CN105756637A - 一种利用煤层内源微生物提高煤层气采收率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用煤层内源微生物提高煤层气采收率的方法，属于微生物采气技术领域。该方法的技术要点是：步骤(1)，采集煤层气井煤层产出水样本，对所得煤层产出水样本中的有益内源微生物的种类及数量进行分析；所述有益内源微生物为煤层中代谢产生甲烷、氮气和二氧化碳的微生物；步骤(2)，按照步骤(1)所得所述内源微生物分析结果，确定适合所述内源微生物生长的营养液配方；步骤(3)，配制所述营养液并注入煤气井中。通过向煤层中添加营养体系，激活煤层中的有益内源菌群，利用内源菌群地下发酵产生的甲烷、氮气和二氧化碳等气体以及有机酸来提高煤层气产量。该方法不需要制备菌液，工艺简单、易于操作、安全环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用煤层内源微生物提高煤层气采收率的方法，属于微生物采气技术领域。
背景技术
煤层气是煤层本身自生自储式的非常规天然气，中国埋深浅于2000米的煤层气资源量为36.81万亿立方米，居世界第三位。煤层气的开发利用具有一举多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效应；有效减排温室气体，产生良好的环保效应；作为一种高效、洁净能源，产生巨大的经济效益，弥补常规能源的不足，在一定程度上改善我国的能源结构。
在我国煤层气抽采率偏低，平均仅为23％，而美国、澳大利亚等主要产煤国家煤层气抽采率均在50％以上。因此，如何提高煤层气的产量、解决煤层气开采的瓶颈问题是煤层气开发研究的重点。目前国内煤层气开采的方式主要有两种，分别为井下抽放煤层气和地面钻井开采煤层气。针对地面钻井开采煤层气采用的辅助增产措施主要有压裂技术、羽状钻井技术、注气增产技术、微生物降解煤增产技术。其中煤层气压裂技术和羽状钻井技术只能从短期增加煤层气产量，不能从根本上解决我国煤层气抽采率偏低的开发现状。
注气增产技术主要是向煤层中注二氧化氮、氮气以及烟道气促进煤层内甲烷气体的抽采。1995年，美国西南部的圣胡安(SunJuan)盆地进行了世界上首次CO2驱替煤层气的现场试验，而该技术的应用使得煤层气产气量增加了150％，采收率达95％。1998年，加拿大通过向位于Alberta省FennBigVaney试验区的单井注入纯CO2、纯N2、烟道气和富含CO2的烟道气，证实了注气能够提高煤层气产量。2008年，潞安矿业集团在常村煤矿N1-2尾巷进行了空气驱替煤层瓦斯试验，可以将钻孔瓦斯浓度提高58％，流量提高80％，证实了混合气体驱替煤层气技术的可行性。在地面钻井开采煤层气方面应用注气增产措施对注入设备要求高，施工费用昂贵并且增加了不安全因素。
目前，国内外采用的利用微生物增产煤层气技术是通过向煤气井中添加微生物，来降解热值低、经济利用价值不高的褐煤，将褐煤转化甲烷。因为褐煤中含有大量易被微生物利用的腐植酸，因此容易被微生物降解。
但是，目前我国煤层气开采针对的煤层主要是碳化程度比较高的高阶煤，煤组分比较稳定不易被微生物降解，如何利用微生物增加该类煤藏煤层气的产量是微生物采气技术研究的重点。
在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：
(1)，高阶煤煤层炭化程度较高，不易被微生物降解，不能通过现有的微生物采气技术提高煤层气采收率；
(2)，现有微生物采气技术需要配制菌液，工艺复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，本发明提供一种利用煤层内源微生物提高煤层气采收率的方法。
具体而言，包括以下的技术方案：
一种利用煤层内源微生物提高煤层气采收率的方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)，采集煤层气井煤层产出水样本，对所得煤层产出水样本中的有益内源微生物的种类及数量进行分析；所述有益内源微生物为煤层中代谢产生甲烷、氮气和二氧化碳的微生物；
步骤(2)，按照步骤(1)所得所述内源微生物分析结果，确定适合所述有益内源微生物生长的营养液配方；
