任付平韓長勝王玲欣鄭雅郭素貞劉斌

1.華北油田公司采油工程研究院； 2.華北油田公司二連分公司；3.渤海鉆探工程有限公司第二錄井分公司；4.華北油田公司煤層氣勘探開發(fā)指揮部

微生物提高煤層氣井單井產(chǎn)量技術(shù)研究與實踐

任付平1韓長勝2王玲欣3鄭雅1郭素貞1劉斌4

1.華北油田公司采油工程研究院； 2.華北油田公司二連分公司；3.渤海鉆探工程有限公司第二錄井分公司；4.華北油田公司煤層氣勘探開發(fā)指揮部

為評價微生物提高煤層氣井產(chǎn)量技術(shù)，向厭氧瓶中添加一定量的煤和利用煤層產(chǎn)出液配置的營養(yǎng)液，開展了煤層微生物降解煤產(chǎn)氣實驗研究。與煤層產(chǎn)出液相比較有益菌群濃度增加3～6個數(shù)量級，每毫升營養(yǎng)液產(chǎn)氣量為2.84 mL，煤層微生物經(jīng)過營養(yǎng)劑激活后，反應(yīng)早期產(chǎn)生氣體主要為N2、H2和CO2，CH4含量較低，隨著反應(yīng)時間延長CH4氣體含量逐漸增加，X射線衍射表明煤微晶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。說明通過微生物與煤相互作用產(chǎn)生生物氣體、降解煤組分，能增加煤層通透率促進甲烷氣體的解吸，從而提高煤層氣單井產(chǎn)量。在室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上開展現(xiàn)場先導(dǎo)試驗1井次，現(xiàn)場共注入微生物工作液230 m3，措施前該井平均日產(chǎn)氣量16.81 m3，平均套壓為0.09 MPa，措施后該井日產(chǎn)氣75.13 m3，平均套壓0.35 MPa，截至2015年底累計產(chǎn)氣14 100 m3，目前正在持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)，達到了注微生物提高煤層氣井單井產(chǎn)量的目的。

煤層氣；單井產(chǎn)量；微生物；生物氣；礦場試驗

中國的煤層氣儲量約為36.8萬億m3，占全球總量的15%，位居世界第3位，其中的高煤階煤層氣資源占總資源的27.6%以上，但高煤階氣具有低滲和難脫附的特點，限制了常規(guī)開采技術(shù)的應(yīng)用［1-2］。1999年，Scott提出了微生物增產(chǎn)煤層氣的概念［3］，但是向煤層中注入外源菌群應(yīng)用成本相對較高，同時外源菌群還存在與煤層環(huán)境適應(yīng)的問題，利用煤層內(nèi)源菌群可以解決這一問題［4］。

利用微生物在煤層產(chǎn)生生物氣體提高煤層氣井產(chǎn)量與煤層氣注氣增產(chǎn)技術(shù)機理相似。國內(nèi)外已經(jīng)將注氣增產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用到了礦場，并取得了較好的實施效果。注氣增產(chǎn)法常用的注入氣體為N2和CO2，其主要機理是利用不同氣體在煤層中的吸附能力不同，N2、CO2可與甲烷競爭吸附，從而破壞煤層中甲烷的吸附平衡狀態(tài)，使甲烷解吸出來［5-6］。注氣增加儲層能量，提高儲層壓力傳導(dǎo)系數(shù)并產(chǎn)生競爭吸附置換效應(yīng)，從而提高煤層氣開采時的單產(chǎn)量及采收率［7］。1995年，美國西南部的圣胡安（Sun Juan）盆地進行了世界上首次CO2驅(qū)替煤層氣的現(xiàn)場試驗，該技術(shù)的應(yīng)用使得煤層氣產(chǎn)氣量增加了150%，采收率達95%［8］。2008年，潞安礦業(yè)集團在常村煤礦N1-2尾巷進行了空氣驅(qū)替煤層氣試驗，可以將鉆孔煤層氣濃度提高58%，流量提高80%，證實了混合氣體驅(qū)替煤層氣技術(shù)的可行性。應(yīng)用注氣增產(chǎn)技術(shù)需要探索和發(fā)展制氣和注氣等技術(shù)，在施工過程中對注入設(shè)備要求高，施工費用高，并且增加了不安全因素。通過向煤層補充營養(yǎng)物質(zhì)將其激活，利用煤層內(nèi)源微生物在煤層氣內(nèi)部的生長繁殖產(chǎn)生N2、CO2、CH4等生物氣體促進CH4從煤層解吸，提高煤層氣單井產(chǎn)量可以解決注氣方式的缺點［9］。為提高高階煤煤層氣井產(chǎn)氣量，筆者對高階煤煤層中的內(nèi)源微生物與煤相互作用的性能進行了評價，確定了微生物的產(chǎn)氣規(guī)律及其對煤的降解作用，并開展現(xiàn)場先導(dǎo)試驗1井次。由于微生物能夠在煤層內(nèi)部產(chǎn)生N2、H2和CO2、CH4，能夠更加有效地促進煤層氣的解吸。同時，微生物降解煤中的小分子有機組分，還可以增加煤層通透性。利用煤層內(nèi)源菌提高煤層氣產(chǎn)量是提高煤層氣采收率的一項新技術(shù)，為煤層氣開發(fā)提供新的開發(fā)手段。

