CN104295276A

CN104295276A - 一种提高煤层气采收率的方法

Info

Publication number: CN104295276A
Application number: CN201410363562.2A
Authority: CN
Inventors: 郭红光; 李治刚; 王飞
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2034-07-29
Also published as: CN104295276B

Abstract

本发明公开了一种提高煤层气采收率的方法，包括：（1）采集目标煤层气田资料，培养微生物菌群；（2）超临界CO₂预处理；（3）微生物降解增产煤层气。本发明利用煤层原位微生物菌群，能够很好的适应目标煤层环境；采用混合菌群富集和单菌种分离相结合的方法，以提高微生物对煤的降解能力；采用超临界CO₂预处理方法有效增加煤与微生物的相互作用，促进煤的生物降解，提高生物甲烷的生成量；采用的超临界CO₂预处理成本低，且具有实现能源循环利用的潜能。

Description

一种提高煤层气采收率的方法

技术领域

本发明涉及一种提高煤层气采收率的方法，包括超临界CO₂驱替技术、微生物降解增产煤层气技术，具体地说是一种利用超临界CO₂改变煤体结构来促进生物降解煤以提高煤层气采收率的方法。

背景技术

煤层气抽采率和利用率低的现状严重制约了煤层气产业的发展。如何实现煤层气的增产成为当今煤层气开发的重要研究内容。在众多煤层气增产技术中，微生物增产煤层气（Microbially Enhanced Coal Bed Methane）技术以其绿色、无污染、能够产生新的煤层气等特点，已成为当前研究热点。

微生物增产煤层气是将厌氧微生物种群及其所需营养物质注入到煤层中，利用微生物能够降解煤产生甲烷的特性来实现煤层气的增产。由此，微生物增产煤层气技术不但存在产出新煤层气的资源潜力，同时微生物的降解作用可以增加煤层的渗透性，有利于煤层气的开采。微生物增产煤层气技术具有重大能源和经济价值，具有广阔的应用前景。多项研究显示，微生物增产煤层气技术在理论上、实验中和实践中都是可行的。然而，该技术在现场的实际应用还非常有限，煤层气增产效果欠佳，产甲烷速率较低。该技术的核心是煤的生物降解产生甲烷，限速步骤是前期煤分子的断裂以及煤组分的激活和降解过程。与一般的大分子有机物相比，煤分子的基本结构中包含大量的苯环、脂环和杂环，结构更加紧密。而且，煤层原位环境中主要以煤为主，微生物菌群只能通过煤中有限的裂隙、孔隙进入煤层深处，与煤基质中的可降解成分接触。因而，微生物与煤中可降解成分的接触面积较小，导致煤分子中的有效生物底物浓度较低，严重制约了煤的生物降解。

超临界CO₂是工业上常用的超临界萃取流体，其临界点容易达到，一般不与被萃取物发生反应，在轻工、食品、医药等领域得到了广泛应用。超临界CO₂的扩散系数为液体的100倍，具有惊人的溶解能力，能够有效萃取复杂化合物中的有机物。姜仁霞在论文“超临界CO₂萃取煤中有机质试验装置的建立及萃取实验研究”中公开了一种超临界萃取煤的试验装置，能够把煤中部分有机小分子萃取出来，包括烃类、含氧化合物和含氮化合物。孙诗炜在论文“超临界CO₂与DMF混合溶剂萃取煤的研究”中公开了超临界CO₂与DMF混合溶剂萃取获得煤中一些有价值物质，如芳烃化合物和正构烷烃等。这些研究证实了超临界CO₂对煤的有效萃取能力。

发明内容

本发明旨在提供一种利用超临界CO₂的高效溶解能力改善煤层结构，增强生物降解煤产甲烷的效率，以提高微生物对煤层气增产的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种提高煤层气采收率的方法，包括以下步骤：