所述营养液包括以下重量百分比的组分：
葡萄糖0.2～0.3％、糖蜜0.4～0.5％、氯化铵0.1～0.15％、酵母膏0.05～0.08％、磷酸氢二钾0.1～015％、氯化镁0.01～0.015％、磷酸二氢钠0.01～0.015％、乙酸钠0.1～0.15％、硝酸钠0.1～0.15％，余量为水；
步骤(3)，按照步骤(2)所得营养液配方在井站现场配制所述营养液，并将配制好的营养液注入煤层气井中；关井20～35天后，进行正常煤层气开采。
具体地，步骤(2)中所述营养液包括以下重量百分比的组分：
葡萄糖0.25％、糖蜜0.5％、氯化铵0.1％、酵母膏0.05％、磷酸氢二钾0.1％、氯化镁0.01％、磷酸二氢钠0.01％、乙酸钠0.15％、硝酸钠0.1％，余量为水。
具体地，所述水为煤层产出水。
具体地，所述有益内源微生物为产甲烷菌、发酵菌、腐生菌以及反硝化菌。
具体地，所述方法用于温度25～55℃、矿化度150000mg/L以下、所述内源微生物总浓度大于100个/ml以上的煤层。
具体地，步骤(3)中，在现场配液池中配制所述营养液，并通过注入管线将所述配液池中的营养液输送至煤层气井油管中，通过所述煤层气井油管将所述营养液注入煤层中。
具体地，步骤(1)中，要将所述煤层气井放空，然后再采集所述煤层气井煤层产出水样本；采样所用的设备要经过紫外线灭菌。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、通过向煤层中添加适合煤层中有益内源微生物生长的营养液，激活煤层中的有益内源菌群，使所述的内源菌群进行繁殖代谢，利用内源菌群地下发酵的方法产生有益于提高煤层气产量的甲烷、氮气和二氧化碳等气体。其中，甲烷是煤层气的主要成分，微生物代谢产生的甲烷提高了煤层气产量；煤层对氮气和二氧化碳的吸附能力比甲烷强，因此，氮气和二氧化碳可以将吸附在煤层中的甲烷置换出来。同时，微生物代谢还会产生小分子有机酸，这些有机酸可以溶蚀煤层组分，增加煤层孔隙度，促进煤层气的抽采。
2、不同于现有技术中向煤层中添加微生物的方法，本发明的方法只需向煤层注入营养液，而不需要在地面制备菌液，因此，该方法成本低廉、施工工艺简便、安全、易于操作、并且不会对环境产生有害影响。该方法有助于煤层气建立稳定微生物场，利用煤层产出水配制营养液可以实现煤层产出水循环利用，提高微生物采气效果，降低应用成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中营养液激活煤层内源菌群后的产气曲线；
图2为实施例2中煤层气井现场实施流程图。
图中标记分别表示：
1、储水池，2、输水泵，3.1、第一单流阀，3.2、第二单流阀，
4.1、第一配液池，4.2、第二配液池，
5.1、第一电动搅拌器，5.2、第二电动搅拌器，
6、输水管线，7.1、第一闸阀，7.2、第二闸阀，
8、注水泵，9、压力表，10注水管线，11、煤层气井油管。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供了一种利用煤层内源微生物提高煤层气采收率的方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)，采集煤层气井煤层产出水样本，对所得煤层产出水样本中的有益内源微生物的种类及数量进行分析；所述有益内源微生物为煤层中代谢产生甲烷、氮气和二氧化碳的微生物；
步骤(2)，按照步骤(1)所得所述内源微生物分析结果，确定适合所述有益内源微生物生长的营养液配方；
所述营养液包括以下重量百分比的组分：
葡萄糖0.2～0.3％、糖蜜0.4～0.5％、氯化铵0.1～0.15％、酵母膏0.05～0.08％、磷酸氢二钾0.1～015％、氯化镁0.01～0.015％、磷酸二氢钠0.01～0.015％、乙酸钠0.1～0.15％、硝酸钠0.1～0.15％，余量为水；
步骤(3)，按照步骤(2)所得营养液配方在井站现场配制所述营养液，并将配制好的营养液注入煤层气井中；关井20～35天后，进行正常煤层气开采。