1　實驗材料和方法

Experimental materials and methods

1.1實驗材料

Experimental materials

（1）實驗材料：細菌測試瓶（江漢石油學(xué)院生產(chǎn)）、螺紋瓶口厭氧瓶（?？死箤嶒炂鞑挠邢薰荆?，YQX-II型厭氧培養(yǎng)箱（上海茸研儀器有限公司）、GC-7820氣相色譜儀（安捷倫），DHZ-CA恒溫搖床（江蘇太倉儀器廠），氣體收集袋（日本MITSUBISHI C-1）、50 mL注射器（醫(yī)用）等。

（2）山西晉城鄭1區(qū)塊煤層水及煤樣：煤層產(chǎn)出水礦化度為3 204.85 mg/L，水型為碳酸氫鈉型，離子組成為：K++Na+濃度1 008.6 mg/L、Mg2+濃度2.30 mg/L、Ca2+濃度9.60 mg/L、Cl-濃度686.1 mg/L、HCO3-濃度1 455.90 mg/L、CO32-濃度34.20 mg/L。

1.2實驗方法

Experimental methods

（1）菌群檢測：參照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0532—935油田注人水細菌分析方法中的三管平行法測定樣品中的菌群種類和含量。

（2）產(chǎn)氣試驗：樣品1先添加100 g煤于250 mL厭氧瓶中，再向其中添加煤層產(chǎn)出液，瓶口處留少量空間用來收集氣體；樣品2先將煤層產(chǎn)出液配制的營養(yǎng)液250 mL置于厭氧瓶中，不添加煤樣品；樣品3先將100 g煤樣品置于250 mL厭氧瓶中，再加入煤層產(chǎn)出水配置的營養(yǎng)液，瓶口處留少量空間用來收集氣體。實驗操作均在厭氧培養(yǎng)箱中進行，將3組配置好的樣品置于煤層溫度32 ℃恒溫培養(yǎng)箱中，靜置培養(yǎng)，每天測定氣體產(chǎn)生量和氣體組分。

（3）氣體組分分析：在不同時間對實驗樣品氣體組分進行取樣，用HP6890Plus 四閥五柱氣相色譜儀對產(chǎn)出氣進行分析。測定條件為：柱溫50 ℃，進樣口溫度100 ℃，載氣為氮氣。

2　實驗結(jié)果及討論

Experimental results and discussions

2.1煤層內(nèi)源菌分析

Analysis on coalbed endogenous bacteria

要利用煤層內(nèi)源菌群增產(chǎn)煤層氣，首先需要對煤層中的菌群種類及濃度進行測定，在國內(nèi)外均已開展了煤層菌群的研究。其中，中國的王艷婷等［10］從山東省兗煤菏澤能化公司某煤礦地下深度936 m處坑道頂板處煤層水樣品分離出煤層微生物，通過對微生物和煤相互作用評價，驗證了煤層微生物具有將褐煤中有機組分轉(zhuǎn)化為甲烷的能力。經(jīng)過馴化后可以增加褐煤生物產(chǎn)氣量及縮短產(chǎn)氣周期。

首先對煤層產(chǎn)出液中的菌群種類及濃度進行了分析，利用細菌測試瓶對鄭1區(qū)塊鄭1-312、鄭1-41、鄭1-42、鄭1-165井產(chǎn)出液中的菌群種類進行測定，測定結(jié)果見表1。

表1　煤層內(nèi)源菌檢測結(jié)果　個/mLTable 1 Testing results of coalbed endogenous bacteria（CFU）