Ⅰ培养微生物菌群：收集目标煤层气田地质资料，采集煤样和产出水样，培养产甲烷混合菌群；

Ⅱ超临界CO₂预处理：在实验室，利用煤样试件模拟煤层原位结构，分析超临界CO₂预处理的最适条件；在煤层气田现场，对目标煤层进行超临界CO₂预处理；

Ⅲ微生物降解煤：将Ⅰ中获得的菌液缓慢注入超临界CO₂预处理后的目标煤层中，监测气体成分和浓度变化，利用煤层气抽采方式将产生的甲烷采出利用。

所述提高煤层气采收率的方法，具体包括以下步骤：

（1）收集目标煤层气田地质资料，采集煤样和产出水样，利用分子生态学方法对所取煤样和产出水样进行厌氧菌群检测；

（2）以煤为唯一碳源，同时提供营养成分，在实验室内富集、培养降解煤产甲烷的厌氧微生物菌群；以单位质量煤产出的甲烷量和产甲烷速率为指标，通过反复转接、培养、驯化获得产甲烷菌群；

（3）针对步骤（1）中获得的厌氧微生物菌种资源，分离、筛选芳香族、脂肪族和纤维素类化合物的降解菌株，分离、筛选产甲烷菌菌株；

（4）同样以单位质量煤产出的甲烷量和甲烷生成速率为指标，确定步骤（3）获得的纯菌株与步骤（2）获得的产甲烷菌群的最佳配伍比例和微生物菌群组成，获得改进后的产甲烷混合菌群；

（5）在实验室，利用目标煤样制备标准试件，进行超临界CO₂预处理，以煤体重量变化、萃取物成分变化以及萃取前后单位质量煤被生物降解产出的甲烷量为指标，确定超临界CO₂预处理目标煤的最佳处理条件，包括处理的温度、压力、时间；

（6）对于温度低于35℃的目标区，以注蒸汽技术提高煤层温度；

（7）在注入井口将超临界CO₂注入目标区，按照步骤（5）中确定的处理温度、压力、时间进行超临界CO₂预处理，萃取、溶解煤中部分有机物，改善煤层孔隙、裂隙结构；

（8）在生产井口收集超临界CO₂驱替产出的煤层气，以降低煤层压力；

（9）将步骤（4）中获得的菌液缓慢注入超临界CO₂预处理后的目标煤层中；

（10）检测生产井口的气体成分和浓度变化，适时添加菌液或培养液；

（11）待甲烷浓度满足利用条件时，通过煤层气抽采技术将地下生成的甲烷气体采出利用。

所述的分子生态学方法包括克隆文库、qPCR方法；对煤及产出水样进行厌氧菌群检测为利用克隆文库技术分析样品中的微生物群落结构，通过qPCR技术进行菌种定量分析。

所述产甲烷混合菌群为参与煤的生物降解的厌氧发酵细菌和产甲烷古菌构成的微生物菌群。

所述确定纯菌株与产甲烷菌群的最佳配伍比例为：纯菌株在对数生长期与产甲烷菌群的体积比，或纯菌株与产甲烷菌群之间的16S rRNA基因的拷贝数之比。

所述超临界CO₂预处理条件为：温度为35~50℃，压强不低于7.4 MPa，处理时间不少于12h。

本发明将超临界CO₂萃取煤体与微生物增产煤层气技术有机结合：

首先利用超临界CO₂处理煤，溶解煤中部分有机物，能够增强煤的孔隙、裂隙发育水平。

然后将微生物注入超临界CO₂处理后的煤体，微生物能够通过这些孔隙和裂隙与煤充分接触，增加微生物与煤的接触面积，从而促进微生物降解煤产甲烷；而萃取出来的有机物从结合态转变为游离态，活性得到加强，更容易被微生物所降解。