在煤层气田煤层内存在着繁殖代谢过程中可以产生甲烷、氮气以及二氧化碳等有利于提高煤层气产量的气体的内源微生物。其中，甲烷为煤层气的主要成分；而氮气、二氧化碳则为现有技术中注气增产煤层气技术中常用的气体，煤层对氮气和二氧化碳的吸附能力比甲烷强，因此，氮气和二氧化碳可以将吸附在煤层中的甲烷置换出来。而在煤层中，由于缺少适合上述内源微生物繁殖代谢的营养物质，上述内源微生物在自然状态下不能提高煤层气的产量。基于此，本发明通过向煤层中添加适合煤层中上述内源微生物生长的营养液，激活上述内源菌群，使所述的内源菌群进行繁殖代谢，利用内源菌群地下发酵的方法产生有益于提高煤层气产量的甲烷、氮气和二氧化碳等气体。同时，微生物代谢还会产生小分子有机酸，这些有机酸可以溶蚀煤层组分，增加煤层孔隙度，促进煤层气的抽采，进而提高煤层气的采收率。
现有的微生物采气技术中，是向煤层中直接添加微生物，这就需要在地面配制菌液，成本高、工艺复杂。而本发明的方法只需向煤层注入营养液，而不需要在地面制备菌液，因此，该方法成本低廉、施工工艺简便、安全、易于操作、并且不会对环境产生有害影响。
在上述的方法中，步骤(1)中对煤层产出水样本微生物的分析是按照中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T0532-93《油田注入水细菌分析方法：绝迹稀释法》进行的。
在上述的方法中，营养液的配方要根据煤层产出水样本中微生物的种类和浓度的确定。营养液不仅要能有效促进有益微生物的生长代谢，还要能够抑制有害微生物的生长。例如煤层中除了存在代谢过程中可以产生甲烷、氮气、二氧化碳等气体的有益微生物，还存在硫酸盐还原菌等有害微生物，硫酸盐还原菌的存在会导致设备的腐蚀，因此，所配制的营养液不能使硫酸盐还原菌的数量大幅增加。上述营养液中各组分的质量比例优选：葡萄糖0.25％、糖蜜0.5％、氯化铵0.1％、酵母膏0.05％、磷酸氢二钾0.1％、氯化镁0.01％、磷酸二氢钠0.01％、乙酸钠0.15％、硝酸钠0.1％，余量为水。
在上述的方法中，配制营养液所用的水没有严格的限制，可以为煤层产出水，也可以为非煤层产出的清水。但是优选煤层产出水，不仅有利于微生物的繁殖代谢，更可以实现对煤层产出水的循环利用，节约能源、降低成本、安全环保。
在上述的方法中，煤层中的有益内源微生物主要是产甲烷菌、发酵菌、腐生菌以及反硝化菌，它们的生化特性如表1所示。
表1煤层有益内源菌生化特性
在本发明的方法的实际应用中，发明人发现该方法在温度25～55℃、矿化度150000mg/L以下、所述内源微生物总浓度大于100个/ml以上的煤层中应用，提高煤层气采收率的效果更好。对煤层温度和矿化度的筛选可以参考煤层气区块的地质资料，对内源微生物浓度的分析则按照SY/T0532-93《油田注入水细菌分析方法：绝迹稀释法》进行。
在上述的方法中，步骤(3)中，在现场配液池中配制所述营养液，并通过注入管线将所述配液池中的营养液输送至煤层气井油管中，通过所述煤层气井油管将所述营养液注入煤层中。具体步骤为：
步骤(31)，将储水池中的水通过输水泵、输水管线、单流阀注入配液池；
步骤(32)，当注入水的量达到预定注入量的三分之一时，按照步骤(2)所得营养液配方，将所述营养液的其余组分加入所述配液池内，并用所述配液池的搅拌器搅拌，使所述营养液的各组分混合均匀；预定的注入量根据煤层的大小、厚度以及煤层孔隙度确定，可以参考下面的公式：
其中，V表示营养液注入量，r表示煤层半径，h表示煤层厚度，表示煤层孔隙度。
步骤(33)，继续将储水池中的水注入配液池，直至注入的水的量达到预定注入量，然后继续搅拌，使所述营养液各组分完全溶解；
步骤(34)，将步骤(33)中配制好的营养液通过闸阀、注水泵、注水管线输送至煤层气井油管中，通过所述煤层气井油管将所述营养液注入煤层中，注入排量为5m3/h以上；
步骤(35)，营养液注入完成后，关井20～35天，使煤层内原微生物充分生长繁殖，当产生的气体的量稳定后，进行正常煤层气开采。
其中，单流阀、配液池、搅拌器以及闸阀的数量均为2，两组设备交替进行步骤(31)～步骤(34)，即第一组设备进行营养液注入时，第二组设备进行营养液配制，使营养液不间断的注入到煤层中。
上述的设备中，储水池和配液池的体积可根据井场大小以及营养液的注入量选择；输水管线根据配液池入口和出口大小选择，没有特殊要求；但是由于注水泵和注水管线与煤层气井相连，因此对压强有要求，注入泵的最高工作压力25MPa、排量≥5m3/h，注水管线耐压≥25MPa。