反硝化菌群、硫酸鹽還原菌為甲烷菌群（Eh＜-300 mV）生長繁殖提供厭氧環(huán)境；發(fā)酵菌、腐生菌為產(chǎn)甲烷菌群生長繁殖提供營養(yǎng)底物（甲酸、乙酸、琥珀酸、CO2和H2）；產(chǎn)甲烷菌在厭氧環(huán)境下將細菌代謝產(chǎn)生乙酸、二氧化碳、氫氣還原為甲烷。由以上實驗結(jié)果可以得出，煤層中含有內(nèi)源菌群，能夠利用營養(yǎng)劑激活煤層內(nèi)源菌，降解煤組分和產(chǎn)生生物氣體。但是煤層內(nèi)的微生物在自然狀態(tài)下生物活性比較低，煤的微生物轉(zhuǎn)化速率非常慢，通常需要幾個月甚至幾年的時間才能得到一定量的甲烷。有研究人員提出添加包括氨、磷酸鹽、酵母提取物、胰蛋白胨、微量金屬元素及維生素等營養(yǎng)物質(zhì)強化產(chǎn)氣［5-6］，因此，要想提高煤層菌群活性需要向煤層補充合適的營養(yǎng)劑。

2.2內(nèi)源菌激活實驗

Endogenous bacteria activation experiment 2.2.1 產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣規(guī)律 對配置好的樣品記錄產(chǎn)氣情況，根據(jù)產(chǎn)氣情況及時開展氣體組分檢測，3組試驗樣品產(chǎn)氣曲線見圖1～圖3，其中煤層產(chǎn)出液中添加煤的樣品1在放置1 d后只產(chǎn)生少量氣體，氣體量為12 mL，后期不再產(chǎn)氣，對產(chǎn)生的氣體組分檢測其中含有2.215%的甲烷氣體，說明煤樣品中吸附有甲烷氣體，在實驗過程中氣體解吸。通過向煤層產(chǎn)出液中添加營養(yǎng)劑并激活內(nèi)源菌，樣品產(chǎn)生了生物氣體，只添加營養(yǎng)劑不添加煤的試驗樣品，產(chǎn)氣時間較短，產(chǎn)氣量少僅為61.5 mL。添加營養(yǎng)劑和煤的實驗樣品產(chǎn)氣量隨時間的延長而增加，出現(xiàn)3個產(chǎn)氣高峰期，第1個高峰期為培養(yǎng)后7 d內(nèi)，第2個產(chǎn)氣高峰為培養(yǎng)15～20 d，第3個產(chǎn)氣高峰為24～38 d。46 d后反應(yīng)基本穩(wěn)定，產(chǎn)生的氣體總量為567 mL，每毫升營養(yǎng)液產(chǎn)氣2.84 mL。由以上實驗可以得出煤樣品和煤層產(chǎn)出液中菌群對微生物產(chǎn)氣同樣重要。

圖1　煤和產(chǎn)出液樣品產(chǎn)期曲線Fig. 1 Production curve of coal and produced fluid samples

圖2　只添加營養(yǎng)劑樣品產(chǎn)氣曲線Fig. 2 Gas production of samples only with nutrient fluid

圖3　添加營養(yǎng)劑和煤樣品產(chǎn)氣曲線Fig. 3 Gas production of samples with nutrient fluid and coal

2.2.2氣體組分分析 對不同時間收集的氣體樣品組分進行分析，只添加營養(yǎng)劑的樣品2由于產(chǎn)氣量少，只開展了1次氣體組分分析，氣體組分中二氧化碳含量為5.667%、氮氣含量為94.333。既添加營養(yǎng)劑又添加煤的實驗樣品3氣體組分檢測結(jié)果見圖4。