该方法将有效促进煤的厌氧生物降解产甲烷，提高微生物增产煤层气技术的采收率，推动微生物增产煤层气技术的应用，对缓解石化能源紧张，实现煤炭的高效、绿色开发和能源的循环利用等具有重大理论和实际意义。超临界CO₂溶解煤中部分有机物，能够增大煤中可降解有机物与微生物的接触面积，解决生物降解煤的限速步骤，提高生物降解煤产甲烷的速率，从而提高微生物增产煤层气的采收率。

本发明的有益效果：

1）所用菌种资源来源于煤层，没有外源菌群的介入，不存在菌种入侵威胁，不存在煤层本源菌对注入菌液的负面影响。

2）最佳菌群的获得整合了混合菌群富集和单一菌种分离的优点，既保证了煤降解菌群的完整性，同时也增强了部分关键微生物的作用。

3）超临界CO₂预处理不仅会提高微生物对煤的降解能力，而且能够驱替煤层赋存的甲烷，煤层气增产效果更佳。

4）超临界CO₂预处理煤层不仅不会污染生态环境，而且，在条件适宜的情况下，注入煤层的CO₂还会被产甲烷菌转化为甲烷而被再次利用，实现资源的循环利用。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：提高煤层气采收率的方法

该方法具体步骤如下：

第一步，选定目标煤层气田沁水煤层气田某区域，收集相关地质资料，采集煤层气赋存煤层煤样和产出水样，利用16S rRNA基因克隆文库、qPCR对所取煤和产出水样进行厌氧菌群检测；

结果显示，该煤层气田的目标煤层为3^#煤，煤层原位温度为37℃，储层压力为5.6MPa。产甲烷菌主要为氢营养型的甲烷叶菌属，细菌主要为变形菌门和厚壁菌门，细菌中检测到芳香族化合物降解菌、脂肪族化合物降解菌和纤维素降解菌等功能细菌。

第二步，以煤为唯一碳源，从煤样和产出水样中富集产甲烷菌群。根据产出水的pH和矿化度，富集培养的温度选择35℃，pH为7.5，矿化度为1000mg/L。通过反复转接、培养、驯化获得产甲烷菌群；

其中，产甲烷菌群的富集培养基组分为：

1L富集培养基包含K₂HPO₄ 0.4 g，MgCl₂ 2.0 g，KH₂PO₄ 0.4g，酵母提取物1.0 g，NH₄Cl 1.0 g，刃天青0.001 g，半胱氨酸0.5 g，Na₂S 0.2 g，NaHCO₃ 0.2 g，乙酸钠2.0 g，KCl 0.2 g，NaCl 2.0 g，微量元素溶液10.0 ml，维生素溶液10.0 ml，pH 7.0。

1L微量元素溶液包括：FeCl₂·4H₂O 1.5mg，AlK(SO₄)₂ 10mg，ZnCl₂ 70mg，NiCl₂· 6H₂O 24mg，MnCl₂·4H₂O 100mg，NaMoO₄ 6mg，CuCl₂ 2mg，H₃BO₃ 36mg，CoCl₂·6H₂O 190 mg，25% HCl 10 ml/L

1L维生素溶液包括：生物素 2mg，叶酸2mg，B6 10mg，B2 5mg，B1 5mg，烟酸 5mg，B12 0.1mg，硫辛酸 5mg，对氨基苯甲酸 5mg。

第三步，针对步骤1中检测到的产甲烷菌、芳香族化合物降解菌、脂肪族化合物降解菌和纤维素降解菌，配制选择性培养基分离、筛选相关功能菌株，选取其中降解效率较高者以备后续研究；

其中：

①产甲烷菌的选择性培养基组分为：1L富集培养基包含100mL基础培养基，10mL微量元素，10mL维生素，以及0.001%刃天青，1ml 0.2% Fe(NH₄)₂(SO₄)₂以及40ml 1.25% cysteine-1.25% Na₂S。各配方如下：

基础营养成分：KCl 3.35g，CaCl₂·2H₂O 1.4g，MgCl₂·2H₂O 27.5g，K₂HPO₄1.4g，MgSO₄·7H₂O 34.5g，NaCl 110g，NH₄Cl 2.5g，酵母提取物 10g。

