧环境，进而低煤级煤或泥炭在兼性厌氧菌和厌氧菌的作用下形成原生生物成因煤层气。但正常情况下，煤层中无法储存大量的原生生物气［38］。这是由于原生生物气形成于煤化作用的早期阶段，存在于早期的低变质煤或者泥炭孔隙中，本身泥炭及低变质煤对气体的吸附作用就比较弱，而且其中孔隙较少，并且压力低、埋藏浅［39］。所以，能被发现及开采的几乎都是次生生物成因煤层气。

4.2 次生生物成因煤层气的生成机理

次生生物成因煤层气是经过厌氧细菌(如产甲烷菌等)代谢产生的。沉积环境经过煤化作用后，地表水的渗入将可以分解煤化作用后的煤的细菌带入煤层中，通过这些细菌的作用产生次生生物成因煤层气。

煤的基本结构是缩合芳香体系，主要结构是芳环、脂环和杂环。一些研究地球化学的学者发现，从煤中可以萃取出缺少短链的正烷烃类，同时，异构烷烃在低分子量烃类中占绝对优势，脂肪烃中主要成分是异戊二烯类化合物，这些研究结果能够证明煤岩可以在微生物的作用中作为生气基质而产生次生生物成因煤层气［40-42］。

Gao等［43］以不同深度煤层作为研究对象，从煤样中萃取出脂肪烃和芳香烃等有机物质。他们认为这些物质标志着生物降解过程的出现，并且可以通过这些参数来判断不同深度煤层中生物降解可能性的大小。微生物作用将煤分子中的共价键或官能团切开，变成小分子结构片段。微生物产生的胞外酶作用于这些小的煤分子产生不同的中间产物，最后这些中间产物经过发酵作用和氧化作用成为产甲烷底物被产甲烷菌利用而生成甲烷。

陶明信等［44］的研究则认为煤层中的产甲烷菌是直接作用于乙酸、CO2、甲基、H2等这些并不是人们通常认为的煤岩物质。这些物质在煤岩中大量生成或者储存，进而被利用产生大量次生生物气。煤系地层水样中筛选分离出的活性产甲烷菌产生的甲烷经检测富含12C，同时水样中DIC (溶解无机碳)的含量随着具生物成因同位素特征的水溶甲烷的浓度以及δ13CDIC值的增大而增大。这些研究都清晰地揭示了次生生物煤层气的生成过程和其相关物质间的内在成因关系。

因此，要进一步探究次生生物成因煤层气的生成机理，首先要从煤层中的微生物类群入手，分离筛选出能够利用煤的菌种，对不同菌种作用于煤分子结构的方式进行分析，以确定作用于有机小分子的微生物酶类，其次需要确定煤层间小分子物质及煤层间物质的形成机理。目前，已有部分微生物和生物酶被发现，但是产生生物成因煤层气的微生物种类、成气底物和生气过程的物化条件等仍需要进行系统研究。

5 研究展望

生物成因煤层气的生成是一个综合物理、化学、生物、煤层地质、地球科学等多学科知识的一个复杂过程，其成气机理、成气过程以及成气条件有待进一步研究探讨分析。①了解煤的理化特性及化学组成，有助于深入探究生物成因煤层气的成气基质种类、成气效率及成气条件。②在今后对生物成因煤层气的研究中，应重视对煤层中本源微生物的进一步研究。对不同地区不同种类煤层进行本源微生物的分离纯化，全面了解参与生物成气的微生物种类、数量、相互关系及其所起的作用。③产甲烷菌是生物成因煤层气生成过程贡献最大的一类菌群。因此，可从产甲烷菌的代谢机制、代谢产物及其接近自然的代谢条件等方面入手进行深入研究，同时将基因测序技术和代谢工程学技术融入其中，以探明生物成气机理。④继续进行生物成因煤层气成气过程的实验模拟，以探索成气的最佳条件。在了解煤层理化特性及地质水文状况基础上，于实验室模拟实际煤层环境条件进行成气研究，了解一些环境因子对生物成气过程及成气效率的影响，建立一套高效生物成因煤层气成气技术，以提高现有煤层气开采效率及进行规模化地面煤生物成气。

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Research Status Quo of Biogenic Coal-Bed Methane

GE Jing-li，XU Hong-ying，ZHANG Ling-li
(Coll.of Environ.＆Safety，Taiyuan Uni.of Sci.＆Technol.，Taiyuan 030024)

Being self-generated and self-stored in coal seam，coal-bed gas is mainly consisting of methane，it is a kind of new clean energy and high-quality chemical raw material.Since biogenic coal-bed gas makes up the main minable coal-bed gas，the research on biogenic coal-bed gas has great significance in the use of coal bed resources.The following aspects were summarized in this article:Coal geological microbiology，experiment method of increasingly mining biogenic coal-bed gas，influence factors and forming mechanism of biogenic coal-bed gas.Through the summary of previous research outcomes of the predecessors，the type of substrate forming of the biogenic coal-bed gas，the metabolic process and condition of native resource microorganisms，especially methano-bacteria，and experimental simulation and the future direction study of the biogenic coal-bed gas forming process are also prospected in this paper.

biogenic coal-bed gas;coal geological microbiology;methods to increase biogenic coal-bed gas;forming mechanism of coal-bed gas

Q89

A

1005－7021(2016)04－0090－06

10.3969/j.issn.1005-7021.2016.04.016

山西省科技攻关项目(20120313011-2);山西省水利厅科技研究与推广项目(2015SHJ3)

葛晶丽女，硕士研究生。主要研究方向为环境微生物学。E-mail:634982208@qq.com

*通讯作者。女，博士，研究员。主要研究方向为环境微生物学。E-mail:xhy6418@126.com

2015-11-17;

2015-12-22