圖4　氣體組分含量變化曲線Fig. 4 Variation of gas composition content

只添加營養(yǎng)劑不添加煤的樣品，產(chǎn)生的氣體組分只有N2和CO2。而添加營養(yǎng)劑和煤的實驗樣品，氣體組分有N2、H2、CO2和CH4，且在3個產(chǎn)氣高峰氣體組分發(fā)生變化，CH4含量逐漸升高，N2、H2和CO2含量逐漸降低。第1個產(chǎn)氣高峰（培養(yǎng)7 d）氣體組分主要為N2、H2、CO2，第2個產(chǎn)氣高峰（15～20 d）3種氣體含量開始降低、CH4氣體含量逐漸升高，第3個產(chǎn)氣高峰（24～38 d）CH4含量升高到90%以上。分析原因，在培養(yǎng)早期添加有機碳源和無機氮源營養(yǎng)物質(zhì)將煤層內(nèi)源菌激活，激活后的發(fā)酵菌和腐生菌群首先進行生長繁殖消耗樣品中的氧氣產(chǎn)生CO2，然后反硝化菌、硫酸鹽還原菌等厭氧細菌開始生長產(chǎn)生N2、H2，進一步降低樣品氧化還原電位，最后產(chǎn)甲烷古菌開始利用早期微生物代謝產(chǎn)生的H2和CO2為營養(yǎng)底物生長并產(chǎn)生甲烷氣體。將營養(yǎng)劑注入煤層激活其中微生物，通過微生物產(chǎn)生N2和CO2可以促進煤層甲烷的解吸，產(chǎn)生的CH4能夠增加煤層氣產(chǎn)量。

2.2.3激活后菌群檢測 利用細菌測試瓶對激活后菌群種類及數(shù)量進行檢測，以鄭1-312井為例，檢測結(jié)果見表2。

表2　激活后菌群檢測結(jié)果　個/mLTable2 Testing results of bacteria community after being activated

添加煤樣的實驗樣品菌濃增幅比不添加煤的樣品高，特別是產(chǎn)甲烷菌群在有煤組分存在的條件下增加3個數(shù)量級，說明煤樣品中含有重要的微生物菌群。通過添加營養(yǎng)物質(zhì)激活了內(nèi)源菌群，使其濃度增加3～6個數(shù)量級。同時激活的反消化菌群能夠抑制硫酸鹽的生長，其菌濃僅增加1個數(shù)量級，避免了硫酸鹽還原菌生長繁殖過程中的負面影響。

2.2.4微生物作用前后煤結(jié)構(gòu)分析 利用X射線衍射的方法對微生物作用前后煤樣品微晶結(jié)構(gòu)進行分析，分析結(jié)果見表3，微生物代謝后，芳香碳層面間距d002增大，堆砌度Lc和延展度La減小。因為微生物對煤具有降解作用，加劇了煤大分子結(jié)構(gòu)在空間排列的不規(guī)則趨勢，隨著大分子物質(zhì)的降解，芳香層片直徑也隨之減小。由于煤分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，還需要進一步開展微生物作用前后煤結(jié)構(gòu)分析。

表3　微生物作用前后煤樣品微晶結(jié)構(gòu)分析結(jié)果Table 3 Micro-crystal structure of coal samples before and after microbial action

2.3礦場先導(dǎo)試驗

Field pilot test

選擇山西晉城鄭1區(qū)塊煤層氣井鄭1-312開展現(xiàn)場先導(dǎo)試驗。該井煤層埋深780 m，煤層溫度32℃，適合微生物生長繁殖。注入配液用水煤層氣井排采水液，2015年1月26日開始現(xiàn)場施工，總注入量230 m3，營養(yǎng)劑質(zhì)量分數(shù)1.4%，注入壓力由4 MPa升高到9 MPa，注入排量9.6 m3/h，措施后關(guān)井反應(yīng)60 d。措施前后菌群分析結(jié)果見表4，鄭1-312井生產(chǎn)曲線見圖5。關(guān)井反應(yīng)60 d后煤層產(chǎn)出液菌群濃度與措施前相比較增加了2～5個數(shù)量級，隨著鄭1-312井排采時間延長，由于煤層營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，菌群濃度開始下降。目前菌群濃度與措施前相比較高1個數(shù)量級。措施前生產(chǎn)前平均套壓0.09 MPa，措施后平均套壓0.35 MPa，措施前平均日產(chǎn)氣16.81 m3，措施后平均日產(chǎn)氣75.13 m3，截至2015年12月31日累計產(chǎn)氣14 100 m3，微生物措施起到了穩(wěn)產(chǎn)增氣的目的。該井還在繼續(xù)跟蹤監(jiān)測，同時，正在準(zhǔn)備開展下一輪次的礦場試驗。

表4　鄭1-312井措施前后菌群檢測結(jié)果　個/mLTable 4 Testing results of bacteria community in Well Zheng 1-312 before and after the treatment

圖5　鄭1-312井措施前后生產(chǎn)曲線Fig. 5 Production curve of Well Zheng 1-312 before and after the treatment