在上述的方法中，步骤(1)中，在采集煤层气井煤层产出水样本前，要将煤层气井放空，这样做是为了保证所采水样为煤层内部的产出水，以使后续的水样分析结果更加真实；采样所用的设备要经过紫外线灭菌。
以下实施例1～2中营养液中的葡萄糖、糖蜜、氯化铵、酵母膏、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、氯化镁、乙酸钠、硝酸钠均为发酵级。
对微生物数量的检测按照SY/T0532-93《油田注入水细菌分析方法：绝迹稀释法》进行。
实施例1
本实施例是在实验室中模拟本发明的微生物采气过程。实验过程为：以煤层产出水160g配置营养液，各营养物质的添加量为：葡萄糖0.4g、糖蜜0.8g、氯化铵0.16g、酵母膏0.08g、磷酸氢二钾0.16g、磷酸二氢钠0.016g、氯化镁0.016g、乙酸钠0.24g、硝酸钠0.16g；将配置好的营养液置于250ml厌氧瓶中，并向厌氧瓶中添加150g煤，样品密封培养，并收集气体。
产气曲线见图1；样品反应时间为42天，产生的气体总量为340ml，气体产生率为每毫升营养液产生2.125ml气体，每克煤产气量为2.267ml。产生气体的量在第32天时达到最大值，并趋于稳定。
利用气相色谱对所收集的气体组分进行分析，检测结果见表2。
表2气体组分分析
| 二氧化碳(％) | 氮气(％) | CH4(％) |
| 1.7922 | 12.2001 | 85.0077 |
从表2可以看出，产生的气体以甲烷气为主，并含有一定量的二氧化碳和氮气。
待产气量稳定后，检测培养前后样品中的菌群变化，利用高效液相色谱对微生物作用后的培养液中有机酸进行分析。菌群检测结果见表3，有机酸分析结果见表4。
表3培养前后菌群分析
表4有机酸分析(乙酸)
| 项目 | 激活前 | 激活后 |
| 乙酸(mg/l) | 0 | 89.236 |
| pH值 | 7.124 | 6.405 |
从表3可以看出，在培养前后，发酵菌、反硝化菌、腐生菌以及产甲烷菌的数量显著提高，提高了三个数量级以上。而有害的硫酸盐还原菌数量增幅较小。从表4可以看出，添加营养液后，有机酸含量明显增加。
以上室内模拟试验结果表明，本发明的方法能够有效激活煤层产出液和煤样品中的产甲烷菌、发酵菌、反硝化菌以及腐生菌等有益菌群，使其浓度大幅度提高，并产生以甲烷为主、同时含有少量氮气和二氧化碳的生物气体。微生物代谢过程中还会产生有机酸。并且有害菌群硫酸盐还原菌增幅较小。
实施例2
本实施例为本发明的方法的现场实施过程。
以华北油田山西煤层气勘探开发分公司郑1-165煤层气井为实验井，
根据该井所在区块的地质资料得到，该煤层气井的煤层温度为31.0℃、矿化度2340.8mg/L。
将该井放空后，采集煤层产出水样本，对其中的微生物进行分析。结果如表5所示。
表5煤层产出水样本菌群分析
根据上述分析结果，确定营养液中各组分重量比例如下：葡萄糖0.25％、糖蜜0.5％、氯化铵0.1％、酵母膏0.05％、磷酸氢二钾0.1％、氯化镁0.01％、磷酸二氢钠0.01％、乙酸钠0.15％、硝酸钠0.1％，余量为水。
按照上述的营养液配方，在现场配制该营养液，并将配制好的营养液注入煤气井中；结合图2，现场的设备如下：储水池1的出口安装有输水泵2，输水泵2的出口通过第一单流阀3.1、第二单流阀3.2分别与第一配液池4.1、第二配液池4.2的入口相连接；第一配液池4.1内安装有第一电动搅拌器5.1，第二配液池4.2内安装有第二电动搅拌器5.2；第一配液池4.1和第二配液池4.2的出口分别通过第一闸阀7.1、第二闸阀7.2与注入泵8的进口相连接，注入泵8的出口连接在井口的注水管线10上，注水管线10与煤层气井油管11连通。注水管线10上设置有压力表9。
其中，储水池1的容积为20m3，第一配液池4.1、第二配液池4.2的容积为10m3；输水泵2为排量大于15m3/h的离心泵；注水泵的最大注入压力为25Mpa；各个设备之间通过外径为76.0mm、壁厚为7.34mm的J55油管连接，井口和管线试压25Mpa不刺不漏后开始现场施工。
具体的配液、注入流程如下：
步骤(a)，利用排量≥15m3/h、扬程≥20m的电潜泵将运送罐车中的煤层产出水加入到储水池1中。