微量元素与维生素溶液的配方同第二步。

②芳香族化合物降解菌、脂肪族化合物降解菌和纤维素类化合物降解菌的选择性培养基组分均为在无机盐培养基的基础上添加芳香族化合物或脂肪族化合物或纤维素类化合物为唯一碳源；

1L无机盐培养基包含：KH₂PO₄1g，Na₂HPO₄1.3g，(NH₄)₂SO₄ 1g，MgSO₄0.2g，FeSO₄·7H₂O 0.05g，CaCl₂ 0.02g，ZnSO₄·7H₂O 5mg，MnCl₂·4H₂O 5mg，NaMoO₄·2H₂O 1mg，CuCl₂ 0.5mg，40ml 1.25% cysteine-1.25% Na₂S，以及0.001%刃天青。

芳香族化合物碳源包括：多环芳烃、苯二甲酸、酚类、联苯等。

脂肪族化合物碳源包括：C₂₂-C₃₆烷烃类、十六烷酸、单甲基烷烃和烷基环乙烷等。

纤维素类化合物碳源包括：滤纸片、纤维素粉、羟甲基纤维素钠等。

菌群的富集和筛选都是常规技术，在此就不一一赘述。

第四步，通过正交实验，对产甲烷菌群与芳香族、脂肪族和纤维素降解菌株的不同配伍比例下的单位质量煤产出的甲烷生成量进行检测，确定最佳的配伍比例为，产甲烷菌群与芳香族、脂肪族和纤维素降解菌株的对数期体积比为6:1:1:2，获得改进后的产甲烷菌群。

第五步，在温度为35℃条件下，压力调整范围为7.4~10 MPa，处理时间为12h ~ 120h，检测煤的超临界CO₂预处理对生物降解煤产甲烷的影响，确定在温度为35℃条件下，最佳处理压力为10MPa，最佳处理时间为72h；

第六步，在目标区的注入井口注入超临界CO₂，维持压力在10MPa，进行超临界CO₂预处理72h；

第七步，在生产井口收集由于超临界CO₂预处理而驱替产生的煤层气（甲烷），分析气体成分；

第八步，在注入井口将第四步中获得的产甲烷菌群缓慢注入煤层，密封井口。

第九步，检测生产井口的气体成分和浓度变化，根据检测结果（甲烷、二氧化碳的浓度变化），决定是否添加菌群及培养液；

一般来说，在检测到甲烷浓度和产量不升高，而二氧化碳浓度和产量仍然有上升趋势时，则补加菌液。

第十步，利用公知的煤层气抽采方式将产生的甲烷采出利用。

我国的煤层气开采技术主要以水力压裂为主，或是煤矿瓦斯地面抽采技术，都是公知的技术。

Claims

1.一种提高煤层气采收率的方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的提高煤层气采收率的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的提高煤层气采收率的方法，其特征在于：所述的分子生态学方法包括克隆文库、qPCR方法；对煤及产出水样进行厌氧菌群检测为利用克隆文库技术分析样品中的微生物群落结构，通过qPCR技术进行菌种定量分析。

4.根据权利要求2所述的提高煤层气采收率的方法，其特征在于：所述产甲烷混合菌群为参与煤的生物降解的厌氧发酵细菌和产甲烷古菌构成的微生物菌群。

5.根据权利要求2所述的提高煤层气采收率的方法，其特征在于：所述确定纯菌株与产甲烷菌群的最佳配伍比例为：纯菌株在对数生长期与产甲烷菌群的体积比，或纯菌株与产甲烷菌群之间的16S rRNA基因的拷贝数之比。

6.根据权利要求2所述的提高煤层气采收率的方法，其特征在于：所述超临界CO₂预处理条件为：温度为35~50℃，压强不低于7.4 MPa，处理时间不少于12h。