3　結(jié)論及認識

Conclusions and cognitions

（1）煤層內(nèi)源菌群在營養(yǎng)劑激活后，需要以煤組分作為營養(yǎng)底物或者需要在有煤存在的環(huán)境下才能進行持續(xù)的生長繁殖，產(chǎn)氣過程中首先產(chǎn)生N2、CO2H2，隨著反應(yīng)時間延長甲烷氣體含量逐漸升高，符合產(chǎn)甲烷菌群的產(chǎn)氣規(guī)律，能夠利用煤層內(nèi)源菌群增產(chǎn)煤層氣。

（2）利用注氣增產(chǎn)煤層氣的技術(shù)機理，通過向煤層補充營養(yǎng)劑，使微生物生產(chǎn)繁殖產(chǎn)生的N2、H2、CO2和CH4生物氣體，促進煤層甲烷的解吸。同時，微生物作用還可降解煤組分，增加煤層的通透率，利用微生物在煤層的綜合反應(yīng)提高煤層氣單井產(chǎn)量。

（3）通過礦場先導(dǎo)試驗，驗證了微生物具有增產(chǎn)煤層氣單井產(chǎn)量的潛力，目前正在準(zhǔn)備開展下一輪次的礦場試驗。

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（修改稿收到日期 2016-04-07）

〔編輯 付麗霞〕

Microbially enhanced CBM well production rate technology and its application

REN Fuping1， HAN Changsheng2， WANG Lingxin3， ZHENG Ya1， GUO Suzhen1， LIU Bin4
1. Oil Production Engineering Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company， Renqiu， Hebei 062552， China；2. Erlian Oilfield Company of PetroChina Huabei Oilfield Company， Xilingol League， Inner Mongolia 026000， China；3. No.2 Logging Company of PetroChina Bohai Drilling Engineering Company Limited， Renqiu， Hebei 062552， China；4. CBM Exploration and Deνelopment Headquarter of PetroChina Huabei Oilfield Company， Renqiu， Hebei 062552， China

In order to evaluate the microbially enhanced coalbed methane （CBM） well production rate technology， an experimental study was performed on the gas generation through microbial coalbed degradation by adding a certain amount of coal and the nutrient solution prepared with produced coalbed fluid into the anaerobic bottle. The effective microbial community density of nutrient solution was 3-6 orders of magnitude higher than that of the produced coalbed liquid. Gas production per milliliter of nutrient liquid was 2.84 mL. After the coalbed microbes were activated by the nutrient solution， N2， H2and CO2were the dominant products with lower CH4content at the early stage of reaction. With the proceeding of reaction， CH4content increased gradually. The X-ray diffraction suggests the structural changes of coal micro-crystal. It is indicated that the interaction between microbes and coal allows for the generation of biogas and the degradation of coal composition， thereby improving the coalbed permeability. And consequently， methane desorption is promoted and CBM well production is increased. After the laboratory experiment， field pilot test was conducted in one well time by injecting 230 m3microbial fluid. Before the treatment was made， average daily gas production rate of this well was 16.81 m3and average casing pressure

coalbed methane （CBM）； well production rate； microbe； biogas； field test

任付平（1980-），2007年獲西北大學(xué)微生物學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，主要從事微生物采油技術(shù)研究，高級工程師。通訊地址：（062552）河北省任丘市華北油田采油工程研究院。電話：0317-2756425。E-mail：cyy_renfp@petrochina.com.cnwas 0.09 MPa. After the treatment was made， its average daily gas production rate was 75.13 m3， average casing pressure was 0.35 MPa and cumulative gas production was 14 100 m3. At present， this well is at stable production stage. Obviously， the purpose of enhancing CBM well production rate by microbe injection is reached.

TE377

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0395- 06

10.13639/j.odpt.2016.03.023

REN Fuping， HAN Changsheng，WANG Lingxin， ZHENG Ya， GUO Suzhen， LIU Bin. Microbially enhanced CBM well production rate technology and its application［J］. Oil Drilling & Production Technology，2016，38（3）: 395-399.

國家科技重大專項“山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程”（編號：2011ZX05061）；中國石油天然氣股份有限公司重大專項“泌水煤層氣田勘探開發(fā)示范工程”（編號：2010E-2208）。

引用格式：任付平，韓長勝，王玲欣，鄭雅，郭素貞，劉斌. 微生物提高煤層氣井單井產(chǎn)量技術(shù)研究與實踐［J］.石油鉆采工藝，2016，38（3）：395-399.