步骤(b)，打开第一单流阀3.1，启动输水泵2，将储水池1中的煤层产出水通过输水管线6输送至第一配液池4.1中，当第一配液池4.1中的煤层产出水达到3.3m3左右时，按照10m3的配液量向配液池4.1中添加以下重量的组分：葡萄糖25kg、糖蜜50kg、氯化铵10kg、酵母膏5kg、磷酸氢二钾10kg、磷酸二氢钠1kg、氯化镁1kg、乙酸钠15kg、硝酸钠10kg；当上述各组分添加完后，用第一电动搅拌器5.1搅拌均匀；搅拌同时继续向第一配液池4.1内注入煤层产出水，第一配液池4.1内的液体的量达到10m3。
步骤(c)，当第一配液池4.1内的营养液配好后，关闭第一单流阀3.1，打开第一闸阀7.1和井口注入阀门，开启注水泵8，将配液池4.1中配好的营养液通过注水管线10输送到煤层气井油管11，进而注入到煤层中；注入过程中用压力表9控制压力。
步骤(d)，在将第一配液池4.1内的营养液注入煤层过程中，打开第二单流阀3.2，按照步骤(b)，在第二配液池4.2中配制营养液；当第一配液池4.1中的营养液注入完毕后，则继续将第二配液池4.2中的营养液注入煤层中；第一配液池4.1和第二配液池4.2交替配液，轮流注入。
步骤(e)，将预定量的营养液全部注入煤层中后，关井30天，使煤层中的发酵菌、反硝化菌、腐生菌、产甲烷菌充分生长繁殖，待微生物产生气体的量稳定后，然后恢复正常煤层气开采。
在实施了上述方法后，煤层气单井产量由措施前的50m3/d增加到630m3/d，能够实现单井180天持续稳产，单井阶段增气量10.4万m3。
由此可见，本发明的利用煤层内源微生物提高煤层气采收率的方法，可以通过增加煤层气单井产量有效提高煤层气采收率。
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种利用煤层内源微生物提高煤层气采收率的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤(1)，采集煤层气井煤层产出水样本，对所得煤层产出水样本中的有益内源微生物的种类及数量进行分析；所述有益内源微生物为煤层中代谢产生甲烷、氮气和二氧化碳的微生物；
步骤(2)，按照步骤(1)所得所述内源微生物分析结果，确定适合所述有益内源微生物生长的营养液配方；
所述营养液包括以下重量百分比的组分：
葡萄糖0.2～0.3％、糖蜜0.4～0.5％、氯化铵0.1～0.15％、酵母膏0.05～0.08％、磷酸氢二钾0.1～015％、氯化镁0.01～0.015％、磷酸二氢钠0.01～0.015％、乙酸钠0.1～0.15％、硝酸钠0.1～0.15％，余量为水；
步骤(3)，按照步骤(2)所得营养液配方在井站现场配制所述营养液，并将配制好的营养液注入煤层气井中；关井20～35天后，进行正常煤层气开采。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述营养液包括以下重量百分比的组分：
葡萄糖0.25％、糖蜜0.5％、氯化铵0.1％、酵母膏0.05％、磷酸氢二钾0.1％、氯化镁0.01％、磷酸二氢钠0.01％、乙酸钠0.15％、硝酸钠0.1％，余量为水。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述水为煤层产出水。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有益内源微生物为产甲烷菌、发酵菌、腐生菌以及反硝化菌。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法用于温度25～55℃、矿化度150000mg/L以下、所述内源微生物总浓度大于100个/ml以上的煤层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，在现场配液池中配制所述营养液，并通过注入管线将所述配液池中的营养液输送至煤层气井油管中，通过所述煤层气井油管将所述营养液注入煤层中。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，要将所述煤层气井放空，然后再采集所述煤层气井煤层产出水样本；采样所用的设备要经过紫外线灭菌。
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